均匀裸土地表土壤热通量计算方法对比及对能量闭合的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的观测资料,对6种地表土壤热通量计算方法(Plate Cal法、TDEC法、谐波法、热传导对流法、振幅法和相位法)进行比较,检验了6种方法在不同干湿地表状况下的适用性,并研究了6种方法计算地表土壤热通量的差异以及对地表能量闭合度的影响。结果表明:一般情况下,Plate Cal法计算的2 cm土壤热通量与观测值最接近,计算结果的均方差为6.9 W/m2。在不同干湿地表状况下,干燥和降水条件下适合使用Plate Cal法,计算结果的均方差分别为14.0 W/m2和30.1 W/m2;湿润条件下适合使用谐波法,计算结果的均方差为21.4 W/m2。6种方法计算的地表土壤热通量存在明显差别,最大相差178.6 W/m2,不同方法计算地表土壤热通量的最大差值超过25 W/m2的时次占样本的96.3%。不同方法计算地表土壤热通量的差异对地表能量闭合度的大小有明显影响,但不影响近地层能量闭合度随湍流混合增强而增大的规律。     

2008年北京奥运交通限制效果的模式研究

利用美国国家环保署(EPA)开发的区域多尺度空气质量模式Models-3/CMAQ研究了北京城区奥运交通限行期间VOC、NOX和O3的浓度变化状况。结果表明:Models-3/CMAQ模式能够较好地反映VOC、NOX和O3浓度的变化趋势;交通限行造成的机动车排放源削减使北京奥运期间大气VOC浓度平均减少约12%,NOX浓度平均减少约21%,而O3浓度则平均增加约22%。     

非均匀下垫面边界层的观测和数值模拟研究（Ⅰ）：冷岛效应和逆湿现象的完整物理图像

利用HEIFE、DHEX和GAME／TIbet3个观测试验和部分常规气象站观测资料，分析了下垫面非均匀条件下产生的冷岛效应和逆湿现象的完整物理图像以及它们对地表能量和五水转化的影响。分析结果表明，下垫面非均匀特征对五水转化有着明显的影响；冷岛效应和逆湿现象是下垫面非均匀性的必然结果，它们在自然界普遍存在；现有陆面过程模式很难刻画冷岛效应和逆湿现象，通常现有陆面过程模式很难将冷岛效应中的热量平流转化成蒸发潜热，同时陆面过程模式也混淆了逆湿现象和发生在下垫面上的大气水的冷却凝结。这些评述将有助于今后非均匀陆面过程的进一步研究。     

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厂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。     

中国北方干旱区感热及潜热的异常特征

通过对1949—1999年逐月NCEP／NCAR感热通量和潜热通量再分析资料的分析，发现在我国北方干旱区感、潜热通量的年际变化存在着2～3个敏感区，分别位于西北和华北及内蒙一带。其中以东部的华北—内蒙区最为显著。代表上述两个地区通量的平均年际变化表明，在20世纪60年代后期，感、潜热通量存在一个突变；进入70年代以后，上述两个地区的感热通量保持在一个较高的水平上，潜热通量的变化则呈现出相反的变化。     

两种耦合模糊控制的局地化方法研究

在集合数据同化过程中,由于远距离的观测与同化状态之间存在着虚假相关,局地化方法受到广泛关注.此外,由于集合数的限制,容易引起欠采样和协方差被低估等现象,使得滤波效果欠佳.因此,提出模糊控制算法,模糊控制算法主要用于判断观测点与状态更新点之间的距离来匹配相应的观测权重,进而调整局地化系数来更新背景误差协方差和观测误差协方差矩阵,从而得到有效的状态估计.基于背景误差协方差局地化方法和观测误差协方差局地化方法,耦合模糊控制,形成了新的算法—模糊控制的背景误差协方差局地化方法和模糊控制的观测误差协方差局地化方法.利用Lorenz-96模型,在小集合数和局地化半径下,得出模糊控制的背景误差协方差局地化方法和模糊控制的观测误差协方差局地化方法有较好的同化性能.通过分析泰勒图谱甄别出新算法与观测点具有高度的相关性以及较小的空间变异性.最后,在不同维数的模糊控制器下,新算法的有效性进一步得到验证.为今后数据同化误差处理方面提供了良好的研究平台.     

