非均匀下垫面湍流通量观测的印痕分析

利用2005年在北京昌平区小汤山开展的非均匀下垫面观测实验的观测数据,分别处理了涡旋相关法和大孔径闪烁仪LAS测得的感热通量,并运用印痕模型对数据进行"源区"分析。分析结果表明:在复杂地表上,涡旋相关的测量值由于混杂了其他下垫面的通量信息,不能真实地反映其观测区域的湍流特征,存在着观测误差。而LAS观测出现的低估问题则与掺混高度和"源区"有关。通过用印痕方法进行数据订正后,以上问题均得到很好的改善,订正结果与LAS观测通量的线性关系良好,两者的相关系数达到0.9。实验结果验证了印痕模型在非均匀下垫面的适用性。

关于非均匀下垫面大气边界层研究的讨论

本文是该会议关于非均匀下垫面大气边界层研究的讨论总结,涉及大气边界层观测试验、M-O相似理论的适用范、非均匀陆面边界层参数化、非均匀下垫面能量平衡、城市边界层,以及大气边界层湍流结构与特征等方面。希望这些讨论能为今后非均匀陆面过程研究提供有益的启示。

非均匀下垫面边界层研究现状与展望

评述了非均匀下垫面大气边界层研究的现状和当前发展所面临的一些问题,就近年来非均匀下垫面边界层这一大气边界层研究中的难点和热点问题的由来,所使用的研究方法和手段的发展以及目前面临和亟待解决的问题做了系统的归纳,并对未来非均匀边界层研究发展的趋势和研究方法做了展望。

非均匀下垫面边界层的观测和数值模拟研究 (Ⅱ):逆湿现象的数值模拟研究

研究了逆湿现象,针对陆面过程模式的缺陷,利用文献[1]给出的逆湿现象形成的物理模型,设计了新的陆面过程参数化方案。该新方案成功地模拟出了发生在绿洲附近的沙漠上的逆湿现象,模拟结果与实际观测的结果相互吻合,这表明所建立的新的陆面过程参数化方案是可行的。这些结论将为今后非均匀陆面过程研究提供有益的启示。

黑河绿洲区不均匀下垫面大气边界层结构的大涡模拟研究

采用RAMS模式中大涡模拟的方法,加入高分辨率的植被和土壤资料,模拟了黑河绿洲区(张掖地区)不均匀下垫面条件下大气边界层演变过程。分析了模拟的地表通量、边界层的平均结构和湍流二阶量,并用黑河试验的观测资料检验了模式的模拟性能。结果表明,模拟的平均结构较好地展现了不均匀下垫面条件下边界层内从稳定层结到混合层发展,夹卷层形成,底层逆温层出现,混合层过渡到残留层等的演变过程,呈现出了从初始的稳定边界层发展到对流边界层,最后又形成夜间稳定边界层的日变化规律。湍流二阶量的分析显示,在非均匀下垫面条件下边界层内湍流二阶量的垂直分布与边界层的发展相对应,白天湍流二阶量出现两个峰值,分别位于近地层和混合层顶。与观测资料和现有研究的对比表明,RAMS中陆面模块(LEAF)地表参数不能较好地反映黑河地区的植被特征,模拟的白天地表感热和潜热通量偏小,气温白天偏低、夜间偏高,相对湿度也有偏差。

RAMS模式在金塔地区非均匀下垫面上的适用性研究

为检验RAMS模式在金塔地区的模拟性能,首先选2005年7月2~3日金塔地区的一次晴好天气过程,然后利用RAMS及MM5模式对该过程进行了48 h三重嵌套的数值模拟,最后对金塔绿洲、戈壁及沙漠点近地面各变量的模拟值及实测值进行了对比分析。结果表明:RAMS模式对绿洲、戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度的模拟表现良好,基本模拟出了近地面相对湿度的日变化趋势,较好地模拟出了绿洲—沙漠环流引起的绿洲"冷岛效应"和临近绿洲的戈壁与沙漠上空的"逆湿"现象;RAMS模式对绿洲下垫面潜热通量的模拟比感热通量更接近实况,而对戈壁和沙漠下垫面感热通量的模拟好于潜热通量,三种下垫面上净辐射的模拟都与观测值较接近;同MM5模式的模拟结果比较,RAMS模式对非均匀下垫面净辐射、感热通量的数值模拟更优于MM5模式。这表明RAMS模式在金塔地区应用的可行性。

