西南涡大气边界层结构的数值模拟Ⅰ:Ekman层流场特征分析

本文利用大气边界层模式,对1979年7月24～25日的一次西南涡进行了Ekman层流场分析。在理论计算的前提下,通过加入有限的实测风资料进行动力学调整,不仅在Ekman层中能较好地表现出西南涡的气旋性环流特征,而且发现西南涡在大气边界层中具有中尺度扰动的特征,在整个气旋环流的形势中有局部的反气旋环流出现,这是850hPa、700hPa大尺度天气图上所不能得到的。     

湍流交换系数的水平非均匀对Ekman抽吸的影响研究

利用地转动量近似理论,讨论了湍流交换系数（K）存在水平非均匀的条件下,边界层顶Ekman抽吸,研究表明：K的水平变化对Ekman抽吸有明显的影响,这种影响决定于边界层内的气压场、边界层顶的风场和K的梯度之间的关系,在气旋性涡旋中,当K由涡旋中心向外增大时,它增加边界层顶的Ekman抽吸,反之,减少Ekman抽吸。Ekman抽吸增加的幅度与K的梯度值有关,与边界层内水平气压梯度有关。     

飞机测风资料在大气边界层研究中的应用

利用飞机和风廓线雷达2009年8月至2010年6月的连续观测资料, 讨论上海地区飞机测风资料在大气边界层风场研究中的适用性, 探究造成飞机资料偏差的可能原因并给出初步的修正方法。结果表明: 与风廓线雷达观测结果相比, 飞机观测得到的水平风速偏小, 这主要与仪器系统偏差有关; 在300 m高度以下, 1500 m高度以上, 以及气温低于-8℃, 风速小于1 m/s的低温小风情况下, 飞机观测得到水平风速的差异显著增大, 在这些条件下飞机对大气风场的探测具有局限性。用修正后的风速资料分析上海地区低层大气的风场结构, 得到的结果符合风场的一般变化规律。     

经验模式分解方法在大气边界层高度提取中的应用

本文主要阐述从激光雷达测量的实验数据中提取大气边界层高度的方法,尝试了用EMD分解方法处理数据,结合二阶求导的方法,结果发现提取的大气边界层高度值与利用诊断式求得的高度值的吻合性比较理想。     

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。     

城市大气边界层分析中的相似理论应用研究

以Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｏｖ相似理论为依据,利用拟合方法和迭代法计算非均匀下垫面近地层湍流特征参数,通过对新疆库尔勒市郊相对平坦地形上的系留探空资料计算分析说明,两种计算方法所得的湍流特征参数相差较大;如何考虑外部参数ｚ０对确定非均一下垫面湍流特征参数非常重要。研究结果认为,３００ｍ以下用乘幂律风廓线描述风速随高度分布是比较适合的。     

平衡大气边界层的数值模拟和风洞实验

通过了风洞实验和计算流体动力学(CFD)模拟的对比,结果显示CFD模拟风特性剖面与实验结果吻合情况符合工程应用的精度要求,说明CFD模拟的有效性和准确性.在进行与风洞试验对比的数值模拟时,研究了壁面Y+值对模拟结果的影响,说明了数值模拟的准确性需要精细的壁面网格的支持.另外,通过CFD数值模拟无限长风洞构造满足水平均匀性要求的大气边界层流场,模拟结果显示模拟满足水平均匀性要求的大气边界层风剖面与计算风工程中通常使用的风剖面有一定的差异,因此针对此问题需要进一步的研究.     

大涡模拟方法在非均匀边界层研究中的应用

首先回顾了大涡模拟方法在边界层研究中的应用 ,总结了该方法在非均匀性研究中的概况。然后 ,用大涡模拟方法 ,并且启用陆面模块 ,模拟了真实下垫面条件下地表热量通量和动量通量的分布和边界层气象场 ,初步分析了非均匀下垫面对边界层结构的影响     

微分方程特征值理论在Ekman流解中的应用

为了更为细致地讨论非恒常量的垂向湍黏性系数对Ekman流解的影响,基于微分方程的特征值理论,简要分析了在不同垂向湍黏系数分布条件下,Ekman流解所具有的结构特征,并结合数值方式模拟了Ekman流的垂向结构。在开边界条件下,不同深度的数值模拟结果较为一致,数值模拟验证了Ekman流的垂向结构与湍黏系数垂向分布的特征有密切关系。据此得出,不同的垂向湍黏系数结构将改变Ekman流的影响深度及表层流与风应力的夹角,Ekman流解含有垂向湍黏系数分布的特征。理论推导和数值试验均表明,在不同的黏性系数垂向分布状态下,Ekman流具有不同的垂向结构,且影响深度也各不相同。     

地形和湍流交换非均匀对边界层Ekman抽吸的影响

利用地转动量近似理论,讨论地形和湍流交换系数K存在水平不均匀的条件下,获得了边界 层顶Ekman抽吸的解析结果和动力特征.研究表明:在不考虑地形强迫情况下,湍流交换系数的水平变化对Ekman抽吸有明显的影响,而且这种影响的强弱与Rossby数大小有关.而在地形与湍流交换系数的共同作用下,地形的影响是边界层顶的垂直速度分布的主导性因素.     

混合层顶覆盖逆温层变化规律研究

论文利用无线电探空仪获取了合肥市西郊一百多份温度和湿度探空资料，统计分析得到该地区大气边界层覆盖逆温的特点：覆盖逆温层底平均高度为1220m、覆盖逆温层的平均厚度为200m、覆盖逆温层的温度跃变平均值为0．7℃等。覆盖逆温层底的高度具有季节变化趋势，与太阳直接辐射的时间积分有较好的相关。根据边界层高度和感热通量的关系，可知感热通量约占地面接收到的太阳直接辐射的30％。     

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。     

大气边界层风洞实验的物理模型

从基本相似原理出发,提出理论上精确相似的5个无量纲参数和边界条件,具体针对大气边界层环境风洞实验的特点,对各个无量纲参数及边界条件进行了详细的分析研究,得出大气边界层环境风洞实验主要应遵守的各无量纲参数和边界条件的相似准则,为大气边界层环境风洞实验提供了理论根据.     

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。     

大气边界层风场模拟及测试技术的研究

总结了同济大学土木工程防灾国家重点实验室使用挡板、二元尖塔、分布粗糙元和格栅这几类模拟装置,在小、中、大三种类型风洞中模拟大气边界层流场的特性,除了纵向风场特性,还首次报道了在大气边界层风洞中测得的横向和竖向风场的特性,所得结果令人满意,最后还报道了一种新型的行人高度风环境探头。     

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。