浅水湖泊陆面模型的发展及耦合应用

Lake is an important land surface type in China. However there is no suitable land surface model for China's shallow lakes. This research focuses in Taihu lake, studying the key process of the lake-air exchanges. Firstly, this work aims at establishing the suitable parameterization scheme of key elements, e.g. U*, Zom, Zoh, etc, to calculate the lake surface flux. Secondly, the numerical procedure of shallow lake heat transfer, water-vapor exchange and surface stress etc, must respond to the atmosphere changes of synoptic scale and day time-scale. Meanwhile, the influence on surface albedo, extinction coefficient and radiation energy balance of lakes caused by the growth of phytoplankton and the suspension of bottom sediment will also be considered in this progress. The existing NCAR lake model will be improved to be more suitable for surface simulation of shallow lakes according these processes above. At last, this model will be coupled into WRF/NOAH model, and verified effectively with observation data of Taihu Lake mesoscale flux nets. The expected goal is to establish a integrated lake-regional weather/climate coupling model which applies to China's lake-air interactions. Theoretical innovation should be made on the frontier issues of the interaction between lakes and atmosphere, such as new cognitions on the interaction of shallow lake surface roughness, wave motion and wind, and parameterization schemes on the relationship between water thermal conductivity and water depth, thermal stratification and upper air wind.

湖泊是我国重要的地表类型。然而目前并无适合中国浅水湖泊的陆面模型。本研究拟以太湖为对象，研究浅水湖泊陆气交换的关键过程。首先U*，Zom，Zoh等参数的计算方案对浅水湖表通量计算至关重要。其次浅水湖泊的热量传递、水汽交换、表面应力等对天气尺度及日尺度大气变化的响应灵敏。同时湖泊浮游植物生长、底泥悬浮等过程对湖表反照率，湖体消光系数以及湖体辐射能量收支影响也非常关键。针对以上过程改进已有的NCAR湖泊子模型，使之适用于浅水湖泊的陆面模拟。将新建浅水湖泊陆面模块耦合进入WRF/NOAH模型，并用太湖中尺度通量网观测数据有效验证。预期目标为建立适用于我国湖泊与大气相互作用的完整湖泊-区域天气/气候耦合模型。在湖泊-大气相互作用的相关前沿问题上产生理论创新，产生浅水湖表面粗糙度、波浪运动和风三者相互作用的新认识；建立水体导热率与水深、热分层和高空气流之间关系的参数化方案。

本研究以太湖为对象，对浅水湖泊陆气交换的关键过程及陆面参数化方案进行探讨。研究结果表明，太湖月尺度和年尺度，湖泊的辐射通量和能量通量的空间变化很小，这表明太湖对风速，水深，水质及大型水生物浸没的程度并不敏感。太湖的年平均波文比（0.12-0.13）比热带和北方湖泊波文比值低，也比在相邻陆地波文比值（0.58）要低得多。由于其湖水较浅，与深水湖相比，太湖夏季湖风频率仅为30-40%，而北美五大湖的湖风频率可以达到80-90%。在弱风条件下，太湖湖气交换系数随着风速的增大而减小，强风条件下，交换系数近似为常数。太湖沉水植物的存在显著的减小了动量交换系数。与海洋参数化方案相比，湖面的空气动力学粗糙度较高。NCAR湖泊子模型以及E-ε 湍流动能闭合湖泊热力学过程模型的优化及对比表明，NCAR湖泊子模型由于物理机理完善，能够更好的模拟出太湖表面通量及水温的整体变化。将NCAR浅水湖泊陆面模块耦合进入WRF/NOAH模型，并用太湖中尺度通量网观测数据有效验证，结果表明，NCAR湖泊陆面过程子模型很好的模拟出了湖表气温、感热及潜热通量，对于湖风环流特征的模拟更为清晰。太湖对周边城市热环境存在明显的影响。8月太湖对周边地区15时近地层平均降温0.5-0.7℃，影响范围达60km。凌晨06时太湖导致周边近地层平均升温可达0.7-1℃，影响范围达50km。湖风带来的冷空气抑制了城市热岛的垂直运动，在高温天气下使得苏州、无锡、常州城市地区昼间边界层下降高度可达300m、400m、100m。无锡地区边界层内气温最高降幅可达0.5-0.7℃。太湖湖泊蒸发量变化的特征研究表明，1979-2013年太湖的蒸发量都是呈现上升趋势，向下长波辐射是模型模拟的湖泊蒸发量的主要控制因子，而空气温度则对蒸发皿蒸发量影响最大。参考蒸散并不能指示湖泊蒸发量变化。综上，本研究建立了适用于我国浅水湖泊与大气相互作用的完整湖泊-区域天气/气候耦合模型。研究结果有助于深刻理解太湖流域湖气交换的关键过程，全球变暖情境下太湖蒸发量变化的趋势，并对太湖流域的天气气候变化的准确预报提供了理论支撑。