GRAPES模式中地面通量在一次台风数值模拟中的敏感性试验研究

在中尺度天气数值预报模式(GRAPES)的边界层方案(MRF)中,地面通量的计算与模式分层有直接关系,可能引起计算结果的不准确。在模式中引入Beljaars方案,通过比较分析模拟的台风地表特征量及形势场和风场表明,引入的方案对台风强度和路径的预报效果都起到改善作用。对台风"巨爵"个例的模拟表明,引入Beljaars方案之后,其地表的潜热、感热通量均明显增强,摩擦速度最大值增大,说明地表向上传输的热通量、水汽通量、动量通量均增强,这都有利于台风的发展和加强,因此模拟的台风路径和强度也更接近实况;从台风结构来看,方案二模拟的台风倾斜垂直结构没有方案一的明显,暖心结构有所加强;从风场分析来看,台风眼区的风速低值中心可延伸到500 hPa的高度上,明显高于方案一。

青藏高原西部地区的总体输送系数和地面通量

以 １９９７年 ９月至 １９９８年 １２月青藏高原西部改则和狮泉河地区近地层自动气象站（ＡＷＳ）０连续观测的梯度资料为基础，确定出两站的平均地表粗糙度分别为２．７和２．９ ｃｍ．采用廓线－通量法计算出观测逐日的总体输送系数，两站１９９８年动量总体输送系数（拖曳系数）的年平均值分别为４．８３ × １０~３和４．７５ × １０~３，进一步用总体公式计算出两站逐日的地面动量、感热和潜热通量，其年平均值分别为３．４×１０^（－２）和１．８×１０^（－２）Ｎ／ｍ~２，７３．１和６７．２Ｗ／ｍ~２，１５．４和２．９Ｗ／ｍ~２．最后用合成分析法得出上述地面３通量的日变化和季节变化特征，并讨论了地面对大气的热量输送与高原季风及雨季的对应关系．

近60年青藏高原地区地面感热通量的时空演变特征

利用NCEP/NCAR地面感热通量再分析格点资料,分析了1951-2010年青藏高原(下称高原)地区地面感热通量的基本气候特征、年际与年代际变化及其空间分布,采用滑动t检验和小波分析研究了高原年平均感热通量变化的突变特征,并分析了影响高原感热变化的因素以及探讨了高原感热的变化对东亚、南亚夏季风的影响。结果表明,就全年平均而言,高原感热通量大部分地区为正值,说明高原为热源;冬季是全年感热通量最小的季节,为负值;其余季节感热均为正值,即由地面向大气输送感热。近60年高原的感热通量出现了不同程度的减少,春、夏季呈现出不显著的下降趋势,秋、冬季和年平均感热通量的下降趋势比较显著,分别为0.94,0.50和0.49 W·m-2·(10a)-1。感热线性趋势的空间分布具有季节性和区域性差异。由于1969年前后的突变,导致高原感热在1970-1981年的下降趋势显著。高原感热的变化与气温呈负相关,与风速和地温呈正相关,与降水的关系不明显。年际尺度上,春季、年平均高原感热的减弱(增强)区域和东亚、南亚夏季风指数有很好的正(负)相关,其显著变化可能会在某种程度上影响东亚、南亚夏季风。

内蒙古中西部地面感热通量影响沙尘暴的观测分析

利用内蒙古中西部不同地表类型的16个测站2005—2006年3—5月逐小时地面观测资料和逐日沙尘暴资料,计算了地面感热通量、地面位温并分析它们与沙尘暴的关系,结果发现:在内蒙古中西部春季地面感热通量表现为净加热,且沙尘暴发生次数多的年份净地面感热加热强度反而较小。在沙尘暴发生前,沙漠区和高平原区地面感热通量达到最大,而丘陵和平原地区反而开始降低。对于沙尘暴发生前12h累积的地面感热加热强度及导致的地面位温上升幅度,高平原和丘陵平原区要强于沙漠区。但相对而言,沙漠和高平原地区地面感热加热影响沙尘暴的"效率"更高。

