（大气物理学与大气环境专业论文）中国西北干旱半干旱区上空水汽收支和传输的数值模拟研究.pdf

摘要 利用中尺度模式w r f 首先对以兰州为中心包括周围数十公里的地区进行了 一系列的敏感性数值试验 在数值实验中分别对不同区域减少了植被覆盖或改变 下垫面性质 以对半干旱地区植被和下垫面发生改变后大气产生的局地和非局地 的响应进行分析研究 然后论文进一步以干旱区中的一个孤立绿洲一兴隆山区为 研究对象 选取兴隆山地区有降水而兰州城区无降水的几个个例进行了实况模 拟 对比分析了影响兰州地区和兴隆山地区空中云水分布和收支差异主要因素 诊断分析结果表明 植被变化对区域内温度的影响比较复杂 并有明显的日变化 相比于区域城 市化形成的强而稳定的增温中心 植被减少只会在区域形成较弱而间断的增温中 心并敏感地依赖于地面净能量在感热 潜热和土壤热通量之间的分配 区域内植 被变化和下垫面特性的改变导致的局地温度变化在背景风场的作用下向区域外 传播 其传播的细节与风场的特征和地形密切相关 在适当的环流背景下 迎风 坡下垫面改变导致的温度变化可在背景风场的输送下 绕过很高的山脊在背风坡 形成一个持久的变温中心 植被减少导致的变温中心会在原有的环流形式上叠加 一个强迫的二级环流 这一环流深度约为1 1k m 区域植被的减少 一方面减 少了地面向上的水汽输送 导致了区域内气柱水汽含量的减少 另一方面增温引 起的强迫二级环流会使区域外水汽向内输送 部分地补偿了地面向上输送水汽的 减少 但是二者总体的效果是区域内的气柱水汽总量减少 在实验区域之外 上 风向趋于增湿而下风向趋于减湿 在兴隆山地区 以植被为主的下垫面向大气的水汽输送较强 有明显的季节 变化 以夏季的个例为最大 除春季外 山区主要受东南方向的较湿润的气流影 响 同时在所有研究个例中该地区与周围区域都有较强的水汽交换 可以获得区 域外的水汽输入 山区上空水汽充沛 云水和雨水含量较高 降水可能性较大 在兰州城区 以城市为主的下垫面对大气有稳定的水汽输送 没有明显季节变化 在夏秋季个例中远低于兴隆山区 城区一直处于来自北方 东北方的较干气流的 影响 同时与周边地区的水汽交换微弱 水汽的平流输入小 城区上空云水和雨 水含量都较小 降水概率比兴隆山地区小 关键词 植被变化 城市化 水汽输送 数值模拟 云水 雨水 降水 a b s t r a c t u s i n gt h em e s o s c a l em o d e lw r f as e r i e so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r ef i r s t p e r f o r m e do v e rt h ea r e aa r o u n d l a n z h o uc i t yo fc h i n a i nt h e s en u m b e r i c a l e x p e r i m e n t st h em o d e lv e g e t a t i o nc o v e ro rt h et y p eo ft h el a n d s u r f a c ei nd i f f e r e n t p a t c h e so ft h es t u d ya r e ah a sb e e na r b i t r a r i l yc h a n g e dt oa n a l y s i st h el o c a la n d n o n l o c a lr e s p o n s e so ft h ea t m o s p h e r et oc h a n g e si nv e g e t a t i o nc o v e ra n ds u r f a c e t y p e s o v e ras e m i a d dr e g i o n ag r o u po fn u m e r i c a le x p e r i m e n t sa r ef u r t h e r p e r f o r m e dt os i m u l a t es o m ew a t e rv a p o rb u d g e ta n dt r a n s p o r tp r o p e r t i e so v e rt w o d i s t i n ca r e a s i e x i n l o n gm o u n t a i na n d l a n z h o uc i t y t h ec a s e sa r es e l e c t e dw h e n p r e c i p i t a t i o no c c u r r e do v e rx i n l o n gm o u n t a i nb u th a v en op r e c i p i t a t i o no v e rl a n z h o u c i t y t h er e s u l t ss h o wt h a t c h a n g e si nv e g e t a t i o nc o v e rh a v eac o m p l e xe f f e c to nt h es u r f a c et e m p e r a t u r e w i t has i g n i f i c