行星大气有效位能理论之进一步探讨

本文讨论了从两种观点(方法)出发推导的有效位能数理表达式。即Lorenz(1955)导出的欧拉观点有效位能表达式和Smith(1969)[2]导出的拉格朗日观点表达式。本文用拉格朗日方法重新推导的P坐标有效位能表达式与Smith方法有异。在此基础上,重新推导了有效位能平衡方程并讨论了其中的效率因子问题。指出,用欧拉方法不可以得到所谓效率因子。      

粤东复杂地形上空的大气湍流强度及扩散参数

在具有复杂下垫面的粤东梅州市采用追踪平衡球的双经纬仪观测和美制ＧＩＬＬ三轴风速仪观测，分别测定了该地区拉格朗日系统和欧拉系统的湍流脉动量。然后用不同参照系的泰勒公式，分别计算出大气的水平和垂直的湍流强度及扩散参数，并与ＰＧ法之计算值和ＢＮＬ实验结果比较，发现距地面１００ｍ以上高空在各类稳定度层结条件下大气扩散参数均比ＰＧ值和ＢＮＬ值偏大。     

基于欧拉观测的大气扩散参数计算方法

利用超声风速仪对吉林省敦化市大石头镇进行了夏、冬季各10 d的观测。根据大气湍流扩散参数统计理论,利用欧拉观测的风速资料求解正态扩散模式中的大气扩散参数。结果表明:2005年夏季和2007年冬季B—F类稳定度的σy和σz均呈减小趋势,横轴y方向的总体扩散水平大于垂直方向z轴的总体扩散水平。夏季的σy在B—D类明显高于冬季的σy,且随着水平距离的增加更为明显;E—F类,夏季的σy在x=100 m处,略低于冬季,但随着水平距离的增加,夏季的σy比冬季的σy增加更快;夏季的σz在B—F类均高于冬季的σz,且随着水平距离的增加更为明显。该计算方法具有可操作性和实用性,可作为研究该地区大气湍流扩散规律和污染模式选取参数的依据。     

利用测温声雷达回波图估算大气扩散的一种参数化方法

本文提出了一种基于湍流扩散统计理论的利用声雷达回波图估算大气扩散参数的新方法。这种新方法,仅需要从声雷达回波图上读出边界层结构的信息并取得常规地面测风资料,即可利用参数化公式进行计算,不需进行Pasquill稳定度分类。 所应用的参数化公式用外场观测资料进行了检验,表明公式计算结果与观测值比较符合。这种方法计算得到的扩散参数也与P-G扩散曲线进行了比较。     

半拉格朗日平流内在耗散的定量分析

因在估计每一空气微团的出发点上的流场值时运用了插值方法,所以,半拉格朗日平流方案是耗散的。本文用一、二、三、四次精度的拉格朗日插值方案的放大因子计算了耗散衰减的时间尺度,以及产生的有效涡动粘滞系数(为波长和Courant余数的函数)。然后把半拉格朗日平流方案的内在耗散同许多传统的耗散形式(如拉普拉斯或双谐涡动粘滞)作了比较。着重说明了半拉格朗日平流和许多传统的欧拉技术的一致性。还利用所选择的严谨参数是符合守恒规则的观点,讨论了耗散对时间步长和格距的依赖关系。     

Cascade插值方法在GRAPES模式中的应用

基于半拉格朗日 (semi-Lagrangian) 方案的数值天气预报模式, 求解半拉格朗日轨迹上游点变量, 通常采用传统直线逐点拉格朗日多项式插值, 由已知模式格点 (欧拉网格点) 的数值插值获得。对于三维空间上游点的插值, N阶精度需要O(N3) 运算量。N增大, 运算量将大幅增加, 特别耗费计算机机时, 而采用Cascade插值法 (降阶插值法) 则只需要O(N) 运算量。它的显著特点是:用曲线代替直线, 通过一系列中间过渡网格点, 在曲线上用一维拉格朗日插值, 使得相邻拉格朗日格点或中间过渡点的插值不再是孤立的, 而且可以重复使用某些中间结果, 达到减少运算量的目的。将这种方法合理应用于GRAPES模式, 并根据模式的特点, 对Cascade插值过程中独立变量的距离分段计算, 从而有利于实现并行计算。计算结果表明Cascade插值法与传统直线逐点插值法相比, 计算效率平均提高约30%, 同时不降低精度。     

