一次暴雨天气对陆面参数扰动的敏感性数值影响

为检验暴雨天气过程对地表参数扰动的敏感性,应用WRF2.2,给定其中的NOAH陆面模式参数(地表反照率、地表粗糙度、最小叶孔阻抗、土壤最大容积水含量)一系列初始扰动,模拟了2007年7月7～9日的南京暴雨过程.试验结果表明,此次暴雨天气过程对陆面参数的扰动比较敏感,尤其是对土壤最大容积含水量以及地表反照率扰动的影响更为明显.陆面参数的扰动首先改变感热、潜热、动量等通量,更主要的是通过陆气相互作用,改变大气底层水汽输送的环流形势,从而对暴雨强度和范围产生重要影响.     

基于RS的陆面温度反演研究进展

陆面温度(LST)是研究地表和大气之间物质交换和能量交换的重要参数,利用遥感方法反演陆面温度已经成为重要的获取陆面温度的途径.回顾了热红外遥感研究,阐述了地表温度反演原理,比较了2种主要的地表温度反演方法,并重点对针对Landsat TM数据的3种温度反演算法进行了对比.利用遥感研究地表温度将向着精确化的方向发展,如何利用反演出的精确地表温度将是更加重要的工作.     

中国陆面数据同化系统研究的进展与前瞻

陆面数据同化的核心思想是在陆面过程模型的动力框架内,融合不同来源和不同分辨率的直接与间接观测,准确一致地估计地表水分和能量循环的各个分量．作者已初步建立了中国陆面数据同化系统;同化方法采用了集合Kalman滤波,模型算子使用CoLM和SiB2等陆面过程模型,观测算子采用针对土壤(包括融化和冻结)、积雪等不同地表状态的微波辐射传输模型．该系统同化被动微波遥感观测如SSM／I,TMI和AMSR以及土壤和积雪的常规观测,已计算得到中国西北干旱区和青藏高原的土壤水分、土壤温度、积雪和冻土的同化资料．文中阐述了在同化系统的构建、同化算法的研究、陆面过程模型和微波辐射传输模型的集成以及大气驱动数据制备等方面的进展,讨论了陆面数据同化的特点和面临的问题,展望了未来的研究重点和同化方法在陆地表层系统科学研究中的应用前景．     

区域气候模式RegCM3产流方案的改进及数值试验

用改进的水文模型与详细陆面方案、大气模式耦合的区域气候模式模拟研究了夏季风气候陆面水文、气候特征．针对区域气候模式RegCM3中陆面方案BATS地表产流方案的不足，将更符合观测实际地考虑入渗和降水非均匀性的地表产流方案VXM并入BATS，利用改进后的区域气候模式模拟了我国1990、1991和1998年的夏季风气候，并采用我国160站的月降水资料及UNH-GRDC（University of New Hampshire，USA-Global Runoff Data Center）月径流资料对1990、1991模拟结果进行了验证．结果表明，地表产流方案的改进对区域气候模式RegCM3模拟降水的影响不大，但模拟的径流有较大提高目与实测更为一致．     

基于CLM模型的植被覆盖变化对黄土高原气温和降水的影响研究

黄土高原位于我国第二阶梯,地理环境复杂,生态环境脆弱。本文结合GIMMS/NDVI遥感数据与气象站点观测资料开展诊断分析研究,并将其与模型模拟试验相结合,通过这种方法来研究黄土高原地区植被覆盖与气温和降水之间的作用关系。研究结果表明,黄土高原地区的NDVI、气温和降水量均具有明显的季节变化特征;1982—2006年,区域滑动平均NDVI、气温和降水的线性变化斜率分别为5E-04/10a、0.061℃/10a和-0.492mm/10a;研究区域内NDVI与气温和降水的同期滑动平均相关系数分别为0.459和-0.23,且均存在较明显的空间差异。应用CLM陆面过程模型的模拟结果表明,植被覆盖增加后,植被覆盖发生变化地区的净短波辐射有所增加,净长波辐射有所减少,导致地表吸收净辐射有增加趋势;研究区域内的感热通量和潜热通量均有所增加,且潜热通量的增加更为明显,这可能对植被覆盖增加后气温的降低产生一定影响;研究区域内的土壤含水量和地表蒸散均呈增加变化,这可能导致降水增加。但是,植被覆盖增加对区域气温降低和降水增加的影响作用有限。     

