一种单层城市冠层模式的建立及数值试验研究

本文在引进先进的城市地表能量平衡方案 (Town Energy Balance, 简称TEB) 的基础上建立了一个单层城市冠层模式, 并对南京市典型居民区1 km2范围内的局地尺度地表能量平衡各分量进行离线模拟, 将模拟结果与同期观测值作了比对, 发现: TEB方案对城市地表能量平衡各分量的模拟效果良好, 而该方案的模拟性能受建筑物表面材料反照率取值的影响较大。在离线研究的基础上, 本文又将TEB方案成功耦合到南京大学区域边界层模式 (NJU－RBLM) 中, 作为该模式的地表能量平衡参数化方案之一, 分别选取该边界层模式中原有的地表能量平衡参数化方案SVAT (Soil－Vegetation－Atmosphere－Transfer model) 和新引入的TEB方案对冬夏两季不同个例进行模拟, 以常规近地面气温观测资料和Landsat卫星观测的地表反照率资料对模拟结果进行比较, 结果表明: TEB方案对原大气边界层模式的模拟效果有明显改善, 对近地面热力场的改善效果尤为明显, 可以很好地模拟出城市冠层中的“陷阱效应”。     

北京市1996-2007年住宅空调致冷耗能影响因素分析

 采用气象资料和经济统计资料,以北京市为例,分析了城镇住宅空调致冷耗能的影响因素。结果显示：在一定建筑设计标准下,直接影响城镇住宅空调致冷耗能的因子主要有降温强度、城镇人口数、人均住宅建筑面积和城镇家庭空调器拥有比例。总的来说,由于目前中国城市化进程的加速,城镇人口、人均住宅建筑面积、城镇空调器拥有比例在不断增加,因此,无论气候变暖或变冷,各地空调致冷耗能不可避免地在增加。在上述因子中,气候是目前为止唯一可能起到降低能耗作用的因子。对于城市化较快的北京市,由于城镇家庭空调器拥有比例的快速增长,城镇家庭空调器拥有比例这一因子对空调致冷耗能增量的贡献率普遍最大。     

初始场中尺度信息对暴雨预报的影响

由于观测资料分辨率与模式分辨率的不同,利用高分辨率模式对暴雨进行预报时,常规观测资料形成的初始场不能直接分辨出中尺度系统,这种中尺度系统特征的缺少可以认为是初始场的一种信息误差。利用中尺度天气分析的尺度分离方法可以提取这种中尺度信息。通过分析初始场中尺度信息的结构、演变特征及其对暴雨预报影响的机理,发现初始场中尺度信息的结构在主要雨带的对流敏感区具有明确的天气学意义,包含了有利暴雨产生的信息;其能量随时间也是增长的,特别是在积分12小时以后,能量迅速增长然后趋于稳定,超过了初始随机扰动的能量增长。利用减弱和增强初始场中中尺度信息的两种初始场作暴雨预报,其结果反映了初始场中尺度信息对暴雨预报的重要性,特别是对雨团位置和强度的预报,这些信息会直接影响暴雨的精细预报。     

Assessment of Atmospheric Boundary-Layer Processes Represented in the Numerical Model MM5 for a Clear Sky Day Using LASPEX Observations

Data collected during the Land Surface Processes Experiment (LASPEX) in a semi-arid region of the state of Gujarat in north-west India for a clear sky day (16 May 1997) are used to assess the performance of the atmospheric boundary-layer (ABL) and land- surface parameterizations in the fifth-generation Pennsylvania State University-National Center for Atmospheric Research (PSU-NCAR) Mesoscale Model (MM5). The ABL turbulence parameterizations examined are the Blackadar scheme coupled to a simple soil slab model (SSM), and the Troen-Mahrt scheme coupled to SSM or to the more sophisticated Noah land-surface model (NSM). The comparison of several two-way nested high resolution (9-km) MM5 short term 24-h simulations indicate that, although the model is able to capture the trend in the observed data, the computed results deviate from observations. The NSM with a modest treatment of vegetation outperforms the SSM in capturing the observed daily variations in surface heat fluxes and aspects of ABL structure over the tropical land surface at local scales. Detailed analysis showed that, with the incorporation of observed local vegetation and soil characteristics, the NSM reproduced a realistic surface energy balance and near-surface temperature. It is further found that the coupling of the NSM with the Troen-Mahrt ABL scheme leads to excessive ABL mixing and a dry bias in the model simulations.     

