南京夏季城郊湍流特征对比分析

利用2010年南京夏季城市热岛三维观测试验资料,对比分析了南京夏季城市和郊区下垫面的湍流特征。结果表明:①郊区大气层结呈现规律性的日变化特征,而城市大气几乎全天处于不稳定层结状态;②不稳定层结下,城市、郊区三个方向无量纲风速标准差与稳定度参数均呈1/3幂次关系;城市无量纲水平风速标准差小于郊区,而在垂直方向无明显差异,郊区略小于城市;③城、郊下垫面归一化风速谱曲线在高频段随无因次频率满足-2/3幂次律;低频段谱曲线集中在相对狭窄范围内;郊区风速谱曲线要比城市开阔且平缓;城市风速谱有明显拐点,水平风速谱和垂直风速谱拐点对应的无因次频率分别为0.007和0.01;④南京城、郊的垂直风速脉动含能涡区的特征尺度均小于水平风速脉动含能涡区,湍流动能在垂直方向上主要分布于小尺度湍涡。     

城市大气边界层的综合观测研究——实验介绍与近地层微气象特征分析

介绍了南京大学大气科学系依托国家自然科学基金重点项目<城市边界层三维结构研究>在南京进行的两次城市边界层综合观测实验(时间分别在2005年夏季与2006年冬季),对实验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些城市近地层微气象学的基本特征,并对结果进行了讨论.主要结果为:市区气温明显高于郊区,体现出城市热岛效应的存在,且市区与郊区的气温差异随高度的增加而减小;2006年冬季观测期间,市区的风速比郊区约小1 m/s,反映出城市建筑物对气流的摩擦、阻尼和拖曳等作用,这些作用使得平均风速在城市上空衰减,并使一部分气流平均动能转化为湍流动能;市区白天的感热通量与郊区相当,但潜热通量远小于郊区,因此市区的鲍恩比远大于郊区.市区下垫面储热项在地表能量分配中占有较大份额,成为城市热岛效应的主要成因;夏季观测期间,市区摩擦速度均值比郊区高34%;冬季观测期间,市区摩擦速度均值比郊区高23%.这种夏季大于冬季、市区大于郊区的现象表明,由于冬/夏热力学性质和城/郊下垫面动力学性质的不同而引起湍流活动的差异;为了定量地衡量气流平均场转化为湍流场的效率,表述动量输送的强弱,我们引入了一个新的变量:归一化摩擦速度.对冬/夏两季和城/郊两地的比较发现,归一化摩擦速度具有很好的相似性和一致性,它表现为一个不随季节和时间变化的常数;通过比较水平湍流方差σ2u+σ2v与垂直湍流方差σ2w的方法,来更直观地研究湍流能量在水平和垂直两个方向上的分配特征.在2006年冬季观测期间,市区的σ2w/(σ2u+σ2v)平均值为0.16,郊区为0.14,市区湍流能量在垂直方向所占份额略高于郊区.     

不同下垫面大气稳定度分类方法的对比研究

利用戈壁沙漠、低矮丘陵山地和沿海地区等不同下垫面的气象塔层和地面气象观测资料, 分别采用 P- T方 法、ΔT 法、ΔT/U法、ΔT/U²法、辐射法和风向标准差(σ_θ)法计算大气稳定度, 并进行对比分析。结果表明: ΔT/U²法和风向标准差法对周边地形的影响较敏感, 辐射法是最适合这 3 种下垫面大气稳定度分类的方法。     

不同下垫面温度和湿度湍流谱特征研究

利用相同探测设备、相同试验方法在戈壁、草原、郊区和城郊等不同下垫面开展的多次重复湍流观测实验资料,采用相同的湍流数据采集和处理方法,研究了不同下垫面温度和湿度湍流谱特征。研究表明：归一化的温度和湿度谱的高频段满足-2/3幂次律,低频段谱曲线相对集中在较窄的范围内,不呈现随稳定度参数z/L规则散布;较湿润地区的湿度谱曲线与温度谱十分相似,谱形一致;平坦地形谱曲线比粗糙下垫面要开阔、平缓;粗糙下垫面的谱曲线较为尖锐,“拐点”对应的无因次频率约为0.1;高粗糙度下垫面的高频段谱曲线高于平坦地形,说明高粗糙度地区的局地湍流耗散较强。戈壁下垫面的低频段湿度谱数值明显高于其他地区。研究还发现,稳定层结下,由于大尺度过程和重力波的共同作用,在分析双峰数据时应慎重。     