用双平衡气球组确定扩散参数

用观测平衡气球轨迹的方法计算扩散参数已成为我国普遍采用的方法之一。此项计算通常采用Hay and Pasquill方法。有些采取每次同时释放两个平衡气球的方法按本文(3)式计算,得到的只是描写“相对扩散”的参数,不能应用于连续点源的扩散计算。本文用相继释放的双平衡气球组的轨迹资料,计算得到了通常意义下的扩散参数。结果表明,只要资料组数充分多,同样有较好的代表性,处理方法却比Hay and Pasquill方法简单。进一步分析了横向扩散参数与采样时间的关系,同样得到了符合一般规律的结果。     

集合KALMAN滤波和最优插值方法在不同观测分布的比较理想试验

目前一种比较流行并且可行的同化方法-集合Kalman滤波(EnKF)能够计算依赖于流的误差统计量。理论上,EnKF能够比最优插值、三维变分等更准确地计算误差统计量,能更好地融合背景场和观测场的信息。作者利用二维平流扩散方程经过10天的同化循环,比较不同观测分布的情况下EnKF和最优插值(OI)的模拟能力。理想试验结果显示,随着观测分布密度的减小,尤其是当观测的分辨率大于OI估计的相关尺度时,集合Kalman滤波的结果比最优插值有更明显的改进。     

北京城市大气混合层与气溶胶垂直分布观测研究

2002年3～10月在北京大学利用微脉冲激光雷达(MPL)观测了气溶胶时空变化。提出一种反演混合层高度的方法,这种方法减小了仪器订正的误差,反演的混合层高度与探空测量结果有很好的一致性。利用该方法计算了观测期间晴天无云天气条件下的混合层高度,分析了混合层高度及其增长率的日变化、季节变化,初步研究了混合层高度和近地面气溶胶分布的相互关系,分析了表征大气扩散能力的通风系数的日变化。结果表明,利用MPL监测城市混合层是可行的和优越的。     

玛纳斯电厂冬季大气扩散的试验研究

在进行大气环境质量的评价和预测时,对大气扩散规律的分析是十分重要的.目前普遍采用的方法之一是用观测平衡气球轨迹的方法计算扩散参数.本文对1989年冬季,在玛纳斯电厂用平衡气球轨迹法进行的大气湍流扩散试验资料作了分析计算,并与P-G(帕斯圭尔一吉福德)结果进行了比较,提出了厂区不同稳定度条件下的大气湍流扩散参数σ_y和σ_z,为研究和摸清该区大气污染物的扩散能力提供了依据.     

城市扩散参数的综合测定与研究

利用常州市城市边界层风、温场及湍流场的综合观测资料,对该地区大气扩散稀释能力进行了全面系统的分析,总结出一组适合平原地区中等城市的扩散参数计算公式。研究表明,城市贴地层及高层的湍流扩散特征有明显差异,应该用不同的扩散参数计算近地面面源和高架点源的浓度分布。在此基础上,首次提出了按高度层次划分的城市扩散参数体系。实际监测资料的验证结果,表明该组公式的模式计算效果甚好。     

修正的拉朗日K模式及其在区域尺度中的应用

本文建立了模拟区域尺度的大气污染物输送与扩散过程的拉格朗日Ｋ模式，该模式结构简单，计算量小。初始浓度场采用高斯烟流扩散模式确定大气污染物的垂直分布，克服了区域模式在近距离短时间预测浓度精度不高的缺点。应用修正的拉格朗日Ｋ模式预测上江苏省区域排放的ＳＯ２在大气中输送与散布过程，验证结果表明该模式的精度能够满足区域环境污染物分布预测等环境应用的需要。     

内蒙古东北部地区一次极端降雪过程的水汽输送特征

利用内蒙古呼伦贝尔市常规观测资料和GDAS、NCEP/NCAR再分析资料,采用欧拉方法分析了2016年春季内蒙古东北部地区一次极端暴雪过程的水汽输送及收支特征,利用HYSPLIT模式和聚类分析模拟计算了此次暴雪天气过程的水汽源地、主要水汽输送通道及其对水汽输送的贡献,并与传统的欧拉方法结果进行对比。结果表明:(1)有3支不同源地的水汽流在内蒙古东北部地区交汇,对呼伦贝尔地区暴雪的发生与维持有重要影响;(2)经向和纬向输送为此次暴雪天气的发生提供了充足的水汽,暴雪区水汽主要源于中高层的南边界和随西风气流的西边界;(3)利用HYSPLIT模式模拟发现,在此次暴雪天气过程中水汽主要来源于新地岛以西洋面、日本海以及巴尔喀什湖,且三者贡献率大致相当。     

牙克石地区大气扩散试验分析

利用牙克石电厂野外平衡球观测资料分别计算了不同稳定度下的大气扩散参数,并与其他结果进行了比较,揭示了牙克石地区大气湍流扩散特征。试验结果仅适用于远距离的高架源排烟计算。     

