文摘
在这项研究中,研究和预测天气模型加上社区土地模型(WRF-CLM)是用于调查GSL及其盐度的影响从2001年10月到2002年4月。一个盐度参数化方案纳入CLM的湖方案。盐度的WRF-CLM模型参数化方案可以更好地模拟温度和降水而不考虑盐度的影响。模拟的改进是在寒冷的天气条件下尤其重要。造成的降水GSL效应总是积极的顺风区GSL在研究期间。增加降水在很大程度上归因于温暖的表面温度和高湖GSL潜热通量,是有利于强对流活动的发展和水平风和水分收敛。这种GSL-induced迫使下游的主要机制是GSL降水的影响。GSL影响降水在很大程度上是由淡水效应当温度接近或高于0°C。然而,较低的温度,盐度效应成为占主导地位的GSL降水的影响。
1。介绍
犹他州的大盐湖(GSL)显著影响天气、气候和水文循环在当地规模。例如,1984年10月,一场暴风雪愈演愈烈的湖泊效应产生近70厘米深的降雪在两天内(1),导致一百万美元的财产损失。另一个在1998年2月暴风雪导致创纪录的129厘米的降雪在盐湖城的很大一部分,降雪是湖泊效应引起的GSL [2]。基于视觉识别的从1971年3月至1988年5月28日降雪情况下,木匠(1)开发的三个标准来识别GSL对雪灾的影响:(a)的存在postcold-frontal向西北流700 hPa (b)之间的温差大于17°C湖表面和700 hPa(即。大约干绝热温度梯度)和(c)没有覆盖层或反演低于700 hPa稳定。Steenburgh et al。3]分析了34个湖泊效应的事件发生在1994年9月至1998年5月基于雷达意象。他们发现湖泊效应降水事件演示了一个单独的结构和平行乐队发展的主要轴线附近或GSL,伴随着强烈的对流过程GSL的南部海岸线附近。34这些事件的时间期间,湖表面总是比周围的土地暖和地区温差大于6°C;这表明一个强大的发展潜力在GSL陆风环流和低级收敛。GSL效应时不同的湖表面之间的温差,700 hpa超过16°C和风暴影响GSL从午夜到清晨最活跃。
数值调查(2,4)显示,GSL能够诱导热驱动的发行量和降水与带状结构,在五大湖(类似5- - - - - -8]。敏感性研究说明,从湖表面水分通量是必要的发展降雪乐队(4]。此外,Onton和Steenburgh [4)指出,在降水潜热释放乐队加剧响应本地低压系统之间的交互和收敛湖,而表面粗糙度长度的对比GSL和海岸线表面之间扮演着一个微不足道的角色的形成降水。
GSL之间的显著差异和其他大型淡水湖泊是它的高盐度,高达30% (9),也就是大约比海水还要咸八倍(~ 3.5%)。GSL盐度的角色在当地气候系统研究,重点是对表面盐度影响蒸发(1,2]。GSL的盐度(甘迅尼湾)被发现减少20% - -40%的饱和蒸汽压在水面10]。GSL的盐含量可以减少水分通量和结果在降雪减少17%相比,淡水的身体(4]。在他们的研究中,盐度是参数化以减少水通量传输到大气中的10%。然而,这样的减速率不是常数,它随表面温度和近地表的压力。除了它对表面蒸发的影响,盐度也会导致热容的变化,热导率,冰点,GSL水的密度(11]。所有这些效应还没有被认为是在大多数的研究GSL对当地气候的影响。
在目前的研究中,天气研究和预测模型版本3.0 (WRF)加上社区土地模型版本3.5 (CLM) [12)是用于研究GSL的影响及其对当地降水的盐度。盐度参数化方案是采用先进的基于物理的个人在CLM湖方案。研究侧重于从2001年10月到2002年4月,当大多数GSL效应的事件发生(3,13]。本文组织如下。部分2提供基本的信息GSL及其盐度,介绍了本研究中使用的观测数据,描述了湖,盐度参数化方案修改。耦合的模型设置WRF-CLM模型还介绍了在这一节中。部分3评估模型的性能使用观察温度和降水和调查的特点和机制影响GSL及其盐度湖泊效应降水事件。讨论和结论部分4。
2。大盐湖、观测数据和模型配置
2.1。GSL及其盐度
GSL终端湖,因此其盐度变化在很大程度上是由降水,蒸发和流入。GSL分为南部(吉尔伯特湾)和北部(甘迅尼湾)部分的东西实芯铁路铜锣,这限制了水混合在GSL(图1)。湖的南部收到的大部分流入比北部,因此变得不那么咸。美国地质调查局(USGS)措施盐度定期每隔2到4周。基于测量在过去的10年中,GSL盐度变化在14.1%左右吉尔伯特湾虽然波动在27.1%左右甘迅尼湾。GSL浅薄而闻名,平均5米的深度。测量(14的盐度在0.2米的深度非常相似,在3米的深度,这意味着盐度分布在垂直水柱同质可能是由于水混合。因此,吉尔伯特海湾盐度组是14.1%和27.1%,因为湾整个水柱在这项研究。