非均匀下垫面大气边界层研究进展

总结了水平非均匀下垫面的大气边界层研究,指出干旱区的绿洲具有明显的"冷湿岛效应",并可形成边缘逆湿和区域环流,而植被和水域的分布则显著改变了大气边界层结构.阐述了复杂地形下垫面对局地风场和小尺度环流产生的影响、城市热岛效应的产生及特点和城市中绿地和水体的微气候效应.比较分析了不同陆面参数化方案以及边界层气候模式,提出未来在热力与动力非均匀的结合、湿地下垫面的数值模拟、城市复杂下垫面参数化以及气候模式的耦合等方面尚需进行深入的研究.

非均匀下垫面陆面过程参数化问题研究进展

非均匀下垫面对陆面过程模式应用有着重要影响。若将下垫面一概视为均一,在很多情况下会影响模式模拟的准确性。本文详细介绍了目前非均匀地表陆面过程参数化的方法(Mosaic法、统计—动力法和其它方法),初步分析了这些参数化方法的缺陷,并简单探讨了陆面参数尺度转换问题,最后对今后研究的问题给出了建议,其中特别提出要寻找适当方法实现陆面物理量不同尺度间的转换。

不均匀下垫面的地面光温模拟研究

为了量化不均匀下垫面的地面光温分布，在作物生长条件下研究交替隔沟灌溉和常规沟灌在不同近地面环境下的地面光温分布规律，根据地表结构与太阳入射光线的物理几何关系，建立了地面光温传输模型，模拟地面不同点位处的太阳辐射和温度变化。结果表明，交替隔沟灌溉在非湿润点的地面太阳辐射量和地表温度高于湿润点，这种差异随玉米不同生长阶段而改变；在同一时间，交替隔沟灌溉的地面平均辐射量高于常规沟灌18．64—3（1．60W／m^2，地表温度高于常规沟灌0．38—3．00℃。不同沟灌方式下地面不同点位处的太阳辐射模拟结果与实测值间绝对偏差为0．23～24．89W／m^2，模拟偏差（MAE）为3．36～13．79，标准差（RMSE）为4．90-13．51，拟合度di为0．93—0．99；地表温度模拟结果与实测值间绝对偏差为0．1—1．7℃，MAE为0．07—1．11、RMSE为0．16—0．93、拟合度d；在0．94以上。所建光温传输模型较好地模拟了沟垄表面的太阳辐射和温度变化。

非均匀下垫面对流边界层热通量特征的物理模拟研究

利用对流水槽,通过在底面设置马赛克状隔热覆盖物,模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展.在对流边界层发展的同时,利用温度廓线测量仪器分别测量不同下垫面的温度廓线,获取不同时刻温度场的数据,由此计算了热通量廓线。结果表明,非均匀下垫面对流边界层的归一化热通量随高度表现出非线性特征,即具有上凸和下凹的特征。上凸和下凹特征随时间出现振荡,这明显不同于均匀下垫面的情形。从热通量等值线图上可以看出,总体平均的热通量廓线振荡较小,局地热通量廓线振荡较大,而且下垫面未覆盖区域的热通量廓线比覆盖区域振荡的频率更高、振幅更大。这表明,非均匀下垫面条件下的对流边界层和均匀下垫面条件下的对流边界层的湍流结构有很大的不同。热力非均匀下垫面湍流特征呈现出一些均匀下垫面所没有的物理特性。在均匀下垫面得到的边界层的参数化规律不能简单地用于热力非均匀下垫面的对流边界层发展过程。水槽模拟的结果可以为数值模拟和野外观测提供有益的参考。

非均匀下垫面气象场结构的研究及其应用

自然地表通常是由具有不同形态结构和物理性质的各种下垫面所组成的,每一类型的下垫面均有其独特的能量分配和物质交换方式。研究非均匀下垫面气象场结构的目的之一就是要探讨每一种典型均匀下垫面的气象场与由其组成的大区域复杂下垫面气象场之间的内在联系,进而将均匀下垫面的成果运用于复杂的非均匀气象场的研究,最终付诸于实际应用。

