沙漠土壤和大气边界层中水热交换和传输的数值模拟研究

为了解沙漠土壤和大气边界层系统中的水分和能量的交换和传输特征，本文发展了一个一维耦合模式，其中包括一个同时考虑土壤中液态水及气态水运动的沙漠土壤模式和一个基于非局地过渡湍流闭合方案的大气边界层模式。用这一耦合模式对沙漠土壤和大气界面的水热交换及沙漠土壤和大气边界层中的水热输送过程进行了模拟，同时与ＨＥＩＦＥ（ＨｅｉｈｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎＦｉｅｌｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）沙漠站的有关资料进行了对比。模拟结果表明约６５％的净辐射能以感热（５０％）和潜热（１５％）的形式提供大气，约３５％的净辐射能以地热流量的形式进入土壤。土壤表层２ｃｍ的范围表现为水热传输的活跃层，水分和温度廓线呈现剧烈的日变化。模拟结果同时表明沙漠土壤中水分传输以气态水为主，如果忽略土壤中的气态水运动，地气界面的水汽通量计算及边界层内的湿度及水汽通量的计算会产生较大的误差     

复杂下垫面模拟域大气边界层非局地闭合模拟研究

在非局地闭合大气边界层模拟研究基础上,选取黑河实验研究资料（HEIFE）,利用二维模式对绿洲和沙漠交界地区的内边界层结构进行了模拟研究,模式考虑了两种下垫面条件下动力、热力特性的不同,并加入了湿度及水汽通量的预报。模拟结果表明:二维非局地闭合模式能得到合理的TIBL结构的基本特征,包括平均场、湍流场等,并能模拟给出一些由下垫面特性形成的大气现象,如沙漠地区逆湿现象的生消过程、绿洲的冷岛效应、绿洲与沙漠因热力差异而形成的局部环流形势等细致结构,符合沙漠站白天观测事实的典型特征。     

半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量的日变化及季节变化

采用涡动相关方法连续观测2002年10月到2003年12月半干旱地区地气界面水汽和二氧化碳通量变化,分析水汽和二氧化碳通量的季节和日变化规律,同时比较农田和退化草地两种不同下垫面物质和能量通量交换过程的差异,得到如下一些主要结果:(1)半干旱地区湿季,相距5 km的两种不同下垫面,即使在同一天气过程控制下,不同植被下垫面的降雨分布仍不尽相同,甚至相差很大.这表明降雨空间的分布是很不均匀的,具有很强的局地特征.(2)在干季近地面层能量收支中,两种不同下垫面上的有效能量(净辐射与地表热流量之差)主要分配为感热通量,潜热通量在非生长季(干季)通常很小.在湿季(生长季),潜热通量与感热通量相当,但农田下垫面的潜热通量大于退化草原下垫面.(3)土壤的温度和湿度日变化主要集中在0～20 cm土壤层内,在湿季农田下垫面土壤的湿度有明显的跳跃,这与降雨过程有很好的相关.(4)在非生长季,两种不同下垫面地气间二氧化碳通量差别不大,都很小.白天由于光合作用,在生长季农田下垫面吸收CO2通量较退化草原大,但比湿润地区稻田下垫面小一个量级,远小于森林生态系统.     

陆地下垫面特征对区域能量平衡过程影响的数值试验

陆地下垫面性质的变化将会改变地气系统之间的能量平衡和转换过程，进而影响到区域气候环境。本文主要进行了陆地下垫面特征变化对区域能量平衡过程影响的数值试验，利用三维地气耦合的区域气候模式模拟了我国华北部分地区的地面能量平衡过程。结果表明，不同的陆地下垫面特征其地面能量分配和转换机制存在较大的差异，从而影响区域气候环境的形成和变化。这一结果可为人们通过改变地表特征的方式改善区域气候和生态环境提供一定的气     

藏东南地区复杂下垫面能量收支特征分析

利用公益性行业（气象）科研专项项目＂藏东南地区复杂下垫面地气交换观测研究＂在藏东南地区进行的地气交换观测实验数据,分析典型晴天和阴天条件下不同下垫面能量过程的特征及其差异。结果表明：在典型晴空状态下,不同下垫面的地表净辐射均具有明显的日变化特征,在典型阴天的情况下,不同下垫面地表净辐射日均值显著减小;在典型晴空天气下,4种类型下垫面上潜热均随着净辐射的增加而表现为增加的趋势,在典型阴天的情况下,潜热通量明显比晴空天气小;不同下垫面感热通量的日变化存在显著的差异,不同下垫面感热的变化特征在典型晴空和阴天条件下的差异不明显;不同下垫面土壤热通量与净辐射的变化趋势基本一致,阴天夜晚土壤热流的交换与晴天夜晚的差异不大,四种下垫面土壤均存在能量损失,土壤处于降温状态。     