城市水泥下垫面能量平衡特征的观测与分析

水泥下垫面是城市各种人为下垫面类型中占比重最大的一种,且具有典型的城市化特征,其热力性质明显有别于自然下垫面,是局地天气、气候变化的主要因素之一.利用2005.7与2006.3夏、冬两季,在南京进行的城市边界层外场试验通量观测资料,初步分析了水泥下垫面能量平衡方程中各项特性.结果表明:(1)夏、冬两季水泥下垫面净辐射通量(Rn)白天差异较大,通常有100 W/m2左右,但峰值差异却仅有10 W/m2;虽然夏季夜间地、气温度高于冬季,但夏季夜间水泥下垫面向外释放的净辐射通量小于冬季.(2)由于水泥下垫面的不透水性,潜热通量(LE)通常很小,感热通量(H)则成为水泥下垫面加热大气的最主要方式.夏、冬两季H在白天表现为量值差异;夜间表现为符号差异,即夏季夜间H通常为正值,表明下垫面仍在加热大气,而冬季夜间H为负值,表明下垫面对大气起冷却作用.该特征也是夏季夜间热岛强度明显强于冬季的主要成因.(3)储热项(△Qs)成为城市下垫面能量平衡方程中主要的源汇项,无论是冬季还是夏季,水泥下垫面△Qs在能量收支过程中所占份额明显大于(H LE);而自然下垫面通常是(H LE)大于△Qs,这正是城、乡下垫面热力性质最主要的差异.     

森林及林木湿地上空近地层大气湍流特性的观测分析

利用森林及林木湿地下垫面层湍流观测资料，计算分析了拖曳系数，湍流强度，无量纲速度、温度、湿度方差和脉动方差随粗糙度、高度、季节的变化情况，及湍流量日的季节特征和线性相关系数的变化，给出了一些观测量值和特征分布。结果表明：与平坦地形相比，森林及林木湿地下垫面的湍强较大，且湍强随高度增加而减弱显；无量纲风速标准差在森林上方偏小，且随高度增加而增大；无量纲温度标准差在越接近|ζl|=0的时候，离散越大；森林上方的速度方差均大于林木湿地上方的速度方差；而森林上方的温度、湿度方差均小于林木湿地上方的温度、湿度方差；大部分湍流特征量随季节变化明显，日变化的季节特征也很明显，且最大值出现时间比平坦地形滞后；线性相关系数与不稳定度关系呈对数关系。     

城市不同下垫面湍流通量的观测和分析

利用榆中县2011年10月2-15日外场实验的湍流观测资料,结合天气背景,对比分析了城市同一区域内不同下垫面的动量通量、感热通量、潜热通量和CO2通量的差异特征.结果表明:草地下垫面和混凝土下垫面之间动量通量的差异较小;混凝土下垫面的感热通量整体大于草地下垫面,且在日间差异较大,差异的最大值达109.29 W/m2;草地下垫面的潜热通量在日间明显大于混凝土下垫面,差异的最大值达153.8 W/m2,夜间两下垫面潜热通量差异较小;CO2通量在排放源附近较大.     

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速/温度仪,在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料,计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征.结果表明:湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z/L成正相关;湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z/L在不稳定层结时,成正相关,在稳定层结时近似成负相关;在不稳定和稳定层结大气中,利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算的湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性;无量纲湍流结构参数C2vz2/3σ- 2w和C2Tz2/3σ-2T是Richardson数的函数;湍流热力结构参数 C2T与感热通量 w′T′具有较好的线性关系.     

城市典型下垫面降雨产汇流特性模拟实验研究

采用人工降雨-下垫面系统,对雨强、坡度和降雨动能等因素,在水泥、道路砖、透水砖和草地4种城市典型下垫面上进行了降雨产汇流的实验研究.研究表明,4种下垫面的出口断面的流量过程线由汇流、稳定和退水三个阶段组成.其中雨强是影响流量过程线的主要因素,雨强越大,同一下垫面的越早产流,汇流越短,退水需要更长的时间,流量峰值越早出现并且峰值显著增大;下垫面的坡度主要影响汇流过程和退水过程的长短,坡度越大,汇流和退水过程越短且过程线越陡峭,流量峰值出现的越早,但对流量峰值影响不明显;降雨动能对下垫面的击溅作用强烈,会影响到下垫面污染物的冲刷特性,但对降雨的流量过程线、峰值和径流总量的影响有限.     