基于陆面过程模式的热红外卫星遥感影像模拟

遥感服务于气象、气候领域的一个关键环节就是建立地表过程模式与遥感数据之间的联系,利用过程模式的可靠输出参数来模拟卫星影像,并与真实的观测数据进行对比.本文建立了一个以通用陆面过程模式(CLM)相关参数为地表输入信息,以再分析大气廓线为大气输入信息的卫星影像模拟系统,以期通过模拟数据与真实卫星数据的比较,为模式背景场、强迫场的修订及预报精度的提高服务.模拟结果表明,对于由植被和土壤等组成的自然地表,模拟的热红外卫星信号主要取决于过程模式输出的地表温度,模拟的地表方向性辐射温度与模拟的大气层顶部表观辐射温度相关性高达0.99.模拟到的表观辐射温度与AVHRR影像对应的辐射温度差异比较大,最大值超过30 K,大多数像元温差分布在-20～20 K之间.温差在高海拔地区普遍比较大,这可能是由于CLM对高海拔地区的温度估计偏低导致的.     

基于MODIS的祁连山区陆面温度反演算法比较

基于MODIS影像,利用7种分裂窗算法对祁连山区的陆面温度参数进行了反演.通过算法间直方图对比、算法间RMS误差分析,认为Becket-Li(1990)的算法比较适合本研究区的陆面温度反演.不仅和其他算法反演结果的相对误差较小,精度上可以保证,而且算法简单,不用考虑大气水汽含量对算法造成的误差影响.通过分裂窗算法误差估计,研究区分裂窗算法反演地表温度的精度为0.5～2.7℃,其中水体和冰川积雪的估算误差较小,而植被和裸土的混合地表误差较大.     

城市及乡村大气边界层结构的数值模拟

建立了一个研究城乡非均匀下垫面陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了城市及郊区、乡村下垫面的地面热量通量、地表温度、混合层高度及大气边界层结构等特征。对城乡之间的差别进行了对比。模式主要依赖于以下参数和物理量：地面反照率、下垫面粗糙度、土壤的可含水量、下垫面的热容量和热扩散系数、云量等参数。结果表明,本模式能合理地模拟不同地表热量平衡、地表气温、混合层高度、湍流交换系数、湍流动能、位温廓线等,以及它们的日变化。该模式所取参数主要针对北京市,时间为九月初,对于其他城市,参数应作相应的调整。本模式还可以用于其他均匀或非均匀下垫面的模拟。     

不同陆面方案对珠三角春季晴天边界层特征模拟效果的影响

选用WRF中尺度模式下5种陆面参数化方案(Noah、SLAB、RUC、Pleim-Xiu和SSi B),并结合目前最新陆地覆盖产品Globcover2009,对珠三角地区春季天气个例(2014年04月27日14:00至29日14:00)的大气边界层结构进行模拟试验,同时选取研究区域内18个地面气象站及1个探空站同期实测资料与10 m风速、2 m气温、风温廓线模拟结果进行比较。结果表明:1相比采用USGS土地利用数据,Globcover2009与当前实际地表类型分布情况更相符,通过更新下垫面资料能够有效提高近地面风速和温度的模拟精度;2各陆面方案均基本能够模拟出近地面气象要素的日变化特征,受沿海低平地形影响,各陆面方案下风速被高估的现象均比较明显,而气温则被不同程度低估。其中,SLAB方案模拟10m风速效果最佳,Noah方案模拟2 m温度效果略优,SSi B方案整体模拟效果偏差;3 Noah、SLAB、RUC和Pleim-Xiu方案模拟风温廓线走势基本一致且符合实况,而SSi B方案得到的边界层结构特征不够明显,主要原因是近地面垂直层设置过于稀疏。     

卫星遥感植被地表温度空间特征的再认识

卫星遥感在监测陆面环境状况和估算陆面变量等领域有不可替代的优势,而卫星遥感估算的地表温度和植被指数产品在土壤墒情和干旱监测等方面有广泛的应用,该研究利用在不同时间尺度、空间尺度和不同土地覆盖类型上的植被指数和地表温度卫星遥感数据产品,分析了植被-地表温度空间中的散点分布形态特征.结果表明:在植被-地表温度空间中的散点分布形态受陆面多种因素影响,将其简化为三角形或梯形有失客观性,以此为基础,提出确定植被-地表温度空间中干边和湿边数值的方法.     