我国西北下垫面影响大气的初步数值试验

本文利用原始方程五层模式,采用粗细网格单向嵌套的方法,初始场资料用GFDL10年(1963—1973)平均7月份的高度场和湿度场,对我国西部沙漠地区的大气环流进行了模拟计算,并在我国沙漠地区作了两种不同下垫面时大气响应的对比试验。结果表明,在青藏高原及其附近,存在三个系统:(ⅰ)青藏主体热低压,(ⅱ)帕米尔高原热低压(或新疆低压),(ⅲ)副高西伸到沙漠地区的高压脊。此外,沙漠与高原之间存在着地形性热力环流。当试验区下垫面改变为草原时,土壤及地表温室都会有所上升,有加强对流的作用,但是,由于试验区为地形性热力环流的下沉气流所控制,且处于闭塞的地形环境中,水汽来源不足,故植被的生长环境仍不能得到改善。     

一个简单的陆面过程模式

本模式为针对大气环流模式所发展的一个简单的陆面过程模式，它包含:（1）地表温度计算，（2）冠层叶面贮水量和土壤湿度计算，（3）陆面与大气之间的水分和能量交换。对于表面温度和含水量的计算，采用的是联立求解计算方案，即耦合计算。植被冠层叶面的辐射特性和冠层形态对冠层中的辐射交换的影响得到有效和尽可能简单的模拟。另外，植被的气孔阻抗、表面与大气之间的水热交换通量和土壤中的水热输导作了较为细致的描写。利用此模式开展了对两个不同覆盖类型的陆面过程的模拟，模拟和观测的表面通量、温度和湿度较为相近。     

SiB3对不同下垫面的模拟试验与验证

首先介绍简单生物圈模式版本3(Simple Biosphere Model 3,SiB3)相比SiB2的改进之处以及相应的参数化方案。为了检验SiB3模式能否模拟不同下垫面的地气之间水分和能量交换,本文在全球选择3个代表高、中、低纬度的典型实验站点(青藏高原安多站点、亚马逊流域的Km34站点和美国中西部的WLEF站点),利用SiB3进行模拟分析和实验验证。研究结果表明,SiB3能够较好地模拟出不同下垫面的地表感热通量、潜热通量和净辐射通量随时间的变化率以及变化趋势,模式模拟值和测量值的相关系数达到080左右。但与实测相比,SiB3模拟的感热通量值仍偏高。在安多站点,模式模拟的地表土壤水分比较干燥,且模拟的地表温度较测量值偏高。     

陆面模式CLSM的设计及性能检验II.模式检验

利用BOREAS,HEIFE,ARME,GAME-TIPEX等大量的陆面外场观测资料,针对不同类型的陆面过程,对所发展的陆面模式CLSM的性能进行检验.模拟结果与观测资料的对比分析表明:一方面,CLSM能够对积雪变化、干旱/半干旱地区的水热交换等特殊的陆面过程进行合理的描述;另一方面,CLSM对热带雨林地区的植被-大气相互作用、高原地气交换过程同样具有很强的模拟能力.CLSM解决了陆面模式对上述特殊下垫面描述能力有限的实际问题,保证了对特殊下垫面进行合理描述的同时,又保证了对其他不同陆面状况的模拟能力.CLSM改善了陆面模式对全球范围内不同下垫面条件下的陆面过程及地-气交换过程的模拟能力.     

NIM陆面过程模式的研究Ⅱ：青藏高原夏季陆面过程的数值模拟

采用南京气象学院（NIM）5层陆面过程模式，利用1979年5－8月“青藏高原气象科学实验”资料模拟和分析了夏季青藏高原不同地区的陆面特征和地表能量特征。并将模拟值与根据观测资料计算得到的感热和潜热以及观测得到的净辐射、土壤温度、土壤热通量进行了对比。结果表明，NIM5层陆面过程模式可以模拟青藏高原夏季不同下垫面情形下的能量交换过程。     

黄土高原多沙粗沙区作物水分供需状况评价

采用最大可能蒸散、作物实际蒸散、水分盈亏、水分订正系数评价了黄土高原多沙粗沙区主要作物(春小麦、冬小麦、春玉米、夏玉米和棉花)和草地生长季水分供需状况,结果表明,需水量:冬小麦>棉花>春玉米>春小麦>夏玉米;水分订正系数:春玉米>夏玉米>棉花>春小麦>冬小麦。草地需水量为350～450mm,水分订正系数0.95以上,水分供需矛盾小,实施退耕还牧无论对缓解水资源短缺,还是改善生态环境,在黄土高原多沙粗沙区都是十分有效的措施。     

