山地边界层急流的观测特性及其成因分析

分析浙江上虞丘陵山区边界层风、温实测资料 ,发现在高压形势下 ,该地边界层急流具有频发性和显著特征。分析表明 ,丘陵山区地形热力差异导致的气层斜压性 ,起因于湍流强度日变化的惯性振荡 ,以及湍流交换引起的动量下传 ,是该地边界层急流产生的重要机制 ;而丘陵山区特有的空悬逆温的发生发展 ,则是急流得以持续的关键因素     

丘陵山区低空急流特性分析

利用丘陵区边界层实测资料，分析了该地区８－９月份低空急流的特征及其演变规律；并从测站所处的地理环境，山凰 地形的力差异以及适中的风平流作用等，探讨了测站上空逆温的形成及其对低空急流的形成和维持作用，根据地形热力差所导致的气压斜压性，研究了低空急流的生消可能机制。     

延庆-张家口地区复杂地形冬季山谷风特征分析

基于2016年12月—2017年2月和2017年12月—2018年2月两年冬季的近地面自动气象站逐时观测数据以及张家口探空数据分析延庆-张家口一带（包括张家口崇礼、赤城、海坨、小五台山区,延怀、怀涿、洋河、蔚县盆地以及北京延庆、昌平、怀柔部分平原地区）复杂地形的风场精细化时、空分布特征,揭示不同复杂地形下局地风场的时、空变化规律,加深对复杂地形动力、热力作用对近地面风场影响的认识,为冬季山区风场预报以及复杂地形数值模式改进提供参考。结果表明:晴朗小风天风持续性作为矢量平均风速和标量平均风速的比值,可以作为研究风场变化规律的重要参数。根据风持续性的日变化特征,可以将研究区域内所有站点分为10种类型,分别代表不同局地地形特征的影响,风持续与风向变化的相关也很强。研究区域主要有3种类型的地形风:斜坡风、峡谷风以及较大尺度的山区平原风。不同地形特征下的风场、风持续性存在明显不同的日变化特征,山风和谷风相互转化的时间也不同,山区最早,盆地次之,平原区最晚;山风时段持续时间较谷风时段长,风速小;晴朗小风天实测风反映了实际风场的特征,而排除环境背景风场,弱化地形动力作用后整个冬季的局地风作为理论山谷风,更能反映热力作用下的山谷风特征。      

广州地区旱季一次典型灰霾过程的特征及成因分析

通过研究2009年11月广州市气溶胶颗粒物质量浓度(PM10、PM2.5、PM1)、黑碳浓度、散射系数(Scatter)等大气成分要素,以及微波辐射计、激光雷达及风廓线雷达所探测的风、温、湿等边界层结构,统计分析广州旱季一次典型灰霾过程(2009年11月23—29日)中气溶胶颗粒物及其光学特性的时空变化特征,并配合天气形势背景、边界层结构对其形成原因进行详细分析。在典型灰霾过程中,黑碳浓度高达58.7μg/m3,散射系数高达1 902.7 Mm-1,PM10浓度高达423.5μg/m3,PM2.5浓度高达355.7μg/m3,PM1浓度高达286.5μg/m3。通过对同期的气象条件分析表明在广州地区旱季,区域性污染过程,特别是灰霾天气的形成具有以下三种气象条件:大气边界层高度较低;高压变性出海的天气形势与之密切相关;在偏东和偏南气流带来的高湿度环境下,气溶胶吸湿增长效应显著,导致出现严重灰霾天气。     