江南地面热通量对江淮气旋暴雨影响的模拟研究

通过对一次江淮气旋暴雨个例的数值模拟，研究地面热通量与大尺度流型结合作用对气旋降水系统的影响。过程前期存在南北两大片地面热通量正值区，北片位于气旋所在处及其前方，南片位于上游低空急流处。模拟比较两片地面热通量的作用发现，前期南片地面热通量，特别是强潜热通量，通过与其上空低空急流的共同作用，对后期下游江淮气旋降水系统的加强起着更为重要的作用。对其机制的初步探讨表明：由地面通量进入低层大气的水汽，通过西南气流向长江中下游输送，改变下游大气的温湿结构，并通过积云对流和层状云雨潜热释放等非绝热过程。

亚洲季风区地面感热通量的区域变化特征

采用 1 979～ 1 995年 (缺 1 986、1 987、1 993) NCEP/NCAR再分析资料中的逐旬感热通量资料 ,对亚洲季风区地面感热通量的空间结构及时间演变进行了旋转经验正交函数 ( REOF)分析。结果表明 :印度半岛和中南半岛地区感热通量的变化与亚洲季风的爆发及演变有密切关系 ,是季风爆发的主要关键区。这两个地区的感热积累是东亚季风爆发的触发因素之一 ,尤其是印度半岛北部感热通量的突变对印度夏季风演变十分重要。印度半岛北部与青藏高原西部的热力差异在季风的爆发和维持中占有重要地位。而东北亚与西北太平洋的热力差异只对东亚夏季风的演变有影响 ,与冬季风则无直接关联。在东亚季风的爆发中居主导地位的还是印度半岛北部和青藏高原西北部的感热加热作用。

用地面加密自动观测资料对北京地区一次飑线过程的分析

利用北京地区S波段Doppler雷达和地面5分钟加密自动站资料对发生在北京地区的一次典型飑线过程进行分析。结果表明:(1)飑线影响时自动站气象要素出现风向突变、风速骤增、温度下降、气压陡升等突变;(2)降水和雷暴大风与地面涡度有很好的对应。降水发生的位置及其与正涡度区的距离的变化能预示对流单体未来的发展趋势;(3)地面水汽通量(P)能直观地反映雷暴单体的地面出流,地形辐合线以及低层水汽输送等中小尺度特征。雷暴单体地面出流造成的正水汽通量与地形引起的正水汽通量的合并以及低层的东风配合加强了山前的辐合和抬升作用,是此次过程中雷暴在山前地区得到发展并造成局地强降水以及雷暴大风的主要原因。利用地面水汽通量制作雷暴发展潜势预报有意义。

青藏高原西部的地面热源强度及地面热量平衡

以 1997年 11月至 1998年 10月青藏高原西部改则和狮泉河地区自动气象站 (AWS)连续观测的近地层梯度资料 ,采用廓线通量法计算出观测期逐日的总体输送系数 ,进而用总体公式得出两站逐日的地面感热和潜热通量。结果表明 :在此观测期内青藏高原西部不论冬夏地面皆为热源 ,地面热源强度具有明显的季节变化 ,两站地面热源强度的年平均值分别为 82 .5W m2 和 6 8.2W m2 。结合辐射和土壤热通量观测资料揭示了两站的地面热量平衡状况 ,用地面热量平衡方程对以上结果进行了闭合误差检验。

春夏季转换期东亚地表热通量对温度月际变化的影响

利用1948-2003年的NCEP／NCAR再分析资料，分析了东亚地区春夏季节转换期间地面气温变化趋势以及地面热通量对温度季节变化的影响。结果表明，东亚地区4～7月地面气温月际变化存在明显的与纬度有关的南北向差异、与海陆分布有关的东西向差异以及大陆上中低纬地区以90°E为分界线的东西向差异，大陆上温度月际变化比海洋上显著。通过对月际变温指数的研究发现，中南半岛以及高原东侧在4～5月月际变温明显，印度半岛及高原西侧6～7月月际变温明显，表明月际最大变温有从90°E以东地区向90°E以西地区推进的过程。研究月际变温与地面热通量关系发现，高纬地区大陆上月际温度变化主要与太阳辐射以及潜热变化关系较大，而中低纬地区大陆上月际变温与感热、潜热以及辐射关系都比较密切，且90°E以东的中南半岛及邻近地区的4～5月的月际变温与地面热通量的相关关系最为显著，90°E以西的印度半岛及邻近地区6～7月的月际变温与热通量相关关系最为明显，此时青藏高原西侧辐射以及感热加热作用显著。对于热通量与地面月际变温显著相关区域的进一步分析表明，地面热通量对于温度场的直接影响主要表现在近地层，在高层，两者之间相关关系复杂。

