半地转三段k模式边界层运动

本文在半地转近似下,取湍流粘性系数k为三段式:k_1z(z_0≤z相似文献   

变化涡动沾性系数的Ekman动量近似模式风场结构

在边界层动力学中，涡动粘性系数是影响边界层风场结构的一个重要参数。本文利用边界层动力学中的Ekman动量近似理论，给出了涡动粘性系数随高度缓变条件下的Ekman动量近似边界层模式解，着重讨论了边界层的风场结构、水平散度、垂直涡度以及边界层顶部的垂直速度。结果分析表明：与常值涡动粘性系数情况相比，在边界层低层随高度增加的涡动粘性系数可以导致低层边界层风速随高度迅速增加，即风速垂直切变增加，同时风速矢与地转风之间的夹角减小。惯性项作用可以导致上述作用在气旋性区域减小、而在反气旋性区域增大。随高度增加的涡动粘性系数导致水平散度绝对值、垂直涡度绝对值以及边界层顶部的垂直速度绝对值在气旋性区域减小，而在反气性旋区域增大。涡动粘性系数与惯性之间的非线性相互作用是边界层动力学中重要过程。     

层结性对大气边界层风场的影响

本文在地转动量[1]近似下，采用与Agee[2]公式相近的分段常数来描述湍流粘性系数K及其一阶导数（湍流摩擦力所包含的两项和均得到考虑），求得了层结大气中的边界层风场分布和边界层顶垂直速度的解析表达式。计算结果表明；不稳定层结的K比稳定层结的大，且Ekman抽吸作用强；在边界层低层，不稳定层结的全风速比稳定层结的大，而在中层以上则相反。还有，摩擦力中的一阶导数项和二阶导数项量级相同，以往忽略一阶导数项的做法会导致在边界层低层，不稳定层结的全风速反而较小，这与事实不符。因而考虑一阶导数项将进一步完善边界层动力学的理论和应用。     

斜压边界层风场的动力学特征

在大气边界层中,当温度分布在水平方向不均匀时,斜压性必须予以考虑。本文在地转动量近似条件下,采用Agee[1]公式来描述湍流粘性系数K,求得斜压边界层中风场分布的解析表达式。由求得的解析解和个例的图解均分析得出一些与经典Ekman理论很不相同的动力学特征。例如,在边界层上部,冷平流使气旋中的风速随高度增大而一直增大,且一直指向低压一方,不再呈Ekman螺线状。在边界层下部,例如20米处,引进热成风将使风向改变达25°左右。这对预报边界层风场是很重要的修正。     

Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构

发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。     

对边界层湍流系数日变化的探讨

本文根据摩擦平衡方程,导出了湍流交换系数K(z)的表达式,然后借助于K(z)的有限差分式,直接应用双经纬仪实测风资料,计算了该地Ekman层中湍流交换系数K(z)。计算和分析的结果如下:(1)Ekman层中的湍流交换系数具有显著的日变化特征,日变曲线的基本形式呈双峰双谷型,就整个Ekman层的平均而言,K的平均扰动值约为K的四倍。(2)K的日变规律同气温、位温变化的平均趋势基本一致。(3)K的日变程同风速的涨落有关,例如,黄昏显著的风速涨落,对应于K廊线的特定日变程。其中特别有趣的是:夜间平均风速的变化同平均K的变化趋势完全一致,但二者在白天的变化趋势恰恰相反。这种根据实溅风资料得到的微妙关系,客观地揭示出Ekman层中风速日变化的物理本质,那就是湍流混合强度的日变化。本文还给出了若干个典型的实例。      

湍流的频散效应对行星边界层大气平衡运动的影响

本文应用包含湍流粘性和湍流频散效应的新的Reynolds平均运动方程求解了行星边界层中大气的平衡运动,着重分析了湍流频散效应对平衡运动的影响。分析指出:(1)考虑了湍流频散效应后,在γ>0时,Ekman层风速随高度的变化减缓,而Ekman层厚度增大,新的Ekman螺线更加附会于实际;(2)考虑了湍流频散效应后,近地面层中性层结下的风速随高度变化仍呈对数定律,只是Karman常数     

海面粗糙度可变时定常非中性大气边界层数值模式

本文结出一个海面粗糙度可变时定常非中性大气边界层数值模式,其中粗糙度是摩擦速度的函数,湍流交换系数是湍流热通量和风切变的函数,而热通量在海气温差已知时由近地层通量梯度关系求出。解得的风和若干边界层特征参数符合观测及理论考虑。因此,只要知道地转风、纬度及海气温差即可用本模式计算海面大气边界层中不同高度的风。     

斜压大气中海面边界层摩擦偏角的动力学研究

本文在Ekman动量近似下，引入关于水面粗糙度的Charnock公式，求得了斜压大气中海面边界层的风速的解析表达式，进一步得到边界层摩擦偏角的公式，并获得了边界层摩擦偏角的有关结论。例如海面的摩擦偏角远小于陆地的摩擦偏角；低纬的摩擦偏角比高纬的要大：理论分析和个例计算均表明，垂直平流惯性力与水平平流惯性力对摩擦偏角分别起着减小和增大的相反作用，而且反气旋性涡度处与气旋性涡度处的摩擦偏角可相差达20多度。冷暖平流下的摩擦偏角相差很大，甚至可达七、八十度。这些结论对斜压大气中的海面边界层风场摩擦偏角的预后都具有指导性作用。     