2.2。观察温度和降水
湖表面附近的空气温度(NSAT)和温度(LT)以帽子(41.1°N,−112.6°E),因为(41.3°N,−112.9°E)群岛(图1)用于模型性能的评价;这些站数据从MesoWest获得项目(15]。仿真在GSL也是评估使用湖表面皮肤温度(口径)数据检索的中分辨率成像光谱仪(MODIS)密集表面温度复合0.05°纬度/经度决议。
模拟的降水是独立的斜坡上使用parameter-elevation回归评估模型(棱镜)降水数据(棱镜气候集团、俄勒冈州立大学、http://prism.oregonstate.edu)和观察到的降水在加菲尔德(40.7°N,−112.2°E)气象台(犹他州气候中心,http://climate.usurf.usu.edu/)(图1),它位于GSL的附近。
2.3。WRF-CLM模型
研究中使用的模型是WRF-CLM模型(12]。WRF模式是一种使用最广泛和先进地区大气模型(16]。CLM耦合模型(17)是一个土地模型,陆地表面由五个主要的次网格土地覆盖类型(冰川、湖泊、湿地、城市和植被)在每个网格单元。
在CLM模型中,流程和湖lake-atmosphere交互动态模拟使用1 d质量和能量平衡湖方案与10湖水层(18]。这个湖方案是基于以前的研究开发(18- - - - - -24]。湖表面通量被视为nonvegetated CLM的表面模型,用于计算湖泊表面温度。与地表净能量通量顶部边界,热湖之间的混合层主要是风力漩涡的控制下,对流和分子扩散21,24]。湖水温度Crank-Nicholson计算每一层的热扩散的解决方案。
2.4。盐度的参数化模型
参数化模型中盐度影响,下列方程(25,26)用于模型的湖方案: 方程是基于原始模型的设定和讨论由太阳et al。27),是海水的比热容(kJ /公斤/ K)和代表了盐度(%)。
盐水的导热系数使用下面的公式计算: 这是来自古代的研究和菲利普斯28];新鲜的水热导率,,将0.6 W / m·K WRF-CLM模型的耦合。
凝固点(盐水,°C)的方程所描述的研究得到美国国家冰雪数据中心(NSIDC) (http://nsidc.org/cryosphere/seaice/characteristics/brine_salinity.html) 在冰盐将不断地拒绝了。冰的熔点应类似于生理盐水的海冰在海洋。冻结的时候,位置在冰和固体部分依赖于盐水盐度(29日]。计算相当复杂。在现实中,GSL从未完全冻结由于高盐度。因此,区别GSL的冰点和冰的熔点GSL不考虑。
基于研究的低(30.),饱和蒸汽压的比值在咸水,淡水 的观测密度GSL水是由美国地质调查局(作为一个常数http://ut.water.usgs.gov/greatsaltlake/)。我们没有考虑其在盐度的影响参数。
2.5。域模型和配置
模型域集中在(41.0°N, 112.5°W)和水平网格间距10公里,占地面积1000公里×1000公里。有31个级别在垂直与模型顶部10 hPa。初始和侧边界条件是来自北美地区再分析(NARR)数据与32公里×32公里高分辨率(31日),每3小时更新一次。模型集成涵盖从3 2001年9月至2002年4月30日。第一个月被认为是向上的时间和结果被丢弃。在这项研究中使用的重要物理参数化方案包括莫里森double-moment微观物理学计划(32],Dudhia辐射方案[33],Kain-Fritsch积云方案[34),快速辐射传输模型(RRTM)计划(35],CLM3.5 [17)、延世大学(YSU)边界层方案(36]。
在目前的研究中,湖水深度设置为5米的耦合WRF-CLM模型,对应于GSL的平均深度。湖方案加上WRF-CLM有十层,指定为0.05,0.15,0.3,0.6,0.9,1.4,2.7,3.5,和4.5米以下湖表面(22,23]。质量和能量平衡方程计算了这些层。
使用WRF-CLM已经进行了三次数值实验。每一个实验的细节如下:(我)SL实验:发达WRF-CLM模型包括盐度效应被用来执行模拟。正如前面所示模型设置;(2)FL实验:SL实验类似,但盐度影响不考虑;(3)问实验:它类似于SL和FL实验,但GSL表面是“取代”附近的土地利用覆盖(贫瘠或植被稀疏)。