北京冬季城市边界层结构形成机制的初步数值研究

利用耦合了城市冠层参数化方案的MM5模式对2001年冬季北京地区一次典型的城市边界层过程进行成功模拟的基础上,对北京城市化作用、周边地形以及城市化进程发展对城市边界层结构的影响等问题进行了一系列的数值模拟试验。城市化作用的因子分离试验发现,城市化的总体作用即城市下垫面结构对大气热力及动力的综合影响导致了北京冬季城市边界层结构主要特征的形成。此外,揭示了城市结构的不同影响因子———动力因子、热力因子和热动力因子间的相互作用在北京冬季城市边界层结构形成和演变过程中的不同作用。在夜间,城市结构的动力因子对于城市边界层主要特征如市区悬浮逆温、近地层中小的风速及较强的湍流动能等的形成起着主导作用;在白天,城市结构的热力因子则成为影响市区混合层强度以及湍流运动特征等边界层结构的主导因素;热、动力因子间的相互作用对城市边界层结构的形成和演变也有着重要作用,但其影响特征比较复杂。北京周边地形作用的敏感性试验的结果表明,北京周边的特殊地形条件对城市边界层热力结构特征如悬浮逆温层及城市热岛等的结构及分布特征的形成也有着明显的影响,使其具有特殊的局地化特征,同时,它也是北京地区近地层主要气流特征的强迫源。不同城市化程度的敏感性试验结果揭示,随着北京城市建筑高度和密度的增加,市区风速将减小、湍流动能将加强,夜间城市悬浮逆温层底的高度会有所提高,城市热岛的强度也将加强,并可能在白天出现比较明显的城市热岛效应。     

2019年冬季北京海陀山局地环流特征及机理分析

海陀山作为北京冬(残)奥会的主要室外赛场之一,其复杂的地形对风场的精细化预报提出了严峻的挑战,亟需开展加密的风场观测提高对复杂地形下局地环流特征及其影响机理的认识,并为提升赛区精细化预报与服务提供数据支撑.基于2019年度海陀山观测试验,利用加密自动气象站、激光测风雷达、涡动相关仪、云高仪等多源数据,对海陀山风场的水平...     

The Effect of Orography on Evaporation

The effect of orography on the spatial variability of surface evaporation is studied numerically for two hill heights and two prescribed forms of surface resistance. A numerical model of the planetary boundary layer carrying scalars of temperature and specific humidity, and with a surface energy balance scheme, is employed. It is found that the difference in mean evaporation between model runs with hills and analogous runs for flat terrain may be explained primarily by an increase in surface area and adiabatic cooling at the hill surface.     

太行山地形影响下的极端短时强降水分析

2015年8月2日午夜和2011年8月9日前半夜,在两种不同天气系统背景下太行山东麓都出现了小时雨量超过50 mm的极端短时强降水天气,两次过程都是雷暴先在太行山区触发加强,经过下山2 h先后在丘陵站平山和山前平原站石家庄市区产生极端短时强降水。利用常规探测资料、地面加密观测资料、石家庄SA多普勒天气雷达资料,对不同天气系统背景下太行山特殊地形影响的极端短时强降水成因进行分析。结果表明:偏东气流被南北向的太行山地形强迫抬升,且与下山雷暴出流形成中尺度辐合线触发新的雷暴,雷达回波呈现后向传播特征和列车效应造成局地极端短时强降水。太行山地形通过增强辐合上升运动、增大垂直风切变使雷暴下山加强。不同天气系统强迫下,太行山特殊地形对雷暴发展作用不同。在偏西气流引导下,暖区极端短时强降水由阵风锋触发,具有突发性、降水时间短、伴随风力大的特点,下山雷暴出流加快且与山前偏东风的辐合加强,陆续在丘陵区和山前平原触发对流与下山雷暴合并加强造成极端短时强降水;而在东北气流引导下,回流冷锋和阵风锋共同触发的极端短时强降水具有持续时间较长、降雨总量较大、伴随风力较小的特点,太行山东坡对东北冷湿回流有阻挡积聚作用,东北偏北来的雷暴出流边界西端在迎风坡上强迫抬升使雷暴触发并加强,东北气流遇山后发生气旋性偏转使雷暴出流转向东南下山,与平原的偏东风辐合加强,造成丘陵区和山前平原的总降雨时间更长、降雨总量更大。     

Turbulence intensity and turbulent kinetic energy parameters over a heterogeneous terrain of Loess Plateau

