陆域蒸散的测算理论方法:回顾与展望

蒸散是地球水分循环与能量转换的关键环节.陆域蒸散的精准测算是地球物理、生物乃至环境过程研究的共同科学难题.以英国Dalton和Penman等人为代表的开创性工作,以及大气边界层湍流交换理论与实验的不断发展,奠基了现代主流的蒸散测算方法.20世纪90年代以来技术趋于成熟的涡动相关系统和卫星遥感等观测手段,跨越寒带到热带、干旱区到湿润地区,涵盖水体、湿地、森林、农田、草地、裸地、城市等不同下垫面类型,极大地拓展了对蒸散过程认知的深度和广度;捕捉了诸如地表夜间蒸散、蒸散迟滞现象、非均匀下垫面的湍流间歇、平流关联的岛屿效应、下垫面转捩效应等新的现象和事实,对经典相似性理论和蒸散测算理论等提出了新的挑战;最大熵增蒸散模型和非参数化蒸散模型等新方法和新理论的萌芽已经出现.与此同时,点位高频观测和航空航天遥感技术构筑了从植物气孔到叶片、植株、冠层、景观、流域等跨尺度测算手段,在地表蒸散过程观测及机理解析上,形成纵向深化及横向综合的新进展.陆域蒸散新理念、新模型、新技术的综合性发展,成为突破蒸散精准测算难题的基础条件,这将为揭示地球系统的水-热-碳循环机理等全球性重大基础理论问题,为满足农业灌溉与粮食安全、水资源精细化管理与生态环境保护、城市热环境调控与全球升温适应对策等国家重大需求,提供更为严谨坚实的科学理论依据和实验支撑.     

气溶胶辐射效应对边界层结构及夹卷特征影响的观测分析

2017年12月22日至2018年1月18日利用无人机携带温、湿和颗粒物浓度探测仪对南京地区灰霾污染条件下大气边界层垂直结构开展加密观测。通过比较不同灰霾污染条件下温度、湿度和PM_2.5（直径小于2.5微米的颗粒物）浓度的垂直结构差异,结合地面热通量、2米空气温度、相对湿度、风速、风向及主要大气污染物（如臭氧和PM_2.5）浓度,定量评估了气溶胶辐射效应对边界层和夹卷过程的影响。分析表明,灰霾或气溶胶削弱到达地表太阳辐射,减小地表感热通量,延迟边界层发展,增加近地层大气稳定度,降低边界层高度,并加重灰霾污染。灰霾污染物在混合层顶处累积,导致PM_2.5浓度最大变化出现在边界层顶部而不是近地层。气溶胶辐射效应对夹卷特征及其特征参数有重要影响。灰霾浓度升高时,夹卷区厚度增加;无量纲化夹卷速度随对流理查逊数的变化不再符合负1次方幂函数关系,与大涡模拟结果一致。本研究进一步指出,为提高重霾污染条件下天气和空气质量数值预报水平,必须考虑气溶胶辐射效应对边界层和夹卷参数化的影响。     

不同环境风场条件下两次华南西部低涡暴雨个例对比分析

利用常规观测资料、FY 2C卫星TBB资料、自动站降水量以及NCEP/NCAR再分析资料,对2009年7月3-4日(简称“09.7”)和2008年6月1 6 1 7日(简称“08.6”)两次发生在华南西部的低涡暴雨过程进行对比分析,结果表明:(1)低涡是两次暴雨过程的直接影响系统,“09.7”过程伴随西南低空急流,“08.6”过程无低空急流配合,中尺度辐合可能在两次强降水过程中有着直接的触发作用.(2)“09.7”过程的低层辐合强度及上升运动强度明显强于“08.6”过程.“09.7”过程较“08.6”过程,暖平流强度明显偏强,等温度平流线也较密集.(3)相比“08.6”过程,“09.7”过程水汽净流量更大,这是西南低空急流将充足水汽往暴雨区输送的结果.(4)“09.7”和“08.6”两次暴雨过程均与高空西风急流南侧的垂直环流圈密切相关,“09.7”过程由于低空有急流存在,上升运动维持时间长,降水强度大,历时长,“08.6”过程广西境内低空无急流,上升运动维持时间短,降水强度偏弱,历时短.     

