华北北部半干旱地区夏季大气边界层特征的实验研究

2016年7月3—16日在内蒙古自治区科尔沁地区大气科学与大气环境综合实验站开展科尔沁半干旱下垫面大气边界层野外综合观测试验, 利用 GPS大气边界层精细探空资料, 分析华北北部半干旱地区晴天、阴天和雨天等不同天气条件下的大气边界层结构。采取不同的方法和判据对比确定大气边界层高度, 统计实验期间低空急流特征, 并对近地面湍流特征及地表能量收支状况进行初步的探讨。结果表明: 晴天, 白天的大气边界层平均高度约为1790 m, 夜间约为250 m; 阴天和雨天, 白天的大气边界层平均高度约为980 m, 夜间约为430 m。夜间, 近地面层湍流动能与边界层高度有较强的相关性。低空急流多发生在午夜, 平均高度约为390 m, 强度与高度正相关。     

水库对局地气候影响的数值模拟研究

大型水库建设改变了上游地区的地形高度和地表特征,必将对周边地区的局地气候产生影响.利用高分辨率边界层模式模拟研究了在高山峡谷地区由于水库建设可能导致的局地气候变化.结果表明:高山峡谷地区的水库将导致附近地区在冬季增温,增温幅度可达0.4～0.85℃,使春、夏、秋季降温,最大降温幅度可达2℃,但水库对附近地区气温的影响范围较小,影响温度0.1℃的水平范围约为2.5km,影响高度约500m;水库对气温影响的日变化规律冬季和其它季节不同,冬季使全天增温,白天增温幅度大,夜间增温幅度小,其余季节在夜间使气温增加,在白天使气温下降,夜间增温和白天降温的转换时刻大约在上午8时和晚间21时;在冬、春、夏和秋季,水库附近的相对湿度可分别增加约29.8%,37.2%,13.3%和20.3%,影响范围小于3km;水库将使附近的地面风速有明显增加,水库附近风速增加的幅度小于0.5m/s.     

北京市夏季城市强热岛边界层气象特征

近年来,北京市城市化发展迅速,城市气候特征也发生明显变化。应用中科院大气所325m铁塔的梯度观测资料,对发生在北京市的夏季强热岛天气的边界层气象特征进行了分析。结果表明:发生在夜间的北京市夏季强热岛,其边界层存在很强的逆温层结,并且逆温层较厚,低层风速较小,一般不超过2.0m/s;但白天,随着太阳短波辐射的加强,逆温结构很快被破坏,城市热岛强度也迅速减弱。     

南京城市边界层微气象特征观测与分析

南京大学大气科学系分别于2005年7月17日～7月31日,2006年2月18日～3月10日在南京市市区和郊区两个观测点进行了城市边界层气象观测,同时采用流动观测方法和在6个固定观测点进行城市热岛观测,观测发现:南京市存在明显的城市热岛特征,气温由市区中心的最高值向郊区逐步减少,冬夏季节的平均热岛强度分别为1.2℃和0.83℃,晴天热岛强度大于阴天,夜间热岛强度普遍高于白天,夏季和冬季热岛强度最大可达3.6℃和2.4℃.热岛强度随高度增加而减小,在约400 m高度,城区和郊区气温没有明显差异.观测结果还表明城区湿度普遍低于郊区,冬夏季节的城市与郊区的相对湿度差分别为10.6%和7.3%.南京紫金山森林地区对附近地区的气温和湿度有明显影响;城区风速明显低于郊区,高度越低,城区与郊区风速相差越大.南京市区的平均零平面位移约为19.9 m,平均粗糙度1.1m.     

东莞地区冬季大气边界层结构对PM_(2.5)影响的观测研究

利用2013年12月在东莞地区开展大气边界层观测试验得到的垂直风温资料和逐时PM2.5质量浓度资料,研究了东莞地区大气边界层结构对PM2.5质量浓度的影响的。结果表明:在大陆冷高压控制下,东莞地区的边界层结构演化非常典型,而东莞地区冬季PM2.5污染事件通常由冷气团南下的天气形势引起。在PM2.5污染过程中,日平均边界层高度往往不足600 m,较低的大气边界层高度使得PM2.5持续累积,夜间稳定边界层高度约为100 m使得夜间出现PM2.5质量浓度峰值。东莞地区的垂直风场存在显著的三层结构,较小的底层风速有利于PM2.5聚集在边界层内难以扩散,而高度较低的小风中层使得PM2.5污染物进一步被压缩在大气底层,加剧了地表的PM2.5污染程度。在冬季大陆冷高压控制下,在PM2.5污染过程中,东莞逆温结构多发,低空逆温层底约在700m,而且厚度和强度都较大,夜间常见贴地逆温,且厚度约为100 m,持续稳定存在的较低的逆温层导致的稳定层结是造成PM2.5污染的重要原因。     

