声雷达探测中的一个问题

声雷达是探测大气边界层的一个重要手段。利用它可以取得风、温度、湍流统计特性廓线等许多重要的大气边界层参数。目前,在分析声雷达探测资料中,普遍采用下列声雷达方程     

区域环境集成系统模式以及对我国夏季季风的模拟研究

重点介绍了中国科学院区域气候-环境重点实验室研制的区域环境集成系统模式RIEMS 2.0, 以及利用该模式对东亚地区进行了1979年1月到2000年12月的长期积分试验, 重点考察了区域气候模式对东亚地区的夏季季风的模拟能力. 结果表明: (1) RIEMS 2.0模式能够较好地模拟出夏季表面大气温度的空间分布以及不同区域温度的年变化; 同时模式模拟季平均和月表面大气温度与观测之间偏差大约一般在1~2℃. (2) 对于降水来说, RIEMS 2.0模式能够较好地模拟夏季降水的空间分布特征以及东亚地区雨带季节性演变, 同时RIEMS 2.0模式模拟的雨带演变较RIEMS 1.0更加接近观测. (3) RIEMS 2.0模式能够模拟出大尺度环流背景场. 该研究表明区域环境集成系统模式能够较好地应用于我国区域夏季季风气候模拟研究工作.     

中性大气边界层中风力机的湍流演化及叶根载荷分析

针对一台外场试验风电机组,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)耦合致动线模型的方法,构建了中性大气边界层和风力机风轮的气动耦合求解模型,模拟风力机在中性大气边界层中的流场.通过连续小波分析、频谱分析和相关性分析,研究了中性大气边界层中风力机前、后的湍流演化过程及其与叶根载荷的相关性.研究发现,自然来流从风轮前1D(D为风轮直径)处运动到后1D处时,大气中的湍流强度逐渐增大;在风轮平面处出现了较强的小尺度湍流结构,这些小尺度的湍流结构在向下游运动过程中不断耗散,并在风轮后1D处能量基本耗散殆尽;叶尖位置处的高频湍流出现频率约为1.82 Hz,此频率正好与叶片通过频率相对应.风力机的叶根挥舞载荷对大气中的湍流结构响应明显,低频湍流结构对叶根挥舞载荷的低频段影响显著,高频湍流结构对叶根挥舞载荷的高频段影响明显;叶尖高频湍流结构相对于叶根高频湍流结构,频率更高,能量更大,其对叶根挥舞载荷高频段的影响更为明显;同时,叶尖高频湍流与叶根挥舞载荷的高频部分表现出了一致的周期性变化规律.     

利用PRECIS分析SRES B2情景下中国区域的气候变化响应

利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS单向嵌套该中心全球海-气耦合气候模式HadCM3高分辨率的大气部分HadAM3P, 分析PRECIS对中国区域当代气候的模拟能力和SRES B2情景下2071~2100时段(2080s)相对于气候基准时段(1961~1990年)中国区域的气候变化响应. 气候基准时段的模拟结果与观测资料的对比分析表明: PRECIS能够很好地模拟中国区域地面气温的局地分布特征; 总体上讲, PRECIS对中国北方地区降水的模拟效果优于南方地区, 模拟的冬季降水型态分布较好, 而夏季降水对地形比较敏感, 东南沿海地区降水的模拟值偏低. 对SRES B2情景下相对于气候基准时段的气候变化响应分析表明: 2080s中国北方地区增温幅度明显大于南方, 西北和东北地区尤为显著, 其夏季平均气温增幅可达5℃以上; 中国大部分地区降水量呈增加趋势; 冬季华南地区降水量明显减少; 夏季东北和华北地区气温增幅大而降水量减少明显, 而长江以南地区降水量显著增加.     

南极高原夏季Ekman边界层动力学分析

极地大气行星边界层动力过程及其对全球大气环流的影响是大气科学研究关注的重要问题.利用中国南极昆仑站2012和2013年夏季高分辨率的GPS探空资料,对南极高原大气边界层的动力特征进行了研究.结果表明,南极高原观测风随高度的变化规律与理论计算的Ekman螺旋曲线基本一致.风速随高度增加快速、风向左转.这是在南半球观测到的显著Ekman垂直结构特征.Ekman动力边界层的厚度较高,平均从900 m向上至3400 m,900 m以下为对流混合层.整个层结呈干冷和稳定状态,显示了南极高原边界层动力结构具有其独特性.计算的南极高原湍流摩擦应力明显大于中低纬度地区的值,表明南极高原行星边界层动力摩擦效应对全球大气环流的影响显著.     

