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以2010年8月发生在太湖地区的一次雷暴过程为例,利用WRF模式进行48 h的短期天气模拟,分析两个陆面参数化方案(Noah方案和RUC方案)对雷暴过程模拟的影响。对比模式结果与实况降水以及太湖地区两个站点的近地面要素表明:雷暴过程对陆面参数化方案的选取较为敏感,不同陆面参数化方案可影响雷暴发生的时间、地点及强度,两种方案的降水中心值差达40 mm以上,其中Noah方案所模拟的降水与实况更为接近。通过对两个方案模拟的物理量场的对比分析发现,RUC方案中对流发展滞后于Noah方案2 h;这表明陆面过程对雷暴等中尺度对流过程有显著的反馈作用,不同陆面参数化方案的使用影响雷暴发生的动力和热力作用,并改变雷暴的时空分布特征。陆面过程通过改变地面热通量输送影响边界层结构,使得水平和垂直方向上的风和温度等发生变化并产生辐合辐散,进而影响对流的启动时间和对流发展强度。由于对不同植被的参数化处理的差异,Noah方案对下垫面特征的描述能力优于RUC方案,尤其是对城市下垫面的处理,这也使得之后该方案模拟的雷暴发生时间更加接近于实况且雷暴过程更加强烈。 相似文献
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黄土高原农田种植结构的改变对陆面能量和水分交换、区域蒸散发等产生影响,不同作物下垫面复杂的水热耦合机制在黄土高原陆-气相互作用中起着重要作用。本文利用陇东黄土高原2019-2021年共计34个月的观测数据,结合耦合了作物模块的通用陆面模式(Community Land Model with BGC Biogeochemistry and prognostic crop,CLM5.0-BGCCROP)对黄土高原不同作物下垫面(冬小麦、玉米、苹果林地)的陆面特征进行离线单点模拟,以验证CLM5.0陆面过程模式在黄土高原农田地区的模拟能力,对比分析不同作物下垫面土壤温湿度和地表能量通量的差异。结果表明：(1)CLM5.0对土壤温湿度特征的模拟效果较好,平均均方根误差分别小于2.5℃和0.1 m3·m-3,小麦地土壤温度模拟值偏高,玉米地和苹果林地土壤温度模拟存在冷偏差。生长期在旱期的冬小麦造成土壤干燥的程度大于玉米,苹果林地因根系丰富,吸收了更多的土壤水,使土壤整体更加干燥。(2)模拟偏差一部分是由于在模式中将作物下垫面设置为单一作物类型(冬小麦、... 相似文献
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本文利用一个三维数值模式,对下垫面在气候变化中的作用进行了数值模拟.共做了两个均一土壤下垫面试验和一个非均一土壤下垫面试验.结果表明,东半球夏季季风气候区的基本气候特征,主要是由海陆分布和大地形的影响所产生.但是,细致的气候特征却受下垫面土壤物理性质和初始湿度的很大影响.而且,通过环流系统的相互作用,除对本地区天气气候产生影响外,还会影响周围地区.非洲撒哈拉大沙漠的形成很可能是长期受到海陆分布及高原地形所造成的基本气候场作用的结果. 相似文献
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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 总被引：11，自引：4，他引：7
利用HEIFE、DHEX和GAME/Tibet 3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. 相似文献
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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 总被引：1，自引：5，他引：1
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。 相似文献
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陆面模式CLSM的设计及性能检验II.模式检验 总被引：5，自引：1，他引：4
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. 相似文献
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下垫面物理过程在一次北京地区强冰雹天气中的作用 总被引：9，自引：2，他引：7
北京地区下垫面具有地形和城市边界层的双重性造成了天气变化的多样性.结合2005年5月31日发生的强冰雹天气个例,分析了下垫面物理过程在北京强对流天气中的作用.结果表明,山区的地形、城市边界层对雹云发生发展的不同阶段以至冰雹的落区、强度等都有相当大的影响.其中,此次降雹的初始回波是在西部山区地形的热力环流和动力强迫下局地触发的;城市下垫面热力作用形成的地面中尺度风场辐合线以及所造成的上升运动和能量、水汽的聚集,是对流回波在城市中心上空明显增强的主要原因;北部山区的喇叭口地形、西部山区的迎风坡抬升作用对局地强对流的发生、入境积云的发展亦有重要影响. 相似文献
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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。 相似文献
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一个改进的陆面过程模式及其模拟试验研究第一部分:陆面过程模式及其“独立(off-line)”模拟试验和模式性能分析 总被引：17，自引：3，他引：14
文中在综合比较过去各类陆面过程模式优缺点的基础上,主要参考ＢＡＴＳ模式,发展了一个陆面过程模式（ＬＰＭ－ＺＤ）。它具有以下几个特征：１．采用物理方程和经验解析公式相结合的方法进行土壤温度和土壤水汽的求解。在上层土壤,土壤分层较细并采用温度传导和水汽扩散方程求解,而在下层土壤,土壤分层较粗并利用经验方法处理。２．考虑了降水分布的次网格特征及其对陆面水文产生的重要影响。３．较全面地考虑了雪盖对陆面过程的各种影响：对陆面水文的影响、对土壤热传导的影响以及雪盖的高反照率对辐射收支的影响。利用３组单点观测试验资料对陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ进行了“独立（ｏｆ－ｌｉｎｅ）”模拟试验。模拟结果表明陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ具有较好的模拟性能,能够比较准确地模拟不同气候区的多种下垫面类型的陆面过程变化特点,模拟结果与观测基本一致。进而又利用一组观测资料和模式ＬＰＭ－ＺＤ进行了一系列敏感性模拟试验,试验结果表明模式ＬＰＭ－ＺＤ对一些参数的确定非常敏感,如初始土壤水汽、植被的物理特性参数以及降水次网格分布因子等,因此提高确定这些参数的准确性是改进陆面模式的重要内容之一。 相似文献
