城市化对江苏气候变化影响的数值模拟个例分析

利用MM5模式对2003年夏季6、7两个月典型区域气候极端事件进行数值模拟,研究城市化急剧扩张对区域气候极端事件的影响和可能机制.研究发现:苏南及邻近地区城市化区域的扩张,会引起区域降水分布的变化.在城市化区域,降水将减少,而在城市化的下风区会有局地的降水增加;同时,在苏南城市化区域中,太湖等湖泊的影响也很重要,会加强其邻近地区局地降水强度.城市化区域的地面气温有明显的上升,对高温天气的作用更大.城市化也会影响地面风场,阻挡穿越城市化区域的风;苏南沿海城市化区域扩张,会使海陆风环流增强,加大了海面向陆面的风.城市化区域的潜热通量明显减少,而感热通量显著增加.城市化增暖产生的局地热源,使城市化区域及邻近地区局地环流发生变化,增强了低层城市化区域向周边辐散的强度.随着高度的增加,城市化的影响也越来越小.     

青海湖夏秋季局地气候效应数值模拟研究

由于水陆热力性质差异,湖泊对局地天气气候具有显著影响,占中国湖泊总面积一半以上的高原湖泊对区域天气气候的影响不可忽视,但目前对高原湖泊局地气候效应的研究依然存在不足。本研究利用WRF-FLake动态耦合模式,设计了有湖与无湖两组实验,对高原最大湖泊青海湖的局地气候效应进行了整年的模拟研究。结果表明,耦合模式的模拟性能良好,青海湖在1-6月使得区域气温降低,而7-12月使得区域气温升高,且青海湖的存在降低了1-9月的日最高气温,增加了6-12月的日最低气温,使得气温日变化减小,白天青海湖为冷湖效应,而夜间青海湖为暖湖效应。2-6月青海湖轻微减少区域降水量,7-12月明显增加了区域降水量,且8月增加量最显著。青海湖对局地年降水量的贡献率在湖面上最大可达50%～60%,而在周边陆地为10%～30%,夏季青海湖增加的降水量最多,而秋季青海湖对总降水的贡献率最大,青海湖增加的降水在20:00(北京时,下同)至次日02:00最多,而14:00-20:00最少,夏季增加的对流性降水较多,秋季增加的对流性降水较少。白天青海湖的冷湖效应使湖面产生下沉辐散气流,抑制对流的发展和水汽的扩散,导致湖泊降水效应减弱,而夜间青海湖的暖湖效应使湖面产生辐合上升气流,促进对流的发展和水汽的扩散,导致湖泊降水效应增强。     

中国东部不同区域城市群下垫面变化气候效应的模拟研究

本文利用法国动力气象实验室发展的大气环流模式(LMDZ)对珠江三角洲(简称珠三角)、长江三角洲(简称长三角)和北京市、天津市、河北省区域(简称京津冀)城市群下垫面变化的东亚气候进行模拟试验, 以探讨不同区域城市群下垫面变化带来的夏季气候效应及其可能机制, 结果表明:珠三角、长三角和京津冀城市群下垫面类型改变后, 地表潜热蒸发显著减少, 为了平衡地面能量收支, 地面温度升高, 进而感热通量、地表有效长波辐射增强, 地表通过升温对能量进行再分配和再平衡, 且下垫面改变引起的温度、地表能量变化基本集中于城市群下垫面变化区域, 温度响应具有显著的局地性;对比不同区域城市化温度响应的强弱, 发现各区域地表气温变化和能量变化存在较好的对应关系, 长三角、珠三角城市群的总能量变化远高于京津冀城市群, 其局地增温也是京津冀城市群的一倍以上;局地温度增加, 虽有利于低层形成热低压, 出现明显上升运动, 但蒸发减弱使局地水汽明显减少, 最终导致降水减少, 表明水汽条件改变是降水减少的主要因素。同时由于中国东部高层呈现南正北负的异常变化, 西太平洋副高加强西伸, 使降水减少区域并没有集中在局地, 特别是东部城市带试验中, 出现了东部地区大范围的降水偏少。     