与动力场相耦合的区域沙尘分档模式及个例模拟

综合考虑沙尘的起沙、扬沙、输送、干沉降、湿沉降等物理过程, 建立了一个比较完善的综合沙尘过程模式, 并与MM5中尺度动力模式相耦合, 构成区域沙尘模式. 模式中利用摩擦速度和地表信息资料, 对起沙通量作了订正; 扬沙过程, 根据流场、不同的边界层和不同的积云对流参数化方案, 分别处理; 模式中沙尘的沉降分为干沉降和湿沉降, 对沙尘粒子作了按尺度的分档处理, 对于显式或隐式降水都作了比较精细的考虑. 该模式对2002年3月20日和2002年4月7日影响我国北方大部分地区的强沙尘天气的形成和输送过程进行了模拟试验, 结果表明, 模式能较好地模拟沙尘过程的形成和传输扩散特征.     

利用非常规资料对城市强暴雨的中尺度分析与模拟研究

利用国家"973"项目获取的特殊加密观测资料, 包括自动气象站雨量资料、风廓线仪资料、多普勒雷达图像资料、GMS5卫星云图资料和NCEP再分析资料, 采用诊断分析与数值模拟相结合的研究方法, 对2001年8月5～6日上海城区出现的1949年以来最强一次降雨过程进行了中尺度分析与模拟研究. 目的是了解造成此次城市暴雨灾害的热带气旋内中尺度系统的发展演变特征和将较高时空密度的非常规观测资料用于高分辨率MM5中尺度数值模式, 对于有效地预报城市灾害性暴雨的可行性、必要性. 研究揭示出 (1)此次暴雨是由登陆热带低压内发生发展的一系列中尺度对流云团所致, 具有时空尺度小的特征; (2)热带低压在入海前的重新加强为这场暴雨的发生提供了有利的环境条件; (3)热带低压与其内中尺度云团间可能存在相互作用; (4)及时、准确地充分运用各种观测资料对于有效地监测、预测出此类城市暴雨灾害具有重要意义; (5)局地风速的增强和风向的转变是暴雨中尺度系统的触发机制, 而充沛的水汽输送、聚集的对流有效位能为暴雨中尺度系统发生发展提供了必要的物理机制.     

中国太行山东麓NOX 重污染成因分析

采用OMI/Aura 对流层NO₂ 柱浓度产品, 分析研究了中国太行山东麓(ESTM)地区NO_X 污染的季节变化特征. 研究结果表明, NO₂ 柱浓度夏季最低而冬季最高. 为了探讨该地区NO₂ 重污染的成因, 本研究采用第五代NCAR/Penn State 中尺度模式(MM5)对该地区风场进行模拟.MM5 模式模拟结果显示, 该地区的主导风向主要为东北风和西北风, 其次为西南风. 冬季代表月(2007 年1 月)中, 高NO₂ 浓度(大于50×10¹⁵ molec/cm²)主要发生在以下3 种风场类型: 辐合风场(5 天), 东北风(2 天), 静风(1 天). 尽管与其他发达地区相比, 该地区人为源NO_X 的排放强度相对较小, 但辐合风类型的频繁发生, 以及不利于扩散的地形条件, 导致了大气污染物的不断积聚, 从而形成高NO_X污染区. 此外, 当主导风向为东北风时, 特别是输送气流风速较大时, 可明显观察到从北京-天津-唐山地区向下风向ESTM 地区的长距离传输影响.     

小型系留气艇探测系统

最近十几年,各国的大气物理工作者和环境科学工作者都非常重视对边界层大气的探测,这是因为边界层大气和人类活动息息相关,例如飞机的起飞和降落,导弹、火箭和人造卫星的发射,大气污染物的输送以及天气预报准确率的提高等等都与边界层大气的参数(气温、风等)分布有关。因此边界层大气中的各种探测方法(声雷达、无线电-声探测系统和调频连续波雷达     

逆压梯度湍流边界层的新涡粘模式

文献[1]提出了着重体现湍流应力各向异性的湍流新涡粘模式,并提出应用新涡粘模式预报湍流平均流动的途径:由每类剪切流比较基本流动已知的实验结果来寻找涡粘张量分量分布的规律,再去预报较复杂的剪切流动.本文对二维湍流边界层,按此途径找到了涡粘张量分量的分布规律,并准确、简便地预报了逆压梯度二维湍流边界层的平均流动,与实验符合得相当好.1方程和边界条件     

我国东北地区季节降雪高分辨率数值模拟

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,进行了我国东北地区冬季降雪的高分辨率数值模拟,评估了WRF模式对季节降雪的模拟能力,并探讨了模式水平分辨率和物理过程参数化方案对降雪模拟的影响.结果显示WRF模式可以合理地模拟冬季气温和降水的空间分布,模拟结果和观测吻合较好.该模式可以合理地模拟东北地区季节降雪的空间分布和时间演变,显示了该模式较强的模拟性能.水平分辨率和物理过程参数化方案对降雪模拟有重要影响,高分辨率模拟结果更接近观测;相对于积云对流参数化方案,模式对陆面过程和微物理过程参数化方案更加敏感.     