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宁波地区海-陆下垫面差异对雷暴过程影响的数值模拟 总被引：2，自引：0，他引：2
利用耦合Noah陆面过程的WRF模式对2009年6月5日傍晚发生在宁波地区的一次雷暴过程进行数值模拟,通过改变下垫面覆盖类型的敏感性试验,探讨了海洋和陆地下垫面对雷暴过程的影响。结果表明,WRF模式能够较合理地模拟出雷暴的发生、发展过程。雷暴发生前期,由于海-陆强烈的热力差异,海风特征明显,海风引起的抬升运动触发了雷暴,海风形成的强辐合区对应雷暴过程累积降水量的大值区。当研究区域全部被替换成陆地后,地表的粗糙度增大,在研究区域东部由于摩擦辐合加强,产生了强烈的上升运动,多个发展旺盛的对流单体在上升运动区生成,使雷暴产生的降水区域东扩、降水量增大、雷暴维持时间延长。当研究区域所有陆地被替换成水体后,白天地表通量减小,大气边界层中湍流运动减弱,边界层高度降低,大气层结变得稳定,不利于对流发展。 相似文献
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两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究 总被引：1，自引：0，他引：1
选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。 相似文献
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Christopher M. Johnson Xingang Fan Rezaul Mahmood Chris Groves Jason S. Polk Jun Yan 《Boundary-Layer Meteorology》2018,166(3):503-530
Due to their particular physiographic, geomorphic, soil cover, and complex surface-subsurface hydrologic conditions, karst regions produce distinct land–atmosphere interactions. It has been found that floods and droughts over karst regions can be more pronounced than those in non-karst regions following a given rainfall event. Five convective weather events are simulated using the Weather Research and Forecasting model to explore the potential impacts of land-surface conditions on weather simulations over karst regions. Since no existing weather or climate model has the ability to represent karst landscapes, simulation experiments in this exploratory study consist of a control (default land-cover/soil types) and three land-surface conditions, including barren ground, forest, and sandy soils over the karst areas, which mimic certain karst characteristics. Results from sensitivity experiments are compared with the control simulation, as well as with the National Centers for Environmental Prediction multi-sensor precipitation analysis Stage-IV data, and near-surface atmospheric observations. Mesoscale features of surface energy partition, surface water and energy exchange, the resulting surface-air temperature and humidity, and low-level instability and convective energy are analyzed to investigate the potential land-surface impact on weather over karst regions. We conclude that: (1) barren ground used over karst regions has a pronounced effect on the overall simulation of precipitation. Barren ground provides the overall lowest root-mean-square errors and bias scores in precipitation over the peak-rain periods. Contingency table-based equitable threat and frequency bias scores suggest that the barren and forest experiments are more successful in simulating light to moderate rainfall. Variables dependent on local surface conditions show stronger contrasts between karst and non-karst regions than variables dominated by large-scale synoptic