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1、卫星遥感地表植被及其在华南暴雨中尺度 数值模拟中的应用试验王鹏云? 肖乾广? 林永辉? 肖 岚?中国气象科学研究院?北京? ?国家卫星气象中心?北京?提 要将我国植被资料和?资料分别用于非静力平衡中尺度模式? ? ?对?年?月? ?日华南暴雨进行数值模拟试验?比较其对降水量和动力热力场预报的影响?结果表明?当网格格距为? ?时?二者差别很小?当网格格距减小到? ? ? ?预报降水量最大值增加了? ? ? ? ?更接近观测值?同时对低层大气热力动力结构也有一定影响关键词?地表植被 中尺度数值模拟 暴雨引 言中尺度天气系统既可由大尺度内部不稳定激发生成?也可由下垫面热力或机械强迫作用而生成?或者二
2、者相互作用即由大尺度内部不稳定激发生成的中尺度系统受下垫面热力或地形强迫作用而进一步加强后者在实际大气中更为常见?且造成局地极大灾害因此在中尺度数值模拟和预报中?初值场和地形!地表植被资料的分析对中尺度系统的模拟和预报效果都具有重要的作用?初值场分析包括由全球模式提供的初估场和初始时刻实测资料的客观分析目前研究的重点放在对卫星遥感!雷达探测等非常规观测资料的三维或四维资料同化分析上?其目的在于使初值场中含有尽可能多和准确的中尺度信息地形?主要是地形高度?对局地天气发展的影响已有许多研究?目前多数中尺度模式中包含实际地形资料?根据模式分辨率使用相应精度的地形资料?如? !? !?!?或更细的资料
3、?即可反映地形的抬升等动力影响在研究一些特殊的边界层过程时还要考虑下垫面坡度!走向对辐射等热力过程的影响地表植被则既有对边界层动力过程的影响如与地表植被类型相应的地表粗糙度对动量通量系数的影响?也有对热力过程的影响?如地表反照率!发射率!热惯量!热容量对热量通量的影响?此外地表的干湿状况还直接影响到大气水循环过程地表植被变化对局地气候变化的影响已有许多研究?如 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?等? ? ? ?最近还看到地表植被及物理参数对中期天气数值预报影响的研究?但关于在中尺度数值模拟中的作用的研究还很少第?卷?期 ?年?月 应 用 气 象 学 报 ? ? ? ? ? ? ? ?
4、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?资助项目?国家攀登专项?2专2? !国家自然科学基金项目? !国家重点基础研究发展规划项目/中国暴雨0 ? ?2?2?收到? ?2?2?收到修改稿?年在华南地区完成的/海峡两岸及邻近地区暴雨试验0期间?利用?卫星 资料反演取得了我国卫星遥感地表特征分类及物理参数的详细资料?使我们有可能对地表特征在中尺度模式中的作用进行实际试验和比较? 卫星遥感地表植被分类及物理参数国外自?世纪?年代开始利用气象卫星资料进行植被分区研究?如? ? ? ? ?等?探讨了利用气象卫星进行植被分类及制图的可能性? ? ? ?等?利用低分辨率气象卫星数据进行南美洲植被分区研
5、究?在撒哈拉计划中?多国科学家利用气象卫星植被指数开展了非洲植被分区研究?法国也进行了气象卫星全国植被分区工作?我国从?年代起开展这项工作?盛永伟等?用?年归一化植被指数?数据得到我国陆域?类植被分类图?中尺度模式? ?中的地表植被资料将地表植被分成?类?尽管其空 间分辨率已细到?但因其分类考虑重点为北美的全球植被分布?因而对美国国土以外的某局部地区来说?其分类就显得很粗?这将在图?中给以说明?各类地表特征所对应的物理参数也只是区分了夏!冬二季节的气候平均?表?表1 地表植被分类及物理参数地表植被分类类 型 反照率? ? ? 夏 冬土壤湿度? ? ? 夏 冬发射率? ? ? 夏 冬粗糙度? ?
