鄱阳湖地区近地面层物理过程参数化研究

The momentum, heat and vapor exchanges between land surface and atmosphere significantly impact the local and regional weather and climate. Based on the research work of my previous NSF project, this project will concentrate on analyzing the long-standing observation data from the hydrology, flux and gradient observation network in Poyang Lake region, to establish local turbulent flux parameterization schemes of the lake-atmosphere and land-atmosphere interactions; to study the diurnal and seasonal variation characteristics of radiant balance, flux transportation, energy balance and lake surface evaporation rate over lake and land surfaces; to discuss and valid the ability of the new parameterization schemes in meso-scale numerical model in Poyang Lake area by off-line test and WRF on-line test. The purpose of this project is to establish the local land-atmosphere interaction parameterization scheme in Poyang Lake region with self-owned intellectual property rights.

湖泊地区近地层的动量、热量和水汽交换过程对局地、区域天气和气候产生着重要影响。在本人以前承担的国家自然科学基金项目研究工作基础上，本项目通过集中分析鄱阳湖地区建立的水文、通量、梯度观测网多年的观测资料，建立湖面与大气、陆面与大气相互作用过程中的湍流通量局地参数化方案；分析研究湖面和陆面通量输送、能量平衡、湖面蒸发速率等的日变化和季节变化特征；利用离线测试和WRF进行在线测试, 检验本项目建立的湖-气湍流交换过程参数化方案在中尺度气象模式（WRF）中对鄱阳湖地区的模拟能力。力争建立具有自主知识产权的鄱阳湖局地陆气相互作用参数化方案。

针对鄱阳湖地区的近地面物理过程，（1）、利用鄱阳湖东岸的70m 铁塔2013年7月-2014年6月的湍流观测资料，对鄱阳湖地区粗糙度特征进行了分析。应用Martano方法和TVM（Temperature Variance Method）方法分别计算了该地区地表零平面位移d和粗糙度z0，得到：用Martano方法计算的结果随季节变化较大，春夏季的粗糙度z0（0.0145 m）是秋冬季的（0.0023 m）6.3倍，年平均为0.0084 m；陆面方向零平面位移d和粗糙度z0（8.6 m和0.0132 m）分别为来自湖面的（4.2 m和0.0012 m）2倍和10倍。用Martano方法计算得到零平面位移d和粗糙度z0对摩擦速度造成了约9.9%的高估；而用TVM方法对摩擦速度造成了约32.8%的高估。（2）、鄱阳湖地区水汽粗糙度zE比动力粗糙度z0大，它们在中午达到最小，午后增大，日落后逐渐减小。而潜热交换系数CE比地表拖曳系数CD大，中午最大，然后逐渐减小，午夜到凌晨达到最小。稳定度ζ冬季最大，以稳定结构为主，其它季节基本上都是以不稳定结构为主（占约60%），不稳定边界层结构使得鄱阳湖地区感热通量和潜热通量损失分别增加127%和32%。（3）、为了进一步了解和研究鄱阳湖地区湖气相互作用特征，2020年12月-2021年3月，项目组鄱阳湖东部湖体开展了为期近4个月的湖面湖气相互作用观测，观测项目包括：1层湍流观测（含风、温、湿、水汽和CO2）、2层（平台以上2m和3m高度）大气风温湿梯度观测、4分量辐射观测、水表温度观测和2层水温梯度观测。初步分析结果表明：水表温度和水气压较2m高；平均来说，水面上的风速与摩擦速度都较小，致使湍流动力混合能力较弱，平均感热通量和潜热通量仅为5.4 W m2和17.4 W m2；Bowen比为0.37，表明该地区的能量释放以潜热为主。日变化上，潜热通量午后最大，夜间最小，而感热通量在夜间和早上较大，下午减小。反映到稳定度则是上午不稳定度强，而午后趋于稳定。（4）利用常规气象观测资料、雷达资料，对一次过湖雷暴天气过程进行了分析。发现：由于鄱阳湖的加热和加湿作用，使得低层不稳定加强，湖陆温差加大，对过湖的对流云团有加强作用。