论文部分内容阅读
空气动力学粗糙度(z0)和地表反照率(α)是2个重要的地表参数,它们影响着陆地-大气相互作用中的能量和水分交换,从而对区域气候产生影响。本研究是为了探究z0和α的改变对中国东部地区气候的影响。该地区近30年来正经历着飞速发展的城市化进程。
本研究首先进行了一个控制试验,以检验RAMS在研究区域的模拟能力。利用RAMS模拟了2003年中国东部地区的气候系统,模式中的z0和α均为RAMS的参数化值,并将模拟结果与地面观测站的数据进行对比。结果表明,RAMS能很好地抓住近地面气温和降水的季节性变化和瞬时天气事件,并能模拟出2003年夏季高温及长江流域强降水的气候特征。对于中国东部三大城市群(京津唐、长三角和珠三角)的模拟结果分析中,区域平均的近地面气温模拟值与观测值的相关系数能达到0.95以上,降水的相关性能达到0.5左右。总体而言,RAMS对中国东部地区的气候模拟能力比较可靠。
又分别对z0和α改变其默认值的+10％,-10％,+50％,-50％,+90％,-90％,各进行六个敏感性试验,以考察z0和α的改变对RAMS模式模拟的近地面温度、降水、风场、感热通量和潜热通量的影响。主要结果表明:
1.近地面气候变量的响应。z0敏感性试验结果:(1)z0减小(增加)的一个基本影响是减小(增加)了地表对气流的拖曳力,从而导致近地面风速的增加(减小)。风速增(减)幅最大的区域在东南部长江中下游平原及以南的丘陵地区,与z0的最大改变区域相对应。(2)z0的变化首先对感热通量和潜热通量的大小有直接影响,z0减小(增加)时,感热通量总体减小(增加)。潜热通量在长江中下游平原以及其以南地区出现局地零散的正负异常值,这与丘陵地区高低分布的地形有关,大的地形分布对水汽的阻隔作用比较大。(3)z0减小(增大)时,总体上使得中国东部地区的近地面2米温度(T2m)相应升高(降低),除了西北部的草原T2m呈现相反的趋势。(4)在长江中下游平原以及其以南地区出现T2m和降水局地零散的正负异常值,这与感热通量与潜热通量在该地区的响应变化相似,潜热通量的变化影响了降水的分布。
α敏感性试验结果:(1)α减小(增大)时,总体上中国东部地区的近地面2米温度变大(变小),近地面2米温度的响应随α变化幅度的增加(减小)而明显地增加(减小)。(2)该地区西北部草原的响应相对于其他地区最为显著,当α增大(减小)90％时,2米温度相应减小(增大)了约1.5K,对应于该地区α的绝对值相对较大。(3)不同地表类型的近地面温度对α的变化有不同的响应。相对于混合作物,矮草地的T2m对α的负异常有更为敏感的响应。(4)降水异常主要出现在长江中下游平原以及以南部分地区,这与潜热通量在该地区又显著的局地异常对应。
2.对大气垂直结构的影响。风速廓线的变化主要由z0的改变引起。不同地表类型的风速对z0变化的响应也不同:(1)低于700hPa的低层边界层中,城市上方的10米风速的变化是草地和混合作物上方风速的约10倍。这可能是由于城市粗糙度大于草地和作物,且更为复杂的地表结构造成的。(2)城市上方的风速对z0的负异常更为敏感。(3)城市地表和草地上方的风速最大响应出现在950hPa处,而混合作物的风速最大响应出现在更低层的近地面。
α的改变对温度廓线有直接的影响。当α从默认值的10％变化了90％时,草地上方的近地面(950hPa以下)位势温度有0.55-0.1K的变化幅度;混合作物和城市区域上方的位温变化幅度则相对较小。因此,草地上的温度变化比其他两种地表上的温度对α的改变更为敏感。
3.气候变量对α与z0变化的敏感性比较。(1)区域平均的T2m对α变化的响应相对于z0引起的响应时间变化上更均匀,夏季与冬季的差异相对较小。α的变化对于年平均气温的影响约为z0产生的3到4倍。并且从敏感性试验与控制试验的T2m异常分布来看,α的变化导致T2m大范围连续较强的响应,而z0产生的T2m响应比较弱,且在丘陵地带出现局地正负异常成对地出现,可能是由于z0对温度的影响不如局地地形的作用大。(2)α的变化对地表湍流通量的影响比z0的变化产生的影响大约数十倍。(3)α对降雨的影响更为显著,在东南部地区当α改变90％时,能引起约最大40mm/d的降水变化量,该量级约为z0变化产生的降水异常量的3-4倍。(4)z0改变对气候的影响较小的原因可能是由于RAMS中没考虑热力学粗糙度和水汽粗糙度,由于z0的改变主要引起动量的改变,因此对于热量、水汽相关的气候变量的影响不大。
4.MODIS反演的地表粗糙度与模式默认值的比较。可以看出1月和7月两者约有70％-90％的差异,因此z0敏感性试验的设计比较合理,今后将进一步利用MODIS反演的数据代替默认值进行模拟,敏感性试验可能为此提供一些理论依据。
综上,气候变量对α和z0的改变敏感性不容忽略,且对α的敏感性更大。因此,对于改进区域气候模式的模拟能力,在时间和空间上能更为合理地描述地表粗糙度和反照率是十分必要的。