6、 夏 冬热惯量? ? ? #? ?#? ?#? ? 夏 冬?城区? ? ? ? ?农耕区? ? ? ? ?草原? ? ? ? ?阔叶林? ? ? ? ?针叶林? ? ? ? ?混交林和湿地? ? ? ? ?水体? ? ? ? ? ? ? ? ? ?沼泽地? ? ? ? ?沙漠? ? ? ? ?冻土带? ? ? ? ?永冻冰? ? ? ? ?热带或亚热带森林? ? ? ? ?热带或亚热带草原? ? ? ? ?注? ? ? ? ? ? ? ? ? ?下同?我国地域广阔?植被类型复杂?为在中尺度数值模式中充分体现地表特征的影响?笔 者根据我国及邻近地区植被分布状况重新划分了?类?用? ?年?极轨卫星
7、?数据反演得到地域范围经度? ? ? ?纬度? ? ? ?分辨率经!纬度? ? ?的地表植被分类资料?图? 同时用?年? ?月的卫星资料估算出各类地表植被的物理参数?以下简称为? ? 资料? ?见表? 表中各物理量计算方法如下?应 用 气 象 学 报 ?卷 表2 地表植被分类及物理参数(1998年)地表植被分类类 型 反照率? ? ? ?月 ?月土壤湿度? ? ? ?月 ?月发射率? ? ? ?月 ?月粗糙度? ? ?月 ?月热惯量? ? ? #? ?#? ?#? ? ?月 ?月?戈壁!沙漠? ? ? ? ?农耕区? ? ? ? ?北方草旬草原? ? ? ? ?永久冻土? ? ? ? ?亚热带
8、常绿灌木? ? ? ? ?热带雨林? ? ? ? ?水体? ? ? ? ? ? ? ? ? ?干草原? ? ? ? ?阔叶林? ? ? ? ?针叶林? ? ? ? ?高寒荒漠? ? ? ? ?沙地? ? ? ? ?针阔混交林? ? ? ? ?反照率 模式中的反照率是全波段的反照率?即从可见光到近红外波段而?极轨气象卫星的波段为可见光波段? ? ? ? ? ?和近红外波段? ? ? ? ? ? ?没有覆盖全波段为了获取全波段的反照率?用?卫星甚高分辨辐射计资料? ? ? ? ?将两个波段的测值与全波段测值拟合?得到全波段反照率 , ? ? ,其中?!?分别为? ? ?第? ! ?通道反照率?表层
9、土壤湿度 表层?指不大于? ? ?土层?土壤湿度是遥感领域最困难的课题 目前使用两种方法获得? ? ? ? ?日校差法? ? ( ? )其中为土壤湿度, 为白天地表最高温度, 为夜间地表最低温度, !为拟合系数( ? )能量平衡法: ? ? / 其中为一天的显热通量均值, 为蒸散热量由于这两个参量很难获得?我们使用日校差法发射率 发射率的计算也非常困难,我们采用植被指数法 ?,即:? ? ,其中, 为?等于( ? ?)/ ( ? ?) , , 为拟合系数粗糙度 粗糙度各家计算有量级之差 ? ,?,我们采用?计算: ? ? , 其中, 为拟合系数?热惯量 热惯量用公式? (? ? )/ 计算,其
10、中为反照率, 为日温 差( ? ) , 为常数 ? 非静力平衡中尺度数值模式及模拟试验个例中尺度模式为美国?非静力平衡中尺度数值模式? ?初始场用国家气象中心全球模式?分析场格点资料?用?点复合相关双抛物拟合法插值到?期 王鹏云等?卫星遥感地表植被及其在华南暴雨中尺度数值模拟中的应用试验 模式的正方形网格点上?构成初估场?再引入实际地面及高空观测资料对初估场进行订正侧边界用时变出入流方案用张驰逼近法将模式预报场向间隔? ?客观分析的大尺度场逼近模式网格用?层套网格?最外层?格距? ? ?水平格点数? ? ?第?层?格距? ?水平格点数? ? ?最内层格距? ? ?水平格点数? ? 网格中心点最
11、外层取 在? ?第?层? ? ? ? ?最内层? ? ? ? ? ? ?见图? 图?模拟网格范围设定地形资料用精度为经纬度?的实际格点地形资料地表植被资料用美国?的?精度资料?以下简称?资料?和本文第?部分所述资料? ? 资料?作比较 比较?和? ? 地表植被分类资料在?个网格范围格点上的分布可见? ? 资料在我国大陆及邻近地区陆地上的分布更细致?例如?在图?给出的?资料在格距? ?网格?陆上植被分布只有松柏树!热带亚热带林和少量的热带亚热带草原?而在图?中? ? 给出的分布中有农耕区!亚热带灌木!阔叶林!针叶林!针阔混合林等多种植被?经与我国近?年的百万分之一土地利用图比较校验?反演所得植被
12、分布在秦岭!淮河以北完全一致?南方基本一致?南方植被复杂?存在混合系统? ?因而更好地反映了我国大陆上植被分布状况以?年?月? ?日华南暴雨过程作为模拟试验个例这次暴雨过程由一次强冷空气南下而产生?冷锋?日进入广东?在冷锋南下过程中?在珠江口以西和沿海形成强对流云团在?日? ? ?卫星红外云图上可见该冷锋带云系和在珠江以西正在发展的对流云团? ?日? ?日? ? ?该对流云团占据着珠江口以西地区?到?日? ? ?以后南移入海?图略? 伴随冷锋南下和对流云团的发展? ?日? ? ?到?日? ? ? ?广东?应 用 气 象 学 报 ?卷 中部产生暴雨?西江流域!珠江三角洲地区及阳江市共?站出现暴雨以上降水?其中珠江口以西沿海地区出现了大暴雨?四会站的日雨量达? ? ? ? 模拟网域基本覆盖了这次暴雨范围? 试验结果? ?降水量预报 用? ? ? ? ?霰? ? ? ?2? ? ? ? ? ?积云参数化方案使用?地表特征资料模拟的?个网格区域上的? ?降水量与实况比较?模拟降水范围略偏西? ?个网域预报的最大降水中心分别为? ? ? ? ?和? ? 细网格模拟不但较好地预报了最大降水量