春季裸地土壤水分监测的地面响应模型研究

在分析辐射平衡各分量的基础上提出在计算直接辐射的同时,考虑地面温度对有效辐射的影响和初始土壤湿度对蒸发潜热的影响,以及用地面温差计算热容量等因素,分析了计算土壤热容量的物理方程,在此基础上提出利用初始土壤湿度、地面平均温度和地面温差计算土壤湿度的卫星遥感地面响应的统计模型,为了解土壤理化性质,维护和改善土壤生态环境的平衡及决策部门作出抗旱、减灾的决策提供了客观、科学的依据。

中国西北夏季气温变化及其对青藏高原地面感热异常响应的诊断与数值试验

利用陕、甘、宁、青、新五省（区）９０个测站，１９６０～１９９０年历年夏季月平均气温，采用主成分分析、旋转主成分分析和全球大气环流模式，对中国西北夏季气温变化的时空异常特征及其对青藏高原地面感热通量强弱变化的响应进行了诊断分析和数值试验。结果表明：中国西北地区气温变化在空间上具有较好的一致性，但由于地形和下垫面的影响，夏季气温异常主要表现为６种气候类型（区），即青海高原区、河套区、北疆区、渭水流域区、南疆西部区、东疆－河西走廊区。５０年代以来气温演变的主要特点是除青海高原和北疆外的西北大部分地方夏季由暖变冷。当北半球５００ｈＰａ高度距平场呈欧亚型振荡，则有利于中国西北大范围气温偏高（低）。青藏高原地面感热通量的异常增强，可引起西北夏季西部偏暖，东部偏冷。

珠三角地区荔枝林挥发性有机化合物通量的观测研究

利用2008年7月和2009年2—3月在珠三角地区开展的挥发性有机化合物(VOCs)和微气象学综合实验观测资料,分别应用近地面层通量廓线关系法和松弛涡旋累积法(REA)计算了荔枝林下垫面VOCs冠层尺度通量。结果表明:荔枝林的主要生物挥发性有机化合物(BVOCs)排放为异戊二烯,其排放有着明显的季节变化和日变化。荔枝林生长季白天的典型异戊二烯通量为0.932 nmol/(m2.s),非生长季植物排放不显著。该结果为使用微气象学方法获取VOCs通量提供了借鉴。

青藏高原积雪异常对高原地面加热的影响(英文)

利用青藏高原积雪资料和中日亚洲季风机制合作研究在１９９３—１９９９年获得的自动气象站观测资料，计算了地面感热、潜热和净长波辐射，并对比分析了这些物理量在一个多雪年（１９９７／１９９８）和一个少雪年（１９９６／１９９７）的变化。关于青藏高原积雪与高原地面加热关系的讨论表明：多雪年和少雪年在接下来的春季里的差别明显大于冬季，因而在冬季发生的青藏高原积雪异常的效应在接下来的春季会表现得更加强烈。

城市规划中绿化布局对区域气象环境影响的数值试验研究

城市的植被覆盖对城市区域的气象环境有重要影响.为了探讨利用区域边界层气象模式来研究这种影响的可行性,本文以北京为例,采用北京地区目前的城市规划资料以及拟议中的绿化方案,初步模拟分析了不同绿化带布局对北京市冬夏气象环境的影响,并进行了讨论.同时对地气相互作用过程中的各种地面通量进行一些定量分析,以研究其对气象环境的影响.通过本文工作发现,所用区域边界模式能够较细致地模拟出城市规划中绿化布局对区域气象环境的影响.结果表明:绿化林和绿化草地的增加会导致地面风速减小,一般减小0 5m s;在冬天算例中,北部绿化林和绿化草地会造成白天轻微增温,夜间微弱降温,幅度约为0 5～1℃,东南面绿化带对市区内气象环境影响不大;在夏天算例中,北部绿化林使气温降低,最大幅度约为2℃,东南面绿化林降低北京市区南部的气温,有利于缓解北京夏季的高温灾害.