3所示。结果
3.1。评估模拟
帽子岛和甘尼森岛的结果非常相似。因此,只有帽子岛的数据(图所示2)在以下分析。模拟日均NSAT和口径的帽子岛FL和SL的比较实验与观察除了在2002年1月的结束。冷事件在2002年1月30日,每日观察NSAT−8.1°C。FL实验的模拟NSAT−17°C,大大低估了,而这是相对一致的观察NSAT SL实验。LT SL的变化模拟结果同意与观察到的LT的变化而在FL仿真结果不切实际地光滑,不能反映中尉的波动之间的均方根误差(RMSE)模拟和观测(表1其中包括甘尼森岛)表明,SL实验,认为盐度效应,产生更好的模拟,在FL RMSE GSL没有比实验。
(一)
(b)
(c)
SL实验可以繁殖的空间模式总降水棱镜所示,除了降水是高估了在山区(图3)。FL实验的模拟降水分布(图未显示)是类似于SL的实验。进一步评估模型的性能在降水模拟附近的湖,积累沉淀不同的观测和模拟加菲尔德站(图4)所示。显然,SL实验相比,能更好地模拟FL。WRF-CLM认为盐度影响可以逼真地模拟降水分布在湖地区,提高降水模拟GSL的附近。
(一)
(b)
3.2。GSL对降水的影响
的降水差异结果问和SL实验诱导完全GSL的效应,称为从今以后。它可以进一步分为淡水效应造成的降水(由FL和NL实验)之间的差异和降水引起的盐度效应(由SL和FL实验)之间的差异,称为和分别以后。
总和从2001年10月到2002年4月在图所示5。显然GSL效应对其顺风地区降水增加3.2%(用红色方块图5(一个),底部角落40.0°N, 112.8°W和右球门上角41.1°N, 111.3°W)从2001年10月到2002年4月。中心的最大累积GSL影响降水位于GSL的南部边境,模拟降水增加65.6毫米,占18.3%的总降水模拟问实验。显然GSL效应增加降水在整个研究期间(图6(一),每月,,平均蒙面红场图5(一个)),而增加显示双峰模式最大限度的增加发生在11月至4月间,分别。双峰模式是与前面的结果一致37]。
(一)
(b)
(一)
(b)
总从2001年10月到2002年4月(图未显示)也有类似的空间格局和震级的(图5(一个))。的中占主导地位,降水发生大幅增加从10月到2001年12月至2002年3月至4月(图6(一))。
的(图5 (b))是负的湖面和积极的下风向地区从2001年10月到2002年4月。降水量的大小变化和盐度效应造成的影响区域相比非常小,(图GSL所造成的影响5(一个))和淡水的效果。然而盐度影响变得明显从12月到3月,主导着GSL对降水的影响从1月到2月当淡水对降水的影响较弱,相反的GSL效果(图6(一))。盐度效应不适宜在降水增加顺风湖的面积在10月,11月,四月。
口径在FL实验中是一个很好的指标来说明什么是主导因素在每个GSL降水事件(图6 (b))。当口径FL低于0°C,盐度效应成为GSL效应的主要影响因素,增加降水;相比之下,当0°C以上口径FL模拟、淡水效应主导着GSL效应和增加降水(图6 (b))。
3.3。GSL影响降水事件
要完全理解GSL对降水的影响的特点,与积极的和消极的两个事件口径,FL实验中分别选择进一步分析在本节(图7,显示了模拟口径,700 hPa温度(T700),潜热通量(LH)在湖和平均地表温度(LST)平均在红色框内的土地面积,如图5)。
3.3.1。GSL影响降水事件的积极的口径FL实验
2001年11月23日降水事件(以后第一个事件),每日平均口径和LST在湖周围的土地低于1500米的地形高度高于0°C(图7(即)在所有三个实验。,the NL, FL, and SL experiments). In the event the(图8(一个))主要集中在下游区域的湖泊和土地。降水的增加在中央区域降水超过20毫米。
(一)
(b)
模拟日常意味着口径湖面在SL实验比NL(图的温度温暖9(一个)),该地区平均温度(图7.9和5.5°C7),分别在SL和问。模拟700 hPa温度几乎是一样的湖SL和NL实验值约−8.8°C(数字7和9 (b))。湖的表面之间的温差和700 hPa增加从14.3°C在问模拟16.7°C的SL由于GSL的效果。这样的差别几乎16.7°C的满足的一个标准GSL影响降水的发生;湖的表面之间的温差和700 hPa应该大于17°C (1)或16°C (3]。与此同时,垂直的等效潜在SL的气温和问实验表明,气氛很不稳定(图10),这有利于降水的发展过程。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
