山峰加热效应的数值试验研究

已有的资料分析和理论研究表明,山峰加热效应是形成冬季兰州市白天脱地逆温的主要原因。本文利用中尺度数值模式MM5,从数值试验角度研究了兰州市白天温度场和环流场的结构特征。模拟结果表明:冬季,白天日出后的皋兰山峰相对于周围空气是一个热源,在环流场的配合下,皋兰山峰的暖空气向市区上空输送,与河谷温度较低的冷空气形成了白天的脱地逆温;理想"削山"试验的结果表明,山峰海拔越高的山体,加热效应越明显,山谷城市的大气逆温强度和稳定度随着山峰海拔高度的降低而减小。数值试验结果进一步验证和补充了观测和理论分析的结论。     

中尺度模式对冬季兰州市低空风场和温度场的数值模拟

利用美国NCAR新一代中尺度模式MM5V3，对山谷城市兰州冬季风场和温度场进行了数值模拟研究。模拟结果与现有理论及观测事实基本一致。表明MM5V3中尺度模式可用于研究山谷城市的大气边界层情况，模式能够较好地模拟山谷城市冬季边界层的风场和温度场特征，模拟结果分析表明，位于河谷盆地内的兰州，冬季近地面风场是山谷风环流和城市热岛环流共同作用的结果，冬季夜间地面流场辐合明显，低空盛行东风，夜间距地300m左右，风向转变为偏西风，白天风向转变高度高于夜间，大约在500m以上；冬季温度场逆温特征明显。     

WRF模式对山谷城市边界层模拟能力的检验及地面气象特征分析

利用先进的WRF中尺度模式中3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2),模拟了2005年1月25~28日兰州市冬季地面温度和风速的变化,并与同期系留探空和自动气象站的实测资料进行了对比分析。结果表明:对兰州冬季大气边界层地面温度日变化的模拟,局地闭合的MYJ方案优于非局地闭合的YSU和ACM2方案;3种方案模拟的夜间位温廓线较好,白天的较差;在边界层低层,考虑局地和非局地闭合的ACM2方案模拟的位温廓线与观测值比较一致;在边界层上部,局地闭合的MYJ方案则更适合于描述大气湍流对位温垂直分布的影响;3种边界层参数化方案模拟的兰州地区冬季温度场空间分布特征相似,但MYJ方案模拟的夜间温度低于YSU和ACM2方案,白天则高于YSU和ACM2方案。     

辽宁中部城市群边界层气象场的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5模拟和分析了辽宁中部城市群各个季节的边界层气象场特征.模拟结果显示:在边界层内,由流场的分布造成污染物的滞留最有可能发生在冬季,其它季节由于各自的原因会使污染物疏散而不易造成污染.同时,逆温也是导致污染物堆积的一个重要原因,研究表明对于城市群内的5个城市,逆温现象主要出现在冬季,在其它季节不常见.另外,一旦近地层湿度大到可以形成雾,在冬季会使大浓度的污染物附着在上面,对人体健康构成很大的威胁.     

绿洲与荒漠相互影响下大气边界层特征的模拟

用发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式模拟了绿洲与荒漠相互影响下的大气边界层特征。得到了绿洲和临近荒漠之间的边界层高度、风螺线、风速廓线、位温廓线和比湿廓线的差别,并给出了绿洲对其上游和下游荒漠大气的不同影响。基本再现了白天绿洲大气逆温和临近绿洲的荒漠大气逆湿。模拟实验研究不仅验证了外场观测结果,而且也使我们对复杂下垫面边界层结构有了一些新的认识。     

WRF模式不同边界层参数化方案模拟兰州冬季边界层高度的研究

本文利用WRF模式中YSU、MYJ和ACM2三种不同的边界层参数化方案,模拟了2005年1月20-31日兰州市冬季大气边界层高度,并将模拟的边界层高度与同期系留探空资料位温廓线法计算的大气边界层高度进行了比较分析,从闭合方法和混合层高度计算方法等方面探讨了各个方案模拟结果的差异。结果表明:三种不同的参数化方案均模拟出了兰州市冬季边界层高度日变化的基本特征,其中,MYJ方案明显偏高,YSU和ACM2方案次之;统计分析结果显示,ACM2方案能较好地模拟兰州市冬季边界层高度。     

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。     

蒙自地区冬季边界层逆温特征

采用云南省蒙自探空站2010年和2011年冬季的高分辨率探空资料,统计分析蒙自地区边界层逆温特征。结果表明：蒙自地区冬季边界层逆温出现的频率非常高,多出现2～3层的逆温结构。边界层逆温强度绝大部分不超过3℃,极值达到5℃。逆温厚度的变化范围较大,存在明显的早晚变化。逐日比较发现,逆温出现的时间和高度具有不规则性。     

白天谷地逆温层生消过程的数值模拟

本文用二维数值模式模拟了谷地白天边界层的发展过程.通过求解大气动力.热力学方程组.模拟出了谷地上空的温度场、流场以及在两种不同层结条件下的湍流动能q~2的分布特征.从而对白天谷地上稳定层结(或逆温层)的生消机制进行了初步探讨.模拟出的温度分布廓线等与有关实测资料基本一致.     