陇中黄土高原LAS在非均匀下垫面的观测优势及其在区域陆面模式验证中的初步应用

目前通用的通量观测技术涡动相关仪(EC)在区域陆面模式验证中存在能量不闭合和空间代表性有限的问题,寻求改进EC观测热通量的新技术是提高陆面模式验证效果的关键环节,大孔径闪烁仪(LAS)的出现有效改善了这一现状。基于黄土高原定西站2010年1月和6月的同步综合观测资料以及目前比较有代表性的陆面过程模式CLM的模拟数据,分析研究了LAS对EC观测地表能量不平衡问题的改进以及LAS对EC在区域陆面模式验证中的提高,结果表明:LAS可有效解决EC观测存在的地表能量不平衡问题,提高EC的地表能量闭合度,在非均匀下垫面LAS观测优势突出;利用LAS观测的感热通量进行区域陆面模式的验证,能够很大程度地避免EC能量不闭合和空间尺度不匹配在验证中造成的偏差,LAS观测更适合于大尺度模拟的验证,验证效果更好。

辽宁环渤海地区非均匀下垫面夏季近地层微气象特征分析

本文利用锦州农田玉米地、盘锦芦苇湿地通量观测站2015年8月1日至2015年8月31日的观测数据,分析了辽宁环渤海地区不同下垫面的微气象特征。主要得到以下结论:两地区局地小气候差异明显,锦州玉米旱地昼夜温差较大且相对湿度较低,盘锦芦苇湿地夏季土壤湿度接近饱和状态,锦州玉米旱地5 cm和10 cm土壤湿度月均值分别为0.18 m3/m3和0.20 m3/m3。两通量站各层土壤温度均呈准正弦变化,盘锦芦苇湿地由于地表有水体灌溉,热容量较大,土壤温度较低。两站点均以偏南风为主导风,风向日变化呈明显的海陆风变化特征;夏季时,两地区地表和大气之间的能量输送均以潜热输送为主。本研究依旧存在能量不闭合的问题,锦州玉米旱地通量站的能量闭合度为0.76。

基于Sentinel数据估算非均匀下垫面蒸散发的方法研究

蒸散发是水循环和能量平衡的重要组成,在地下水监测、农业灌溉等研究中发挥重要作用,但非均匀下垫面会导致遥感估算的水热通量产生空间尺度误差。以Sentinel数据作为基础数据,利用EFAF(Evaporative Fraction and Area Fraction)方法和温度降尺度法校正水热通量偏差,并且对比两种方法的差异。研究结果表明:EFAF方法和温度降尺度法的精度不相上下,决定系数R^(2)约为0.86,平均偏差MBE约为18 W/m^(2),均方根误差RMSE约为64 W/m^(2),两种方法的精度都高于未校正潜热通量的精度,对于校正非均匀下垫面造成的潜热通量偏差有一定的效果。EFAF方法估算的潜热通量在像元尺度上的分布与土地分类数据一致,在区域尺度上和未校正的潜热通量分布一致。温度降尺度法估算的潜热通量在像元尺度上与地表温度的分布高度相似,其空间细节信息更加丰富,局部特征明显。

陇东黄土高原下垫面不均匀性指标的建立及其对大孔径闪烁仪(LAS)观测感热通量的影响

目前定量研究下垫面不均匀性对大孔径闪烁仪(LAS)、涡动相关仪(ECS)观测感热通量差异的影响还比较少.本文利用黄土高原庆阳观测站2012年6、7月典型晴天两主风向范围E-SE和SW-W的陆面过程数据,在建立了下垫面不均匀性定量化指标的基础上,分析了下垫面不均匀性与地表温度变率的关系及其对LAS、ECS观测感热通量差异的影响.结果表明:庆阳站下垫面不均匀性大小η和地表温度变率г具有很好的相关性,相关系数达到0.566以上,证明了新建立指标的合理性.下垫面不均匀性大小η和LAS、ECS观测的感热通量差异HLAS-HECS具有很好的一致性,相关系数达到0.634.下垫面不均匀性对LAS和ECS的感热通量差异影响显著,下垫面越不均匀LAS和ECS测量的感热通量差异越大.对两主风向分别进行分析,在E-SE风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.430,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.279,在SW-W风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.680,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.297.下垫面不均匀性的影响程度越大,LAS和ECS观测的感热通量差异越大.