systems; (2) significant sensitivity responses are found over the karst regions, including pronounced warming and cooling effects on the near-surface atmosphere from barren and forested land cover, respectively; (3) the barren ground in the karst regions provides conditions favourable for convective development under certain conditions. Therefore, it is suggested that karst and non-karst landscapes should be distinguished, and their physical processes should be considered for future model development. 相似文献
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AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit-A) measurements for channels that are sensitive to the surface over land have not been widely assimilated into numerical weather prediction (NWP) models due to complicated land surface features. In this paper, the impact of AMSU-A assimilation over land in Southwest Asia is investigated with the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Four radiance assimilation experiments with different land-surface schemes are designed, then compared and verified against radiosonde observations and global analyses. Besides the surface emissivity calculated from the emissivity model and surface temperature from the background field in current WRF variational data assimilation (WRF-VAR) system, the surface parameters from the operational Microwave Surface and Precipitation Products System (MSPPS) are introduced to understand the influence of surface parameters on AMSU-A assimilation over land. The sensitivity of simulated brightness temperatures to different surface configurations shows that using MSPPS surface alternatives significantly improves the simulation with reduced root mean square error (RMSE) and allows more observations to be assimilated. Verifications of 24-h temperature forecasts from experiments against radiosonde observations and National Centers for Environmental Prediction (NCEP) global analyses show that the experiments using MSPPS surface alternatives generate positive impact on forecast temperatures at lower atmospheric layers, especially at 850 hPa. The spatial distribution of RMSE for forecast temperature validation indicates that the experiments using MSPPS surface temperature obviously improve forecast temperatures in the mountain areas. The preliminary study indicates that using proper surface temperature is important when assimilating lower sounding channels of AMSU-A over land. 相似文献
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近年来,随着苏北地区经济和城市的快速发展,土地覆盖状况发生了显著变化,其中尤以城市化扩展为主。为了分析下垫面变化对天气过程的影响,特别是对降水过程的影响,采用中尺度WRF3.4/Noah/UCM模式,对苏北里下河地区2005年8月6日的一次强降水过程进行了模拟,其中通过改变模式的下垫面特征,设置了三种敏感性分析试验,分别是USGS土地利用类型(CASE1)、修正后的MODIS土地利用类型(CASE2)和城市极端扩张后土地利用类型(CASE3)。研究结果表明,修正后的MODIS土地利用类型数据(CASE2)更能真实地反映里下河地区的下垫面结构,与实测值对比后发现模拟的降水、气温和风速等气象要素更为准确。通过将CASE2、CASE3与CASE1的模拟结果对比发现,城市下垫面增加后会使城市气温明显增加,上空的风速减小;白天地表感热通量增强,潜热通量减小,夜间延长了感热通量由正变负的时间;边界层高度被抬升,在中午前后分别被抬升了近45 m和100 m左右;垂直速度和散度值增大,大气低层的扰动位温增加,云水混合比和雨水混合比均增多。以上这些条件均有助于对流降水天气的发生、发展。 相似文献