东北冷涡背景下沈阳地区一次强降水过程分析

利用辽宁省区域自动站、探空和多普勒雷达观测资料及ECMWF再分析资料, 对2016年6月30日发生在沈阳地区一次局地短时强降水过程的天气特征及可预报性进行分析。结果表明: 此次天气过程为东北冷涡背景下典型的午后强对流天气, 白天太阳辐射加热使得沈阳城区温度高于周边区域, 配合中低层的高湿环境具有较好的不稳定能量; 暴雨发生前2 h, 近地面至300 hPa高度西南气流不断增强, 低空急流出口区减压, 使得垂直运动增强, 上升运动高度达到对流层顶, 有利于触发和加强对流, 1.5—3.0 km的16 m·s^-1的西南风脉动和急流减弱消失对降水发生和结束有较好的指示意义; 午后低层辐合、高层辐散的不稳定层结在强降水发生前2 h建立, 散度最大时段与强降水时间对应较好; 雷达观测反映这次降水以低质心暖云降水为主导, 具有较高的降水效率, 地面辐合线触发了对流, 并逐渐发展演变成带状对流系统。从数值预报的结果来看, 模式未能报出城市下垫面对气象要素的影响, 对于地面辐合线的预报存在明显的滞后偏弱, 导致强降水预报难度增加。     

基于耦合湖模式的城市边界层模式研究太湖的气象与环境效应

本文发展了一个耦合的城市边界层—湖泊模式(RBLM-Chem-Lake),通过离线和在线两种方式对模式的模拟效果进行了检验。并通过敏感性实验分析了太湖冬季和夏季对周边地区气象特征和空气污染的影响。结果表明：(1)白天太湖对周边气象环境产生了明显的降温效应,而夜晚出现了明显的升温。冬季夜晚周边地区升温达到0.4～0.6℃,白天可以使得周边气温降低1～2℃。夏季夜晚使周边地区升温可达1～1.5℃,白天使得周边气温降低1～2℃。(2)太湖对周边地区气温的影响范围夏季远高于冬季,夏季影响范围可达到80 km,冬季影响范围平均为5 km。此外,太湖使得湖区平均边界层高度下降,湿度上升,使得苏州市区垂直风速减弱,这种影响同样在夏季更为明显。(3)太湖的存在总体上使湖区和周边地区PM_2.5和臭氧的质量浓度增加。在冬季PM_2.5污染个例中,太湖导致区域夜晚PM_2.5质量浓度下降,下降幅度达到4～5μg·m^-3。而在白天,太湖区域500 m高度以下PM_2.5质量浓度增加,幅度达到25～30μg·...     

地面降水诊断方程对降水过程的定量诊断

降水, 尤其是强降水 (暴雨), 对国家经济发展、 社会建设以及人民生活影响巨大, 然而由于同降水相关的物理过程非常复杂, 因此, 对降水的研究与预测十分困难。过去有关降水的研究大多关注水汽及水汽辐合 (输送) 的影响, 对与降水有关的水汽收支研究较多。Gao et al.(2005a) 率先将大气中水汽和云中水凝物 (云水、 雨水、 云冰、 雪及霰等) 的变化方程结合起来, 得到一个地面降水诊断方程, 从而可以将与降水有关的大气中水汽和云的演变过程在同一框架下定量地分析研究。本文利用一套21天长度的热带云分辨尺度模拟资料, 通过计算地面降水诊断方程中的局地水汽变化、 水汽辐合辐散率、 地面蒸发率以及云的变化率等各项, 分析了这些物理过程对降水的贡献, 指出局地水汽和云的变化率、 水汽辐合率, 地面蒸发率等均对地面降水有重要贡献。区域平均资料分析表明, 若水汽辐合与局地大气变干共存, 则产生强降水; 若存在水汽辐合但局地大气增湿或者存在水汽辐散但局地大气变干, 则引起中等强度降水; 若水汽辐散与局地大气增湿共存, 则造成弱降水。将降水划分成对流和层状降水进行分析发现, 对流降水率一般大于层状降水率, 水汽辐合是对流降水最主要的水汽源, 而局地大气变干则是层状降水最主要的水汽源。区域平均局地大气变干主要发生在降水性层状云区, 而最强的局地大气增湿则发生在对流云区和晴空区; 最强的局地云的消散发生在层状云区, 而最强的局地云的发展发生在对流云区。     