绿洲-荒漠过渡带陆面温度与地表能量关系分析

 以实测气象资料为基础,通过波文比能量平衡法对芨芨草地地表能量进行计算,深入探讨了不同天气条件下陆面温度变化规律及其与地表能量的关系特征,建立了适合新疆准噶尔盆地东南部绿洲 荒漠过渡带的陆面温度预测模型。结果表明：① 受不同天气地表能量特征差异的影响,晴天表层土壤（5 cm、10 cm、15 cm）温度变化呈“S”型曲线,雨天与晴天相似,只是振幅减小,而阴天呈直线下降特征。其中,晴天表层土温峰值出现时间由地表向下呈现每5 cm 2.5 h的滞后性。不论何种天气,40 cm及其以下深层土温几乎没有日变化。② 各地表能量分量与表层土壤温度均表现出相关系数值随土壤深度的增加而不断减小,至20 cm负相关性达到最大。③ 各能量分量对土壤温度的影响程度表现为：土壤热通量（G）最大,其次为净辐射（Rn）和感热（H）,潜热（LE）最小。④ 除H外,不同天气条件下各能量分量与土壤温度相关性均表现为晴天>平均>阴天>雨天,土温对能量变化的反应强度（回归系数）也大体表现出相同的规律。⑤ 经过检验的陆面温度预测模型表明：湿热性能量因子（LE）对干旱区绿洲 荒漠过渡带陆面温度的影响微弱。     

遥感陆面温度

陆面温度在地气相互作用过程中扮演着十分重要的角色唯有遥感可以提供二维陆面温度分布信息，鉴于“分裂窗口”方法求取海面温度已进入业务运行，那么能否依赖“分裂窗口”数据求解陆面温度叱？长期以来人们为此急论不休。为了使方程组封闭，许多人希望于中红外我能提供更多的信息，然而中红外的使用必然会引发新问题，其一是太阳直接辐射的影响如何消除；     

气候变化对中国径流影响评估模型研究

以陆面参数化方案VIC(variable infiltration capacity)为基础,建立气候变化对中国径流影响评估模型.全国共分60km×60km网格2604个.建立了与土地覆盖类型及土壤质地有关的全国60km网格植被参数库和土壤参数库,完成了740个站点包含1980～1990年11年日资料的强迫数据在全国60km网格上的插值.VIC模型在全国2604个网格上连续运行,独立输出每个网格上1980～1990年的日径流深,结果显示网格多年平均计算径流深与多年平均降水在空间分布上对应关系良好.对淮河流域蚌埠以上区域及渭河部分流域的模拟与实测月流量过程进行了对比分析,月过程峰形吻合较好.初步表明所建评估模型具有一定的合理性与适应性.     

应用WRF模型模拟分析风力发电场风速

风能的规划和设计中需要比较准确地确定所选厂址区域的风力资源分布,要有先进而准确的分析手段.论文选用美国WRF中尺度模式,分别选用4种不同的陆面过程方案（SLAB、Noah、RUC和Pleim-Xiu）,对2008年6月16日08：00至6月23日08：00（北京时间）贵州乌江源地区某风电场区域进行水平分辨率1,km的数值模拟,对比分析了近地面风场以及4种陆面过程对模拟结果的影响.结果发现：WRF模式较好地模拟出了该区域近地面风场的变化特征.Noah方案模拟的风速最大值与实际测站的风速最大值较接近;SLAB方案与Noah方案模拟的7,d的风功率密度更接近实际测站的风功率密度.可见,WRF模式能够较好地反映该区域的近地面风场情况,且模拟结果受到地形及地表粗糙度的影响较大.     

陆面资料精度对东莞地区WRF模拟结果的影响

为建立东莞地区空气质量模拟的气象场,基于WRF模式耦合Noah陆面过程,使用不同空间精度(3 s、30 s、120 s)的陆面资料,分析对东莞地区夏季气象场模拟结果的影响差异.结果表明:WRF模型提高陆面资料精度后,东莞地区近地面气温的模拟精度均有发生变化,白天的最高温度时间为下午16:00,最低温度时间为早上6:00.白天气温模拟值高于气象观测值(过大评估),而晚上地面气温处于过小评估.白天夜晚气温模拟效果产生差异原因是,建筑物外表对辐射的截留,白天热岛较强,地面2m高度处热岛范围扩大,同时建筑物的存在使得城市湍流动能扩大,导致模拟区温度升高;而傍晚到早上东莞地区地面风速较大平均值大于4.5 m/s以上,风向属于内陆风主要为北风和东北风,都促进地面温度快速下降,导致晚间地面气温过小评估.陆面资料对地面风速模拟的误差影响较大,提高陆面精度(30 s→3 s)后,模拟风速误差改善明显,但模拟风速值还是大于观测值处过大评估.因此,为提高东莞地区WRF模型气象场模拟效果,后期还需进一步研究多因子协同作用对WRF模拟效果的影响.     

