热带西太平洋秋季低空大气温度层结的基本特征

本文利用现场考察资料,分析了热带西太平洋低空大气温度层结基本特征。发现其边界层内往往有多个弱逆温层存在,在2000—3000m之间也常有弱逆温层存在。     

热带西太平洋边界层的多层结构分析

本文主要利用第一次“中美热带西太平洋海气相互作用联合调查”所获得的海洋水文、气象及大气探测资料,分析了热带西太平洋暖水区边界层大气层结特征,指出热带西太平洋边界层大气具有多层结构和多层送温现象,边界层内各层厚度及气温、位温、混合比随高度的变化趋势如下:超绝热层位于地面以上50m左右,气温、位温、混合比迅速减小,系绝热不稳定层;第一层为混合层,平均厚度为351m,位温、混合比变化不明显;混合层上又是逆温层大多为30—100m厚,位温迅速增大,混合比迅速减小,系绝对稳定层;700—1000m为浅对流云活跃层,     

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。     

赤道西太平洋大气热结构及对流层顶变化特征的分析

本文主要利用TOGA-COARE强化观测期间“实验３”号船的探空资料，经分析发现:赤道西太平洋暖池中心区，对流层大气平均温度直减率为0.62～0.74℃/100 m，但是，在西风爆发期间，一般不低于0.68℃ /100 m；对流活动的强弱对对流层顶有重要影响；对流层顶与500 hPa、200 hPa等压面温度存在显著线性相关；平流层下部有逆温层、降温层交替出现的成层现象。 分析还发现，日平均的500 hPa、200 hPa温度、对流层顶、对流层顶上第一逆温层的厚度和逆温强度，都具有20～40天振荡的特征。文章分析认为，上述有关赤道西太平洋暖池区大气热结构的基本特征，体现了热带西太平洋夏半球大气的状况；积云对流活动对大气对流层中上部温度、对流层顶以及平流层下部的20～40天振荡的形成有重要影响。     

基于天津255m气象塔对近年天津近地面风和气温变化特征的研究

通过分析2010—2018年天津气象塔风、温度资料,对近年来天津城市边界层粗糙度、大气稳定度和逆温特征进行研究。结果表明:随着城市发展,气象塔周边各方向粗糙度和零平面位移明显增高,气象塔周边建筑物对80 m高度以下风场的影响较为明显。受湍流强度日变化影响,各季节中气象塔高层和低层风速日变化特征差异明显。通过温差-风速法计算大气稳定度发现稳定类层结多出现在秋冬季的夜间,稳定层结条件下逆温情况多发,其逆温强度、逆温层厚度和贴地逆温比例也明显高于不稳定和中性层结。天津城市热岛强度的时间分布表现出夜间强于白天,秋冬季强于春夏季的特征。城市热岛强度与大气稳定度时间分布具有一定相关性。     

北京市秋季城区和郊区大气边界层参数观测分析

应用2001年9月北京城区和郊区同步大气边界层观测资料,对大气边界层热力和动力参数进行了计算分析.结果表明:北京市秋季,逆温出现的时间城区滞后于郊区;逆温层高度城区大于郊区,200m通常为郊区的逆温层顶和城区的逆温层底部;逆温层强度城区弱于郊区;城市热岛强度为3℃;城区感热通量的输送大于郊区;城区下垫面粗糙度远大于郊区;郊区总辐射和紫外辐射的强度明显大于城区.     

青藏高原东部及下游地区冬季边界层的观测分析

利用2007年12月的加密探空资料, 对高原东部及其下游地区的边界层结构和高原东部边界层变化对下游大气的影响进行了分析。结果表明, 冬季青藏高原东部夜间近地面逆温层可以发展到平均500 m的高度, 白天混合层可以发展到平均2000 m的高度。白天混合层内水汽和风速混合十分均匀, 在混合层发展成熟时存在十分深厚的逆湿层。冬季青藏高原下游的四川盆地, 边界层内温度日较差小, 夜间逆温层把大量地表水汽截留在近地层, 日出前近地层水汽容易达到饱和。白天, 混合层在中午发展成熟, 平均高度只有300 m。四川盆地对流层下部存在非常强的逆温层, 该逆温层是青藏高原抬升地表加热和冬季盛行西风气流形成的, 逆温层变化是青藏高原东部边界层温度日变化和局地西风变化的共同结果。逆温层显著改变大气动量、 热量和水汽的垂直分布。与对流层下部逆温相联系的中层云对辐射的影响是造成四川盆地温度日较差和混合层高度变化的原因。     