6种城市下垫面热环境效应对比研究

选择6种具有代表性的城市下垫面(沥青路面、水泥路面、荷兰砖地面、草地、嵌草砖地面、大理石地面)作为观测对象,基于热红外成像技术对其地表温度特征进行观测,系统分析不同城市下垫面地表温度的日变化以及季节变化特征,并利用不同下垫面温度的时间标准差、空间标准差及时空数据标准差定量揭示城市不同下垫面地表温度的时空变化特征,对比研究不同下垫面的热环境效应,结果如下。1)不同下垫面地表温度的日变化一般呈先上升后下降的单峰形态,草地地表温度在不同季节的日变化波动差异较大。沥青的地表温度在全年均为最高,对热环境的影响较大;嵌草砖和大理石在全年的温度均较低,对热环境具有较好的缓解作用,且缓解作用在夏季最显著。2)不同下垫面地表日均温度全年均高于大气温度,表明城市下垫面对大气在一年中都有加热作用。3)气温、太阳辐射以及空气相对湿度对下垫面地表温度的影响均较为显著;气温和太阳辐射与下垫面地表温度之间呈正相关关系,对下垫面以增温作用为主;空气相对湿度与下垫面地表温度之间呈负相关关系,对下垫面增温起抑制作用。4)嵌草砖的热环境稳定性较草地和大理石要好;沥青路面的温度变化特征最能代表本研究观测区域下垫面地表温度的时空变化特征。研究结果对了解城市不同下垫面热环境具有一定参考意义,可为缓解城市热环境提供科学依据。     

北京市秋季大气边界层结构与特征分析

利用2000年9—10月北京市西部城、郊3个站点的探空资料,分析该地区秋季边界层高度的平均变化规律,探讨边界层内温度、风向、风速的廓线性质和结构特征,了解其时空变化和差异。结果表明,北京市秋季白天边界层最大高度平均约1km,夜间稳定层高度在200～400m之间。晴朗天气里,白天城区边界层温度高于郊区,反映出城市热岛的作用,夜间热岛现象不明显。较低的边界层高度和其顶部经常维持的强稳定层(强逆位温层)阻断上下层流动的关联,有利于近地面大气维持静稳状态和该季节雾、霾天气的出现。夜间约400m以下气层的流动大体分为3种形态,即整层小风型、低空急流型和贴地风速极大型。温度层结与夜间流动结构有密切对应关系。     

Seasonal variation of the temperature profile and its characteristics within urban roughness sublayer

By using conventional micro-meteorological observation data of Beijing Yuetan Park Tower (180 m), the temperature profile of urban boundary layer (UBL), its characteristics and seasonal variation are analyzed. The main results are as follows: (1) In winter, the interdiurnal surface air temperature varia- tion at the surface is not synchronized with that of the upper levels, other than in summer and other seasons, which illuminates the impacts of Beijing’s geographical location, sky view factor and stably st...     

扰动近地层湍流互谱特征研究

运用国际能量平衡实验(EBEX-2000)的湍流、净辐射和温度梯度资料, 对近地层8.7 m和2.7 m两个高度的湍流互谱结构、温度廓线和湍流通量的特征进行了分析, 重点研究了逐块灌溉所致的扰动近地层内大涡与局地湍流的相互作用以及大涡对地表通量的影响。研究结果显示, 低频湍流互谱的峰值频率在两个高度趋于一致, 基本遵循外层标度律(OLS)模型; 高频湍流符合局地各向同性湍流理论。由于大涡的影响, 湍流互谱低频能量显著增强, 且该增强作用在8.7 m高度比2.7 m高度更为突出。湍流谱的低频部分出现多峰值, 峰值频率对应的涡旋尺度与热力非均匀性的尺度有较好的对应关系, 主要的3个涡旋尺度分别为800, 400和200 m。大尺度涡旋扰动对局地湍流的影响: 上层大于下层, 不稳定时大于稳定时。     