江淮流域夏季典型旱涝年大气中的水汽输送和收支

该文利用NCEP/NCAR再分析资料对中国东部区域1991年和1994年这两个夏季旱涝典型年的降水状况、水汽输送及收支状况等进行了综合定量对比分析,结果表明:江淮流域夏季旱涝形势的形成更多地取决于流经其上的东西向水汽输送的变化。南亚夏季风强弱的变化对江淮流域的旱涝形成可能具有更为重要的影响。中国东部夏季的偏西水汽输送主要来自西南地区西边界,江淮流域夏季干旱年该地区西边界的水汽输入明显比洪涝年减少,因而在未来的中国东部旱涝预测中要特别重视西南地区西边界的水汽输送状况。     

东亚季风区地气系统的水平衡

本文利用欧洲中心ＥＣＭＷＦ１９８０～１９８９年１０年逐日资料及同期中国六大流域片的月径流量资料,用水平衡方法尝试了对东亚季风区进行蒸发估算、土壤和地下水含量估算及总的水量平衡分析。结果表明：全国陆地降水在７月份最大,平均约为９５ｍｍ,蒸发的最大值（８０ｍｍ）比其滞后１个月出现。北方流域和南方流域的水平衡特征明显不同。南方流域降水始终大于蒸发,蒸发峰值比降水峰值滞后１个月,土壤、地下水含量盛夏或初秋开始减小;北方流域蒸发有时超过降水,两者的峰值同月出现,土壤、地下水含量初夏就开始减小。东北流域片的水平衡特点介于上述南、北方流域特点之间。计算误差中由水汽通量散度项的日变化引起的误差可能占总误差的５０％。     

水分子结构模式及液态固态水若干特征成因探讨

水是包括海洋大气在内的地球生态系统中极重要又有很多特殊性的物质。其特性的成因尚远非清晰。本文提出一种水分子(H_2O)结构及其固态液态水体的结构模式,探讨和模拟计算了其若干特征的成因,结果能较好符合实测值。(1)从氢(H)氧(O)原子结构和电子绕各原子核及相互绕行规律的等概率随机轨道中实现符合库伦力和开普勒运动规律的优势轨道耦合成平均状态稳定的准刚性的水分子结构。其核心是O原子与等距离分立其两侧的2个H原子构成的等腰三角形,其间距平方之比(H-H)_2/(H-O)_2=2.5;电子云活动空间为1个由4个等边三角形为面构成具有6个等长稜的正四面锥体结构水分子模式(可简称"水分子正锥体模式");该模式具有很大电偶极矩。(2)水分子的端点间在约0.27 nm距离内可以按"+""-"电荷吸引原则耦合。6个水分子将按正、负电荷对接耦合,连接成六边环形"壁"的"笼式隧道空间",可容纳其他物质,无电荷显示,电导率极地。(3)在空气中0℃以下凝结冰晶时三维不对称,"薄片"的雪花形成概率更大,其形态也按自相似原则体现了水分子结构的六角六边六针形的特征。(4)液态水分子维持固态水冰的"冰/水笼"结构模式,但由于2个氢原子上的电子同时到达1个"-"电荷端的概率为1/11,当0℃以上部份水分子能摆脱框架水分子束缚后,可以再耦合一个从框架上"脱落"的"自由水分子"使其进入水笼,从而水容积缩小;固体冰和液态水的密度之比为11/12=0.916 667。自由水分子和水笼框架上的水分子可以随时互换(在10-5s时间尺度上),并适应固体壁的形态,既是不可压缩,又有柔软、可变形特点;水在0~100℃时的空/占比达2.28,模式可解译高温高压的水汽中检测到2.16 g·cm-3,水热传导系数很大,比热容量很大,有"异常"的U形特点,且液态水的比热容量略大于固态水冰的热容量的1/2等特征。(5)讨论了水对O_2、H_2S、NaCl、KCl等的溶解度随温度变化的若干特征的成因和计算模式。通过NaCl饱和溶液实验,证实了本文模式。(6)与液态水体表面特征有关的特点及本文实际应用将在随后续文中讨论。     

