双月刊

ISSN 1006-9895

CN 11-1768/O4

  • 2020年第44卷第1期文章目次
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    • 一种表征南海季风强度的指标及其与华南降水的关系

      2020, 44(1):1-12. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1906.18138

      摘要 (583) HTML (213) PDF 1.74 M (554) 评论 (0) 收藏

      摘要:风场强度与方向的季节性变化是季风区最显著的气象要素变化特征之一。Lu and Chan(1999) 利用大气低层风场,定义了一个表征南海季风强度的指数,为简单起见,只用了经向风分量,研究表明该指数与华南夏季降水有很好的相关。为了进一步验证和改进该指数,本文利用逐月NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)风场再分析资料以及华南地区的基准、基本气象站降水资料,将设计指数时允许的实际风的投影方向从规定的正北方向(即经向风),拓展为允许偏转的其他方向,以此建立改进的指数。为了更好地反应改进后的指数与华南降水的月异常之间的关系,本文引入了广义线性模型及正态分布和Gamma分布两类假设,来建立两者非线性的回归关系。结果证明,实际风在自正北方向逆时针旋转11.3°的方向上的投影与华南降水具有最好的相关性,采用这一方向上的投影可以对原指数加以改进;中国南海季风所覆盖的风场与华南降水的月异常之间有显著的非线性关系,而对降水采用Gamma分布假设的广义线性模型能够比正态分布假设得到更符合实际的回归结果。

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    • 2016年初冬河南区域暴雪过程诊断分析

      2020, 44(1):13-26. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1909.18170

      摘要 (492) HTML (303) PDF 4.71 M (529) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对2016年初冬河南省首场区域强暴雪过程,利用常规观测资料、L波段雷达探空资料和NCEP再分析资料等,从影响系统和物理量诊断方面深入分析其发生发展机制,结果表明:宽广的纬向型环流中不断有短波槽东移,东北冷涡深厚且维持时间较长,是暴雪发生的大尺度环流背景;中高层偏南气流,低层偏北气流的流场配置起至关重要的作用:850~925 hPa东北急流迫使暖湿空气抬升为暴雪发生提供“冷垫”的同时,与500~700 hPa西南急流形成强垂直风切变和深厚的锋生区,加强的斜升运动和锋面次级环流,对暴雪起增幅作用;700 hPa作为关键层,西南暖湿急流输送水汽的同时与冷涡后部冷空气交汇于黄淮地区形成的辐合切变线,是暴雪发生的重要动力抬升机制,其南北摆动形成了河南中西部和东南部两个降雪大值中心;暴雪区随着“冷空气楔”逐步南压时,其上层始终存在湿正压项大于零且湿斜压项小于零的湿位涡绝对值高值中心,有利于对称不稳定能量的释放和暴雪的发生。

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    • 华东登陆热带气旋降水不同分布的对比分析

      2020, 44(1):27-38. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1906.18180

      摘要 (412) HTML (215) PDF 4.32 M (442) 评论 (0) 收藏

      摘要:利用CMORPH降水资料,将热带气旋(TC)登陆后的降水分为路径左侧降水(L型)和右侧降水(R型)两类,并针对登陆华东地区TC的 L型和R型降水的大气环流场、环境水平风垂直切变以及台风环流内的动热力条件进行对比分析,结果表明:2005~2014年间登陆华东地区的20例TC中包括12例L型和8例R型。总体来看,大气环流因子对于登陆华东TC降水分布起主要作用。L型降水TC高层南亚高压主要呈纬向带状分布,在登陆过程中路径左侧维持偏东风高空辐散气流,中层西风槽偏东,西太平洋副热带高压(简称副高)偏南,环境水平风垂直切变指向西南。R型降水TC高层南亚高压断裂,呈经向分布。TC路径左侧风场较均匀,右侧东南风高空辐散气流明显。副高的位置偏北呈块状,同时环境水平风垂直切变指向东北,有利于路径右侧降水。台风环流内,低层冷暖平流输送以及水汽辐合与降水落区也有较好对应关系。L型TC低层暖平流的输送使TC西南象限低层增暖,大气稳定度降低。同时水汽辐合区也主要位于西南象限,有利于TC路径左侧降水。而R型TC副高位置偏北可将南侧的东南暖湿气流向台风环流更西部输送,东北象限维持暖平流,有利于路径右侧降水发生。