基于旋翼无人机的大气边界层环境气象垂直观测及订正方法的研究

基于旋翼无人机开展大气边界层观测可为气象要素和大气污染物垂直结构的研究提供具有高时空解析能力的新方法,有助于深入理解低层大气物理化学变化机制。本文详述了旋翼无人机在开展大气边界层环境气象垂直观测实验的应用及优势。基于自主研发的旋翼无人机环境气象观测平台,通过开展传感器在无人机上不同的搭载位置,以及旋翼无人机与探空气球、高塔的对比观测实验,明确了旋翼无人机对气象环境观测的影响及合理的搭载方式。研究进一步在湖北重污染天气条件下开展了0—1000 m的大气边界层垂直观测,并研发了基于旋翼无人机姿态数据的大气边界层气象要素及污染物垂直观测的订正方法。结果表明:实验获取了2—10 m垂直分辨率的高质量大气廓线数据,可精细捕捉大气边界层及其逆温层高度和污染物浓度等要素的垂直变化特征。本文旨在为无人机观测的科研应用提供一种技术可行且数据可靠的观测手段。     

基于风廓线雷达的广东登陆台风边界层高度特征研究

针对8个登陆广东省的热带气旋,利用经过数据质量控制的风廓线雷达连续、高时空分辨率的风场观测数据,对热带气旋边界层特征进行了分析。研究结果表明:热带气旋边界层中切向风速大值区垂直范围越大、风速越强、持续时间越久,则热带气旋强度越大、登陆后强度维持时间越久。眼区外入流层厚度越大,入流层气流越强,热带气旋登陆后强度维持时间则越久。风廓线雷达信噪比垂直梯度对大气湍流信息有一定的指示作用,对于入流层高度在2000 m以下的热带气旋,其入流层顶所在高度与信噪比梯度最大值所在高度相近,对于入流层较为深厚的热带气旋,用信噪比垂直梯度确定的边界层高度虽接近入流层顶高,但仍有一定差距。不同特点的热带气旋其边界层高度并不相同,对于登陆后强度迅速减弱的热带气旋边界层高度在500~1000 m;登陆后强度持续时间短的热带气旋,其边界层高度约1000~2000 m;登陆后强度持续时间长的热带气旋,其边界层高度在2000 m之上,最高可达5000~7000 m。这些结果加深了对登陆台风边界层高度演变特征的认识。     

西北干旱区夏季大气边界层结构及其陆面过程特征

在中国西北干旱区影响大气边界层形成和发展的气候环境和大气环流背景都具有一定特殊性.文中用外场观测试验资料,分析了位于西北干旱区的敦煌荒漠夏季大气边界层气象要素结构特征,发现该地区无论白天的对流边界层还是夜间的稳定边界层均比一般地区更深厚.在夏季晴天,夜间稳定边界层厚度超过900 m,最厚可以达到1750 m,其上的残余层一般能达到4000 m左右的高度;白天混合层最高达3700 m,混合层顶的逆温层顶盖的厚度大约450 m,甚至更厚,对流边界层厚度能够超过4000 m,对流边界层进入残余层后发展十分迅速.研究表明,白天深厚的对流边界层是夜间保持清晰而深厚的残余混合层的先决条件,夜间深厚的残余混合层又为白天对流边界层的发展提供了一个非常有利的热力环境条件.该地区经常性出现连续性晴天使得大气残余层的累积效应得以较长时间持续发展,创造了比较有利于大气对流边界层发展的大气热力环境条件.同时,该地区陆面过程和近地层大气运动特征也为这种独特的大气热力边界层结构提供了较好的支持.就该地区发展超厚大气对流边界层的物理机理而言,地表显著增温是强有力的外部热力强迫条件,近地层强感热通量提供了较充足的能量条件,较大的对流运动和湍流运动的速度是必要的运动学条件,大气残余层的累积效应提供了有利的热力环境条件.     

