WRF_Lake湖气模式对我国太湖的湖温模拟应用评估

文章把一维热扩散湖模式成功地耦合到中尺度天气研究和预报模式WRF3.2中,建立了湖气耦合模式。并用太湖区梅梁湾获得的2010年8月11—28日的观测资料对该耦合模式模拟湖温的能力进行了初步评估。设计了3组方案进行对照试验,分别为:(1)没有加入湖模块的WRF模式试验(WRF);(2)没有对参数进行优化的原始耦合模式试验(WRF_Lake_Old);(3)对3个参数进行优化后的耦合模式试验(WRF_Lake_New)。结果表明耦合了湖泊模块并且参数优化后的湖气耦合模式(WRF_Lake_New)比没有包含湖面方案的WRF模式对太湖水温的模拟能力有了很大的改进。WRF_Lake_New能够合理地模拟出太湖梅梁湾上湖表温度的日变化,模拟的湖表温度误差范围平均在±1℃左右,模拟的空气温度平均误差范围在±0.5℃以内,模拟的感、潜热通量也与观测更为接近。该耦合模式在太湖的初步评估结果表明,该湖气耦合模式为下一步研究湖泊过程和湖气相互作用提供了重要的工具。

基于WRF_Lake模拟的鄱阳湖对局地夏季降水的影响

利用耦合湖泊模型的区域气候模型WRF,综合分析了鄱阳湖对局地夏季降水的影响。首先利用气象站点数据和MODIS卫星数据评估了耦合湖泊模型的WRF模型(WRF_Lake)在鄱阳湖的适用性,并在此基础上进行去湖敏感性模拟试验。结果表明,WRF_Lake模型可准确地模拟鄱阳湖区的湖表面温度、2m气温、降水发生的时间和降水空间分布;不同时间段,鄱阳湖对湖区降水的作用具有差异性,6月鄱阳湖表现为促进降水的正效应,可增加湖面25%~35%的降水,而7、8月表现为抑制作用的负效应,分别抑制了湖面15%~35%和15%~25%的降水;不同时间段,鄱阳湖对研究区(27.75°N^30°N,115°E^117.5°E)降水的作用具有差异性,6、7月可分别增加研究区1.5%、3.4%的降水,8月则表现出抑制降水的作用。

WRF湖泊模型对青藏高原纳木错湖的适用性研究

WRF模式是目前应用最广泛的区域天气模式之一,在其最近的版本里耦合了一维湖泊模型,用于模拟陆面大型水体与底层大气的相互作用。本研究利用中国高时空分辨率气象驱动数据在西藏大湖之一的纳木错对该湖泊模型作离线模拟,并利用MODIS卫星数据、湖温观测数据和湖面能量平衡评估了模型在青藏高原纳木错湖的适用性。结果表明:WRF中的湖泊模型方案并不适用于纳木错,其原因是在模拟深湖时,模型中垂向混合能力不足,导致大量能量堆积在湖水浅层,湖温廓线和湖表能量平衡存在较大误差。通过加大湖体内部的湍流混合能力,模型对湖水未冻结期的湖温和湖表能量平衡的模拟有很大改进。

基于WRF模式数据和CASA模型的青海湖流域草地NPP估算研究

植被净初级生产力(NPP)是研究陆地碳循环过程的核心内容,而高海拔区域由于气象观测数据的缺乏造成模型对其估算的不准确.在WRF模式气象数据和SPOT-VEGETATION遥感影像的基础上,利用CASA模型对青海湖流域2000-2010年的草地NPP进行了估算,经过实地样方数据和其他模型数据的验证后,分析了青海湖流域近11a来草地NPP的空间分布格局和时间变化特征.结果表明:1)在气象观测资料缺乏的青海湖流域,WRF模式的气象数据能较好地应用到模型中,CASA模型对该区域草地NPP的模拟精度较高;2)2000-2010年青海湖流域草地年均NPP为2.71×1012 gC·a-1,单位面积草地NPP为145.71gC·m-2·a-1;空间分布上呈现出由东南向西北随着海拔升高逐渐下降的格局,在海拔3 200～3 500m的区域草地单位面积的NPP达到最大;3)2000-2010年青海湖流域草地NPP年际变化明显,近11a呈现出明显的增加趋势,增加区域主要分布在环湖地区;年内季节变化显著,夏季NPP占到全年的57.36%;4)对NPP和气象站点太阳辐射、气温、降水数据进行相关性分析,发现影响青海湖流域草地NPP变化的主要驱动力是气温.