a n td i u r n a lc y c l e c o n t r a s tt oas t r o n ga n dp e r s i s t e n tw a r m i n gc a u s e db y u r b a n i z a t i o no ft h ea r e a d e c r e a s e si nv e g e t a t i o nc o v e ro n l yg i v er i s et oaw e a ka n d i n t e r m i t t e dw a r m i n gd e p e n d i n go nt h ep a r t i t i o no ft h es u r f a c en e ta v a i l a b l ee n e r g y b e t w e e ns e n s i b l eh e a tf l u x l a t e n th e a tf l u xa n ds o i lh e a tf l u x t h el o c a lt e m p e r a t u r e a n o m a l i e sc a u s e db yt h ev e g e t a t i o na n ds u r f a c et y p ec h a n g ec a np r o p a g a t eo u to ft h e s o u r c er e g i o nb yb a c k g r o u n dw i n d sw i md e t a i l so ft h ep r o p a g a t i o nd e p e n d i n go n w i n df i e l d sa n du n d e r l y i n gt o p o g r a p h y u n d e rs u i t a b l ew i n dc o n d i t i o n s t h o s e t e m p e r a t u r es i g n a l sc a np a s sa r o u n dam o u n t a i nt of o r map e r s i s t e n tw a r m i n gr e g i o n l e eo ft h em o u n t a i n ad e c r e a s ei nv e g e t a t i o nc o v e rt e n d st of o r c ea1 1k md e e p s e c o n d a r yc i r c u l a t i o n d e c r e a s e si nv e g e t a t i o nc o v e ra l s ol e a dt od e c r e a s e si nc o l u m n t o t a lw a t e rv a p o u ro v e rt h ea r e af o ro n eh a n d a n df o r c es e c o n d a r yc i r c u l a t i o n sd u et o t e m p e r a t u r ec o n t r a s to nt h eo t h e r t h ef o r c e ds e c o n d a r yc i r c u l a t i o n st e n dt ot r a n s p o r t i n w a r dt h ew a t e rv a p o u ro u t s i d eo ft h ea r e at oc o m p e n s a t et h ed e c r e a s eo fw a t e r v a p o u ri n p u tf r o mt h es u r f a c e t h ei n t e g r a t e de f f e c to fa d e c r e a s ei nv e g e t a t i o nc o v e r i st od e c r e a s ec o l u m nt o t a lw a t e rv a p o u ro v e rt h ea r e a o u t s i d eo ft h ea r e a t h ec o l u m e t o t a lw a t e rv a p o u rt e n d st oi n c r e a s eu p w i n do ft h ea r e aa n dd e c r e a s ed o w n w i n do ft h e a r e a 1 i o v e rx i n g l o n gm o u n t a i n t h ev e g e t a t e dl a n d s u r f a c es u p p l yp l e n t yo fw a t e r v a p o rt ot h ea t m o s p h e r ew i t ho b v i o u ss e a s o n a l v a r i a t i o n t h em a x i m u mw a t e r v a p o ri n p u ti n t ot h ea t