A deep understanding of turbulence structure is important for investigating the characteristics of the atmospheric boundary layer, especially over heterogeneous terrain. In the present study, turbulence intensity and turbulent kinetic energy (TKE) parameters are analyzed for different conditions with respect to stability, wind direction and wind speed over a valley region of the Loess Plateau of China during December 2003 and January 2004. The purpose of the study is to examine whether the observed turbulence intensity and TKE parameters satisfy Monin-Obukhov similarity theory (MOST), and analyze the wind shear effect on, and thermal buoyancy function of, the TKE, despite the terrain heterogeneity. The results demonstrate that the normalized intensity of turbulence follows MOST for all stability in the horizontal and vertical directions, as well as the normalized TKE in the horizontal direction. The shear effect of the wind speed in the Loess Plateau region is strong in winter and could enhance turbulence for all stability conditions. During daytime, the buoyancy and shear effect together constitute the generation of TKE under unstable conditions. At night, the contribution of buoyancy to TKE is relatively small, and mechanical shearing is the main production form of turbulence.     

采用次网格地形方案对白鹤滩水电站坝区一次大风天气的数值模拟

基于中尺度气象模式,采用次网格地形方案模拟了2019年3月19~20日四川、云南交界处白鹤滩水电站的一次大风过程,对10 m风速、风向和2 m温度空间分布及日变化的模拟结果进行检验评估,并结合地形分析了坝区易产生大风的原因。结果表明:此次西南大风天气是由高低空一致的西南气流配合地面“东高西低”的环流形势共同造成的。午后热低压发展强盛,地面风速增大,坝区出现8级大风。采用次网格地形方案后,风速的平均绝对误差和均方根误差最高可分别减小17%和14%,同时该方案有效地缓解了模式对白天风速的低估和夜间风速的高估,在大风和小风时段均对风速有较好的模拟能力,从而能更好地刻画风速的日变化特征。综合来看,次网格地形方案能显著改善风场的模拟效果,其中Jiménez方案更适用于坝区大风的模拟,但次网格地形方案对温度模拟没有改善作用。白鹤滩水电站的大风受局地地形影响极大,南北向狭长河谷地形产生的狭管效应使气流增速显著,坝区主体高度区河谷风的放大系数超过3.0,使得白鹤滩水电站极易出现灾害性大风天气。      

Numerical Study of Winter Urban Boundary Layer Structure over Beijing Area

1. Introduction The urban canopy layer (UCL) (Roth, 2000) is defined as a layer in the vertical structure of urban boundary layer (UBL) ranging from the surface to the top of buildings. The urban infrastructures within UCL, such as buildings with different heights, the het- erogeneity of urban land cover and the anthropogenic activity, all directly influence the thermal and dynam- ical structures of atmosphere and net radiation budget at the surface, meanwhile, affect the structure of ur- …     

延安市冬季边界层风、温场特征分布

本文利用1985年12月25日—1986年1月9日的实测资料,分析了延安市冬季边界层风、温场特征。结果表明:延安市冬季低层逆温持续时间长、强度大,逆温持续期近地面几十米表现为混合层结构。边界层风场十分复杂,时空变化大,地面常为小风状态,风向、风速沿垂直方向有明显切变,低层流场有显著渠道效应,山谷风明显。     

西宁市大气环境风险模拟研究

利用中尺度气象模式模拟了特殊地形下的气象变化特征,通过CALPUFF模拟了大气环境风险事件的精细化扩散特征。结果表明：西宁市地面风特征与河谷地形走向基本一致,典型风场表现为湟水河谷盛行西北和东南风,北川河谷则多为偏北风。由于青藏高原昼间强烈的山坡辐射增热和致使低空出现逆温层频率高,强度大,不利于污染物在垂直方向的扩散,河谷剖面模拟温度场的结果显示等高度山坡附近比河谷中心的温度大约高1.5℃。CALPUFF烟团轨迹模式能较好地应用于西宁市大气环境风险事件的模拟研究,模拟结果能清楚描绘出污染物沿河谷输送与扩散的初始状况和细致分布,同时在复杂地形和气象条件影响下出现山体对烟团的阻碍效应、烟团因流场在山脊处出现形变以及山谷风环流影响等非定常扩散现象,扩散轨迹符合复杂地形和气象条件影响的特征和规律,模拟结果对准确预估大气环境风险事件在复杂地形和气象条件下城市中的扩散特征、影响范围和程度具有重要意义。     