2012年南海夏季风活跃期与非活跃期广东电白地区海陆大气边界层特征分析

利用2012年6—9月南海夏季风期间的近海海洋气象观测平台 (海上平台站) 和电白国家气候观象台 (电白站) 的地面气象站资料,气象塔资料以及GPS探空资料对海上平台站和电白站两站在季风活跃期和非活跃期的大气边界层结构特征进行研究分析。结果表明,活跃期与非活跃期两地的大气边界层结构特征有明显差异。(1) 在活跃期两站近地层风向全天由东南风主导,风速较大,且两站均出现连续降水,受云系和降水的影响,与非活跃期相比,电白站近地层日平均气温降低约为2 ℃;非活跃期两站风向全天无规则变化,且风速值小。(2) 在活跃期大气边界层内风向均为一致的东南风,风速较大,200 m以上的风速均大于8 m/s,而在非活跃期大气边界层内风速较小,风向变化较大,同一时刻不同高度的风向差可达180 °。(3) 在季风非活跃期混合层高度最高可达937 m,而在活跃期,受降水和云系的影响混合层高度明显降低,最大高度仅为700 m左右。(4) 活跃期受连续降水影响,大部分时刻的大气边界层内相对湿度大于80%。由此可见在季风活跃期与非活跃期不仅海陆气能量交换发生变化,大气边界层结构特征也有显著变化。      

大气边界层的初值形成

采用850毫巴和地面的大尺度天气状况和物理特性作为外参数,将大气边界层下层的地表层进行特殊处理,考虑了层结的作用,其上分成等距15层,考虑地转民随高度线性变化。上下层耦合,建立一个定常平衡初值模型,并将所得的初值作为第一级近似,再利用地面、300、600、900、1500米五个高度测风资料进行动力调整,试图建立一个更加接近实际状态的边界层初值。 文中利用所建立的模型,对大气边界层的一些物理参数的作用进行了分析,并对动力调整过程以及垂直分层的选取等作了讨论。 最后例举华北地区1966年8月23日08时边界层的各层次风场和垂直运动,清楚地显示出边界层内的细致结构。     

Evaluation and model impacts of alternative boundary-layer height formulations

We study bulk formulations for the boundary-layer height which are currently in use for atmospheric modelling. The formulations are based on various forms of the Richardson number, and these are evaluated with Cabauw field data in stable conditions. Results for both a large-eddy simulation model and anE-ε turbulence closure model for neutral boundary layers are also utilised. An updated formulation is introduced, which combines the effects of shear in the outer region of the boundary layer with surface friction. The updated formulation has a better performance for neutral boundary layers with upper level stratification. The findings are illustrated with a single-column model for a case with relatively high winds over the tropical ocean including shallow cumulus convection, and for a case with fair weather over land. We also show that for stable conditions, the updated formulation performs better than estimates on the basis of surface friction alone.     

A STUDY OF NEAR SURFACE WIND PROFILES IN THE HEBEI COASTAL AREA BASED ON OBSERVATIONAL EXPERIMENTS

In order to provide wind profiles for the microscale numerical simulation of wind farm with complex terrain,using the 100 m tower atmospheric turbulence observation experiment data in 2010 in Hebei Province offered by National Climate Center, the variation characteristics of wind profile under the different atmospheric stability conditions are analyzed, and the wind profile expression based on the local similarity theory is established. The results show that:(1) In spring, the occurrence probability of unstable stratification in the Hebei coastal area is as high as 28%, and the probability of stable stratification is more than 43% while, in summer, the probability of occurrence of unstable stratification is as high as 80% with a lower probability for stable stratification; and(2) for stable stratification, the characteristics of atmosphere change is dramatic in terms of the vertical direction, which need to be treated layer by layer.According to the atmospheric turbulence observation experiment data above, under stable stratification, the relationship between the dimensionless velocity gradient and the stability ζ can be expressed as 1 +βmζ, with βm changing with the height: βm takes 4.1-4.3 under 30 m, βm takes 4.6-4.7 between 30-50 m, and βm takes 6.3-6.7 over 50 m.     