南票地区大气扩散参数实测计算

利用南票地区野外平衡球观测资料分别计算了不同稳定度下的大气扩散参数,并将不同稳定度下的结果与其他扩散参数进行了比较。结果表明:在不同条件下,由于南票地区地形相对复杂,该地区的σy和σz值均大于同级Briggs公式给出的结果;试验结果仅适用于远距离的高架源排烟扩散计算,而对于近距离(如2 km以内),则需采用其他试验结果。     

热浮升烟流扩散的拉格朗日粒子模拟

本文建立了一个处理对流边界层热浮升烟流扩散的拉格朗日粒子模式。模式既考虑了对流边界层的特殊气流结构，并作了均匀湍流参数化的简化；同时提出了在拉格朗日模式中合理计入热浮升烟流抬升影响的近似方法。模拟计算结果表明:烟流热浮力的影响使得地面最大浓度值远比被动烟流的低，而且出现位置离源更远。模式计算与外场试验结果合理地一致。模式物理概念明确合理，输入参数少，计算量小，具有简单实用的优点，适合日常环境应用需要。     

大气扩散参数估算方法的适用性研究

本文对Pasquill估算大气扩散参数的方法在城郊复杂地形条件下的适用性进行了研究.采用近几年来,大气边界层理论和观测研究的结果,以Pasquill估算扩散参数方法对上海宝钢地区的大气扩散参数进行了计算,并与1984年上海宝钢地区SF_6示踪大气扩散实验的结果及平衡球实验结果进行了比较,具有较好的一致性.     

一次湖南暴雨过程β中尺度系统分析与模拟

利用常规观测资料、卫星观测的高时空分辨率TBB资料和NCEP 1°×1°再分析资料,对2010年6月19-20日湖南一次大范围暴雨过程β中尺度系统活动特征进行了分析,并利用中尺度模式WRF对暴雨过程进行了数值模拟研究。结果表明:(1)在有利的大尺度环境条件下,存在多个β中尺度系统,主要强降雨团与地面中尺度辐合线活动相联系。(2)卫星资料分析显示,该β中尺度系统首先在α中尺度对流云团前部生成,新的β中尺度系统总是在母体对流云团前被激发出来。(3)模拟输出的高分辨率资料分析结果与观测实况相一致,β中尺度系统首先在天气尺度低涡的前部生成,并有多个β中尺度系统同时活动;在中尺度系统活动过程中,β中尺度系统向下游传播,并存在合并现象。(4)强烈发展的β中尺度系统具有从地面延伸到200 hPa以上的正涡度柱,并配合中低层辐合和高层辐散的散度结构。     

footprint方法在湍流扩散分析中的应用

引入通量footprint分析方法,结合广西白龙核电厂拟建厂址的湍流实测资料,分析了观测站点不同方向上的通量footprint,并由此确定了水平扩散尺度及水平扩散时间,最终估算了水平扩散参数。与环境评价导则中推荐的扩散时间计算所得的水平扩散参数进行了对比分析。结果表明,离岸流的扩散参数比向岸流大,有利于湍流扩散,从而证明扩散参数具有偏保守性和局地扩散的特性。分析表明,footprint方法在湍流扩散参数分析中具有实际的应用价值。     

改进的UD模式及其在海洋碳循环中的应用

针对政府间气候变化专业委员会历次报告中"表层—深层"海水间碳通量的差异,利用改进的"上升—扩散"(upwelling-diffusion,UD)模式模拟海洋碳循环状态。除了改进模式结构外,还建立了直接计算海洋溶解无机碳(dissolved inorganic carbon,DIC)δ13C分布的控制方程。区别于目前广泛采用的深度参数的方法,直接利用沉积物捕获器的观测计算分解流量,减少了参数的引用。为更加符合海洋生物地球化学循环,采用地球化学海洋断面研究计划GEOSECS(Geochemical Ocean Sections Study)的海洋磷酸盐分布来标定两个深海动力参数:垂直扩散系数3 000 m2/a和上涌速率3.5 m/a,从而得到温跃层平均深度为860 m,这些参数都在直接观测和其他模式标定的结果之间。通过复原稳定状态下DIC分布并与GEOSECS的观测进行对比,得出自产业革命到20世纪70年代中期的海洋吸收大气CO2约为78 Gt C(Gigatonnes Carbon,1 Gt=1×1015g),与其他的模式估计及观测计算结果相吻合。模式模拟的"混合层—深层"海水间的碳通量为46 Gt C/a,远小于IPCC第四次报告(101 Gt C/a)而与第三次报告(42 Gt C/a)的估算相一致,但仍小于δ13C质量守恒法确定的范围(60~80 Gt C/a)。