土地利用/覆盖变化对中国不同季节气温的影响

近几十年中国地区土地利用/覆盖变化(LUCC)较大,在区域气候模拟中尤其需要使用更加准确的土地利用/覆盖数据。基于模式原有的USGS和新开发的LUC90两种土地利用/覆盖资料,利用区域环境集成模拟系统(RIEMS2.0)分别进行连续10a模拟,分析LUCC对中国不同季节气温的影响。结果表明:1)采用LUC90资料后,中国及东北、华北、华南夏季平均气温增加,但只有东北模拟与观测值的偏差减小,且通过显著性检验(P<0.01)。中国及东北、华南冬季平均气温增加,并且模拟与观测值的偏差减少。中国及华北和华南对冬季气温年际变率的模拟改善好于夏季。2)土地利用/覆盖变化通过影响潜热通量的变化和净吸收辐射通量的变化来影响不同季节气温的变化。冬季净辐射通量变化对气温变化的贡献较夏季大,而夏季潜热通量变化对气温变化的贡献较冬季大。雨养农田转变森林、草地、灌溉农田过程造成通量变化,其对气温变化的影响也存在不同分区季节的差异。

夏季青藏高原下垫面感热异常的诊断研究

利用青藏高原主体６０个地面站１９６１～１９９０年历年夏季各月资料计算了高原地面感热通量，并通过主成分分析、主值函数和功率谱等方法，对夏季高原地面感热通量的基本气候特征、异常变化的空间结构和时间演变趋势作了较系统的诊断研究。结果表明：夏季青藏高原地面感热通量表现为较大的正值，通常感热大的地方其年际变化也大，年际异常的空间型主要是南北差异。近３０年来，夏季高原主体及东部平均地面感热通量有增大现象，柴达木盆地、青海东部、西藏西部随时间呈减弱趋势。这种时间演变表现出明显的准３年。

陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

文中建立了一个研究陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了草原下垫面的土壤 环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征。并对主要的环境物理参数进 行了敏感性实验。结果表明，本模式能合理地模拟地表热量平衡、土壤体积含水量、植被蒸 发阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等。该模式还可 进一步应用于研究城市陆面物理过程与大气边界层相互作用机制，及与中尺度大气模式耦合用于区域气候的研究。

城市及乡村大气边界层结构的数值模拟

建立了一个研究城乡非均匀下垫面陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了城市及郊区、乡村下垫面的地面热量通量、地表温度、混合层高度及大气边界层结构等特征。对城乡之间的差别进行了对比。模式主要依赖于以下参数和物理量 :地面反照率、下垫面粗糙度、土壤的可含水量、下垫面的热容量和热扩散系数、云量等参数。结果表明 ,本模式能合理地模拟不同地表热量平衡、地表气温、混合层高度、湍流交换系数、湍流动能、位温廓线等 ,以及它们的日变化。该模式所取参数主要针对北京市 ,时间为九月初 ,对于其他城市 ,参数应作相应的调整。本模式还可以用于其他均匀或非均匀下垫面的模拟。

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MM 5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MM 5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MM 5模式和耦合模式模拟了 1993年 8月 17日到 2 0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IM GRASS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MM 5模式对地面通量和边界层各物理量 (风、温、湿 )的模拟精度。

2018年8月22日宁夏北部局地浓雾天气形成机制分析

利用宁夏972个地面自动站的10 m风场、2 m温度及露点温度,银川、大武口、平罗、贺兰4个常规地面观测站的能见度、温度及相对湿度逐时观测资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA-Interim逐6 h再分析资料(0.125°×0.125°),对2018年8月22日宁夏北部局地突发浓雾天气过程的环流形势、逆温结构及其热力、动力条件和形成维持机制进行分析。结果表明:8月22日宁夏北部局地浓雾发生在地面冷高压、高空暖脊及近地面微风的静稳天气条件下;较为深厚的暖平流和近地面冷空气侵入所形成的稳定大气层结,是大雾形成的必要条件;弱上升运动使混合层扩展至840 hPa左右,是该地区雾的发展和维持的重要原因。在本次过程中,深厚的弱水汽辐合较水汽自身的饱和与否更为重要,是大武口站浓雾形成的关键性因素。浓雾呈现平流—辐射雾特征,地面热通量在过程前期促进浓雾的发生,后期对浓雾起到抑制作用。