大气运动的动能在湍流边界层中的耗散

在大气能量学中,大气平均运动的动能通过湍流摩擦力转化为脉动运动的能量并最终转化为内能的“变性能量”是大气动能的“汇”,正确估计其大小对研究动能的收支,以至天气系统的生衰,发展均有一定意义。此项由于与湍流通量有关,因而难于从大尺度气象参数计算。以往的研究中,或是将动能平衡方程中其余各项算出,而将此项作为余项估计出,或用地转风由粗浅的边界层模式算出。     

DOPPLER SODAR AND ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER DETECTION

A Doppler sodar system controlled by microcomputer is described in this paper. The sodar was usedto detect the vertical distribution of wind and temperature stratification in the atmospheric boundary layer.The detecting results show that at night the vertical distribution of wind is very complicated, which can appearas a structure of two or three layers. In nocturnal atmospheric boundary layer sometimes there exists verythin layer in multi-layer inversion and it can be retained for a long time.     

黑河实验区沙漠戈壁上空“逆湿”的数值模拟

本文采用区域大气模拟系统－RAMS,模拟了黑河实验区沙漠戈壁上空的“逆湿”,并研究了“逆湿”发生时沙漠戈壁大气边界层结构,模拟结果表明,“逆湿”形成是平流作用的结果,沙漠戈壁边界层内较小的风速,弱不稳定层结及存在的下沉气流都有利于其近地层内逆湿的形成。     

VORTEX MOTIONS IN THE ATMOSPHERIC CONVECTIVE BOUNDARY LAYER

Large vortices with scales ranging from hundreds meters to tens of kilometers are generallyfound in the atmospheric convective boundary layer(CBL).These vortices play important roles in the vertical transport of momentum,heat,water vaporand other tracers in the boundary layer.On the basis of the view of interaction between theconvection in CBL and the gravity waves in the upper stable layer the authors developed aconvection-wave theory on the formation of large vortices.According to the theory thewavenumber spectrum of the large vortices mainly depends on the atmospheric conditions in bothof the upper and lower layers,such as wind speed,wind direction shear,stratification as well astemperature jump.In the present paper satellite image and weather data in a case of cold air outbreak over warmocean are analyzed to study every stage of the convective processes,such as cloud street,convective cell as well as their transformation.According to the theory the wavenumbercompositions for cloud street and convective cell are calculated,respectively,on the basis of theatmospheric conditions at every stage.The distributions of vertical motions,convergent band anddisturbed interface are obtained and compared with the cloud patterns in the convective processes.Thus the study seems to offer a likely explanation for the origin of large vortices in CBL.     

NUMERICAL SIMULATION OF THE INFLUENCE OF VEGETATION COVER FACTOR ON BOUNDARY LAYER CLIMATE IN SEMI-ARID REGION

A numerical model has been developed for simulating land-surface processes and atmosphericboundary layer climate of vegetation and desert in semi-arid region.Dynamically,thermal andhydrological processes take place in the atmospheric boundary layer.Vegetation and surface layerof soil are included in the soil-vegetation-atmosphere coupled system,in which,vegetation isconsidered as a horizontally uniform layer,soil is divided into 13 layers and the horizontaldifferences of variables in the system are neglected.The influence of local boundary layer climateby vegetation cover factor is simulated with the coupled model in the semi-arid region of NorthwestChina (around 38°N,105°E).Results indicate that due to significant differences of water andenergy budgets in vegetation and desert region,the air is colder and wetter over the vegetation andcorrespondingly an obvious local circulation in the lower atmosphere is formed.Simulating results also show that maximum updraft and downdraft occur around thevegetation-desert marginal area,where the dynamical and thermodynamical properties of PBL(Planetary Boundary Layer) are uncontinuous.It is stronger at daytime,weaker and reverse atnighttime.In the simulation,the moisture inversion phenomena are analyzed.Finally.theinfluences of vegetation cover factor exchange on local boundary layer climate are simulated.Thesimulating results bring to light that water may be conserved and improved by developing treeplanting and afforestation,and improving cover factor of vegetation in local ecoenvironment,andthis is an important way of transforming local climate in arid and semi-arid area.Results indicatethat the coupled model can be used to study the soil-vegetation-atmosphere interaction and localboundary layer climate.