基于WRF模式的博斯腾湖地区暴雨数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF4.0,对2020年8月14日南疆博斯腾湖地区的一次暴雨过程进行了数值模拟和敏感试验,研究分析了其中尺度结构特征。结果表明:(1)此次暴雨过程是由于受到伊朗高压系统推动,中亚槽东移,在天山中部与西西伯利亚槽合并加深形成了自北向南的中天山大槽的影响,博斯腾湖区位于该大槽的正中心位置,槽前西南气流强盛,受该大槽控制,博斯腾湖地区暴雨逐渐形成和发展。(2)强降水期间暴雨中心从低层到高层均出现了强烈的上升运动,暴雨过程的水汽来源于中亚槽前偏西向的气流输送,水汽通过该输送通道源源不断地被输送至降水区,为暴雨的形成提供了有利水汽条件。(3)大气上升运动、高低空涡度和散度的有利耦合形势、低空急流的存在以及大气中不稳定能量的释放,共同触发了此次暴雨过程的发生。(4)敏感性试验表明,库鲁克塔格山对于降水有显著影响,当模式中山脉高度降低后,模拟的雨量增多,降水范围增大。

黄河源区生态环境变化对湖泊效应影响的数值模拟

利用中尺度气象模式WRF,设计了陆地生态环境好转、维持现状和退化3种情境下的模拟试验,分析了夏季黄河上游鄂陵湖湖泊效应的特征和生态环境变化对该湖泊效应的影响。结果表明,夏季晴天中午至傍晚,鄂陵湖有显著的湖风环流;白天湖面感热和潜热较小,昼(夜)表现出明显的冷(暖)湖效应;湖区低层全天呈现出"湿岛"效应;受湖风作用影响,环湖陆上白天形成"湿墙"和感热高值区;随着陆地生态环境由好转到退化,湖风环流加强,环湖"湿墙"增高,湖陆边界层高度差增大,陆面感热和潜热变化显著大于湖面;陆面边界层中下部的气温和比湿主要受下垫面影响,环境退化后分别升高和减小,而在边界层顶部由于受湖风环流的作用,两者变化趋势与中下部相反。

太湖地区湖陆风对雷暴过程影响的数值模拟

利用耦合了NOAH陆面模式的WRF中尺度数值模式,对2010年8月18日发生在太湖地区的一次强雷暴过程进行数值模拟,并将模拟结果与实况进行对比。结果表明:模式能较合理地模拟出雷暴演变过程及近地面要素变化。此次雷暴天气过程发生在湖风发展强盛时期,雷暴沿东岸湖风与背景风形成的辐合线发展。通过两个敏感性试验,研究了太湖地区湖陆风对雷暴过程的影响。湖风锋对雷暴过程起触发和增强作用,湖风锋的阻挡和抬升作用导致此次雷暴的产生。在湖风锋前缘形成的初始对流进一步发展加强为雷暴,发展成熟的雷暴低层出流又与湖风作用形成新的雷暴,湖风的辐合为对流云的发展提供水汽和能量。在雷暴的形成发展过程中,感热通量输送可改变大气边界层结构,使低层不稳定能量较易释放,潜热释放加强上升和下沉气流,使边界层湿度增大,对流进一步发展增强。