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    • 一个检验太阳光度计Langley定标结果可靠性的方法

      2020, 44(1):39-52. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1905.18184

      摘要 (322) HTML (160) PDF 1.93 M (422) 评论 (0) 收藏

      摘要:准确反演气溶胶光学厚度(AOD)在气溶胶气候效应和环境效应研究中至关重要,仪器定标是目前AOD反演过程中最大的不确定性来源。Langley法作为应用最广泛的光度计定标方法,其对天气条件和大气洁净度要求苛刻,这在大气污染较重的地区难以实现,并可能导致AOD反演误差偏大。为了降低由不恰当的Langley定标所引起的AOD反演误差,本文提出一个利用辐射传输模式结合地面太阳直接辐射观测数据检验Langley定标结果合理性的方法,并利用西安2013年6月至2015年12月多滤波旋转遮光带辐射计(MFRSR)和直接辐射表(NIP)观测资料,探讨了方法的可行性。结果表明,该方法能够将Langley定标结果限定在较小的波动范围内,有效降低由定标不确定性引起的AOD反演误差,有助于提高单站点AOD观测精度。

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    • 污染天气下成都东部山地—平原风环流结构的数值模拟

      2020, 44(1):53-75. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1812.18209

      摘要 (398) HTML (200) PDF 8.75 M (430) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文利用中尺度模式WRF(V3.9)对2016年12月7日成都东部(龙泉山)一次污染过程下的山地—平原风环流进行了模拟,旨在探讨冬季污染天气下山地—平原风环流的结构和演变特征。此外,通过减少气溶胶光学厚度(AOD,Aerosol Optical Depth)的敏感性试验探究气溶胶污染对山地—平原风环流的影响。结果表明:冬季污染大气条件下成都平原地区存在显著逆温。龙泉山南北长、东西窄且高度较低,由于东、西坡辐射能量的不均匀分布和背景风的强迫,上午、凌晨和夜间均出现越山下坡风环流,上午强度较强,凌晨和夜间强度较弱。午后开始出现平原风环流,最大影响范围为山体宽度的3~4倍,17:00(当地标准时,下同)左右结束。各阶段环流在南北方向上差异较大,越山下坡风环流在南段最强,中段最弱;中、南段山体较低窄,平原风环流易被湍流掩盖,北段平原风环流最为明显。AOD减小后辐射及地表热通量均有所增加,中、南段湍流更加旺盛,边界层显著抬升且降低时间滞后,山体与平原间感热通量差异增加,北段平原风环流增强、持续时间增长。

    • 春季沙尘对关中地区PM2.5 浓度影响的多尺度模拟研究

      2020, 44(1):76-92. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1902.18224

      摘要 (371) HTML (194) PDF 5.82 M (400) 评论 (0) 收藏

      摘要:“一带一路”建设让古代丝绸之路的起点——西安成为世界焦点,西安的空气质量也是政府和公众关注的焦点。以2017年5月我国北方的一次强沙尘过程为例,首次利用中国科学院大气物理研究所气溶胶和大气化学模式系统IAP-AACM(Aerosol and Atmospheric Chemistry Model of the Institute of Atmospheric Physics)模拟关中地区细颗粒物(PM2.5)的时空分布,并结合地面逐小时PM2.5观测数据对沙尘气溶胶和PM2.5模拟的关系进行深入探究。结果表明:加入沙尘组分对模拟关中地区PM2.5时空变化特征作用显著,相关性可提升0.4~0.6,并且可以很好地再现强沙尘时段PM2.5浓度骤增的过程;在强沙尘时段和一般时段,沙尘组分对PM2.5的贡献分别为60%~80%和10%~30%;0.11°×0.11°高分辨率模拟有助于提升模式捕捉污染物时空变化的能力。

