应用BIOME-BGC模型研究典型生态系统的潜热通量——半干旱地区吉林通榆的模拟

年降雨量和年蒸发量在某种程度上反映了区域内水资源的丰富程度。随着社会和经济的发展,我国东北西部半干旱区的水资源供需矛盾日益突出。作者应用BIOME-BGC模型模拟了国际协调强化观测计划(CEOP)亚洲季风比较研究(CAMP)的一个地面观测基准站半干旱地区吉林通榆2002年10月~2003年9月草地和农田生态系统的潜热通量,并将模拟结果与通榆“干旱化和有序人类活动”长期观测站涡度相关法测定的观测值进行了比较,结果表明两者基本一致。此外,CEOP的观测数据对模型的验证和改进具有重要意义,半干旱区水资源的合理利用须引起当地政府和群众的重视。     

北京一次大暴雨的水汽收支和微物理过程数值分析

利用NCEP1°×1°再分析资料和常规气象观测资料,使用WRF模式对2012年7月21日发生在北京地区的一次特大暴雨天气过程进行数值模拟。在模拟结果的基础上,分析了此次暴雨过程的形势演变和水汽条件,并分别计算了暴雨发生过程中北京全市范围内的水汽输送、水汽收支、大气可降水量和空中各相态水物质的量值大小、空间分布情况及其相互转化关系。结果发现:这次降水主要受高空槽、低涡和地面切变线的影响。有东南、西南两条水汽输送通道,计算区域上空水汽收支变化与地面雨强的演变对应很好。中低层持续而强烈的水汽净输入,为暴雨的发生发展提供了很好的水汽条件。北京各站点大气可降水量普遍超过历史极值,反映了降水的极端性。降水发展不同阶段,云内微物理过程存在差异,降水量初期以暖雨为主,降雨量不大,之后冷雨过程增强,降水量迅速增大。     

一个陆面过程参数化模式与 MM5的耦合

在法国陆面过程模式的基础上,为了表示冠层叶片遮挡对水分蒸发阻抗的影响,在植被覆盖部分引入了遮盖因子,然后将这个修正的陆面过程参数化模式耦合到MM5模式中。耦合后的模式模拟出了因为降水造成土壤湿度变化和植被覆盖动态作用对地面通量的影响,而原MM5模式模拟结果则没有反映上述动态变化对地面通量的作用。原MM5模式和耦合模式模拟了1993年8月17日到20日以内蒙古半干旱草原为中心的中尺度区域的气象场,模拟结果和IMGRASS预观测资料进行了对比,对比说明新的陆面过程模式提高了MM5模式对地面通量和边界层各物理量（风、温、湿）的模拟精度。     

不同平均时间对LOPEX10资料涡动相关湍流通量计算结果影响的探讨

通过处理涡动相关系统观测的近地层湍流脉动量可以获取地—气间感热和潜热通量,然而选择不同平均时间对通量计算的结果有较大影响。采用黄土高原陆面过程野外观测试验(LOPEX10)期间获得的涡动相关系统观测资料,分析了不同平均时间对湍流通量计算的影响,并采用雷诺平均和分解方法推导了平均时间引起的通量差值的数学表达式(Flux Compensation,FC)。结果表明:(1)FC公式可以说明采用不同平均时间数据之间的关系,也可以直接计算低频涡旋对湍流通量的贡献。FC公式计算的结果与直接计算的不同平均时间通量计算之差的相关系数在0.95以上,并可以确定计算湍流通量的最佳平均时间。(2)通过采用Ogive函数确定了计算LOPEX10期间通量的最佳平均时间长度为30min,印证了利用雷诺平均和分解方法计算湍流通量补偿的准确性。(3)通过进一步的数学变换,证明了平均时间对湍流通量计算的影响直接与湍流低频变化相关,FC公式可以用来确定涡动相关观测数据的最佳平均时间,并且在获得较高时间分辨率的湍流通量数据的同时,补偿因平均时间过短而遗漏的低频信息。     

春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响和预测作用

利用1980-2012年青藏高原中、东部71个站点观测资料、全中国756站的月降水资料、哈得来中心提供的HadISST v1.1海温资料以及ERA-Interim再分析资料,综合青藏高原的感热加热以及全球海温,研究了春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响,并建立预报方程,探讨了青藏高原春季感热对中国降水的预报作用。结果表明,青藏高原春季感热与中国东部降水关系密切,青藏高原春季感热异常增强伴随着长江流域中下游同期降水增多,后期夏季长江流域整流域降水也持续偏多,华南东部降水偏少。春季青藏高原感热的增强与环北半球中高纬度的罗斯贝波列密切相关,扰动在北太平洋形成的反气旋环流向西南方向延伸至西北太平洋,为长江流域输送大量的水汽,有利于降水的发生。夏季,伴随着前期青藏高原感热的增强,南亚高压位置偏东,西北太平洋副热带高压（西太副高）位置偏西偏南,西太副高北侧为气旋式环流异常。在西太副高的控制下,华南东部降水减少;西太副高西侧的偏南气流为长江流域带来大量水汽,并与来自北部气旋式环流异常西侧的偏北风发生辐合,降水增多。青藏高原春季感热异常是华南和长江流域夏季降水异常的重要前兆信号。加入青藏高原春季感热后,利用海温预报的华南、长江流域夏季降水量与观测值的相关系数有所提高,预报方程对区域降水的解释方差提高约15%。      