格子玻尔兹曼方法模拟大气边界层中的阵风结构

东亚北方冬春季常会出现寒潮冷锋天气,冷锋过后有明显的下沉气流,且伴随强阵风.观测数据分析表明,阵风结构具有相干性,是春季沙尘暴能够被输送到边界层上部,从而远距离传输的重要条件.格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)是一种基于Boltzmann分子输运方程的数值流体计算技术,自从出现以来,由于其在微观水平描述运动的特点,一直被用来研究湍流等复杂运动,本文在格子玻尔兹曼方法中引入大涡模式,使其能够应用到大气边界层湍流场,模拟阵风的产生及发展,得到了具有波动和涡旋相结合的相干结构,从而解释了阵风相干结构起沙扬尘的机理.     

从FY-3B极轨气象卫星VIRR 仪器通道5 遥测数据计算射出长波辐射

基于红外辐射传输方程, 模拟了代表全球各种天气状况3812 条大气廓线的大气顶射出长波辐射通量密度(OLR), 以及FY-3B VIRR 通道5 辐射率, 通过统计回归分析, 建立了通道5亮温与通量等效亮度温度的统计回归关系式. 将回归模式应用于FY-3B VIRR仪器的L1级数据,处理出了卫星观测时刻的OLR格点场产品, 产品的精度经由与观测时间相近的NOAA-18 卫星同类产品对比得出, 对于全球日平均产品, 两者的系统均方根误差RMSE=10~13 W/m²,相关系数R = 0.97~0.98, 误差的主要原因是对同一地理位置两星的观测时间不尽相同. 文中给出了处理出的OLR产品实例, 以及产品的应用范围和初步应用个例     

区域环境集成模拟系统RIEMS2.0对中国多年降水和气温模拟能力分析

区域环境集成模拟系统RIEMS2.0(regional integrated environment modeling system version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上开发的区域气候模式. 为了检验RIEMS2.0对长期气候及其变化的模拟能力, 比较1980～2007年共28 a降水和气温观测资料和模拟结果 (连续积分时间1979年1月1日至2007年12月31日), 并对比不同积云参数化方案对模拟结果的影响, 为模式的调试和应用提供依据. 全年降水和气温模拟结果表明RIEMS2.0能模拟出多年平均气候态降水和气温分布, 但是模拟的中心雨带偏强偏北、气温偏低; 模式能揭示不同子区域降水和气温的年变化和年际变化; 模拟的夏季气温偏差小于冬季, 除了冬季江淮和江南区外模式高估了其他子区域降水; 模式对半干旱区降水和气温模拟偏差较大; 模式能很好地模拟降水和气温距平分布; 不同积云参数化方案模拟的降水和气温分布基本一致, 但强度和分布有差别. 因此, RIEMS2.0对多年平均气候态及气候变化表现出较强的模拟能力, 并具有较好的稳定性.     

北京城市冬季大气污染动力: 化学过程区域性三维结构特征

北京城区1~3月4个试验观测点所获得的资料分析结果发现, 城市采暖期排放源影响总体效应明显, 采暖期、非采暖期城市不同区域测点污染气体浓度排放源阶段性影响特征显著; 城市建筑群上边界大气污染物NO_x, SO₂和CO具有大范围同位相演变特征, O₃浓度亦在不同测点变化趋势一致, 但与以上污染物呈“反位相”变化. 城市重污染过程采暖与非采暖期空气污染浓度城区范围亦有同步变化趋势. BECAPEX的综合探测表明, 北京地区污染气体及其气溶胶垂直分布廓线与城市边界层内大范围逆温层垂直结构存在显著相关. 此类点-面结合综合探测技术途径亦描述了城市局地污染过程与周边地区相互关联的区域性三维结构特征.     