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    • ISUAL探测器在青藏高原南麓地区对于红色精灵现象的观测分析

      2020, 44(1):93-104. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1909.18232

      摘要 (340) HTML (180) PDF 2.13 M (488) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文利用福卫二号卫星(FORMOSAT-2)搭载的高空大气闪电影像仪(Imager of Sprites and Upper Atmospheric Lightnings, ISUAL)于2004~2015年期间获得的数据,分析了青藏高原南麓地区(22°~30°N, 86°~98°E)观测到的多例红色精灵事件。通过与全球闪电定位网(World Wide Lightning Location Network,WWLLN)的观测资料进行对比,在分析了17次个例后发现对于大部分红色精灵事件,ISUAL给出的定位效果较好,与WWLLN的闪电定位结果偏差一般小于50 km,这与在北美及其邻近地区得到的结果一致。在此基础上,我们结合风云二号卫星的云顶亮温数据分析了青藏高原南麓地区红色精灵的母体雷暴特征,发现在青藏高原南麓地区除了中尺度对流系统外,小尺度对流系统也是这个地区产生红色精灵的主要天气系统。

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    • 表面气温内部变率估算方法的比较研究

      2020, 44(1):105-121. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1901.18235

      摘要 (647) HTML (212) PDF 2.96 M (459) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文利用37个CMIP5模式和CESM(Community Earth System Model)包含40个成员的超级集合试验的表面气温预估数据,比较了工业革命前气候参照试验、多项式拟合法和方差分析方法这三种目前在国际上运用较多的方法所估算的表面气温内部变率的异同,分析了内部变率的估算对气候预估中信号萌芽时间(TOE)的影响。结果表明:若采用CMIP5多模式集合,则工业革命前气候参照试验和多项式拟合法都是估算内部变率的合理方法,而方差分析方法则由于包含模式性能自身的影响会夸大内部变率故不推荐使用。内部变率的全球分布呈现出极向强化的现象,中高纬度地区的内部变率幅度远大于热带、副热带地区。内部变率受不同排放情景的影响较小,且随时间无显著变化,但方差分析方法估算的内部变率在热带地区容易受到排放情景的影响。若基于类似CESM这样的单个气候模式的超级集合模拟试验来估算内部变率,三种方法估算的结果相似。不同方法估算的内部变率对TOE的影响主要位于北大西洋拉布拉多海、南大洋威德尔海和罗斯海等邻近海洋深对流区。对于中国区域平均来说,基于CESM超级集合模拟试验,三种方法估算的内部变率与强迫信号之比都小于15%;对CMIP5多模式集合,采用工业革命前气候参照试验和多项式拟合法得到的结果与此接近,但若采用方差分析方法则显著高估内部变率的作用。

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    • 我国前冬和后冬的划分及其气温的年际变异

      2020, 44(1):122-137. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1904.18238