兰州市东部地区冬季低空风场和温度场分析

根据１９９６ 年１２ 月２０ 日至３０ 日在兰州市东部峡口附近地区进行的大气边界层探测试验得到的资料,分析了该地区的低空风、温场垂直分布特征及随时间的演变特征．分析表明：兰州市东部地区从地面到１５０ ｍ 高度的低层风场在受向市中心辐合的热岛环流和不同尺度地形的山谷风影响下,盛行偏东南风,２００ ｍ 高度以上的层结受高空西风的影响盛行偏西北风．白天（０７ 时至１９ 时） 的平均风速比夜晚（１９ 时至０７ 时） 小,而且风速的最小值出现在白天的１５０ ｍ 高度以下．逆温持续时间长、强度大、厚度大,混合层顶在中午１３ 时左右达到最大高度,约３００ ｍ ．另外,通过比较发现：下垫面条件、夜间人工热源、天气系统以及大气的稳定度状况等均对混合层的发展有一定影响．     

北方地区春冬季雾天边界层结构及其演变规律的对比研究

利用1999年北京南郊开展的大气边界层实验资料,对比分析了春冬两季雾天气过程中大气边界层风速、温度和湿度廓线结构及其伴随雾生消过程的演变规律,揭示了雾的生消与风速极值、夜间逆温层厚度等气象要素的关系规律,讨论了雾的生消对大气边界层演变过程的影响.结果可为提高雾天气预测和人工影响雾天气提供基础.     

天津地区雾天不同高度湍流输送特征的实验研究

利用天津255米气象塔层大气边界层观测资料,分析雾日各气象要素的特征,研究湍流输送规律。结果表明:雾前,大气湿度较大,逆温层高度约为100 m,辐射雾发生前的逆温强于平流雾;雾中,逆温层持续变强、增厚;雾后,逆温层出现抬升,大气呈近中性偏不稳定的层结特征。辐射雾过程的逆温现象比平流雾明显;辐射雾雾顶较低,平流雾较高;辐射雾的消散主要受温度影响,平流雾主要受风速影响。雾天气过程改变了大气层结结构,夜间可能呈现不稳定层结状态;雾前和雾中不同高度的湍流垂直输送微弱,雾过程后期的水平输送突然增强。辐射雾雾前不同高度的平均动能数值较小,雾中呈增大趋势,雾消散阶段逐渐增大,湍流动能的增大是影响辐射雾消散的重要因素。雾前不同高度平均动能与湍流动能比值的突然增大可能是雾发生的湍流信号之一,比值剧增之后降至雾前水平则为雾消散的信号。     

中尺度天气预报模式边界层参数化方案以及近地层方案对苏州东山冬季近地层气象要素模拟的影响

运用WRF3. 9模式并选取四种常用的边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和BL)和两种近地层方案(Eta和MM5)模拟了2015年1月16～25日苏州东山的近地层气象要素,并与东山气象站观测实验数据进行对比,评估了四种边界层参数化方案对近地层气象要素的模拟能力。同时设置了边界层参数化方案与近地层方案耦合的敏感性试验,分析两类方案的耦合对近地层气象要素模拟的影响。结果表明:①白天四种边界层方案对2 m温度的模拟差异较小,两种近地层方案的模拟结果有差异,对流混合较弱时Eta方案模拟较好,对流混合较强时MM5方案较好;夜间四种边界层方案和近地层方案均有影响,但是整个观测期间四种方案的模拟结果统计量差异较小;②无论白天还是夜间,四种边界层参数化方案模拟的2 m相对湿度均高于观测值,BL方案的模拟效果最佳,MYJ方案的模拟偏差最大;③无论白天还是夜间,四种边界层参数化方案对10 m风速的模拟均存在一定程度的高估,MYJ方案的模拟效果最好,四种方案对风向的模拟均优于对风速的模拟,白天的模拟效果整体优于夜间;④选择不同的近地层方案对风速和风向的模拟结果没有明显影响,对2 m气温模拟结果的影响小于对2 m相对湿度模拟结果的影响,BL边界层方案与MM5近地层方案耦合对近地层气象要素2 m气温和2 m相对湿度的模拟效果最好。     

西昌2014年大气边界层风场特征分析

利用西昌探空站2014年高空风资料,对大气边界层内距地300、600及900 m的风向频率、平均风速按月、季度进行统计计算,以此分析西昌地区大气边界层风场特征。结果表明:西昌地区大气边界层内风随季节变化较大。对于风向:夏季,各高度上通常以SSW和N为主导并有多个次多风向;冬、春、秋季,300 m高度上主要是偏南风,600、900 m高度上风向主要集中在SSW方向上;风速最大出现在春季,最小在夏季。     

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.     