应用通量方差法估算戈壁绿洲下垫面湍流通量的研究

利用"绿洲系统能量与水分循环过程观测试验"2005年绿洲、戈壁点的观测资料,分析与讨论了温度、水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系,应用通量方差法对感热、潜热通量进行了计算,并同涡动相关系统的观测结果进行了比较。不稳定条件下,戈壁点温度归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系优于下垫面非均匀性更强的绿洲点,绿洲点水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系较温度量表现得更好。对同一站点,归一化温度标准差的通量方差关系并不总是优于水汽的通量方差关系,其取决于该站点的温度以及水汽的源汇分布情况;通量方差法对两个站点的感热、潜热通量均有较好的再现,但戈壁点感热通量的计算效果优于非均匀性更强的绿洲点。应用通量方差法对潜热通量计算时若采用直接观测的感热通量,则潜热通量的计算效果具有一定程度的改善。

水、陆不均匀条件下大气边界层结构的模拟研究

应用2004年白洋淀野外观测实验资料,对白洋淀地区水、陆不均匀分布条件下的大气边界层开展了数值模拟试验,结果表明:由于下垫面的热力差异,在360多km2的白洋淀地区,地表特征分布的不均匀可以引发弱的局地环流,影响大气边界层内温度和湿度的空间分布;在500 m高度以下,下垫面不均匀分布对湍流动能有明显影响。最后将模拟结果与观测资料进行了对比检验。

空气热储存和垂直平流对干旱均匀裸土地表能量平衡的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的数据,估算了我国西北干旱区典型均匀裸土下垫面条件下的空气热储存和垂直平流输送,并分析了空气热储存项和垂直平流输送项对干旱区地表能量不闭合的影响。研究发现:由于干旱区温度梯度大,热力抬升作用较强,即使在均匀下垫面条件下也存在可观的垂直平流输送。在地表能量平衡方程中引入空气热储存项和垂直平流输送项之后,二者对能量不闭合的平均补偿分别达到1.0 W/m2和7.1 W/m2,闭合度分别提高2%和14%,地表能量不平衡残差平均值由26.4 W/m2减小到18.2 W/m2,地表能量闭合度由82%提升到98%,干旱区地表能量平衡有明显改善。

城市下垫面空气动力学参数确定方法综述

地表粗糙度和零平面位移是2个重要的空气动力学参数,对于城市下垫面,粗糙元的形态非常复杂,空间分布上存在较大的非均匀性,如何确定城市下垫面地表粗糙度和零平面位移目前尚无最佳方案。概述了这2个参数适用于城市非均匀下垫面的参数化方法,包括风温观测方法和粗糙元形态学方法。探讨了各自在应用过程中存在的问题及进一步的研究工作,并且提出,通过数学模型的改进和卫星遥感技术的引入,粗糙元形态学方法会有更好的发展前景。

白洋淀水陆下垫面上行星边界层空间变动研究

利用三维非静力中尺度模式ARPS,对白洋淀地区水陆非均匀下垫面上大气边界层结构及其变动进行了模拟研究.结果表明,晴天弱背景下,白洋淀地区陆地大气比湿高于水域的情况发生在白天大部分时间内,是普遍存在的一种现象,该现象首先出现在近地层,然后不断向高空延伸,与水陆两种不同的下垫面特征密切相关.由于水陆下垫面的差异,导致水域感热和潜热通量全天较小,变化平稳,而陆地日间感热和潜热通量较大,且潜热高于感热.水陆两地近地层湍流运动状态存在较大差异,湍流输送在水陆比湿空间变动过程中起决定性作用.形成的局地环流同样影响着水陆比湿的空间变动,主要表现在环流上下支对近地层湍流发展以及水汽的垂直输送的影响.陆地上空水汽主要来源于土壤植被的蒸发蒸腾,而来自水域的仅占很少一部分.