      摘要 (407) HTML (233) PDF 4.96 M (492) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于我国762站均一化逐日平均和逐日最低气温数据集,对我国年最低气温的概率密度分布的分析表明,我国年最低气温的概率密度呈现清晰的双峰分布特征。进一步考察其原因发现东亚冬季风盛行期间我国年最低气温的分布具有显著的地域性差异,以冬季气候态气温的0℃为界大致可以分为两种气候区。综合不同气候区内年最低气温所在日期的概率密度分布的结果,将11月16日至次年1月15日划分为前冬,次年1月16日至3月15日划分为后冬。在此基础上,通过依赖于季节的经验正交函数分解方法分析了近56年我国前冬和后冬气温在年际变异上的特征,并进一步利用NCEP/NCAR全球日平均再分析资料通过合成分析的方法研究了其对应的大气定常波和瞬变波特征。结果表明:年际变化时间尺度上,我国前冬和后冬气温演变仍表现为前、后冬同相演变和反相演变这两个主要模态。同相演变模态环流异常的空间形态在前冬和后冬较为一致,并随着前冬向后冬的推移其环流异常的强度在不断加强;反相演变模态则对应了环流异常在前冬和后冬的相反变化,且其环流异常的空间形态在前冬和后冬有较大不同。对大气波动特征的分析表明,瞬变波的动力和热力的强迫作用以及定常波能量向下游的频散对北大西洋至欧亚大陆上定常波列的维持和发展具有重要作用。同相演变模态中,北大西洋上的波列将能量从北美向欧洲地区传播,加强了后冬欧洲地区的高压异常,该中心在后冬向下游的能量频散显著增强,形成了一个自欧洲经喀拉海以东至贝加尔湖附近的定常波列,大气瞬变波所引起的动力和热力强迫对该波列位于欧洲和贝加尔湖地区的大气活动中心的维持和发展具有正的贡献。反相演变模态中前冬的波动特征与同相演变模态后冬基本一致,而后冬则表现为从北大西洋中部向格陵兰岛传播,并进一步向东经乌拉尔山附近传向青藏高原北部的波列,风暴轴移动所引起的大气瞬变波的动力和热力强迫对该波列位于北大西洋地区南侧的中心有维持作用。

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    • 雷暴云中起电活动对动力和微物理过程的影响

      2020, 44(1):138-149. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1903.18240

      摘要 (340) HTML (169) PDF 1.11 M (538) 评论 (0) 收藏

      摘要:本文通过改变三维强风暴动力—电耦合数值模式中电场参量的引入条件,将电场带入积云运动方程及水凝物下落末速中,模拟比较了有无电场影响下模拟云的主要差异。在考虑电场的作用下,由于初期电活动并不剧烈,降水强度与云内风速变化较小;随着云中起电活动的增强,考虑电场影响的模拟云内上升、下沉风速均有所增加,对应时段的降水强度有明显起伏,但累计液态与固态降水量增加微弱;同时,闪电数目增多,闪电发生得更早,持续的时间更长,电场的影响是不可忽视的。模拟发现:雷暴成熟时期,由于电场力的作用,雹粒子瞬时落速变化的极值均超过10 m s-1,霰粒子瞬时落速变化极值也超过了7 m s-1。但强电场的区域较小,粒子下落时经过强电场区域的时间较短,所以落速极值变化不大,相比之下电场力对半径较小粒子的下落末速的瞬时改变更显著。电场通过对粒子下落速度的影响,改变了水凝物粒子主要源项的生成率,增加雨滴、冰晶粒子的生成率,减小霰、雹粒子的生成率,调整了三相水凝物粒子的时空分布,使云中水汽总量增加9%,释放潜热增加7%,为云体的进一步发展提供了内能。

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    • 夏季亚洲对流层中上层温度年际变率的预测水平评估及其在我国东部降水预测中的应用

      2020, 44(1):150-167. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1906.18244