太湖对周边城市热环境影响的模拟

太湖微气候条件及局地热环境的研究对于太湖周边城市地区可持续发展以及大气宏观调控具有重要意义。为了更准确模拟太湖湖-气交换,将CLM4-LISSS浅水湖泊陆面过程参数化方案耦合进入WRF中的Noah陆面过程模型。采用太湖湖上平台及岸边陆上测站观测的数据,评估了CLM4-LISSS浅水湖泊过程方案对太湖区域近地层气象条件的模拟性能。并基于耦合模型模拟研究了太湖对周边城市区域热环境的影响。结果表明,CLM4-LISSS湖泊陆面过程方案模拟的湖表面温度能反映真实温度的变化趋势。两种陆面过程方案在2 m气温的模拟值也存在一定的差异。CLM4-LISSS与Noah方案计算所得湖上2 m气温的模拟值与观测值的平均均方根误差分别为1.77和2.22℃,平均相关系数分别为0.88和0.84;模拟10 m风速的平均均方根误差分别为1.93和2.78 m/s,平均相关系数为0.72和0.68。太湖对周边城市热环境存在明显的影响。8月太湖对周边地区15时(北京时)近地层平均降温0.5—0.7℃,影响范围达60 km。06时太湖导致周边近地层平均升温达0.7—1℃,影响范围达50 km。湖风带来的冷空气抑制了城市热岛的垂直运动,在高温天气下使得苏州、无锡和常州城市地区昼间边界层下降高度可达300、400和100 m。无锡地区边界层内气温最高降幅可达0.5—0.7℃。通过选取无锡地区2015年8月28日高温小风天气作为背景条件,分析该地区湖风对城市热岛环流的影响机制。结果表明湖风能够破坏无锡地区的热岛环流结构,改变近地面热量和水汽的分布,抑制城市热岛的垂直发展,并影响至整个无锡地区。局地热力环流的变化对于局地气候以及污染物质的输送与扩散有可能产生重要影响,准确的湖泊陆面过程参数化方案对于天气预报、空气污染模拟,以及气候模拟研究等均具有重要意义。

滇中地区夏季城市热岛效应的数值模拟研究

为了探究滇中地区不同城市化程度和湖泊下垫面对城市热岛效应的影响,利用中尺度气象模式WRF(the weather research and forecasting model)对昆明等城市的夏季城市热岛效应进行模拟研究。结果显示,夏季夜间,昆明等城市的热岛现象具有明显的下游效应,城市的扩张使得城市热岛下游效应的影响范围扩大,但热岛的强度不会明显地增强。城市的存在会增加地表的粗糙度,使得夜间的近地面风速减小。在白天,湖泊和城市下垫面主要通过改变局地的热力差异影响近地面的风速,城市的存在会加强湖泊与陆地间的热力差异,促进湖陆风环流,进而加大近地面的风速。城市的存在还会减少下垫面对低层水汽的供应,但城市面积的增加对低层水汽的影响相对较小。清晨,城市地区表现为湿岛(湿度较周边地区略大),这与城市地区的近地面辐合流场有关;而在其他时段,城市地区多为干岛(湿度比周边地区低),且干岛现象也存在下游效应。

影响杭州城市高温因子的数值模拟研究

随着全球气候增暖和城市化进程的加剧,城市高温灾害的影响越来越突出。基于WRF/UCM模式,研究了西湖与城市化进程两个因子对杭州城市高温的影响。设计了三组试验:试验1为采用2010年土地利用数据的控制试验;试验2在试验1的基础上将西湖替换为水田;试验3与试验1相同,但采用2000年的土地利用数据。对比试验1与试验2,发现西湖的存在对杭州白天高温有减缓作用、夜间高温有促进作用,总体而言对杭州城市高温有正贡献;对比试验1与试验3,发现城市化进程所带来的热岛效应加剧了杭州高温,使高温区域面积显著增加;热岛效应对白天高温与夜间高温均有促进作用,但对白天高温的影响更为明显。

基于数值模拟的南四湖风能资源初步评估

基于气象站与测风塔的区域风能资源评估具有较大局限性,前者无法获得风机轮毂高度处的风速资料,评估精度较低,后者难以获得较长时间观测资料,对平均风速的年际变化反映不足,且评估成本较高。选取南四湖周边地区为研究对象,基于WRF构建该地区数值天气预报模式,在NCEP FNL资料的驱动下实现南四湖地区2000-2016年的小时风场模拟。提取80m高度处风场模拟信息,通过年平均风速、年平均风功率密度、年可利用小时数、年内风速分布、主风向等指标,对该地区风能资源进行了初步评估,认为该地区风能资源具备一定开发利用价值,且靠近南水北调东线泵站群等能源消耗中心,有利于风电的就地消纳,为该地区风能资源详查和开发利用提供了一定的参考。