面向工矿区陆面演变分析的多源遥感信息融合

面向工矿区陆面演变分析对遥感信息融合的要求．针对传统IHS融合算法的不足,提出了小波-IHS集成融合算法、主成分综合融合方法和加权特征IHS融合算法。小波-IHS集成融合算法集成了IHS融合与小波融合两种算法的优点;主成分综合融合算法有效地将降维操作与信息融合予以集成;加权特征IHS融合算法根据图像统计特性确定权重．能够更好地综合多源遥感影像的优点。所提出的算法在工矿区陆面演变分析中取得了较好的应用效果。     

多尺度大气边界层与陆面物理过程模式的研究进展

本文以大气边界层物理、大气动力学、土壤物理、水文学和生物物理等理论为基础,研发了一系列适用于不同时空尺度的大气边界层与陆面物理过程模式：（1）基于地表能量和水分平衡方程,构建了新一代北京大学陆面物理过程模式（Land Surface Physics Process Model of Peking University,LSMPKU）;（2）基于城市街谷冠层结构以及相应物理过程,构建了北京大学单层城市冠层模式（Modified SingleLayer Urban Canopy Model of Peking University,UCMPKU）;（3）基于计算流体力学理论,构建了北京大学街区尺度模式（Block Scale Model of Peking University,BSMPKU）．通过模拟研究表明：上述模式在各自的时空适用尺度上均能很好地模拟出相应尺度上的主要大气物理过程,在与其他同类模式的对比实验中表现出明显的改进和提高．     

CLM4.5对中国区域夏季土壤湿度的模拟研究

利用CESM(Community Earth System Model)框架最新发布的陆面模式CLM4.5模拟得到中国区域1991~2010年7月份0~10 cm的土壤湿度数据集;并以中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集的土壤湿度作为实测值,与模拟结果进行了比较分析。结果表明CLM4.5能够揭示中国区域7月份0~10 cm土壤湿度的空间分布特征,与实测数据土壤湿度的年际变化趋势保持着较好的一致性。利用曼-肯德尔法进行突变现象检测表明,模拟和实测得到的二十年的土壤湿度在华北、东北地区有逐年减小的趋势,尤其是东北地区土壤变干现象尤为明显;而华东、华中地区的土壤湿度以2~3年为周期增减,并没有一个持续稳定的变化趋势。CLM4.5模拟的土壤湿度值普遍偏高,最大偏差超过0.1 mm3·mm-3,这可能与模式的参数化方案有关,在以今后的研究中有待进一步探索。     

中国气象局陆面同化系统和全球陆面同化系统对中国区域土壤湿度的模拟与评估

土壤湿度是气候变化的重要影响因素之一,但是土壤湿度观测资料的缺乏严重制约了与之相关的研究,陆面模式模拟的土壤湿度资料可作为观测资料的重要补充,广泛应用于业务和科研。利用国家气象信息中心提供的2012年中国区域226个站点逐小时的土壤湿度观测资料,对中国气象局陆面同化系统(CLDAS)和全球陆面同化系统(GLDAS)四个陆面模式输出的土壤湿度产品进行了比较与评估,结果表明:1五个模式均可以模拟出中国区域土壤湿度的空间分布状况,但是从模拟值与观测值的偏差和相关系数来看,CLDAS的土壤湿度产品优于GLDAS;2从对选取的五个研究区域土壤湿度的模拟状况来看,CLDAS好于GLDAS,仅在江淮和西南地区的模拟存在轻微的偏差;3 CLDAS在中国区域的土壤湿度模拟上存在一定的优势,这对于土壤湿度研究和业务应用都具有积极的意义。     

CLDAS和GLDAS对中国区域土壤湿度的模拟与评估

土壤湿度是气候变化的重要影响因素之一,但是土壤湿度观测资料的缺乏严重制约了与之相关的研究,陆面模式模拟的土壤湿度资料可作为观测资料的重要补充,广泛应用于业务和科研.利用国家气象信息中心提供的2012年中国区域226个站点逐小时的土壤湿度观测资料,对中国气象局陆面同化系统(CLDAS)和全球陆面同化系统(GLDAS)四个陆面模式输出的土壤湿度产品进行了比较与评估,结果表明:①五个模式均可以模拟出中国区域土壤湿度的空间分布状况,但是从模拟值与观测值的偏差和相关系数来看,CLDAS的土壤湿度产品优于GLDAS;②从对选取的五个研究区域土壤湿度的模拟状况来看,CLDAS好于GLDAS,仅在江淮和西南地区的模拟存在轻微的偏差;③CLDAS在中国区域的土壤湿度模拟上存在一定的优势,这对于土壤湿度研究和业务应用都具有积极的意义.