“09.11.10”石家庄特大暴雪中尺度风场分析

利用常规观测、雷达资料以及四维变分方法反演的风场资料,对2009年11月10-12日石家庄特大暴雪过程的形势场和中尺度风场结构进行了详细分析.从影响系统来看,此次特大暴雪过程分为两个阶段:回流降雪和西来槽降雪.回流降雪是特大暴雪的主要时段,此阶段西部山区降雪明显大于东部平原;而西来槽降雪阶段全区降雪比较均匀.由雷达反射率因子和径向速度可见:10日降雪具有对流性质,而且回波不断地自西部山区向石家庄市区移动,产生“列车效应”,造成市区及西部降雪强度较大;11-12日回波强度弱,降雪强度也较弱.分析雷达四维变分反演风场得到如下结论:(1)反演风场能够准确展现东风影响的时间和高度、西来槽影响的始末,对预报员定性外推降雪的强度起到非常好的参考作用.(2)低层水平反演风场上,存在一个比较窄的东风带,回波沿东风带自西向东移动,石家庄市区处于北到东北风的“回流墙”附近,东移回波在此堆积,移速减慢,影响时间较长;同时,市区附近存在风向性和风速性辐合,致使回波在石家庄附近加强或维持.(3)反演风场垂直剖面图上,东风回流降雪阶段,低层东风区上空存在一个“反气旋”,强回波位于“反气旋”所包围的范围.     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义, 湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一。选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统, 离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA 相似理论迭代方案B), 并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析。在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下, 根据边界层铁塔4层高度风速拟合, 发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显。将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算。结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素, 在不稳定条件下方案B低估了动量通量, 方案A优于方案B, 而在稳定条件下方案A低估了动量通量, 方案B优于方案A, 两种方案总体来看误差不大。对于大理边界层通量观测场地农田植被交替的环境条件, 不同季节下垫面植被类型的差异, 以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显著影响。方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异, 不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A。针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象, 在使用了(Zeng, et al, 1998)提出的对于使用辐射地表温度在裸土下垫面时的订正方法后, 计算结果也有明显改善。     

不同参数化方案对风预报效果影响个例研究

中尺度气象模式对风场的预报效果与参数化方案的适应性紧密相关.以内蒙古高原丘陵地形、江苏平缓的海陆交界地形2种典型下垫面试验风电场为模拟区域,分别用WRFV3.2 （Weather Research and Forecast Model）模式自带的6种物理过程参数化组合方案预报了2010年1月和7月两个风电场区域的风速和风向,对比分析了参数化组合方案差异对风场预报的影响.结果表明：①内蒙古试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;微物理方案WSM3在夏季的风速预报能力优于WSM6,而冬季相反;复杂地形区域的风场预报需考虑陆面过程参数化方案,尤其是夏季降水发生后,陆面过程对于边界层结构的影响增大,选用Noah优于无陆面过程.②江苏试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;1月陆面过程RUC方案优于陆面热量扩散和Noah;7月陆面热量扩散方案优于RUC和Noah.③风向预报6个方案的预报风向统计与实际记录风向统计有较好的一致性,风向概率分布相似,盛行风向一致且稳定.     

我国城市气候学研究进展

中国地理学会和中国气象学会1986年4月22—27日,在广西桂林市召开了第二届全国城市气候会议。本文以这次论文为基础,概述了1982年在厦门召开的城市气候会议     

库姆塔格沙漠春季近地面风场、温度场特征

 利用中尺度区域预报模式系统对库姆塔格沙漠及其周边地区春季近地层风场与温度场分布特征进行了模拟和分析。结果发现,受青藏高原地形影响,偏北气流向南运行在途经库姆塔格沙漠的过程中发生3个分支:①在沙漠东部气流逐渐转变为西北风吹向甘肃省;②中西部气流以较强的东北风流向塔克拉玛干沙漠;③另一部分气流继续顺势南下流入青海省。沙漠区域温度从北向南逐渐降低,在青海省的边界上出现一个低温带,然后温度又开始增加。     

城市热岛效应的研究进展与展望

随着世界各国城市化的进展,城市热岛效应已经成为一个跨学科领域的问题,受到包括大气环境、区域气候、水文和生态等多学科科学家的关注。在过去半个多世纪中,城市热岛问题的研究获得了相当丰富的研究成果,通过对这些成果的综合分析,归纳出城市热岛研究中采用的3类主要方法——观测(外场试验和遥感技术)、数值模拟以及实验室仿真法。系统地回顾了城市热岛效应的研究历史,重点对与城市热岛关系最密切的城市边界层、热岛环流与复杂地形的相互作用以及能量平衡研究所取得的成果进行了总结和评述。最后对城市热岛问题未来8个可能的研究方向进行了探讨,其中,包括沿海和复杂地形附近的城市热岛问题、城市群间热岛环流的相互作用、城市化与空气污染问题、城市热岛效应对平均降水的影响、城市化对雾和闪电的影响、城市天气预报的精细化、城市气候变化预测以及城市热岛效应减缓方案的制定,并对其发展前景进行了粗略的展望。