该地区平均LST的顺风面积约1.6°C(图7),这是几乎相同的三个实验。平均口径7.9和5.5°C,分别在SL和NL(图7)。湖的表面温度差异和周围的土地在SL模拟6.3°C,尽管这两个地区之间的问模拟只有3.9°C。因此,模拟在SL实验中遇到另一个标准GSL影响降水的发生;即湖表面和地面之间的温差应大于6°C (3]。显然,GSL效应导致湖地区的温差,从而有利于增加发生的。
SL的口径高仿真诱发较强的对流湖面比NL(数据9 (c)和10)。对流可以达到约1500 SL的实验(图10)。随着风的影响,对流中心移动到顺风区域边界的湖和停滞不前的湖(图9 (c))。SL和NL模拟之间的结果比较,很明显,对流SL的进一步加剧是由于(1)动态效果更强的表面风融合,可以归因于积极口径差异和消极的LST差异顺风区域之间的湖SL和NL模拟(图9(一个))和(2)发散风差700 hPa所诱导的700 hPa空气温差湖及其顺风SL和NL(图之间的区域9 (b))。问仿真相比,较大的收敛表面风来自包围SL表面高地形高度模拟可能有些冷却效果(图9(一个)),导致较低的土地温度顺风的湖和进一步加强区域表面收敛,随后对流(图9)。
每日平均口径在SL模拟7.9°C。解冻湖的口径为2.4°C高于问模拟(图7),结果在SL中蒸发比问实验。结果,在湖泊表面空气的湿度和湿度顺风湖的面积在700 hPa在SL的结果均高于在问;模拟日常平均LH在湖是184 w / m2在SL的实验,而只有48 w / m2在问。高LH为对流的发展提供更多的能量,从而加剧GSL影响降水事件,5所示SL的结果。
上面的分析清楚地表明,增加降水引起GSL从温暖的大口径了LH在GSL比周围的土地,这引起一个强化水平收敛(湖和土地之间)和更强的对流(温暖的湖水表面和冷气氛)。强化水平收敛性和较强的对流发展带来更多的水分和热量的降雨事件,这解释了降水SL和本地语言之间的差异的结果。
FL实验相似的情况下,在SL除了模拟口径有点低,LH在FL高于在SL结果(图7)。的几乎是一样的GSL影响降水(图8 (b))。请注意,(图未显示)时非常小,可以忽略。
淡水的重要主导作用效应和动态机制的温暖的口径和高LH加强降水是常见的在GSL影响降水事件模拟口径在FL结果高于0°C。另一个很好的例子可以发现降水事件在2001年11月25日,这表明非常相似特性上面讨论的事件,而不是反复讨论。
3.3.2。GSL影响降水事件的负面口径FL
2002年1月28 - 29日第二个事件发生在天气变冷了。LST低于0°C(图7)在所有实验在陆地面积低于1500米湖周围的地形高度。湖是冻结在FL模拟,但它仍然是解冻的SL模拟由于下垂冰点溶解盐造成的湖水。
受风的影响方向,这个事件仍然集中在下游区域,但中心转向西北湖(图(11日))。几乎所有的可以归因于盐度效应(图11 (b))而不是淡水湖泊效应(图不显示);后者是第一个降水事件的主导因素。
区域平均T700湖面约−15.9°C,也就是在所有的实验中第一个事件(图7)。模拟区域平均口径为4.8°C (0.1°C)温暖的SL模拟比(−4.7°C)在NL(图12(一个)),而模拟区域平均在FL口径(−8.5°C)是3.8°C低于问的结果(图12 (b))。之间的差异平均和平均T700口径SL模拟达到16°C,即最低观察气候湖−700 hPa在GSL温差效应暴风雪3在冬天)。而在FL的结果,不同的是只有7.4°C,这是不到一半的SL的实验。由于相对较小的垂直温差FL的结果,没有上升气流FL和本地语言的区别和不稳定在外语中发现第二个事件(数字10和12 (d))。SL的上升气流区别和NL模拟(图12 (c)在第二个事件确实存在。但是,主要是因为寒冷的温度事件,SL NL和上升气流的对流不稳定(数据的差异10和12 (c))是相比相对较弱,在第一个事件。
(一)
(b)
(c)
(d)
Surface-atmosphere热量和水分交换将有限的冰盖的出现(38]。空气通过湖FL实验不能成为所SL和第一个事件(数据12 (c)- - - - - -12 (d))。模拟LH湖面在FL实验中减少到14 w / m2与冰的湖面低于模拟LH (102 w / m2)/ SL的湖实验甚至低于24 w的地表LH / m2问的结果(图7)。也由于冷温度,LH区别的SL和NL模拟事件比第一个事件。