m o s p h e r ef r o mt h es u r f a c eo c c u r si nt h es u m m e rc a s e s t h e x i n g l o n gm o u n t a i na r e ai sm a i n l ya f f e c t e db yt h em o i s ta i r f l o wf r o ms o u t h e a s te x c e p t f o rt h es p r i n gc a s e sa n dh a ss g o n ge x c h a n g eo fw a t e rv a p o rw i t ht h ea r e aa r o u n di t t h ea r e ah a sp l e n t yo fc l o u d w a t e ra n dr a i nw a t e ra b o v e a n dh e n c e h i g hp o s s i b i l i t y o fr a i n o v e rl a n z h o uc i t y t h ew a t e rv a p o rs u p p l yf r o ms u r f a c et oa t m o s p h e r ei s s t a b l ea n dh a sn oe v i d e n ts e a s o n a lv a r i a t i o n t h et o t a lw a t e rv a p o ro v e rl a n z h o uc i t y i sm u c hl o w e rt h a nt h a to v e rx i n g l o n gm o u n t a i ni ns u m m e ra n da u t u m nc a s e s l a n z h o uc i t yi sm o s t l yc o n t r o l l e db yt h ed r ya i r f l o wf r o mn o r t ho rn o r t h e a s ta n dt h e w a t e rv a p o rt r a n s p o r tf r o mo u t s i d eo ft h ec i t yi sq u i t es m a l l c o n s e q u e n t l y t h ec l o u d w a t e ra n dr a i nw a t e ra sw e l la st h ep o s s i b i l i t yo fr a i no v e rt h ec i t ya r el o w e rt h a n t h o s eo v e rx i n l o n gm o u n t a i n k e yw o r d s v e g e t a t i o nc h a n g e u r b a n i z a t i o n w a t e rv a p o rt r a n s p o r t n u m e r i c a l s i m u l a t i o n c l o u dw a t e r r a i nw a t e r p r e c i p i t a t i o n 原创性声明 本人郑重声明 本人所呈交的学位论文 是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果 学位论文中凡引用他人已经发表或朱发表的成 果 数据 观点等 均已明确注明出处 除文中已经注明引用的内容外 不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文 的研究成果做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 塾丝 日期 型竺蒸 笪 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产 权归属兰州大学 本人完全了解兰州大学有关保存 使用学位论 文的规定 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸 质版和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权兰州大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以 采用任何复制手段保存和汇编本学位论文 本人离校后发表 使 用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时 第一署名 单位仍然为兰州大学 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 勉导师签名 论文作者签名 逝勉导师签名 日期 砂彦 7 第一章绪论 1 1 研究背景 2 0 世纪以来 受人类活动的影响 全球环境以前所未有的速度发生变化 在 全球增暖和其它各种因素的共同作用下 地球环境急剧恶化 对人类的生存和发 展构成严重威胁 我国地处生存环境脆弱多变的东亚地区 在全球变化和社会经 济高速发展的影响下 环境问题尤为突出 