      摘要 (623) HTML (170) PDF 6.56 M (398) 评论 (0) 收藏

      摘要:夏季亚洲对流层温度异常与中国东部夏季降水紧密相关并可能作为降水的有效预报因子。基于欧盟ENSEMBLES计划的季节预测试验耦合模式每年5月1日开始的回报试验,分析了其对1960~2005年夏季亚洲对流层中上层温度(以200~500 hPa厚度替代,简称对流层温度)年际变率的预测结果,发现模式集合平均对夏季亚洲对流层温度年际变率具有较高的预报技巧,可以合理回报其前两个EOF(Empirical Orthogonal Function)主导模态(EOF1、EOF2),只是未能回报出EOF2高纬度的温度异常,模式集合平均预测的第一模态主成分(PC1)和第二模态主成分(PC2)与再分析资料的时间相关系数分别达到0.63和0.77。再分析资料中前两个EOF模态分别由ENSO(El Niño–Southern Oscillation)发展年印度夏季降水异常所激发的丝绸之路遥相关波列和ENSO衰减年西北太平洋夏季降水异常对应的太平洋—日本遥相关波列导致。ENSEMBLES计划可以合理预测出相应的海温异常及遥相关波列,进而合理预测出前两个EOF模态。对流层温度PC1和PC2分别表征了欧亚大陆与周围海洋之间的纬向和经向热力对比异常,模式对由PC1的预报技巧远高于前人定义的纬向热力对比的东亚夏季风指数,对前人定义的经向热力对比指数的预测技巧与PC2相当。将PC1和前人定义的经向热力对比指数作为预报因子,建立了中国夏季降水的动力—统计降尺度预测模型,交叉检验的结果表明该预报模型显著提高了东北和长江流域上游夏季降水的预报技巧。本文提出的亚洲对流层温度年际变率的EOF1及PC1,既能较好表征纬向热力对比与中国东部夏季降水显著相关,又能被模式合理预测,可以作为我国中高纬度地区,特别是东北地区降水的重要预测因子之一。

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    • 全球大气能量的时空特征及变化趋势分析

      2020, 44(1):168-182. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1903.18252

      摘要 (431) HTML (310) PDF 4.64 M (471) 评论 (0) 收藏

      摘要:大气能量学是大气科学重要的组成部分,了解大气能量的时空分布和变化特征,能够为大气科学研究,尤其是气候变化研究提供新的思路和手段。本文基于1948~2016年NCEP逐月再分析资料,从大气的总能量及其内能、位能、潜热和动能的分布、变化趋势和主模态变化等方面阐释了全球大气能量变化的整体特征。主要结论如下:(1)除高海拔地区外,总能量呈现从赤道向两极逐渐递减的分布,且全球大部分地区呈增加趋势,内能和位能的分布和变化与总能量较为接近;潜热能的极大值区和显著变化区均位于赤道及低纬地区;动能的极大值区分布在中纬度长波槽和西风急流出口区,其在南半球双西风急流区的变化最为显著。(2)总能量呈现出不连续的阶段性跳跃式增长特征;北半球的总能量多于南半球,而增速却慢于南半球,即两半球间的能量呈趋同趋势;海洋上空的总能量多于陆地,且海陆间差额有增大趋势;火山爆发事件可能对大气能量在年际尺度上的减少有重要作用。(3)大气各能量第一模态的空间特征与其各自变化趋势分布非常相似,并先后在1975年左右发生了年代际突变。就第二模态而言,大气的总能量、内能和位能从整体上反映出南北极与其它地区呈反向变化的特征;部分低纬度地区的潜热能与其它地区呈反向变化;动能主要呈现从热带太平洋向南北两极的经向波列分布;它们的时间系数均有一定的多年代际变化特征,可能与气候系统的内部变率有关。

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    • 单层不同类型云系统的特性及高云重叠的影响

      2020, 44(1):183-196. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1903.18261