此外,该地区平均湖地区的温差为5.2°C在SL实验(图7)。相比之下,湖是比周围的土地面积约3.0°C冷在FL实验中,观察到相反的气候规律,GSL的湖土地差异总是正的效应在冬季暴风雪(2]。从而诱导,在湖陆风环流和相关的低级收敛可能有利于GSL影响降水的形成,并可在SL实验但不是在FL口径低于0°C。
得出在寒冷的时期水平较低温度低于0°C, GSL的高盐度水使湖冰自由,导致更高的蒸发和更多的水蒸气进入和加湿的空气。因此,大气的不稳定增长。结合形成的湖湖地区的微风和低水平收敛,不稳定大气分层将促进降水的发展进程,产生更多的降水。然而,在FL实验中,冻湖湖会抑制降水的影响。类似的情况也发现在2002年1月14日事件中,盐度的影响在GSL影响降水中起着主导作用。
4所示。讨论和结论
在这项研究中,区域大气模型WRF-CLM包括盐度参数化(即。,heat capacity, thermal conductivity, freezing point, and saturated vapor pressure) in the lake scheme is used to study impacts of the GSL and its salinity effects on local precipitation. Modeling results show that incorporation of the salinity effects can significantly improve temperature simulation over and in the lake and precipitation simulation in the downwind area of the lake, especially under cold weather and climate condition. Salinity effect on freezing point and saturated vapor pressure is more crucial than the thermal conductivity and the specific heat capacity [26]。冰点有显著的影响在寒冷的时候淡水湖将冻结和反馈可以快速反映。其他的盐度影响有缓慢的响应取决于湖的特点。热导率的影响是最小的。
GSL影响降水主要集中在顺风GSL的区域。GSL可能增加平均降水对其顺风区从2001年10月到2002年4月3.2%,65.6毫米的最大增幅可达18.3%的中心GSL降水的影响。的在研究期间总是正的,主要是由于温暖的口径和高LH在SL结果比问结果。温暖的口径和高LH是有利于强烈的对流运动,加强融合水平风和水分。强烈的水平收敛是一种有效的动态的发展迫使降水过程。GSL效应主要是由淡水效应在0°C以上口径FL实验。口径低于0°C时FL实验但GSL仍然解冻SL的冰点下降,淡水效应将禁止降水的发展过程,而盐度影响的主导因素。然而,请注意,GSL效应引起的降水主要是盐度效应在寒冷的天气条件,相比相对较弱,导致淡水的效果。这主要是因为温度通常是低少口径LH在寒冷的天气条件和对流通常是弱。
盐度效应增加降水可以找到所有的时间沉淀的影响下发生了大规模迫使当新鲜的湖水冻结。由于实际空气温度在冬季GSL 0°C左右在研究期间,湖水盐度效应引起的温度差通常是截然不同的。同样的,SL模拟的实验不是很大。即便如此,修改后的方案,包括参数化湖盐度效应仍然展示了著名的技能提高温度和降水的模拟,尤其是在寒冷的天气条件下。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究支持的战略重点研究项目(B)的中国科学院(批准号XDB03030300),中国国家自然科学基金(批准号。41475011,41475011,41275014),和公立学校留学项目的访问学者项目中国科学院(2008号136)。作者感谢Jiming金博士和犹他州立大学的西蒙·王帮助改善。表达的感激之情将地球科学服务与咨询英语编辑。升值将给NCAR, NASA,犹他州立大学的气候中心,美国地质调查局,MesoWest提供在线数据和模型。作者也承认使用计算资源的支持在超级计算中心的寒冷和旱区环境与工程研究所、中国科学院。