其中最为严峻的 是占国土面积4 0 的北方地区干旱化 符淙斌在利用月降水及月平均气温资料 计算了中国区域 地表湿润指数 p a l m e r 干旱指数和反演的土壤湿度 通过对上述3 个指标及降水 变化特征的对比分析 揭示了中国北方近5 4 年干湿变化的时空结构 特别是对北 方干旱化事实的分析 结果指出2 0 世纪8 0 年代以来 西北东部和华北以干旱化趋 势为主要特征 这种干旱化的趋势在近1 5 年不断加剧 降水减少和气温升高是其 产生的主要原因 与北方其他地区的变化趋势相反 西北的西部当前正处在一个 相对湿的时段 但温度的升高削弱了这种变湿趋势 2 0 世纪8 0 年代以后 西北东 部 华北和东北地区的极端干旱发生的频率明显增加 这可能与这些地区降水减 少和气温升高密切相关 在未来1 0 一 5 0 年 北方地区大旱 大涝年份出现的频率 会继续升高 其中华北北部和华北南部出现的频率将分别可能增加1 0 和2 0 未来1 0 2 0 年 黄河上中游和下游的实测年径流量将分别减少1 0 和2 0 到 2 0 3 0 2 0 4 0 年 干旱半干旱区的范围有可能向东南扩展平均约2 个纬距n 吨1 干旱化导致生态环境的恶化 直观上表现为土地沙漠化和草原退化等 例如 比较2 0 世纪8 0 年代初和1 9 9 6 年的陆地卫星图像 吉林两部的沙漠化从3 个方向逼 近我国商品粮基地之一的松辽平原 与2 0 世纪3 0 年代通过地面考察绘制的地表覆 盖状况相比 干旱化引起的植被减少更是触目惊心 至u 1 9 9 9 年 吉林省西部草原 面积1 3 6 0 3 万h m 2 比1 9 8 5 年减少了5 2 6 7 万h m 2 减少速度为每年2 8 是1 9 8 5 年以前的1 6 倍 草原退化面积达到1 0 9 1 7 h m 2 占两部草原面积的8 0 与1 9 8 5 情况年相比 草原退化面积增加了4 4 8 4 万h 珂2 其中重度退化的占4 7 5 中度 退化的占4 4 5 轻度退化的仅占8 在吉林省西部丧失草原和草原退化的土 地上沙漠化和盐碱化问题严重 在内蒙古东部近1 0 年中 沙漠化令科尔沁沙地以 每年2 4 的速度扩展口1 1 2 国内外研究现状 面对中国北方日益严峻的干旱化形势 深入探讨中国西北干旱和半干旱地区 干旱化的形成机理和未来的发展趋势具有非常重要的意义 国内外的科技工作者 过去在中国干旱和半干旱区作了大量的观测实验和数值模拟研究 获得了一些有 意义的研究成果 尤其是2 0 世纪9 0 年代在西北干旱区典型非均匀下垫面区域进行 的h e i f e 观测实验研究h 吲 为干旱和半干旱区天气和气候的研究提供了丰富的观 测数据和研究基础 并在干旱和半干旱区陆面过程和陆一气相互作用的研究方面 获得的一系列的研究成果 薛具奎等在研究了绿洲与沙漠相互作用后指出绿洲 尺度和绿洲湿度是 冷岛效应 的两个重要控制因子 绿洲的维持与发展存在一 个最小临界尺度盯1 安兴琴用数值实验研究了绿洲的存在对沙漠的影响阳3 张强 进行了中尺度大气运动的强度对绿洲水平尺度 绿洲与周围环境的水平热力差 异 大尺度背景场水平风速和大尺度地表加热率等一些重要物理参数关系的敏感 性实验研究后发现 在绿洲水平尺度为2 0 k m 时中尺度大气运动最强 绿洲水平尺 度更大或更小时中尺度大气运动强度均会减弱阳1 吕世华用数值模拟的方法验证 了盆地绿洲会加强绿洲效应n 训 张强利用 中国西北干旱区陆一气相互作用实 验 观测的资料分析了大气湿度 土壤含水量 与土壤含水量相关的陆面参数及 其他陆面参数特征 建立了新的陆面参数及参数化公式n 乔标n 2 1 3 3 等对干旱区 城市化与生态环境交互耦合的规律以及交互的胁迫过程进行了研究 提出了生态 环境对城市发展的限制以及相互的耦合关系 常学礼n 钔等则给出了1 9 8 7 2 0 0 3 年 干旱地区城市化进程与区域沙漠化之间的关系 这些以往的研究大多是选取某一 特定的区域 对区域内的包括大气 生态在内的各种过程和各种过程之间的相互 作用进行分析研究 而对不同区域之间的相互作用和相互影响的研究还不是很 多 1 3 论文主要研究内容 这些以往的研究加深了我们对中国西北干旱半干旱地区陆面过程和地 气相 互作用方面的认识 也有效的改善了数值模式中对干旱半干旱地区陆面过程的描 述 在干旱和半干旱区脆弱的生态系统下 其植被覆盖率的改变和城市化进程究 竟会对未来干旱化的演变趋势产生什么潜在的影响 是一个重要的但很受争议的 研究问题 本文首先利用中尺度数值模式w r f 把研究区域进行分割 通过一 2 系列的数值实验 一方面诊断分析小区域内植被变化和城市化对局地大气状态的 影响 另一方面探讨小区域的大气状态的改变对大区域内物理过程的影响 模式 利用实际的大气环流形势作为强迫 在复杂实际地形条件下进行了中小尺度的数 值模拟实验 研究干旱半干旱区植被减少和城市化对局地天气的影响和不同区域 内大气之间的相互作用的特征 试图为中国西北干旱和半干旱区干旱化的未来发 展和演变提供一些参考信息 另一方面 我们还对干旱地区中孤立的绿洲上空的水汽收支和传输特征进行 模拟初步分析 试图理解孤立绿洲能长期维持的内在原因和外部大气条件 在研 究中我们选取了甘肃兴隆山自然保护区做为我们的研究对象 甘肃兴隆山是黄土 高原上目前仅存的几个森林岛之一 它地处东经1 0 3 3 7 1 0 4 1 6 北纬3 5 3 0 3 6 0 3 