夏季中国东部副高北缘雨带强度年际变化成因:副热带西风异常的动力强迫

根据中国东部副高北缘雨带的气候平均位置季节移动情况,定义了雨带强度指数,并用回归分析证实此指数能够很好地描述初夏和盛夏雨带的强度.基于定义的雨带强度指数分析发现,初夏副热带西风对雨带强度影响显著,但盛夏无显著影响.进一步研究表明,初夏副热带西风的增强通过作用于雨带上空西高东低的气温场使得对流层中层暖平流增强,进而加速上升运动,从而增强雨带;而到盛夏,环流形势的季节变化导致暖平流在雨带强度变化中起到的作用减小,这减弱了副热带西风对雨带强度的影响.     

复杂地形上气象场对空气质量数值模拟 结果影响的研究

利用WRF模式三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)产生的气象场分别驱动多尺度空气质量模式CMAQ,对兰州市西固区冬季2005年1月27日至2月2日期间SO₂和NO₂浓度进行了数值模拟,将模拟结果与同期监测的污染物浓度进行对比分析,结果表明:WRF模式不同边界层参数化方案模拟输出的气象场驱动CMAQ模式所模拟的SO₂和NO₂浓度均可以反映出污染物的时空变化特征,CMAQ模式具有模拟复杂下垫面高分辨率污染物输送特征的能力;WRF模式的边界层参数化方案选为局地与非局地闭合方案(ACM2)时,模拟的气象场驱动CMAQ模式得到的空气污染物浓度分布特征最优,这主要是由于ACM2的湍流输送机制较为合理,模拟的边界层低层气象场更接近实际,从而可以较好地模拟污染物的输送特征;当CMAQ模式的垂直混合方案与WRF模式的湍流输送方案一致时(均采用ACM2方案),模式间的兼容性好.     

城市冠层上下大气湍流特征分析

利用兰州市榆中县城市冠层架设的3台涡动相关仪(EC)观测大气湍流资料,分析了城市冠层上下不同下垫面湍流通量和不同风向范围内湍流动能变化特征,之后对城市冠层上下3台EC观测湍流动能最小、最大分布方向上分别对应的最小最大湍流动能的风速谱进行了研究,进一步检验了局地相似理论在城市冠层上下的适用性。结果表明:(1)城市冠层之上水泥、砖石等构成下垫面和城市冠层之内草坪下垫面观测感热通量、摩擦速度较为接近,观测潜热通量、CO2通量在白天差异明显。(2)城市冠层之上的湍流动能总体上大于冠层之内,冠层之上气流来向的上风向较为开阔时湍流动能较大,而冠层之内气流来向的上风向为街道口时湍流动能较大。(3)城市冠层之上的湍涡尺度大于冠层之内,城市冠层小尺度湍涡风速谱在惯性副区基本符合-2/3次方关系,且准各向同性,大尺度湍涡风速谱在惯性副区不符合-2/3次方关系,且各向异性。(4)不稳定层结下,城市冠层上下无量纲速度方差与稳定度基本满足1/3次方局地相似关系,稳定层结下不满足;城市冠层上下无量纲温度、湿度、CO2浓度方差在所有层结下均不满足-1/3次方局地相似关系。(5)近中性层结下,城市冠层上下u、v、w方向无量纲速度方差分别为3.52,3.03,1.49和2.62,2.22,1.50。     

春末黄土高原半干旱区地表能量闭合的观测研究

利用兰州大学半干旱气候与环境监测站的连续观测数据,分析了该站的数据质量情况和黄土高原半干旱区的近地层湍流通量特征及地表能量平衡能量闭合状况.结果表明:兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)湍流通量的平均时间取30min为宜.该站利用EdiRe获得的湍流通量较TK2和CR5000数据自动记录器输出的湍流通量结果要好.黄土高原半干旱区近地层湍流能量与地表含水量状况明显相关,地表干燥时感热通量处于主导地位,接近于干旱区的特征;地表湿润时感热通量和潜热通量则相当,接近于湿润地区的特征.地表能量平衡分析表明,兰州大学黄土高原半干旱环境监测站观测的地表能量闭合度高达85%,与已有的观测相比,能量闭合情况属于较好水平.