中国21世纪气候变化情景的统计分析

利用区域气候模式系统PRECIS,分析SRES A2、B2情景下21世纪的三个时段中国地面气温和降水的变化,并对B2情景下中国区域地面气温和降水可能的变化趋势进行统计分析。结果表明,未来极端高温和降水事件将会增加,而极端低温事件将会减少。对全国七大区平均地面气温和降水变化的分析显示：未来东北、华北和西北地区夏季增温大而降水增加少,暖干化趋势较明显;华中、华东和华南地区的夏季降水增加明显而冬季增加较少,尤其是华南冬季的降水明显地减少,这表明这些地区夏季的洪涝和冬季的干旱都会加重。     

1998年5～8月青藏高原东部和邻近地区大气热源日变化特征及其与高原环流的关系

利用1998年5－8月“南海季风试验”期间观测站的探空及地面资料，计算并分析了高原及邻近地区大尺度大气热源和水汽汇的日变化特征及其与高原环流的关系。初步结果表明：中南半岛－高原东部的大气热源在早上弱，傍晚较强；南海北部－华南－华中的热源在早上强，傍晚弱。水汽汇的日变化与热源基本相似。傍晚高原东部上升运动明显增强，高原及其南侧的局地经向季风环流增强；高原东部下游地区傍晚的上升运动减弱或变为下沉，形成一个西升东降的局地日变热力纬向环流。1998年夏季长江中偏上游的致洪暴雨和华南的降水主要集中在夜间至午后。     

我国东南沿岸及复杂山地后汛期降水日变化的数值研究

利用2009~2017年7~9月福建省逐小时地面加密自动站资料和2015~2017年7~9月厦门站的探空资料,通过K均值聚类法和中尺度数值模式(WRF3.9.1.1版本)理想数值模拟,分析了我国东南沿岸及复杂山地(福建)后汛期降水日变化特征,揭示了地形热力环流以及海陆风环流在热对流降水日变化形成中的作用,探讨了环境温湿廓线及风垂直廓线对热对流降水日峰值强度和日峰值出现时间的影响。结果发现:我国东南沿岸复杂山地(福建)后汛期降水日变化受地形热力环流和海陆风环流的影响和调制,白天辐射加热在复杂山地形成的局地热力环流激发出对流降雨带,午后受海风环流的影响,对流降雨带组织发展达到峰值,之后随着地形热力环流和海风环流减弱雨带逐渐减弱。武夷山及周边复杂山地的降水日变化主要受地形热力环流的影响,在午后对流降水达到峰值,夜间减弱几近消失。理想数值试验进一步证实了我国东南沿岸复杂山地地形热力环流对对流降雨的触发以及海陆风环流在山地对流雨带组织发展中的作用,环境温湿廓线以及风垂直廓线对热对流降水日峰值强度以及日峰值出现的时间具有重要影响,其中环境温湿廓线的大气抬升凝结高度、大气可降水量、大气的对流不稳定度以及大气中低层湿度分布的不同,会影响热对流降水日峰值强度,并通过影响山地热力对流触发时间,改变热对流降水日峰值时间,而环境风垂直廓线的低层气流强度和方向、中低层垂直风切变的不同,会影响地形热力对流系统的启动、组织发展和移动等特征,进而影响热对流降水日峰值强度以及热对流降水日峰值时间。     

环太湖地区土地利用变化的局地气候效应

利用WRF模式和1985年、2005年环太湖区域的土地利用资料,模拟了环太湖区域土地利用变化的局地气候效应,并从陆面过程的角度进行了分析。模拟结果显示：城市扩张区域净短波辐射通量增多,地面温度升高,感热通量增大,潜热通量减小。近地面水平风场在城市化地区风速减小,在城市化带方向上形成狭长的动能衰减区域。湖陆风和城市热岛环流增强,城市化地区向上垂直速度增大,积云性降水增多。老城区和郊区下沉运动增强,对流受到抑制,积云性降水减少。层云降水的改变,集中在层云降水的大值区,且多呈带状分布。总降水在城市化区域增强,在老城区和郊区减少,积云性降水占总降水的比值增大。在土地利用没有变化的区域,降水的改变与地表能量通量的改变在空间分布上大致吻合。     