坐落在黄土高原中西部 兰州市的东南 面积2 3 6 7 7 8k m 主峰海拔 3 6 7 1m 兴隆山是甘肃省榆中县与临洮县的界山 它是由相互平行的前后两山体 组成 前山即俗称的兴隆山 后山为马衔山 整个山势北低南高 走向呈北西西 一南东东延展 西接祁连山 向东延伸至浩瀚的黄土丘陵 兴隆山的垂直分带性 明显 随着海拔高度的变化 各种地理环境因子呈带状的垂直变化分布 兴隆山 区域地处大陆性温带半湿润季风气候区 年降水量5 0 0 m m 以上 并随山体的上升 而增加 林区降水可超过6 0 0 m m 年平均气温4 1 海拔3 0 0 0m 以上地方 气温低于3 1 月份平均气温可低于 9 7 月份平均气温低于1 8 兴隆山 上自然植被的垂直变化很为明显 随着海拔高度增加 植被类型依次出现森林 高山灌丛 草甸和荒漠自然景观 从基带向上 植被类型由于草原过渡到针叶林 和次生的落叶阔叶混交林 进一步过渡到高寒灌丛草甸植被n 别 可以看出 兴隆山地区是西北干旱半干旱地区的一个特殊的绿洲 它在普遍 降水较少和植被稀疏的西北地区有着5 0 0 m m 以上的年均降水和茂密的森林 而在 它西北仅十几公里的兰州地区年降水却仅有3 2 7 m m 且植被覆盖较少 是何种原因 造成相距仅十几公里的两个地区在环境上对比如此剧烈 是本文中要探讨研究 的问题 在以往人们已经注意到这个问题 但受限于兴隆山地区测站较少且都在 山脚 没有充足的观测资料用于研究 徐晓桃n 6 1 等用较少的测站资料用回归分析 对兴隆山地区的气温和降水进行面域化处理便是一次尝试 在本文中 利用本人 在2 0 0 7 年4 月至l o 月间进行的对比记录 跨越了春夏秋三个季节 找出了十几个 有明显降水对比即兴隆山地区有降水而兰州地区无降水的个例 这些个例代表了 兰州一兴隆山地区的特殊气象要素场形势 在其中中选取其中有代表性且对比明 显的个例 利用中尺度模式w r f 采用较高的分辨率对兰州城区和兴隆山山区进 行数值模拟 这样绕开了观测资料少的限制 对该地区模拟出了完整而细致的气 象要素场 对当时环流 水汽 温度 云 雨等气象要素场进行分析研究 得出 了一些有意义的结论 对兰州一兴隆山这一奇异的环境对比的成因 提供了一个 初步的解释 4 第二章w r f 模式介绍及模式检验 2 1w r f 模式介绍 2 1 1w r f 模式简介 w r f w e a t h e rr e s e a r c hf o r e c a s t 模式系统是由美国研究 业务及大学的 科学家共同参与开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统 w r f 模式系统的 开发计划是1 9 9 7 年由美国国家大气研究中心 n c a r 中小尺度气象处 国家环境 预报中心 n c e p 环境模拟中心 预报系统实验室 f s l 的预报研究处和奥克拉荷 马大学的风暴分析预报中心四单位联合发起建立的 重点解决分辨率为1 1 0 公 里 时效为6 0 d 时以内的有限区域天气预报和模拟问题 由国家自然科学基金和 国家海洋大气局 n o a a 共同支持 模式结合先进的数值方法和资料同化技术 经过改进的物理过程方案 尤其是对流和中尺度降水系统的处理部分 同时具有 多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力 它将很好的适应从理想化的研究到 业务预报等应用的需要 并且具有便于进一步加强完善的灵活性 n 7 1 明 2 1 2w r f 模式的动力框架1 1 9 1 w r f 模式 v 2 1 2 的方程采取地形追随静力气压垂直坐标 即垂直质量坐标 刁或修正的c r 面坐标 其形式为 r p h p h 其 弘一p h p h 为气压的静力平衡部分 p h s 和p h t 分别为地表和模式顶气 压 r 的取值从地面到模式顶在0 l 之间变化 又因为 x y 可以认为是格点 x y 上单位面积上的气柱总质量 一些近似的通量形式的变量可以写为 v z v u v w q 毋 0 乡 q t d q j 在w r f 模式中 将物理量考虑为基本量和扰动量之和 p 万 z p 矽 矽 z 矽 口 历 z 口7 万 z 同时考虑到水汽的影响 得到通量预报形式的动力方程组如下 v v 陌 口堆d 竺 口d v 口p v 口p 口t d v 口矽 1 v 口矽 a 口p 一 f 啊 a d d v v g a mo q p p d 皿尘竺 风 dq d 0 0 v v o 7 f o a 矽 v 矽 口 g w a d v y 口 0 a q v 1 9 口 f e j 此方程组需要满足诊断关系 a 口 一万d 口 d a a l t d 以及状态方程 p 坐 p o u d 其中肠表示水平速度 下标i n 表示湿空气 下标d 表示干空气 y 印 c v 1 4 1 2 0 w r f 模式的空间差分格式采用a r a k a w a c 跳点格式 所有的热力学变量和水 汽变量均定义在整数网格点上 而u v w 交错排列在l 2 a x 1 2 a y 1 2 a z 这 样可以使求解w 时精度更高 也减少了地形引起的误差 时间差分采取 t i m e s p l i t 方案 即热力学变量采用时间向前差分 速度分量和气压采用二阶蛙跃格式 采 用t r u n g e k