近海岸风速衰减特征及形成机理分析

为更好理解沿海区域近地面风速衰减规律及其内在机制并获取适用于业务观测风速数据的分析方法,通过引入内边界层厚度的发展机理,推导获得风速随离岸距离变化的数学解析拟合式。结合浙江省温州市境内一沿海区域6个自动气象站2014—2019年逐时风速观测数据应用该拟合式分析了风速随离岸距离的关系,结果表明不管是逐时风速还是逐日最大风速,其平均值均与离岸距离有着良好的负相关,并发现其衰减系数与风速有着密切关系。向岸流及离岸流的风速衰减特性均可以结合该拟合式用线性及幂数律拟合来体现,但后者可以更好地解释风速随离岸距离变化特征,并在较大风速(3~10 m/s)向岸流的背景条件下,获得合理可信的分析结果,说明该方法可以适用于近海岸区域风速观测数据的应用研究。      

一次冷锋过境后的边界层结构

本文利用声雷达探测、80米铁塔观测的风、温资料和探生资料,结合天气图分析,讨论锋后强天气过程的边界层结构。结果表明,冷锋后大风的形成是与高层下沉冷空气有着密切的关系,并与边界层过程也有密切的联系。 资料分析表明,大风天气过程的形成可能是下沉运动引起的边界层动量和热量输送相互作用的结果。     

复杂地形下北京雷暴新生地点变化的加密观测研究

2008 年8 月14 日北京发生了雷暴群形式的局地暴雨,雷暴新生地点复杂多变,形成了多个γ 中尺度的强降水中心。本文利用近年来北京气象现代化建设取得的加密地面自动站、多普勒雷达、风廓线仪、微波辐射计等多种新型高时空分辨率观测资料及雷达四维变分同化系统（VDRAS）反演资料,通过精细分析地面（边界层）风场、温度场等的演变特征,讨论了雷暴新生地点变化的机制。结果表明:复杂地形与雷暴冷池出流作用相结合,主导了雷暴新生地点的变化,进而影响γ 中尺度强降水中心的变化;天气尺度高低空涡、槽的配合不一致,并且系统移动缓慢,以及对流层低层的弱的环境垂直风切变,是雷暴冷池结合复杂地形发挥雷暴新生地点主导作用的重要前提;复杂地形使得冷空气在一定范围内流动,在边界层产生碰撞和辐合,起到触发和增强对流作用,并使得对流风暴的形态和走向与地形呈现出紧密相关性;一定强度的冷池出流、边界层前期的暖湿空气和对流不稳定能量的积累,是冷池出流触发雷暴新生和演变的必要条件;北京周边地区的雷暴,通过其雷暴冷池出流沿着沟谷地形或向平原地区流动,与北京山谷或城区的边界层暖湿空气形成辐合抬升机制,触发雷暴新生。     

冬奥会延庆赛区降雪与边界层东风的关系

受特殊地理环境影响,北京地区冬季降雪常与边界层东风相伴,边界层东风所引起的水汽输送和动力辐合效应对降雪发生发展有重要意义.不同于已有边界层东风对平原地区降雪影响的研究,本文结合2022年冬奥会北京延庆赛区的地形特征,对比相似天气背景下不同温湿特性、不同发展高度的边界层东风对降雪的作用机制,研究表明:(1)途经渤海湾的路...     

