非均匀下垫面近地层风动力降尺度研究

论文摘要

全球模式能够较好地表征大尺度环流状况,但由于分辨率较低,难以捕捉到与非均匀下垫面局地强迫有关的中小尺度系统过程。动力降尺度指利用高分辨率有限区域模式来实现全球模式结果和局地强迫之间的非线性相互作用,以获取区域或局地的大气变化信息。目前动力降尺度在地面气温和降水区域气候模拟和气候变化预估方面得到了广泛研究,然而对近地层风的研究还不够深入和完整。本文首先分别从城市群和沿海复杂地形近地层风模拟的角度出发,重点讨论了下垫面动力和热力性质不均一分布对近地层风日变化特征的影响,然后对中国区域地面风速气候变化进行预估。主要研究内容和结论如下：1.利用较新的MODIS陆面类型资料以及WRF/Noah/UCM耦合模拟系统对珠江三角洲地区2008年近地层风场进行1-km分辨率的模拟,并将模拟结果与风廓线雷达和地面站观测数据进行了比较分析,研究发现：地面风速具有明显的日变化特征,白天大、夜间小；上层风速则表现为白天小、夜间大。模拟风速日变化与观测基本一致,较准确地再现上、下层风速反相变化特征。模拟风速值在1000m以内存在正偏差；在1000m以上存在负偏差。另外,通过将珠三角地区城市改为农田并进行敏感性试验,发现城市化使该地区地表能量收支结构发生了明显的改变,城市化使白天潜热通量减少,地面热通量增加,更多的热量存储于地面中并于夜间释放出来,夜间感热通量变大。相应地,城市化使地面风速白天减小、夜间则增大（冬季除外）,夏季夜间地面风速增大尤为显著,约为1m/s。上述结果表明,WRF/Noah/UCM系统对于城市下垫面近地层风速变化具有较好的模拟性能,利用该系统研究城市气候效应对局地环流的影响具有一定的可靠性。2.海陵岛位于中国南部沿海地区,受东亚季风和海陆风环流的共同影响,岛上分布有多座小山,局地风况较为复杂。首先利用中尺度模式WRF对该地区环流系统进行了模拟,并与测风塔观测数据进行了对比,分析表明经向风模拟值相关系数为0.75-0.85,纬向风模拟值相关系数为0.5-0.75,WRF模式能够较好地再现该地区环流系统的时间变化特征。对于季节平均风场和海陆风的变化与观测基本一致。然而在地形起伏的小范围内（东西约25km,南北约18km）,1-km分辨率WRF模拟风场分布趋于均匀。为此,引入边界层诊断模式CALMET对WRF结果进一步进行调整得到100-m分辨率风场精细结构,较为合理的反映出起伏地形对风场分布的影响。上述结果说明WRF/CALMET系统可以较好地刻画沿海复杂地形下小范围内风场精细结构。3.利用全球模式ECHAM5的结果驱动区域气候模式MM5,分别对中国地区当代（1981-2000年）和未来（2041-2060年）气候进行模拟,并利用地面气象站逐日风速观测资料,检验评估了MM5模拟的当代中国陆域地面（10 m AGL）风速分布及其变化特征；在此基础上,分析了IPCC　A1B’情景下中国陆域地面风速未来可能的变化特征。结果表明,MM5能够较好地模拟出平均风速和90th百分位风速的分布状况。A1B情景下,中国陆域大部分地区地面风速减小约0.1m/s；风速增大区主要位于东北地区、环渤海地区及西南地区。未来风速变化表现出明显的季节差异,夏、秋季中国东部地区风速增大,西部风速减小,呈“东增西减”型；冬、春季北部地区风速增大,南部地区风速减小,呈“北增南减”型。另外,分析表明未来极端强风事件发生频数也将减少。以上结果表明,区域气候模式MM5对于中国陆域地面风速具有一定的模拟能力,利用该模式预估中国陆域地面风速气候变化具有一定的可靠性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 动力降尺度研究
• 1.1.1 降尺度的必要性
• 1.1.2 动力降尺度的类型
• 1.1.3 动力降尺度的方式
• 1.1.4 地面气温和降水动力降尺度研究
• 1.1.5 近地层风动力降尺度研究的意义
• 1.2 近地层风动力降尺度国内外研究现状
• 1.2.1 山地地形条件下近地层风场模拟
• 1.2.2 水陆交界下垫面风场模拟
• 1.2.3 地面风速气候变化预估
• 1.3 本研究主要内容
• 1.4 本研究的创新点
• 参考文献
• 第2章 珠三角城市群对区域近地层风场结构影响的模拟研究
• 2.1 引言
• 2.2 资料与方法
• 2.2.1 资料
• a 风廓线资料
• b 地面观测资料
• 2.2.2 WRF/Noah/UCM模拟系统简介
• a 中尺度模式WRF
• b 陆面模式Noah
• c 城市冠层模式UCM
• 2.3 观测与模拟风速日变化特征
• 2.3.1 地面气象要素日变化特征
• 2.3.2 风廓线日变化特征
• 2.4 城市化对边界层过程日变化的影响
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第3章 沿海复杂地形风场精细化模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 资料与方法
• 3.2.1 测风塔资料
• 3.2.2 WRF/CALMET模拟系统
• a WRF中尺度模式
• b CALMET诊断模式
• 3.3 WRF模拟风场变化特征
• 3.3.1 总体检验
• 3.3.2 季节变化特征
• 3.3.3 海陆风特征
• 3.4 精细化风场结构特征
• 3.4.1 水平空间结构精细化特征
• 3.4.2 60m高度风速风向模拟改进
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第4章 IPCC A1B情景下中国陆域地面风速气候变化模拟检验及预估
• 4.1 引言
• 4.2 模拟试验设计
• 4.3 当代气候模拟检验
• 4.3.1 平均风速检验
• 4.3.2 趋势检验
• 4.4 未来气候变化预估
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第5章 结论
• 5.1 全文总结
• 5.2 存在问题及展望
• 参考文献
• 在校期间主要研究成果