鄱阳湖影响过湖对流强度的数值模拟及机理分析

湖陆下垫面的非均匀性对强对流天气的发展演变有很大的影响。鄱阳湖是我国最大的淡水湖,湖面积具有明显的月变化和季节变化,而模式中的下边界一般默认湖面积不变,这与实际情况的差异较大,必然带来模式预报误差。利用WRF模式对夏季夜间发生在鄱阳湖地区的一次强对流天气过程进行数值模拟,并通过湖面积变化的敏感性试验,深入研究鄱阳湖对强对流天气发展演变的影响及其机理,结果表明：夏季夜间湖面上空2 m温度明显高于陆面,向湖陆风在湖面上空辐合上升,岸边则存在下沉辐散气流。这导致降水在湖西岸减弱、湖上空增强。随后用去湖敏感性试验印证了鄱阳湖的暖湖效应,湖泊的存在能够通过激发陆风次级环流对湖西岸（湖面）上空降水起抑制（促进）作用。去湖试验的降水在湖西岸增强20%,在湖面上空减弱16%,体现出湖泊对降水强度的重要影响。此外,还发现湖面积扩大1.5、2.5、3.5、4.0倍的扩湖敏感性试验的降水在湖面上空分别增幅7%、16%、30%、43%,进一步证实了强对流强度对鄱阳湖面积变化较为敏感。这指示我们在预报夏季夜间穿湖而过的强对流天气时,应重点关注其可能存在的入湖前减弱、入湖后增强的变化趋势。同时,在利用数值模式模拟湖区强对流天气过程时,如果湖面积与模式中默认的湖面积相差较大,则应考虑将实际湖面积引入模式下边界,以期提升模式对于湖区对流的预报能力。     

中南半岛春季土壤湿度异常对亚洲热带夏季风建立和发展的影响

利用WRF区域模式模拟分析了中南半岛地区春季土壤湿度异常对亚洲热带夏季风建立和发展的影响,结果表明:亚洲热带夏季风对中南半岛春季土壤湿度的响应是不对称的,当中南半岛春季土壤湿度偏高时,中南半岛及孟加拉湾周边地区呈现异常东风,伴随降水减少,季风减弱;而中南半岛春季土壤湿度偏低时,孟加拉湾及周边地区西风减弱,降水减少,季风也对应减弱。通过进一步分析物理机制得到,中南半岛春季土壤湿度异常偏高使季风建立初期感热减小,陆表温度明显降低,从而导致海陆温差逐渐降低,使季风减弱;而中南半岛春季土壤湿度异常偏低使整个中南半岛区域蒸发减少,导致地表向上输送的水汽减少,减弱季风环流和降水。此外,通过分析850 h Pa纬向风及对流层中上层经向温度梯度两项季风暴发指数,探讨了中南半岛春季土壤湿度异常对孟加拉湾东部季风暴发时间的影响,结果表明:中南半岛春季土壤湿度偏高时,孟加拉湾东部季风暴发时间大约推迟10天左右,而土壤湿度较低对亚洲热带夏季风暴发时间影响甚微。     

Impact of Taihu Lake on City Ozone in the Yangtze River Delta

The lake-breeze at Taihu Lake generates a different specific heat capacity between the water body and the surrounding land. Taihu Lake has a significant impact on the atmospheric conditions and the air quality in the Yangtze River Delta. This phenomenon is referred to as the Taihu Lake effect. In this study, two simulations were conducted to determine the impact of the Taihu Lake effect in the reference experiment(R-E) and sensitivity experiments(NO TH). The control simulations demonstrated that the meteorological field and the spatial distribution of ozone(O3) concentrations over Taihu lake obviously changed once the land-use type of water body was substituted by cropland. The surface temperature of Taihu Lake was reduced under the impact of Taihu Lake, and a huge temperature difference caused a strong lake-breeze effect. The results also showed that the difference in the average concentrations of O3 between the R-E and NO TH experiments reached 12 ppbv in most areas of Taihu Lake, all day, on 20 May 2014. During daytime(0800–1600 LST, LST=UTC+8), the influence of the Taihu Lake effect on O3 in the Suzhou region was not significant. However, the influence of the Taihu Lake effect on O3 in the Suzhou region was obvious during nighttime(1800–2400 LST). The larger changes in the physical and chemical processes were horizontal and vertical advections under the influence of the Taihu Lake effect in Taihu Lake.     