A Parameterization of Dry Thermals and Shallow Cumuli for Mesoscale Numerical Weather Prediction

For numerical weather prediction models and models resolving deep convection, shallow convective ascents are subgrid processes that are not parameterized by classical local turbulent schemes. The mass flux formulation of convective mixing is now largely accepted as an efficient approach for parameterizing the contribution of larger plumes in convective dry and cloudy boundary layers. We propose a new formulation of the EDMF scheme (for Eddy Diffusivity\Mass Flux) based on a single updraft that improves the representation of dry thermals and shallow convective clouds and conserves a correct representation of stratocumulus in mesoscale models. The definition of entrainment and detrainment in the dry part of the updraft is original, and is specified as proportional to the ratio of buoyancy to vertical velocity. In the cloudy part of the updraft, the classical buoyancy sorting approach is chosen. The main closure of the scheme is based on the mass flux near the surface, which is proportional to the sub-cloud layer convective velocity scale w _*. The link with the prognostic grid-scale cloud content and cloud cover and the projection on the non- conservative variables is processed by the cloud scheme. The validation of this new formulation using large-eddy simulations focused on showing the robustness of the scheme to represent three different boundary layer regimes. For dry convective cases, this parameterization enables a correct representation of the countergradient zone where the mass flux part represents the top entrainment (IHOP case). It can also handle the diurnal cycle of boundary-layer cumulus clouds (EUROCS\ARM) and conserve a realistic evolution of stratocumulus (EUROCS\FIRE).     

典型干旱地区陆面特征的模拟及分析

运用NCAR -LSM (Landsurfacemodel)模式对典型干旱区—沙漠站进行了独立试验 (Off line) ,检验了LSM模式在典型干旱地区的性能 ,并分析了典型干旱地区的陆面特征。结果表明 :LSM模式对干旱地区有较好的模拟性能。在不同的季节 ,典型干旱地区的感热和潜热有着不同的特征 ,4月份的感热通量较大 ,约为 4 0 0W·m-2 ;1月和 8月相对较小 ,约为 2 30W·m-2 。 1月和 4月的潜热通量很小 ,约为 4～ 6W·m-2 ,可以忽略 ;但 8月份的潜热通量大 ,平均最大约为 12 0W·m-2 ,当有降水发生时 ,潜热通量可达 5 70W·m-2 ,与感热通量相当。     

不同强度冷空气对太湖水热交换的定量影响

作为冷季主要的天气事件,冷空气过境会改变湖泊上方的气团性质,对湖泊的水热通量产生影响,进而影响湖泊的生物物理和化学过程.以亚热带大型浅水湖泊——太湖为研究对象,基于2012-2017年5个冷季（11月-翌年3月）的太湖中尺度通量网观测数据,量化不同强度冷空气（寒潮、强冷空气和较强冷空气）对太湖水热通量的影响.结果表明：在5个冷季中,寒潮、强冷空气和较强冷空气发生的总次数分别为4、11和33次,累积持续天数分别为14、31和78天.冷空气过境显著增强太湖的水热通量,3种冷空气过境使太湖的感热通量分别增至无冷空气时的10.3、6.0和4.3倍,潜热通量分别增至无冷空气时的4.0、2.1和2.7倍.虽然冷空气影响天数仅占冷季天数的16.4%,但对整个冷季的潜热和感热通量贡献分别为34.9%和51.7%,以较强冷空气贡献最大.冷空气影响时,水-气界面的温度梯度是太湖感热通量的主控因子,而潜热通量的主控因子为风速.与深水湖泊相比,太湖等浅水湖泊对冷空气过境的响应更快,寒潮过境时尤为明显.     

近30a来北半球对流层大气月均环流的涡动减弱现象

利用1980-2009年NCEP／NCAR月平均再分析资料,研究了在全球变暖背景下北半球对流层大气涡动减弱现象。结果表明：北半球涡度拟能30a来整体呈减弱趋势,在北太平洋地区和极地减弱尤为显著,12．5～50°N为影响北半球大气涡动变化的关键区域。由于对流层200hPa以下大气的增暖,特别是中高纬地区显著增暖,减弱了经向温度梯度,使得副热带西风急流的强度亦呈减弱趋势。这与涡度拟能的变化有显著的正相关关系。分析了北半球正压Rossby波动诊断量E和热量经向涡动通量的变化,表明中纬度波能传播在不同地区有不同趋势,而热量的经向涡动输送与涡度拟能的变化也呈现显著的正相关关系,减弱明显。研究结果对深刻认识大气环流变化规律和理解全球变暖的可能影响具有重要意义。