夏季鄱阳湖上空对流系统减弱过程分析

利用6h一次的NCEP分析资料和南昌站新一代多普勒天气雷达6min一次的组合反射率资料,分析了2007年7月23日10:00-16:00(北京时)江西西北部幕阜山脉上空对流云团东移经过鄱阳湖主体时明显减弱或消亡过程。同时,利用中尺度非静力模式WRF对这次过程分别进行了控制性试验(CTR)和敏感性试验(SES)。结果表明,CTR试验能较好地模拟出对流云团经过鄱阳湖时的减弱过程;与CTR试验相比,SES试验模拟的鄱阳湖区向外长波辐射值明显偏低,表明鄱阳湖的存在对过境对流云团有减弱作用;两试验的地表比热差异造成CTR(SES)试验模拟的地面感热和潜热通量较低(较高);CTR试验还模拟出负的地面感热通量,即感热从大气向湖体传递;两试验模拟的地面能量通量的差异导致鄱阳湖主体低层(950hPa)的风场差异显著,即在鄱阳湖主体上空出现了一反气旋性环流,鄱阳湖对过境对流云团的减弱作用是该反气旋环流的辐散下沉造成的。

不同参数化方案和再分析资料在典型高原湖泊地区的适用效果评估分析

利用三种国际常用的再分析资料驱动WRF模式,并结合2013年6月21-30日的实际观测资料,对模式中不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案在青藏高原鄂陵湖、扎陵湖以及纳木错湖区域的感热、潜热等陆-气相互作用参量进行了适用性评估。结果表明:WRF模式能够模拟研究区域感热和潜热通量以及2 m温度的日平均变化特征,但是对感热和潜热通量的峰值均存在一定的高估现象。在扎陵湖、鄂陵湖区域,模式对草地下垫面潜热的模拟Case8(RUC+YSU+FNL)的模拟效果最好,RMSE值为27.16 W·m^-2;对于草地感热和草地2 m高度气温的模拟Case10(CLM+YSU+NCEP-2)效果最好,RMSE分别为29.01 W·m^-2和1.41℃;对于湖面2 m高度气温的模拟Case5(RUC+YSU+FNL)效果最好,RMSE最低值为1.18℃;整体而言,Case 10的RMSE归一化指数为1.70,是扎陵湖、鄂陵湖地区11组试验中整体模拟性能中相对较好的试验方案。在纳木错湖地区,模式对草地下垫面潜热的模拟Case6(SLAB+YSU+FNL)的效果最好,RMSE最低值为16.11 W·m^-2;对于草地感热的模拟Case8的模拟效果最好,RMSE最低值为42.93 W·m^-2;对于草地2 m高度气温的模拟Case7(Noah+YSU+FNL)效果最好,RMSE最低值为0.69℃;整体而言,Case 1(CLM+YSU+FNL)的RMSE归一化指数为1.0,是纳木错地区11组试验中整体模拟性能中相对最好的试验方案。

昆明城市热岛效应的数值模拟研究

本文利用WRF(V3.9.1)模式中耦合Noah/SLUCM方案作为Control试验,研究了土地利用类型(Md04试验)、陆面过程(NoUCM试验)和湖泊(Nolake试验)对城市热岛强度及昆明城市气象要素水平、垂直的时空分布影响。主要结论如下:(1)四个试验城市热岛强度的平均日变化趋势相似,白天城市热岛强度较弱、夜间较强,在20时(北京时,下同)左右达到最大值。城市冠层(湖泊)对城市热岛有较明显的减(增)温,Control-NoUCM(Nolake)试验中,平均日最大差值为−0.79°C(+1.07°C)。(2)从能量平衡方程分析Control-Md04试验,感热(潜热)通量的差值为+46.18(−79.71)W m^(−2),潜热通量释放大于感热通量的绝对值。Control-NoUCM试验中,感热(潜热)通量的差值为−40.88(+29.60)W m^(−2);因NoUCM试验未考虑几何建筑物储热与遮挡,太阳辐射大部分被地表所吸收,导致感热通量偏大。(3)四种试验中,15(07)时边界层高度达到最大(小)值。NoUCM(Nolake)试验中城市边界层高度分别降低103 m(32 m)左右,而Md04试验中城市边界层高度增加102 m左右。(4)湖泊(滇池)对城市热岛环流影响的试验表明,湖泊上空垂直运动较弱,但水平方向湖陆风较大,这有利于向城市输送水汽,增加干空气湿度,使城市中空气的水汽含量增加,同时增大潜热能量释放,降低感热通量,减小了垂直温度梯度。