地形对登陆台风麦莎(2005)影响的数值模拟研究

利用非静力平衡的中尺度模式MM5(V3)对2005年9号台风Matsa("麦莎")登陆后期的过程进行了48h模拟,应用低通滤波器分离模拟结果中的天气尺度和次天气尺度运动,并采用热带气旋动态坐标跟踪考察登陆过程中热带气旋的次天气尺度环流特征.通过研究地形对两种尺度间动能和涡度转换的影响,进一步证明了地形对热带气旋有着不可忽视的影响.结果表明,地形的存在有利于维持热带涡旋性强度,这种影响随气旋中心与地形间距离的缩小而逐渐增强,且强度的增强在对流层中高层表现得更为明显.去掉地形后对流层低层次天气尺度系统向热带气旋输送的动能减少,次天气尺度系统对热带气旋动能的消耗增大;当低层涡度转换项的垂直运动贡献为负时,去掉地形会加剧这种负贡献,即次天气尺度系统从热带气旋得到更多的正涡度;从整体上看,去掉地形后,热带气旋不仅没有从次天气尺度系统获得正涡度,反而将自身的正涡度向外输送.     

运用能量学方法分析大冰雹的落区

运用大气能量学的方法,对2002年7月19日发生在河南省中西部地区的降雹过程进行了分析,结果显示:大冰雹均出现在高空能量锋区以内,落区在低层湿有效能量平流正值中心附近。利用能量分析作为预报基础,再结合地面和雷达探测等资料进行综合分析,可以得出有无冰雹天气及冰雹落区的预报结论。     

风电场风资源测量与计算的精度控制

根据多个复杂地形风电场观测操作实践和大量观测数据的计算分析,提出了对观测数据和计算质量精度控制的主要措施,包括:复杂地形测风站布设的5个原则,仪器的合理选型和设置;对由于测风仪固有的系统误差和缺测数据的插补订正可能引起的计算误差进行了定量估算,通过对大量实测数据的对比计算显示:①目前普遍采用的进口风速计的相对偏差在1.6%～5.25%之间,由此可导致轮毂高度附近的年平均风功率密度误差在5%以上,最大达13.8%;②在季风气候区、复杂地形和风的年变率较大的地区,进行缺测数据插补订正时,应选取同季或同一主导风向的数据作为插补订正的基础数据,否则可能导致其平均风功率密度相对误差达20%～50%.     

河北城市化和观测环境改变对地面风速观测资料序列的影响

选用河北省143个气象台站1975-2004年10 m高年平均风速资料,以及1990年和2000年人口普查资料,根据人口增长、台站迁移、仪器高度变化、台站微观环境变化等影响地面风速变化的台站历史信息,把所有气象台站分为4类,并分别对其进行比较分析.结果表明:河北省绝大多数台站风速变化呈减小趋势;城市化进程、台站观测环境等因素均在不同程度上对地面平均风速变化趋势产生了影响,其中台站所在城镇城市化程度是风速减小趋势不可忽略的原因,其影响程度约在1/4左右;台站观测环境因素中观测场附近微观环境变化对风速减小趋势具有重要影响,超过了区域背景风速减小趋势.台站观测环境因素对风速资料序列均一性的影响也不容忽视,至少有1/3的平均风速序列非均一性断点是由观测环境变化产生的.     

Global and Regional Impacts of Vegetation on the Hydrological Cycle and Energy Budget as Represented by the Community Atmosphere Model （CAM3）

The effects of vegetation and its seasonal variation on energy and the hydrological cycle were examined using a state-of-the-art Community Atmosphere Model （CAM3）. Three 15-year numerical experiments were completed： the first with realistic vegetation characteristics varying monthly （VEG run）, the second without vegetation over land （NOVEG run）, and the third with the vegetation characteristics held at their annual mean values （VEGMEAN run）. In these models, the hydrological cycle and land surface energy budget were widely affected by vegetation. Globaland annual-mean evapotranspiration significantly increased compared with the NOVEG by 11.8% in the VEG run run, while runoff decreased by 13.2% when the realistic vegetation is incorporated. Vegetation plays different roles in different regions. In tropical Asia, vegetation-induced cooling of the land surface plays a crucial role in decreasing tropical precipitation. In middle latitudes and the Amazon region, however, the vegetation-induced increase of evapotranspiration plays a more important role in increasing precipitation. The seasonal variation of vegetation also shows clear influences on the hydrological cycle and energy budget. In the boreal mid-high latitudes where vegetation shows a strong seasonal cycle, evapotranspiration and precipitation are higher in the summer in the VEG run than in the VEGMEAN run.     

复杂地形风场的精细数值模拟

风能是一种重要气候资源,随着我国风电规模的迅速增大,发展风能资源评估系统和风功率预测系统已成为一项重要的研究内容。国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量研究,随着计算机能力增强,以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式越来越多地在气象领域得到应用,人们开始研究用中尺度预报模式和CFD模式结合进行复杂地形风场的数值模拟。本文的耦合模式系统采用中尺度气象模式(WRF),通过嵌套网格到内层尺度(一般是几公里),然后通过耦合CFD模式Fluent软件获得高分辨率(水平30~100 m,垂直150 m高度以下10 m)的风速分布资料,得到精细化的风场信息。通过对鄱阳湖北部区域和云南杨梅山复杂地形的风场模拟,提供了风能评估和预报的一种可行的方法。