青藏高原当雄地区湍流脉动耗散率特征研究

利用1998年第2次青藏高原气象科学实验（TIPEX）当雄地区观测站的湍流资料,分析了青藏高原中部地区湍流动能、温度脉动和湿度脉动耗散率的特征规律。结果表明,无量纲湍能耗散率φ_ε、无量纲温度脉动耗散率φ_N和无量纲湿度脉动耗散率φ_γ分别比风速梯度产生的能量、温度和湿度梯度产生的脉动约小20%,且随稳定度参数的绝对值的增加而呈增加的趋势;湍流输送和压力脉动项的影响贯穿于整个稳定度区间, 数值与z/L相联系。青藏高原中部地区湍流动能、温度脉动和湿度脉动耗散率的方程中系数与前人结果的差异,反映其对下垫面特征的依赖性。     

使用WRF-Fitch对湖区风电场风力发电机尾流效应特征的数值模拟

为解析不同稳定度情况下多种风机排布配置对尾流效应的强度、作用范围和风能利用效率的影响, 以鄱阳湖地区风电场为例, 使用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast)和Fitch尾流模型进行模拟实验。结果表明: 在不同大气层结稳定度情况下, 单个风机尾流效应的影响范围能够达到下游4~10 km处, 对下风向风速的削弱强度可达−0.2~−1.2 m/s。在风的来向上风机数量越多, 下游风速减弱越大; 正方形紧密排布风电场的尾流效应对风速的削弱效果最明显, 而空心菱形稀疏排布风电场的尾流区风速更容易恢复。由于不稳定的大气层结内热力和动力湍流交换强度更强, 更有利于尾流区内中动量的交换和下传, 因此稳定大气层结的尾流效应影响范围比不稳定大气层结更广。风机所在位置垂直剖面上的湍流动能呈现中心最强、向外耗散的特征, QKE(湍流动能的两倍)随着高度增加而先增至最大值(> 19 m²/s²), 再减至0左右, 之后趋于稳定, 最大值出现在约离地90 m的高度, 估计尾流效应的垂直影响范围可达约离地1.1 km的高度。     

南京冬季城、郊下垫面辐射平衡特征对比分析

市区水泥下垫面是城市各种人为下垫面类型中占比重最大的一种且具有典型的城市化特征,其热力性质明显有别于郊区接近自然的下垫面,这必然造成地表辐射平衡和能量交换过程发生改变,对城市气候产生影响。分析城、郊不同下垫面的辐射平衡特征,有助于进一步了解城市气候的成因和影响机制。本文利用在南京冬末开展的"城市边界层三维结构研究"实验所取得的城、郊水汽、温度和地表辐射平衡及分量观测资料,分析了南京城、郊下垫面近地层的辐射平衡及各分量的变化特征,结果表明:①不同天气条件下城、郊辐射平衡及分量特征有一定差异,尤其在天气转折变化时差异更明显,在晴天时差异最大,在下雪天时差异最小,但多云时更接近各辐射分量城、郊差异的平均特征;②净短波辐射在地表辐射平衡城、郊差异日变化中起主导作用;③在冬季多云时的城市"干岛"效应和雪天时的城市"热岛"效应也是影响城市辐射平衡及各分量城、郊对比差异的重要因子。     

城市及乡村大气边界层结构的数值模拟

建立了一个研究城乡非均匀下垫面陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了城市及郊区、乡村下垫面的地面热量通量、地表温度、混合层高度及大气边界层结构等特征。对城乡之间的差别进行了对比。模式主要依赖于以下参数和物理量：地面反照率、下垫面粗糙度、土壤的可含水量、下垫面的热容量和热扩散系数、云量等参数。结果表明,本模式能合理地模拟不同地表热量平衡、地表气温、混合层高度、湍流交换系数、湍流动能、位温廓线等,以及它们的日变化。该模式所取参数主要针对北京市,时间为九月初,对于其他城市,参数应作相应的调整。本模式还可以用于其他均匀或非均匀下垫面的模拟。     

荒漠戈壁下垫面地表湍流通量参数化的研究

通过对“我国西北干旱区陆-气相互作用试验”强化观测期(IOP)在甘肃敦煌取得的资料合理筛选以后,探讨了荒漠戈壁地表湍流通量参数化的问题。首先,分析了Monin-Obukhov相似函数的特征,并拟合出经验公式。结果表明,风速和温度相似性函数随稳定度参数的变化曲线与典型经验曲线差异较小,并且在经验曲线分布范围以内,但中性时的值有所不同。同时,还用该资料给出了动量和标量粗糙度(感热和水汽粗糙度)长度的平均值及其标量粗糙度随摩擦速度的变化关系。发现标量粗糙度的平均值大约比动量粗糙度小一个量级,并且随摩擦速度的增大而减小,但明显比理论预测值要大。