行星边界层中多极值风速廓线的研究

本文利用325米气象塔及声雷达探测资料分析了夜间平稳天气条件下行星边界层中风速出现多极值的现象。分析指出,多极值风速与边界层中多层逆温有密切的联系,当温度场出现多层逆温并维持一定的强度和时间后,便相应地出现了多层风速极大,风速极大值出现的高度在逆温顶附近或稍高。 文内还用一维非定常模式模拟了多极值风速廓线的形成。     

复杂地形城市冬季大气污染的数值模拟研究

采用中尺度大气动力模式与大气扩散模式相结合的方法，针对复杂地形条件下兰州市冬季无明显冷空气入侵天气过程时段（1994年12月2－3日）的大气污染状况，进行污染物（二氧化硫和烟尘）浓度分布的数值模拟研究，分析了模拟的风场的气温层结随时间的变化以及污染物浓度的分布及其变化，进一步分析了模拟的风场和气温层结与污染物浓度分布的关系。结果表明，该模式系统对兰州市大气边界层结构及污染物浓度的分布有较好的模拟能力，并证明了该模式系统可适用于兰州市大气质量预测预报研究。     

A Study of the Relationship between Air Pollutants and Inversion in the ABL over the City of Lanzhou

By analyzing the pollutant concentrations over the urban area and over the rural area of the city of Lanzhou, Gansu Province, China, the relationships between the daytime inversion intensity and the pollutant concentration in the atmospheric boundary layer (ABL) are studied with the consideration of wind speed and direction, potential temperature, specific humidity profiles, pollutant concentration in the ABL, the surface temperature, and global radiation on the ground. It was shown that the daytime inversion is a key factor in controlling air pollution concentration. A clear and positive feedback process between the daytime inversion intensity and the air pollutants over the city was found through the analysis of influences of climatic and environmental factors. The mechanisms by which the terrain and air pollutants affect the formation of the daytime inversion are discussed. The solar radiation as the essential energy source to maintain the inversion is analyzed, as are various out-forcing factors affecting the inversion and air pollutants. At last, a physical frame of relationships of air pollution with daytime inversion and the local and out-forcing factors over Lanzhou is built.     

东疆黑戈壁近地大气边界层气象要素季节变化规律

利用东疆红柳河黑戈壁下垫面陆气相互作用观测站2017年近地大气边界层梯度探测资料和红柳河气象站天气现象观测数据,分析该地区典型晴天条件下的近地层风速、温度和比湿的四季廓线特征。结果表明:四季近地层风廓线变化规律明显。典型晴天条件下,在0.5～4 m高度内风速随高度的增加而变大的速度较快,在4～32 m范围内,白天风速随高度增大较缓慢,但夜间出现快速增大;存在明显的夜间逆温,逆温层主要集中在4～32 m,冬季逆温强于夏季,晨间0.5～32 m间的温度差可达4.6℃,且红柳河四季的气温日较差均较大,秋季可达到15.7℃;夜间比湿高于白天,秋、冬季夜间逆湿层出现在10～32 m,其比湿差为0.15 g/kg左右,夏季无逆湿现象。     

A Study of the Relationship between Air Pollutants and Inversion in the ABL over the City of Lanzhou

By analyzing the pollutant concentrations over the urban area and over the rural area of the city of Lanzhou, Gansu Province, China, the relationships between the daytime inversion intensity and the pollutant concentration in the atmospheric boundary layer (ABL) are studied with the consideration of wind speed and direction, potential temperature, specific humidity profiles, pollutant concentration in the ABL, the surface temperature, and global radiation on the ground. It was shown that the daytime inversion is a key factor in controlling air pollution concentration. A clear and positive feedback process between the daytime inversion intensity and the air pollutants over the city was found through the analysis of influences of climatic and environmental factors. The mechanisms by which the terrain and air pollutants affect the formation of the daytime inversion are discussed. The solar radiation as the essential energy source to maintain the inversion is analyzed, as are various out-forcing factors affecting the inversion and air pollutants. At last, a physical frame of relationships of air pollution with daytime inversion and the local and out-forcing factors over Lanzhou is built.     