河南省夏玉米生长季水分供需时空变化特征

水分条件是制约河南夏玉米高产稳产的重要因素,本文利用河南省夏玉米生长季30个农业气象观测站1961～2011年逐日气象观测资料,计算不同生育阶段夏玉米需水量和水分亏缺量,分析其近50a的水分供需条件时空变化特征。结果表明：夏玉米各生育阶段需水量呈显著的下降趋势;各生育阶段之间水分亏缺量没有显著的年际变化。分析各生育阶段水分供需情况,水分亏缺量为正值表明水分供给不足,为负值表示水分有盈余,出苗一拔节期夏玉米水分亏缺量以负值为主,拔节一抽雄期正负交替各占一半,抽雄一乳熟期和乳熟-成熟期以正值为主。空间分布上,夏玉米各生育阶段需水量与各地海拔高度呈显著负相关,全生育期负相关系数为0．799;各阶段水分亏缺量也有一定的相似性,水分亏缺地区主要分布在豫西和豫西北大部,水分较充足的地区主要分布在漯河、南阳、驻马店等地。     

西南地区云水量与可降水量比值的分布特征和变化趋势

采用1980～2009年云水量和可降水量的NCEP逐月再分析资料,通过统计分析,研究30a来西南地区（云南、贵州、讴庆、四川）云水量与可降水量比值的时空分布特征和变化趋势。结果表明：（1）西南地区年、季17孟水量与可降水比值均具有明显的地区性差异,由西北向东南递减,高值区位于川西高原;（2）云水量与可降水比值年内分布不均匀,从2月到8月逐渐减小,9月至1月逐渐增大,同时,季节差异较大,夏季最小,冬季最大;（3）30a来,整个西南地区年、夏季和秋季云水量与可降水量比值呈显著减少趋势。     

北京地区主要气象要素与冬季供暖关系研究

为了分析气象要素与供暖之间的关系,选取北京市观象台2009年供暖季期间日平均气温、相对湿度、日总辐射量、日平均风向和风速作为气象因子,将北京市海园物业供热单位的供、回水温度和供回水温度差代表供暖温度,进行了相关分析。结果表明,日平均气温与供、回水温度呈明显的负相关,分别达到-0.75和-0.62。日平均湿度与其的负相关次之,分别为-0.41和-0.47,日平均风速与上述供、回水温度的相关性较小。同时分析了各气象要素日平均值与供、回水温度及供回水温度差之间的对应关系,制定了各气象要素日平均值所对应的供、回水温度及其供回水温度差的表。利用各日平均气象要素的供回水温度调节运行作业表,各供暖单位可以根据不同天气条件直接定量控制供热量或下达供、回水温度指令。     

夏季云贵高原地区降水特征及云水资源的匹配

基于云贵高原地区1961—2010年高分辨率(0.5°×0.5°)逐日降水格点资料,分析了云贵高原及东、西两个区域的夏季降水变化特征。并结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979—2010年ERA-Interim再分析资料,计算了其夏季水汽输送通量和净水汽收支。结果表明:(1)云贵高原夏季平均降水分布不均匀,存在区域差异:云贵高原西部的中部为降水量低值区,其向南、向西逐渐增加;东部由其东南部向西北部递减的分布形式。(2)将云贵高原分成两个区域,东、西部区域的降水都呈增加的趋势,降水量较高的区域降水增长速度较快。(3)大气中的水汽从云贵高原南边界和西边边界进入,从北边界和东边界流出,全区以净水汽输出为主,输出值与降水的变化都呈增长趋势。其中东部水汽为净输入;西部为净输出,向各区域的水汽输送量逐渐增加与各区降水量呈增长趋势变化同样相一致。(4)影响西部夏季降水的水汽主要源于孟加拉湾北部、南海北部和横断山到四川盆地地区,而东部水汽主要来自南海北部和四川盆地西部。     

重庆地区空中水资源的时空分布特征

利用1987—2006年重庆及其周边地区11个站的探空资料,通过计算水汽含量、水汽通量等参量,分析了重庆地区上空水汽含量和水汽输送的时空分布特征。结果表明,重庆地区空中水汽含量在夏季最大,冬季最小;南部、西部较多,北部、东部较少。绝大部分的水汽含量集中在500 hPa以下。重庆地区的水汽主要来源自西边界的西风水汽输送和南边界的西南风水汽输送;重庆大部分地区上空的水汽输送多以辐合为主,尤其在重庆西部地区更为明显,进行人工增雨潜力较大。     

哈密地区空中水汽及增水潜力分析

采用哈密地区6站1975—2014年逐日地面水汽压和降水量资料,计算了哈密各站的大气可降水量、有效空中水资源量、自然降水产出率和人工增水潜力值,并分析了各量的时空分布特征。结果表明:哈密地区年平均整层大气可降水量为2560~4327 mm,年均有效空中水资源量约为232~828 mm,占整层大气可降水量的1/4~1/10;年均自然降水产出率在9%~28%,自然降水产出率与降水量成正比关系。哈密地区的年人工增水潜力理论计算值在844~2399 mm之间,潜力值在夏季最大,巴里坤和伊吾明显多于其它区域。