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海风锋与沿海强对流天气密切相关,而城市化发展对沿海地区下垫面的改变会对海风锋特征产生影响。鉴于此,本文利用耦合了新一代城市物理方案UCP-BEM(Urban Canopy Parameterization-Building Energy Model)的WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展数值试验分析了城市下垫面对渤海湾海风锋特征的影响。结果显示:城市下垫面高粗糙度对低层海风风速的明显削弱造成海风锋往内陆推进距离稍减,低层辐合和上升运动减弱;城市下垫面较大的向上感热通量和较小的向上水汽通量以及高粗糙度对海风的削弱的共同作用造成冷湿海风对低层大气的降温和增湿幅度减弱;高粗糙度的城市下垫面对海风环流的摩擦力效应使得海风得到抬升,这导致了冷湿海风对低层大气的降温和增湿的垂直范围得到提升;受这些结果影响,海风锋背后低层有效位能减小,但垂直分布范围扩大,从而造成对流抑制高值区抬升,同时海风锋背后的静力不稳定区变厚,其上面的动力不稳定区则变薄,但不稳定区总厚度基本不变。 相似文献
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Ning Zhang Quinton L. Williams Heping Liu 《Theoretical and Applied Climatology》2010,102(3-4):307-317
Landscape heterogeneity that causes surface flux variability plays a very important role in triggering mesoscale atmospheric circulations and convective weather processes. In most mesoscale numerical models, however, subgrid-scale heterogeneity is somewhat smoothed or not adequately accounted for, leading to artificial changes in heterogeneity patterns (e.g., patterns of land cover, land use, terrain, and soil types and soil moisture). At the domain-wide scale, the combination of losses in subgrid-scale heterogeneity from many adjacent grids may artificially produce larger-scale, more homogeneous landscapes. Therefore, increased grid spacing in models may result in increased losses in landscape heterogeneity. Using the Weather Research and Forecasting model in this paper, we design a number of experiments to examine the effects of such artificial changes in heterogeneity patterns on numerical simulations of surface flux exchanges, near-surface meteorological fields, atmospheric planetary boundary layer (PBL) processes, mesoscale circulations, and mesoscale fluxes. Our results indicate that the increased heterogeneity losses in the model lead to substantial, nonlinear changes in temporal evaluations and spatial patterns of PBL dynamic and thermodynamic processes. The decreased heterogeneity favor developments of more organized mesoscale circulations, leading to enhanced mesoscale fluxes and, in turn, the vertical transport of heat and moisture. This effect is more pronounced in the areas with greater surface heterogeneity. Since more homogeneous land-surface characteristics are created in regional models with greater surface grid scales, these artificial mesoscale fluxes may have significant impacts on simulations of larger-scale atmospheric processes. 相似文献
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根据2017、2019年7月塔克拉玛干沙漠腹地GPS探空和地面观测数据,利用位温廓线法等方法,对比分析了沙漠腹地夏季晴天和沙尘暴天气大气边界层结构变化特征。结果表明：晴天和沙尘暴天气大气边界层结构特征显著不同。晴天大气边界层各气象要素垂直分布较为均一,白天对流边界层深厚,高度接近5 km,夜间稳定边界层一般在500 m左右。沙尘暴天气边界层内位温和比湿垂直变化较小,风速较大,可达24.0 m/s,其白天对流边界层在1.5 km左右,夜间稳定边界层在1 km左右。晴天辐射强烈,地表升温迅速,湍流旺盛,是形成晴天深厚对流边界层的主要因素。大尺度天气系统冷平流的动力条件,以及云和沙尘减弱了到达地表的辐射强度是形成沙尘暴天气独特的大气边界层结构的主要因素。 相似文献