u t t a 时问积分方案 垂直方向采用隐式方案 以使积分时间步长能取 较大的值 又因为非静力方程是完全压缩的 无法滤去声波 因而对快波计算时 需要用短时间步长处理以维持计算的稳定性 2 1 2 5 1 对于边界条件的选择 理想实 验有多种边界条件可以选用 实际实验只能采用张弛边界条件 需要一个外部因 素提供外边界条件 对于水汽以外的微物理量 流入边界定义为o 流出边界定 义为零梯度 2 1 3w r f 模式的物理模块 2 6 在w r f v 2 1 2 中包括的物理过程有 微物理过程参数化方案 长波辐射参数 化方案 短波辐射参数化方案 近地面层参数化方案 边界层参数化方案 积云 对流参数化方案以及陆面过程参数化方案 模式中对各物理过程可选择的方案如 下 1 微物理过程参数化方案 1 不采用微物理过程 即干过程 无水汽存在 6 2 k e s s l e r 方梨2 7 1 一个简单的暖云方案包括水汽 云水和雨 考虑的微物 理过程有雨水的产生 下落和蒸发 云水的堆积和转换以及冷凝产生 3 p u r d u el i n 方案 2 8 3 1 1 包括了对水汽 云水 雨 云冰 雪和冰雹的预 报 在w r f 模式中是更全面和更适合科学研究的方案 4 w s m 3 类简单冰方案 3 2 1 对n c e p 3 方案进行了一些修正 增加了冰的沉 降过程 微物理过程中包括了水汽 云水 冰 雨 雪3 类 在结冰点以下云水处理 为云冰 雨水处理为雪 是一种较为简单的冰方案 5 w s m 5 类混合方案 3 2 1 与n c e p 5 方案相似 在w s m 3 类冰方案中将云水 与冰 雨和雪分开计算成为5 类 并允许过冷水的存在和过冷水在下落过程中的 融化 6 e t a 方案 3 3 显式的预报云水 冰的混合比 液态和冻结的降水取决于云 水混合比 并假设在一步之内到达地面 2 长波辐射过程参数化方案 1 r r t m 长波辐射方案 3 4 1 来自于m m 5 模式 能够准确的反映基于水汽 二氧化碳 臭氧 并考虑到云的光学厚度的长波辐射过程 2 e t a g f d l 长波辐射方案 3 5 3 6 1 来自j g e o p h y s i c a lf l u i dd y n a m i c s l a b o r a t o r y 的长波辐射方案 计算了水汽 二氧化碳 臭氧的光谱波段 3 短波辐射过程参数化方案 1 d u d h i a 短波辐射方案吲 来自于m m 5 模式 简单的整合了向下的太阳 辐射 并考虑了干洁空气的散射 水汽的吸收 云的散射与吸收 2 g o d d a r d 短波辐射方案 3 8 3 e t a g f d l 短波辐射方案 3 9 4 0 1 来自 于g e o p h y s i c a lf l u i dd y n a m i c s l a b o r a t o r y 的短波辐射方案 4 近地面层参数化方案 1 相似理论h 1 4 2 1 用稳定的方程来计算热量 水汽 动量在边界层的交换 率 2 m y j 近地面层方案 4 3 4 7 1 基于m o n i n o b u k h o v 理论 在水面上的近地面 层 粘性层采用显式参数化 在陆地上 考虑了粘性层的粗糙度对温度和湿度的 影响 5 边界层参数化方案 1 m r f 方案 4 8 1 在不稳定条件下温度和湿度采用逆梯度通量 在边界层中 加强了垂直交换系数 用隐式方案来处理垂直的扩散 2 m y j 方梨4 9 铷 可以预报湍流动能 并有局地的垂直混合 6 陆面过程方案 1 热量扩散方案 来自于m m 5 的5 层土壤温度模式 5 层深度分别为1 2 4 8 和1 6 c m 更深的部分固定在日平均值上 能量预算包括辐射 感热和潜热 通量 并允许雪覆盖的存在 2 n o a h 方案 5 l 是o s u 方案的后续版本 o s u 方案有4 层土壤温度和湿度 可以预报冠层湿度和雪覆盖 考虑的过程包括根区以及其它的植被作用和水流 失 可以为边界层提供显热和潜热通量 n o a h 方案可以进一步预报土壤结冰 积雪的影响 提高了对城市下垫面的处理能力 考虑了地面发射体的性质 7 积云参数化方案 1 不使用积云参数化 2 新e t ak a i n f r i t s c h 方案 5 2 羽 在e t a 模式中对e t ak a i n f r i t s c h 方案进行 修改 采用了一个简单的云模式伴随水汽的上升和下沉 还考虑了卷入和卷出以 及一些相对粗糙的微物理过程 3 b e t t m i l l e r j a n j i c 方案t 5 4 5 6 1 对原有的b e t t m i l l e r 方案进行了一些调整 主要调整了浅对流部分并引入了 云效率 以加强了对水汽与温度廓线的描述 4 k a i n f r i s c h 方案 5 2 彤 来自于m m 5 模式的简单云方案 包括卷入 卷出 上升和下沉 在此版本中只包括深对流过程 2 2w i 模式的检验 2 2 1 资料来源 模式运行与检验的资料来源有 1 1 0x1 0 的n c e p 再分析资料 f n l 为模式的运行提供初始场和侧边界条 件 每6 d 时更新 次 2 兰州大学半干旱气候与环境观测站观测资料 兰州大学半干旱气候与 环境观测站位于3 5 9 4 6 n 1 0 4 1 3 7 e 