成都城市化发展对局地气候的影响

为研究成都地区城市化对局地气候的影响,利用新一代中尺度数值模式WRF,将不同时期下垫面土地利用类型作为控制试验和敏感试验的模拟条件,探讨了下垫面改变对成都市夏季和冬季城市化效应的影响。结果表明:城市下垫面对夏季中心城区的地表气温升高有显著影响,敏感性试验表明,下垫面的改变引起成都地区夏季28℃以上的高温区域扩大并向东北和西南扩张,且城区的外扩导致周边区域地表气温升高。冬季成都地区常为多云天气,能到达地面的太阳辐射较夏季大大减小,城市化导致的升温作用没有夏季显著。城市化作用使城市上风区降水量以减少为主,下风区降水量以增多为主,城市化使得发生强降水的概率增加,并且强降水在空间分布上更集中在城市下风区。      

环太湖地区气候变化特征研究

根据1971—2010年环太湖地区苏州、常州、长兴等9个气象台站日平均气温和日降水量资料,采用EOF正交经验分析法、线性倾向率法、小波分析法和Mann-Kendall检验法研究了环太湖地区近40 a来的气候变化特征。结果表明:1) 1971—2010年间,环太湖地区整体上呈增暖趋势,环太湖地区的季节性增暖存在空间差异,西北部的气温在春、夏季明显升高,而东南部则在秋、冬季明显增暖,1990年前后该地区的增暖率存在完全相反的空间分布。2)该40 a中,降水表现为北部增加,南部减少。整个环太湖地区的降水在冬季普遍呈现增加趋势,春、夏季降水的空间分布差异性大于秋、冬季。3) M orlet小波分析结果表明,环太湖地区年平均温度存在16～17 a和6 a、26 a左右的变化周期;年降水量存在15～16 a和24 a的强显著性变化周期,各地区在年均温、年降水量周期振荡的强度上存在一定的差异。4) Mann-Kendall突变检验显示,1971—2010年环太湖地区各站点均表现为气温由低向高的突变,突变发生在1992—1993年。     

Understanding precipitation recycling over the Tibetan Plateau using tracer analysis with WRF

The precipitation recycling (PR) ratio is an important indicator that quantifies the land-atmosphere interaction strength in the Earth system’s water cycle. To better understand how the heterogeneous land surface in the Tibetan Plateau (TP) contributes to precipitation, we used the water-vapor tracer (WVT) method coupled with the Weather Research and Forecasting (WRF) regional climate model. The goals were to quantify the PR ratio, in terms of annual mean, seasonal variability and diurnal cycle, and to address the relationships of the PR ratio with lake treatments and precipitation amount. Simulations showed that the PR ratio increases from 0.1 in winter to 0.4 in summer when averaged over the TP with the maxima centered at the headwaters of three major rivers (Yangtze, Yellow and Mekong). For the central TP, the highest PR ratio rose to over 0.8 in August, indicating that most of the precipitation was recycled via local evapotranspiration in summer. The larger daily mean and standard deviation of the PR ratio in summer suggested a stronger effect of land-atmosphere interactions on precipitation in summer than in winter. Despite the relatively small spatial extent of inland lakes, the treatment of lakes in WRF significantly impacted the calculation of the PR ratio over the TP, and correcting lake temperature substantially improved both precipitation and PR ratio simulations. There was no clear relationship between PR ratio and precipitation amount; however, a significant positive correlation between PR and convective precipitation was revealed. This study is beneficial for the understanding of land-atmosphere interaction over high mountain regions.

