论文部分内容阅读
湖泊作为一种较为特殊的陆地下垫面，其与大气间的相互作用是陆面过程研究中的重要部分，与土壤下垫面相比，湖泊水体由于具有较小的表面粗糙度和较低的热导率，较高的热容量以及较大的反照率等特殊性，使得其与大气之间的能量和物质交换也不同于其他下垫面。湖泊由于其自身特殊性，在青藏高原地区乃至全球气候变化中起着不可忽略的角色，因其面积大小和地理位置等差异，陆面过程与气候效应复杂多变，不同湖泊的蒸发水汽对局地降水的贡献也有所不同。黄河源区湖泊群是青藏高原湖泊群的重要构成部分，扎陵湖和鄂陵湖是中国海拔最高的淡水湖。扎陵湖和鄂陵湖位于青藏高原东北部寒冷半湿润地区，是典型的淡水外泄湖泊。纳木错湖是中国的第三大内陆咸水湖，位于青藏高原中部寒冷半干旱地区，是典型的咸水内陆湖泊。这三个湖泊是青藏高原地区具有代表性的典型湖泊。本文利用天气研究与预测模式(Weather Research and Forecasting，WRF)与鄂陵湖和纳木错湖区野外观测资料，比较了不同参数化方案下WRF模式模拟和再分析资料在研究区域的适用性，分析了不同湖泊的湖风特征参数，同时结合去除湖泊的敏感性试验和湖泊对区域天气和短期气候的影响;进一步通过WRF高分辨数值模拟和水汽后向传输模式，探讨了典型高原湖泊蒸发水汽和不同下垫面的蒸发（散）对局地降水的贡献，获得如下结论: (1)通过对不同参数化方案和再分析资料的组合研究，当陆面过程方案采用公用陆面模式(Community Land Model，CLM)，边界层方案采用YSU(University of Yonsei)，再分析资料采用美国国家环境预报中心(NationalCenters for Environmental Prediction，NCEP)资料时，WRF模式在扎陵湖和鄂陵湖区域的整体模拟效果较好;在纳木错湖区，CLM陆面过程方案结合YSU边界层方案和全球分析资料(Final Operational Global Analysis，FNL)，整体模拟效果较好。 (2)模式较好的模拟了扎陵湖和鄂陵湖的白天降温效应和夜间的保温效应，午后扎陵湖和鄂陵湖都出现了明显的湖风现象。白天扎陵湖和鄂陵湖的存在使得湖区上空的大气边界层高度低子周围陆地。扎陵湖和鄂陵湖对感热和潜热的影响有很强的日变化。白天湖面感热小于周围陆地，夜间有相对较大潜热通量。当湖泊改为草地后，在试验期间(2013年5-9月)，感热增加了120.0％，潜热减小了58.5％;去除湖泊后，试验期间的扎陵湖和鄂陵湖所在区域的感热与潜热之和是减小的，在有湖试验中扎陵湖和鄂陵湖所在区域的感热潜热之和平均值为185.8W·m-2，无湖试验中扎陵湖和鄂陵湖所在区域的感热潜热之和平均值为130.3W·m-2，说明去掉扎陵湖和鄂陵湖后，试验模拟期间原湖泊所在区域的地-气间的热量和水汽交换的总量是减小的。而就整个研究区域而言，试验期间的有湖和无湖模拟的感热和潜热之和分别为132.6 W·m-2和130.0 W·m-2，表明去湖后感热和潜热之和也略有减小。黄河源区降水呈南高北低特征，去除湖泊后，扎陵湖和鄂陵湖区域及其东部和东南部地区降水显著增加，平均增量20.0 mm以上，局部地区达到80.0 mm，增量为该地区同期降水的25.0％以上。当去除湖泊后，550hPa高度上温度的升高以及辐合风场的出现有利于降水的增加，增温区域和辐合风场区与增雨区的分布有着良好的对应关系。扎陵湖和鄂陵湖区域上空14:00时的大气边界层(Atmospheric Boundery Layer，ABL)平均高度约为500.0m，而周围陆地则为1500.0 m以上。去除湖泊后，原扎陵湖和鄂陵湖区域的大气边界层高度则上升为1500.0-2000.0 m。由于扎陵湖和鄂陵湖的存在，白天有效的降低了该区域的大气边界层高度，就整个研究区域而言，平均下降了约50.0 m。 (3)通过对数值模拟试验期间典型湖风平均特征参数的对比，纳木错湖风在持续时间和影响范围及程度上都要高于鄂陵湖。鄂陵湖的湖风平均持续时间为7.0小时，而纳木错湖的湖风持续时间为8.0小时;鄂陵湖湖风的内渗距离和回流距离分别为9.8 km，12.3 km，而纳木错湖湖风的内渗距离和回流距离分别为11.4 km，14.2 km;在湖风厚度上鄂陵湖为324.0m也低于纳木错湖的383.0 m。 (4)在数值模拟试验期间（2013年5-9月），当湖泊改为草地后，纳木错地区感热增加240.0％，潜热减小70.4％;去除湖泊后，原湖泊区域感热增加潜热减小。有湖试验湖泊所在区域的感热潜热之和平均值为187.6 W·m-2，无湖试验中原区域感热潜热之和平均值为116.7 W·m-2，这说明去掉湖泊后，试验模拟期间原湖泊所在区域的地-气间的热量和水汽交换的总量是大幅度减小的。而就整个研究区域而言，试验期间的有湖和无湖模拟的感热和潜热之和平均值分别为141.7 W·m-2和139.0 W·m-2，表明去湖后也略有减小。研究区域内的降水分布形势为南高北低，纳木错湖为相对少雨区域。去除湖泊后，纳木错湖中心区域降水显著增加，普遍增量在20.0-30.0 mm左右，局部地区甚至达到50.0 mm以上，增量为该地区同期降水的13.0％以上。去除湖泊后，550hPa的温度升高以及辐合风场的出现，都是有利于降水增加的因素。且增温区域和辐合风场区与增雨区的分布有着较好的对应关系。5-9月份控制性试验中纳木错湖区上空的大气边界层高度约为200.0-400.0 m，而周围陆地则为1600.0m以上。去除湖泊后，原纳木错湖区域的ABL高度则上升为2000.0-2200.0m以上。由于纳木错湖的存在，白天有效的降低了湖区大气边界层的高度。而对于整个研究区域而言，大气边界层高度平均下降了约80.0 m。 (5)黄河源区局地降水外来水汽源约占63.76％，纳木错地区的降水外来水汽源占76.93％;黄河源区扎陵湖和鄂陵湖湖泊蒸发水汽对局地降水的贡献比值约为4.15％;纳木错湖的湖泊水面蒸发的水汽对该地区的降水贡献比值约为2.46％。除去外来水汽源外，在黄河源和纳木错地区，草地下垫面的蒸散是各种下垫面中贡献最大的，其比例值分别为25.20％和18.34％。在外来水汽源相对较少时，黄河源地区的降水水汽来源更依赖于该地区的草地下垫面的蒸散。