海拔1 9 6 5 8 m 模式检验中采用了2 0 0 6 年5 8 月1 2 一1 4 日的地面通量观测资料与2 0 0 6 年5 月1 7 1 8 只的微波雷达的温度廓线资 料 2 2 2 参数化方案的选择 本文中研究的2 个主要方向分别涉及陆面过程和降水 因而对陆面过程参数 化方案和积云对流参数化方案选择极为重要 1 陆面过程参数化方案的选择 考虑到n c e p 再分析资料提供的土壤资料 分层与n o a h 方案相同 同时n o a h 方案对城市下挚面的模拟更好 所以陆面过程 采用n o a h 陆面参数化方案 2 积云对流方案的选择 是在分别对每一个方案进行了模拟后 对结果进 行比较发现新e t ak a i n f f i t s c h 方案对降水的模拟稍好 故而选择此方案 其他参数化方案选择为 微物理过程采用k e s s l e r 暖云参数化方案 长波辐 射采用r r t m 方案 短波辐射采用d u d h i a 方案 每1 0 分钟进行一次辐射过程的 计算 近地面层过程采用n c e pg l o b a lf o r e c a s ts y s t e m 方案 边界层采用y s u 方案 本文中所有的模拟实验的参数化方案的选择都如上 不再作说明 2 2 3 模式检验 用w r f 模式分别对2 0 0 6 年5 月1 2 1 4 日和5 月1 7 1 8 日 以测站为区域中心进行 模拟 并与兰州大学半干旱气候与环境观测站观测资料对比 以检验w r f 模式 对西北干旱半干旱地区的模拟情况 9 图2 1w r f 模式模拟结果与观测资料对比 实线为观测资料 虚线为模拟结果 从图2 1 中可以看出w r f 模式能够比较准确的反映各个通量的日变化 显热 通量与潜热通量的模拟结果与观测值有完全相同的日变化趋势 在数值上 显热 通量在白天偏小 夜间偏大 潜热通量都偏小 但偏离程度都不明显 土壤热通 量的模拟结果的最大值出现时间比观测值早3 个小时 其后与观测值基本相符 模拟的温度廓线与观测的廓线基本相符而有所偏大 在3 k m 6 k m 高度之间比较明 显 但偏离程度不超过3 c 其他高度上都比较接近 可以看出 虽然存在一定偏差 w r f 模式能够比较准确的模拟出西北干旱半 干旱地区的实际情况 所以用w r f 模式对西北兰州地区的模拟是比较可信和可 靠的 1 0 3 1 数值实验设计 在该研究中模拟区域以位于3 5 9 4 6 n 1 0 4 1 3 7 e 的兰州大学半干旱气候与环 境观测站为中心 采用3 层嵌套 垂直分为2 8 层 模式层顶气压5 0h p a d 0 1 区域水平分辨率为2 0k m 东西1 0 1 个格点 南北方向8 1 个格点 d 0 1 模拟区域 植被分布以及嵌套情况如图3 1 所示 图中符号 为兰州市所在位置 d 0 1 区域植被分布特征是西北植被覆盖率低而东南覆盖率较高 图中兰州市西北方向 植被覆盖率较高的区域是河西走廊的绿洲地区 2 0k m x1 0k m 的敏感区域a b 来进行数值实验 d 0 3 区域的植被覆盖分布以及 2 个敏感区域的位置如图3 2 所示 a b 区分别位于d 0 3 区域中心山脊的东西两 侧 a 区的植被覆盖率明显大于b 区 一二 一 图3 2 d 0 3 模拟区域植被覆盖 百分l l 分布与两个敏感性数值实验区域a b 模式选用的1 0 1 0 的n c e p 再分析资料 f n l 为模式提供侧边界条件 每6 小时更新一次 从2 0 0 6 年5 月1 1 日到1 2 日 模拟区域内天气晴朗 同照辐射 充分 从而在分析诊断时可不考虑云和降水过程的影响 所有数值实验的初始场 均选为2 0 0 6 年5 月11 日2 0 时 北京时问 模式共积分3 6 个小时 研究中一共 设计了5 个数值实验以诊断分析干旱化加剧和城市化对局地天气的调整和不同 区域之间大气的相互影响 其中控制实验e 0 是模式的下垫面参数不作任何改动 尽可能接近实际的标准实验 图3 给出了控制实验模拟的两个不同时次的近地面 水平风速场 我们可以看到在模拟的初始阶段 实验区域的东边是较强的北风 西边是相对较弱的东北风 图3 3 a 积分2 5 小时后 图3 3 b 实验区域内风 向发生了明显的变化 在区域北部山脊的东侧风向转为西北风 而在实验区域的 西南 风向由初时时刻的东北风转为东南风 值得注意的是在整个模拟时段内实 验区域中一心山脊的西侧存在一个持续且稳定的湍流涡旋区 风速较小 风向多变 在另外4 个敏感性实验中 我们人为地改变了模式下挚面的类型或植被覆盖 率 在实验e 1 中 a 区的植被覆盖率相对于控制实验减半以模拟a 区干旱化加 剧的影响 在实验e 2 中将a 区的陆面类型由原来的草地 g r a s sl a n d 改为城市 地面 u r b a nl a n d 以模拟该区域可能的城市化过程对局地和非局地天气的影响 实验e 3 是将b 区的植被覆盖率减为0 的极端情况 而实验e 4 是将b 区的陆面类 型改为城市地面 u r b a n1 a n d 以便和a 区的变化做相应的比较 在四个敏感性数 值实验中 除了a b 敏感区域有陆面类型和植被参数的改变以外 其它条件都 与控制实验相同 相应的 我们可以将敏感性数值实验结果相对于控制实验结果 的变化视为模拟区域内气象要素场对实验区域干旱化和城市化的响应 除非另有 说明 