基于MM5的轮毂高度风场数据获取方法

 从MM5模式垂直坐标定义出发,将大气静力学方程应用于整个大气,并在相邻层之间进行等温大气假设,进行求解层的高度,从而可由MM5的模拟结果中得到不同轮毂高度风场数据。对比验证表明该方法可靠,为从MM5结果获取轮毂高度的风场数据提供了另一种简便而准确计算的方法。     

戈壁夜间大气边界层的数值模拟研究

本文采用一维非定常边界层模式研究了戈壁下垫面夜间边界层的结构和发展规律，得到了戈壁下垫面的夜间冷却条件下辐射逆温层的形成和发展以及下波风建立的典型时空图象。并与实测资料进行了比较。文中还对局地逆向流和地面降温率对辐射逆温层高度和下坡风的影响进行了试验。     

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。     

地气耦合系统中下垫面气候效应的数值模拟

区域气候环境的变化，不仅受大尺度气候环境的影响，而且在一定程度上还取决于该区域下垫面状况的改变。本文利用一维十六层地气耦合模式研究了陆地下垫面特征变化对近地层气候的影响，分析了大气边界层垂直温度特征、地面温度变化特征以及地面能量平衡和转换特征、试验结果表明下垫面特征是影响区域气候的一个重要因子，其变化对边界层垂直温度结构、地面温度日变化以及地面能量平衡和转换机制具有重要的影响，进而改变一个地区的区域气候状况。     

输沙量对海岸沙丘表面风沙流中不同粒径沙粒垂向分布的影响

 在我国海岸沙丘的典型分布区河北昌黎黄金海 岸，对不同输沙量下海岸沙丘表面风沙流中不同粒径组沙粒垂向分布的变化进行了野外观测。结果表明，在风速相近、物质组成一 致和下垫面性质相同情况下，随着风沙流总输沙量的增加，在非均匀沙床面上不同粒径组沙粒的垂向分布呈现出了不同的变化特点 。其中，随总输沙量增加粗沙输沙量总量并无增加，其输沙量下层减少、中层增加、上层减少，垂向分布转变为典型负幂函数模式 ；中沙在不同高度的绝对输沙量均有增加，相对输沙量下层（0~4 cm）减少、上层（4~60 cm）增加或基本持平，其垂向分布基本 符合指数递减规律，尤其是在0~60 cm高度内的分布随总输沙量的增加由负幂函数转变为指数函数；细沙输沙量总量和不同高度的 输沙量均有不同程度的增加，相对输沙量下层（0~6 cm）减少、上层（6~60 cm）基本持平或增加，垂向分布符合典型的指数函数 布模式。究其原因，主要应与不同风速气流的携沙极限以及不同粒径组沙粒的运动方式密切相关。     

珠三角城市化对大气边界层特征影响的数值模拟

利用WRF/UCM模式对珠江三角洲2008年秋季一次大气污染过程的气象场特征进行模拟。在模式中针对下垫面类型数据和人为热通量来设置敏感性试验以探讨城市化对大气边界层特征的影响。研究结果表明:城市化发展(包括城市土地利用类型的改变以及人为热通量的加入和增加)均能增强城市热岛效应和干岛效应,使夜间地面逆温现象更加显著,地面污染物容易积累;地表粗糙度的增加使风速减小,城市化使热岛环流增强,污染物难以扩散,这也是造成空气污染事件的原因;同时城市的发展能抬升白天和夜晚的大气边界层高度。     

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...     

城市水泥下垫面／郊区下垫面湍流统计特征分析

为探讨城市水泥下垫面和郊区下垫面上的无量纲速度方差及温度方差与稳定度的关系,对2006年2月18日至3月10日南京市委党校楼顶和南京大学浦口校区观测站三层高度上的湍流资料的统计特征进行了对比分析,发现在不稳定层结下,城市水泥下垫面上的无量纲水平速度方差σu/u*和垂直速度方差σw/u*比郊区下垫面小,两者随稳定度z/L的变化基本符合1/3次律,但不能直接用Panofsky等提出的乡村下垫面条件下的经验关系式来表示。城市水泥下垫面上的无量纲温度方差σT/T*大于郊区下垫面。同时,在郊区30m高度附近的无量纲水平速度方差σu/u*和垂直速度方差σw/u*满足1/3次律,2m高度则不满足1/3次律。40m以下高度σT/T*与-z/L之间满足-1/3次律。