Impact of the Diurnal Cycle of the Atmospheric Boundary Layer on Wind-Turbine Wakes: A Numerical Modelling Study

The wake characteristics of a wind turbine for different regimes occurring throughout the diurnal cycle are investigated systematically by means of large-eddy simulation. Idealized diurnal cycle simulations of the atmospheric boundary layer are performed with the geophysical flow solver EULAG over both homogeneous and heterogeneous terrain. Under homogeneous conditions, the diurnal cycle significantly affects the low-level wind shear and atmospheric turbulence. A strong vertical wind shear and veering with height occur in the nocturnal stable boundary layer and in the morning boundary layer, whereas atmospheric turbulence is much larger in the convective boundary layer and in the evening boundary layer. The increased shear under heterogeneous conditions changes these wind characteristics, counteracting the formation of the night-time Ekman spiral. The convective, stable, evening, and morning regimes of the atmospheric boundary layer over a homogeneous surface as well as the convective and stable regimes over a heterogeneous surface are used to study the flow in a wind-turbine wake. Synchronized turbulent inflow data from the idealized atmospheric boundary-layer simulations with periodic horizontal boundary conditions are applied to the wind-turbine simulations with open streamwise boundary conditions. The resulting wake is strongly influenced by the stability of the atmosphere. In both cases, the flow in the wake recovers more rapidly under convective conditions during the day than under stable conditions at night. The simulated wakes produced for the night-time situation completely differ between heterogeneous and homogeneous surface conditions. The wake characteristics of the transitional periods are influenced by the flow regime prior to the transition. Furthermore, there are different wake deflections over the height of the rotor, which reflect the incoming wind direction.     

华南一次暖区暴雨的演变及云微物理机制模拟研究

利用WRF v4.0中尺度模式及0.25 °×0.25 °高分辨率的GDAS分析资料,对2017年6月15日发生在华南的一次典型暖区暴雨过程进行数值研究。多源观测资料对比分析表明,Thompson aerosol aware云微物理方案与YSU边界层方案组合合理再现了此次暴雨的演变过程。观测与模拟的强风速下传、低层风场切变及降水之间存在较好的对应关系,强的雷达反射率与水汽通量散度中心一致。在中尺度对流系统（MCS）发展和成熟阶段,冷池的出流抬升是新生对流的重要触发条件,地形的动力抬升作用并非主导。云微物理分析指出,由于华南上空充沛的水汽及过冷雨水,雪的最大来源项表现为水汽凝华成雪,而霰的最大来源项为过冷雨滴碰并冰晶、雪并冻结成霰。在零度层之下的1.5 km区域,冰相粒子的融化率可达暖雨过程（1×10-4g/(kg·s)的2倍,暗示其在融化层对雨水形成的支配作用,而雪霰的重力沉降扮演了重要角色。此外,相变过程显著影响着大气的温度变化,当对流云底较低时,低层的水汽凝结将抵消雨水蒸发导致的冷却作用,减弱地面冷池的强度。      

不同参数化方案对风预报效果影响个例研究

中尺度气象模式对风场的预报效果与参数化方案的适应性紧密相关.以内蒙古高原丘陵地形、江苏平缓的海陆交界地形2种典型下垫面试验风电场为模拟区域,分别用WRFV3.2 （Weather Research and Forecast Model）模式自带的6种物理过程参数化组合方案预报了2010年1月和7月两个风电场区域的风速和风向,对比分析了参数化组合方案差异对风场预报的影响.结果表明：①内蒙古试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;微物理方案WSM3在夏季的风速预报能力优于WSM6,而冬季相反;复杂地形区域的风场预报需考虑陆面过程参数化方案,尤其是夏季降水发生后,陆面过程对于边界层结构的影响增大,选用Noah优于无陆面过程.②江苏试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;1月陆面过程RUC方案优于陆面热量扩散和Noah;7月陆面热量扩散方案优于RUC和Noah.③风向预报6个方案的预报风向统计与实际记录风向统计有较好的一致性,风向概率分布相似,盛行风向一致且稳定.