      摘要 (343) HTML (187) PDF 3.65 M (338) 评论 (0) 收藏

      摘要:通过时空匹配主动遥感产品(2B-CLDCLASS-LIDAR)的云类型参数与被动遥感产品(Clouds and the Earth's Radiant Energy System-Single Scanner Footprint: CERES-SSF)的云宏微观物理特性和大气层顶处辐射通量参数(2007/01~2010/12),本文在全球尺度上统计分析了不同类型单层云以及高云重叠的双层云的云特性和大气层顶云辐射强迫。尽管主动和被动卫星遥感产品相互独立,但被动遥感反演的云光学厚度和云相态等参数能够合理反映不同类型云之间的差异。不同类型单层云表现出的云特性差异能进一步影响大气层顶的辐射能量收支。本文通过对比不同类型单层云的Clouds and the Earth's Radiant Energy System(CERES)视场样本数量随短波和长波云辐射强迫的分布,发现它们的高值区形状、位置和面积存在差异,反映了其各自独特的辐射特性。层积云的CERES视场样本数量密集区类似椭球结构,而其它云类型则趋于指数曲线结构。当进一步考虑高云重叠的影响时,统计结果表明:重叠的高云比高云单层状态有更蔽光和更厚的云体;高云重叠的底层云类型则比其单层状态有更透光和更薄的云体;高云重叠的双层云(除了高云重叠积云)对地气系统的净冷却效应要弱于其低层云类型单层状态。本文研究结果旨在加深理解云辐射反馈机制,并为改进模式中云重叠参数化方案提供一定观测依据。

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    • ETKF初值扰动方法中真实观测及扰动调节因子研究

      2020, 44(1):197-210. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1908.18262

      摘要 (337) HTML (157) PDF 3.37 M (388) 评论 (0) 收藏

      摘要:目前国家气象中心业务GRAPES区域集合预报系统中集合变换卡尔曼滤波(ETKF)方法采用的是模拟观测信息,为进一步完善ETKF方法,拟对ETKF初值扰动通过引入真实探空观测资料,使扰动场能够代表真实观测的不确定信息,改善区域集合预报技巧。真实观测资料的引入会使得每日的观测数目和分布发生变化,这对ETKF方法而言可能会引起扰动振幅的不稳定,因此在引入真实观测资料的基础上设计了新的扰动振幅调节因子,通过格点空间中离散度和均方根误差关系来对初值扰动振幅进行自适应调整。从初值扰动结构、概率预报技巧以及降水预报效果等方面对比分析了基于模拟观测、真实观测以及真实观测结合新型调节因子的ETKF方案的差异,结果表明:真实探空资料能够有效应用于GRAPES区域集合预报系统中,真实观测资料与模拟观测资料相比较为稀疏,可以获得更大量级的初值扰动振幅;真实观测资料有助于提高区域集合的离散度,但对集合预报准确度以及概率预报结果的提高有限,对于降水预报效果提高也有限;新型的扰动振幅调节因子可以有效获得稳定的初值扰动振幅,并保持ETKF扰动结构,真实观测资料与扰动振幅自适应调节因子相结合,可以有效提高区域集合的概率预报结果,并有效提高降水预报效果。

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    • 根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究

      2020, 44(1):211-224. DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.1902.18246

      摘要 (326) HTML (164) PDF 2.18 M (352) 评论 (0) 收藏

      摘要:根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用,目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确,探讨相关参数化方案的影响,可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月30日青藏高原玛曲站的观测资料作为大气强迫资料,驱动BCC_AVIM模式(北京气候中心陆面模式)引入不同的根系吸水过程参数化方案,对玛曲站2010年6月1日至9月30日时段感热通量、潜热通量、土壤温度、土壤含水量等要素进行数值模拟,分析根系吸水过程参数化方案对青藏高原地区陆面过程的影响。模式中有关根系吸水过程的参数化方案主要分为根分布模型和土壤水分对根系有效性函数两类,根分布模型用Jackson方案、Schenk方案替换,土壤水分对根系有效性函数用Li方案、LSM1.0方案、CLM4.5方案替换。对比结果表明:不同的根系吸水过程参数化方案对土壤温度、土壤含水量的模拟影响较小,对感热通量、潜热通量模拟影响较大,尤其对冠层蒸腾量模拟差异显著,相关参数化方案的变动直接影响冠层蒸腾量。两类方案模拟的差异受降水的影响,在多雨期,根分布对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异;在少雨期,土壤水分对根系有效性函数对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异。

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