坡地稳定边界层的数值研究

夜间,在坡面上形成的边界层结构和平坦地形的稳定边界层有着显著的差异,Brost和Wyngaard指出,即使在很小的地形坡度(β=0.003)条件下,地形将对大气的湍流结构以及边界层的其它参数产生明显的作用,下面将着重研究地形造成的差异。 考虑无限平坦的坡面,地面粗糙度和温度的分布沿坡面是均匀的,气象场只沿垂直于坡面的方向变化,设坡面的倾斜角为β,取x和y方向平行于坡面,Z垂直于坡面,则坡面上风和温湿的控制方程可以写成:     

三参数冰相云微物理方案的构建及在单柱大气模式中的应用

云微物理的参数化对天气及气候的准确模拟至关重要,其中云粒子谱分布特征通过改变云演化发展和云辐射效应,必然进一步影响气候模拟.目前广泛使用的双参数云微物理方案,无法预报云粒子谱分布的谱形参数,阻碍了气候模式对云物理过程的准确描述.鉴于此,本文在单柱大气模式SCAM5.3(Single Column Atmosphere Model,Version 5.3)中增加雷达反射率因子的预报方程,构建了三参数冰相云微物理方案,实现了冰晶粒子谱分布谱形参数的预报.利用该模式,模拟了大气辐射观测计划在1997年夏季实施的为期29 d的观测个例(ARM97),分析了双、三参数方案对云量和辐射的模拟差异.结果表明:首先,三参数方案预报的冰晶粒子谱的谱形参数主要集中在0～4,峰值在2左右,至少有85%的μ都大于默认的0.其次,与双参数方案相比,三参数方案对云量的模拟更接近观测;利用辐射通量密度的观测值进行评估,发现无论是短波还是长波辐射通量密度,三参数方案的误差都比双参数方案小.最后,揭示了三参数方案对云量和辐射模拟效果的改进机理:主要是因为三参数方案减弱了冰晶到雪的自动转化过程,增强了冰晶凝华增长过程,从...     

GRAPES物理过程的优化试验及程序结构设计

新一代全球/区域多尺度通用数值分析同化与预报系统(GRAPES)按照模块化、标准化的程序结构, 开发建立了插拔式可移植的区域中尺度和全球中期物理过程软件包, 物理过程的完整性与国外先进的模式相当. GRAPES设计了物理过程与模式框架连接的3层结构程序界面, 为物理过程的插拔使用提供了一个友好界面. 通过个例数值试验, 对格点暴雨现象进行了分析, 改进了垂直速度计算方案, 通过调整GRAPES物理过程方案的相关参数, 对降水方案进行了优化; 结果表明, 物理过程降水方案经过改进后, 基本消除了虚假的格点暴雨现象, 提高了降水预报的准确率.     

青藏高原那曲地区夏季对流云结构及雨滴谱分布日变化特征

青藏高原对于我国大气水循环、生态环境、灾害天气产生及气候变化等均具有重要作用和影响.为进一步揭示青藏高原气象和大气物理过程,我国启动了第三次青藏高原科学试验-边界层与对流层观测(2014~2017年)重大研究项目,其中云降水物理观测试验采用了包括C波段连续波雷达、Ka波段毫米波云雷达、地面雨滴谱仪、激光云高仪等目前先进的观测仪器.本文利用2014年7月1日~8月31日期间在西藏那曲的观测数据,结合FY-2E卫星的TBB资料,分析研究了青藏高原夏季(7~8月)对流云及其降水过程和雨滴谱分布特征.研究结果表明,观测试验期间青藏高原对流活动主要集中在高原东南部和中部地区,其降水过程存在准两周的周期性;由于高原的加热效应,对流云和降水过程有着显著的日变化特征,对流活动在11:00(当地时间)由局地热对流发展,经合并增长在17:00~18:00达到最强,入夜后降水过程开始偏平流性并持续至6:00,之后逐渐消散,上午对流活动较少.高原对流云平均云顶高度为11.5 km左右(海拔高度),最大云顶高可超过19 km;平均云底高度6.88 km.降水过程主要表现为短时阵性降水,持续时间基本小于1 h,平均降水强度在1.2 mm/h左右.另外,研究发现高原雨滴谱分布相对于同纬度和季节的平原地区较宽,导致高原对流易产生降水.Γ分布相对于M-P分布更适用于对高原上的雨滴谱分布进行拟合.     

4-7月珠穆朗玛峰在大气中的加热作用

实测计算表明,4—6月,珠穆朗玛峰(以下简称珠峰)对于大气的感热输送远大于珠峰南北坡的降水凝结潜热释放,7月相反,凝结潜热释放较大。4—7月,珠峰以500卡/厘米~2·日左右的热量加热大气,使珠峰及其周围的大气温度场具有异常特殊的分布;4—5月,这种加热