本文中所有的变化量都是指相应的敏感数值实验减去控制实验的结果 5 0 4 0 7 e 3 0 己 2 0 10 o 5 0 4 0 苫3 0 己 2 0 1o 0 凳一装 尸 冬 怂名 j jjb 1 4 一 一一f i t tl 魁 pllliiii lu 一一j j i l lll 丁飞 lljt lij nl l 厂m i i i li l jij 州 卜j 怕q 0 2 04 06 08 0 1o o k m b 12 0 f zl 沁 酲黝 0 3 曩辩黜蕙 纣鹣蝴 jl l l ll l4l a 心j o2 0 4 06 08 01o o12 0 k m 图3 3控制实验e 0 模拟的d 0 3 区域不同时刻的近地面水平风场 a 是模拟1 小时的风 场 b 是模拟2 5 小时的风场 3 2 模拟结果分析 3 2 1 植被变化和城市化引起的局地地面热通量及温度变化 过去已有大量的关于下垫面特性的改变对地面感热和潜热通量影响的研究 工作 5 7 棚 这里我们只对敏感性实验区域a b 发生植被和下垫面类型的改变后 门揩 藤丽戮 该区域的地面热通量的变化特征做一简单的描述 图3 4 a 和3 4 c 分别给出了敏感 实验区a b 植被覆盖率减少后该区域内平均的感热通量 潜热通量 土壤热通 量以及地面温度的增量日变化图 从图中可以看出 植被减少后两个敏感实验区 域内平均感热通量均有小幅增加 a b 区内最大增量分别是8 3w m z 和4 3w m z 相对增幅分别为2 1 9 和5 2 平均潜热通量则有小幅的减少 最大减少量分别 为1 7 1w m 2 和4 6w m 2 平均减幅为1 4 1 和2 8 平均土壤热通量的变化幅度 分别为 2 9w m 2 至l j 4 9w m 2 和 2 9w i n 2 n 2 5w m 2 之间 由于b 区的植被覆盖率 相对于a 区要小的多 因此 数值实验e 3 中将b 区的植被覆盖率减少为0 导致的热 通量的变化要小于数值实验e 1 中植被覆盖减半所引起的热通量的变化 所有热 通量变化量之和在各时次基本守恒 接近于0 植被的变化对土壤热通量有很大 的影响 通常情况下 植被减少会使白天的土壤热通量增加唧 这样一来 植 被减少在白天导致的感热通量的增加就变得相对不太明显 甚至有小幅下降 1 0 1 5 d 时 另一方面 土壤热通量在白天仅占总的辐射净能量很小一个份数 5 1 5 在晚上则约占5 0 的份额1 6 因此植被的减少对土壤热通量的影响在 晚上相对而言比较重要 敏感实验区域a b 内地表平均气温受感热通量和土壤 热通量变化的影响 有总体上有升高的趋势 但并不显著 主要的增温出现在夜 间感热通量明显上升的时段 在白天1 0 1 4 小时内无增温 在模拟时段内 a 区和 b 区内平均地面温度升高的最大值分别是0 0 5k 和0 0 2k 1 4 n e n e 1o15 2 0 2 53 0 nou r 1 0152 02 53 0 h o ur n e n e 1o152 02 53 0 h o ur 1o152 02 53 0 h o ur 图3 4敏感实验区域a b 内植被减少和下垫面类型改变后区域平均热通量和地面气温增 量的日变化 其中 a 是a 区植被减少5 0 导致的热通量和温度的变化 b 是a 区城市 化后热通量和温度的变化 c 是b 区植被覆盖率减少为0 时导致的热通量和温度的变化 d b 区城市化后热通量和温度的变化 实线表示地面气温 点线表示感热通量 虚线表 示潜热通量 虚一点线表示土壤热通量 图3 4 b 和3 4 d 是敏感区域a b 的下垫面类型变为城市后区域平均热通量 和地面气温增量的同变化 相对于区域内植被的减少引起的变化 实验区域城市 化导致区域平均热通量和地面气温呈现更显著的变化 敏感实验区域a b 内平 均感热通量分别有7 7 3w m 2 到2 5 7 4w m 2 a 和7 0 3w m 2 到2 0 9 4w m 2 b 之间的增量 模拟时间内平均增幅分别为3 4 7 5 和3 8 5 2 平均潜热通量则有 7 8 8w m 2 到2 8 8 3w m 2 a 和8 3 5w m 2 到2 0 1 9w m 2 b 之间的减少 减幅分 别是1 5 2 9 和1 7 8 6 平均土壤热通量的变化幅度分别为 4 6w m 2 到2 5 5w m 2 和 1 5 8w m 2 到1 7 6w m 2 之间 很显然 在城市下垫面下 土壤热通量增量没 有的明显日变化 感热通量的大幅增加导致了地面气温的升高 区域平均值最大 可上升o 3 2k a 和0 3 6k b 从以上模拟结果可知 敏感性实验区域内植被减少和城市化都会导致区域内 的感热通量增加 地面气温升高 城市化产生的增温较强而稳定 植被减少引起 的增温相对较弱且与土壤热通量的变化关系密切 另一方面植被减少和城市化使 潜热通量减小从而减少水汽的向上输送 土壤热通量变化趋势则与植被覆盖的多 少和下垫面特性密切相关 日变化显著 在上述分析的基础上 下面我们将详细 诊断在敏感性实验区内植被的减少和城市化所引起的非局地热 动力响应以及对 水汽输送和分布的影响 需要指出的是 植被变化引起的地面感热 潜热和土壤 热通量的变化及其内在机制不是该研究要探讨的主要问题 本文主要诊断分析植 被变化所引起的大气非局地的响应和对空中水汽收支的调整 3 2 2 植被变化和城市化引起的非局地风场变化 以敏感实验区