     

Simulation of Effects of Grassland Degradation on Regional Climate over Sanjiangyuan Region in Qinghai-Tibet Plateau

Regional climate model （RegCM3） was applied to explore the possible effects of land use changes （e.g., grassland degradation in this study） on local and regional climate over the Sanjiangyuan region in the Qinghai-Tibet Plateau. Two multiyear （1991-1999） numerical simulation experiments were conducted： one was a control experiment with current land use and the other was a desertification experiment with potential grassland degradation. Preliminary analysis indicated that RegCM3 is appropriate for simulating land- climate interactions, as the patterns of the simulated surface air temperature, the summer precipitation, and the geopotential height fields are consistent with the observed values. The desertification over the Sanjiangyuan region will cause different climate effects in different regions depending on the surrounding environment and climate characteristics. The area with obvious change in surface air temperature inducing by grassland degradation over the Sanjiangyuan region is located in the Qinghai-Tibet Plateau. A winter surface air temperature drop and the other seasons＇ surface air temperature increase will be observed over the Qinghai-Tibet Plateau based on two numerical simulation experiments. Surface air temperature changes in spring are the largest （0.46℃）, and in winter are the smallest （smaller than 0.03℃）, indicating an increasing mean annual surface air temperature over the Qinghai-Tibet Plateau. Surface air temperature changes will be smaller and more complex over the surrounding region, with minor winter changes for the regions just outside the plateau and notable summer changes over the north of the Yangtze River. The reinforced summer heat source in the plateau will lead to an intensification of heat low, causing the West Pacific subtropical high to retreat eastward. This will be followed by a decrease of precipitation in summer. The plateau＇s climate tends to become warm and dry due to the grassland degradation over the Sanjiangyuan region.     

赤道太平洋对流活动异常对我国夏季降水和气温的影响

利用月平均ＯＬＲ、降水和气温资料,研究了ＥＮＳＯ期间赤道太平洋对流活动与我国夏季降水和气温的关系。结果表明：春季、夏季中、西太平洋对流活动异常与我国夏季江淮地区的降水有密切关系;春季和前一年冬季西太平洋对流活动异常与东北地区夏季降水有显著相关。前一年冬季中、西太平洋对流活动异常与我国降水的显著相关区是不同的,前者为华南、西南地区,后者为东北至内蒙古一带。气温与同期中、西太平洋对流活动的相关不显著。     

赤道太平洋对流活动异常对我国夏季降水和气温的影响

利用月平均ＯＬＲ、降水和气温资料,研究了ＥＮＳＯ期间赤道太平洋对流活动与我国夏季降水和气温的关系。结果表明：春季、夏季中、西太平洋对流活动异常与我国夏季江淮地区的降水有密切关系;春季和前一年冬季西太平洋对流活动异常与东北地区夏季降水有显著相关。前一年冬季中、西太平洋对流活动异常与我国降水的显著相关区是不同的,前者为华南、西南地区,后者为东北至内蒙古一带。气温与同期中、西太平洋对流活动的相关不显著。     

Modeling the climatic effects of urbanization in the Beijing–Tianjin–Hebei metropolitan area

In this analysis, the weather research and forecasting model coupled with a single-layer urban canopy model is used to simulate the climatic impacts of urbanization in the Beijing–Tianjin–Hebei metropolitan area, which has experienced significant expansion in its urban areas. Two cases examining current landscapes and the sensitivity test of urban areas replaced by cropland have been carried out to explore the changes in the surface air and atmospheric boundary structure. The impact of urbanization on annual mean surface air temperature has been found to be more than 1 °C in urban areas, and the maximum difference is almost 2 °C. The change in near-surface level temperature is most pronounced in winter, but the area influenced by urbanization is slightly larger in summer. The annual mean water vapor mixing ratio and wind speed are both reduced in the urban area. The effect of urbanization can only heat the temperature inside the urban boundary layer, below 850 hPa. The modeling results also indicate that the underlying surface thermal forces induced by the “urban heat island” effect enhance vertical air movement and engenders a convergence zone over urban areas. The convergence at low level together with the moisture increases in the layer between 850 and 700 hPa triggered the increase of convective precipitation.