兰州近50a冬季气温变化及其可能原因分析

利用1960—2010年兰州等3站逐日观测资料,分析了兰州冬季气温变化及其可能成因。结果表明：近50 a兰州冬季气温、日较差、冷日数、冷积温及极端高、低温日数的变化速率均在1980s发生跃变。平均气温持续显著的增温,在1960s、1970s最低气温增温起主要作用,日较差、冷积温及极端低温日数显著减少,在1980s后由最低、最高气温共同增温所致,日较差减小变缓,冷积温稳定维持在较低水平,极端高温日数显著增加。大气环流异常和城市化共同影响,导致兰州冬季显著增温,二者对增温的贡献率分别约为37.24%和62.76%。1980s中期之后中高纬度欧亚上空对流层中层盛行纬向环流,两槽一脊的振幅减弱,西北地区位于中国上空异常反气旋西部偏南气流控制下,且同期城市热岛效应更加显著,这些均有利于兰州冬季增温。     

基于激光雷达资料的气溶胶辐射效应研究

利用新型激光雷达气溶胶探测资料及综合数值模式,以地形复杂的兰州市及周边地区冬季典型天气形势下的大气边界层为研究对象,通过理想试验模拟研究了城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用。结果表明:夜间,低空(50~600 m)气溶胶所在气层冷却效应明显,温度降低0.13~0.18℃,600 m高度以上,气溶胶浓度较低,其冷却效应较小,温度降低不足0.1℃;白天,受气溶胶短波辐射效应影响,边界层内增温明显,增温最大值位于低层脱地逆温层顶300 m高度附近,600 m以上由于气溶胶浓度减小,加热率亦降低,增温由0.2℃减至0.1℃。此外,气溶胶的存在使得所在层的风速降低。可见,激光雷达探测资料在边界层模式中有很好的应用价值,对于研究气溶胶辐射效应的大气边界层响应有重要意义。     

利用RAMS模式对山谷城市冬季局地风场的数值模拟

利用美国科罗拉多州立大学和MRC/ASTER发展的中尺度数值模式RAMS, 采用三重嵌套的方法, 模拟研究了兰州山谷地区局地环流特征。结果表明： （1）兰州市近地面流场以偏东风为主, 在城市东西部之间的狭窄地带, 风速相对较大些, 在东西部山谷城市中心区域有大片的静风区; 冬季兰州市山谷夜间是辐合流场, 白天是辐散流场。受城市热岛环流的影响, 白天热岛环流抑制谷风环流, 夜间增大山风环流, 夜间的山风风速大于白天的谷风风速。（2）白天, 兰州市区山顶和山谷之间上空气柱以下沉气流为主, 这主要是由于地形作用使得白天盛行谷风环流和山峰加热作用的共同影响。夜间, 兰州市区山顶和山谷之间上空以上升气流为主, 这主要是由于地形作用使得市区和山谷在夜间盛行山风环流, 但是冬天夜间兰州市区和山谷上空有较厚的逆温层存在, 抑制了气流的上升运动。（3）在午后13：00左右, 兰州市区山谷从近地面到400 m高度, 辐散场在逐渐减弱, 在510 m左右的高度转变为辐合场; 皋兰山顶上空从近地面到400 m高度, 辐合场在逐渐减弱, 在510 m左右的高度转变为辐散场。在凌晨01：00左右, 兰州市区山谷从近地面到400 m高度, 辐合场在逐渐增强, 到400 m高度达到最强, 从400 m到510 m高度又逐渐减弱; 皋兰山顶上空从近地面到220 m左右的高度, 辐散场在逐渐减弱, 在400 m左右的高度辐散场转变为辐合场, 从400 m到510 m左右的高度, 皋兰山顶的辐合场逐渐增强。     

乌鲁木齐冬季大气边界层温度和风廓线观测研究

为了进一步认识乌鲁木齐冬季大气边界层的结构特征及其对大气污染的影响,为改进城市空气污染预报和污染治理提供科学依据,利用2008年1月11—13日系留气艇对乌鲁木齐市城区大气边界层过程进行观测试验的资料,分析了观测期间乌鲁木齐风、温廓线和混合层厚度的变化特征,并探讨了大气边界层结构对乌鲁木齐大气污染的影响。结果表明:观测期间乌鲁木齐近地面全天存在悬浮逆温,且有时为多层逆温,大气层结稳定;受逆温层的影响,近地面全天风速都很小,均在4m/s以下,风向随高度变化规律明显;观测期间乌鲁木齐大气混合层厚度平均为274m。乌鲁木齐冬季大气边界层风、温廓线的特征及混合层厚度,对大气污染的影响作用显著,是造成该地区冬季多污染的主要原因之一。