非定常,水平非均匀的正压EKman边界层的动力特征

除了动量的局地变化和水平平流之外,本文讨论了动量垂直输送和β-效应在均质正压的Ekman边界层中的作用。利用奇异摄动方法,得到了精确到O(R_0~2)的Ekman边界层中水平风场的垂直结构和边界层顶垂直速度的解析表达式,对解的非定常和水平非均匀特征作了定性讨论。用一迭加在均匀西风气流上的园形、定常涡旋场的定量计算表明,动量垂直输送和β-效应对Ekman边界层中水平风速分布、边界层厚度及边界层顶垂直速度均有明显的影响。     

北京冬季大风过程大气边界层特征分析

利用北京中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔的气象梯度资料和湍流资料,分析了2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程中气象要素和湍流输送特征的变化。第一次大风过程的强度和持续时间均高于第二次大风过程。强烈的风速垂直切变主要集中在距地面100 m高度范围内,最强风速垂直切变达到0.31 s~(-1)。大风过程中,阵风系数呈现随高度减小的趋势,越接近地面,阵风系数愈大。阵风强度的变化与阵风系数相似,100 m以下高度时,阵风强度随高度增大而减小。大风过程自上而下改变边界层结构,平均动能、湍流动能和摩擦速度最先从上层(280 m)发生变化且迅速增加。近地层由于风速垂直梯度的显著差异,近地层垂直方向的湍流强度最大。大风时各功率谱在低频区(0.01 s~(-1))达到峰值,大风过后各高度的能量都有所下降。     

强台风海鸥登陆期间近地层风特性分析

利用位于海南文昌市的90 m测风塔观测的强台风海鸥多层测风数据,分析了台风海鸥登陆期间近地层风场时空特征、湍流强度、垂直风切变及阵风因子等风场特性,分析结果表明:台风海鸥登陆期间,近地层各高度风速呈现"M"型双峰特征,最大风速出现在台风后风圈;台风过境前后,风向旋转了180°;近地层风速随高度升高而增大,各高度风速垂直切变符合对数和指数规律;粗糙度长度、风廓线幂指数、湍流强度、阵风系数等风场特性与风速呈负相关关系,随着风速的增加而降低;从台风外围至台风眼,粗糙度长度随风速呈现"增大-减小-增大"特征;台风眼内部风速垂直切变剧烈,前后风圈的风速垂直切变较弱;强风区湍流强度较弱,弱风区湍流强度较强;台风风圈的湍流强度随高度增加而减小,台风眼内湍流强度随高度先减小再增加;台风影响各阶段阵风系数随高度升高而减小,各高度层阵风系数遵循指数定律;阵风系数随风速的增大而减小,当风速达到一定强度时,阵风系数随风速变化不明显。     

山地边界层中场变量的动力学研究

采用与实测较接近的二次函数来表达Ｅｋｍａｎ层中的湍流粘性系数Ｋ，在圆形气压场条件下，求得了山地上空边界层中的风速，进而求得散度、涡度和垂直速度等场变量随高度的分布。并作图分析了这些场变量的一些动力学特征。改进了以往在求解析解时，略去运动方程中湍流粘性力项中的关于高度的一阶导数项，以及取山坡面上风速为零作下边界条件等欠合理欠精确的做法。所求得的风速、散度、涡度和垂直速度均用简单的初等函数表示出来，有助于边界层参数化和深化对边界层动力学的认识。     

正压边界层中的风压场相互调整

本文考虑正压边界层顶的垂直质量输送,将边界层与自由大气联系起来,研究这两层之间的风压场的相互作用所得到定常状态下的风压场,并算得了边界层顶的垂直速度。这些结果与经典Ekman边界层是有明显区别的。     

边界层抽吸引起的旋转减弱

本文在边界层顶垂直速度正比于地转涡度和地转风速,并与下垫面粗糙度有关的前提下,研究了边界层抽吸引起的涡度变化,在圆对称气压系统内得到了不同粗糙度情况下的涡度场和气压场的变化速率,修正了经典理论的结果。在湍流交换系数是地转风速及高度的函数的前提下,推导了地形存在时边界层顶垂直速度的公式,并用来讨论地形存在时的旋转减弱问题。     

西藏那曲地区一次霰过程的大气边界层特征分析

本文利用探空气球加密观测资料和欧洲中心ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析资料,对2016年8月29日午后降霰过程进行大气边界层特征分析,与同年8月26日典型晴天个例对比分析,结果表明:降霰过程前,温度0℃线随时间增加而升高,温度递减率分层现象显著,逆温层不明显,边界层多为对流不稳定层结;位温随高度增加而增加,随时间增加呈现5K·(2h)~(-1)的增加趋势;比湿随高度增加而减小,水汽含量较晴天更大;风速随高度呈多层次变化,近地层风速大于晴天同高度风速,边界层顶风速小于晴天边界层顶风速,风向始终以西风为主,随高度不存在大波动;降霰过程前云覆盖量大,云层厚度达4000m,存在复杂垂直运动,近地层为下沉运动,云层内为上升运动。综合以上可以看出那曲29日降霰过程前,08时边界层内存在明显过冷水,边界层顶波动极大,08时存在最大高度(3780m),10时为最低高度(850m)。位温随时间增加而上升,持续积累能量达6h,比湿大于晴天,边界层内风速大于晴天,且随高度变化不大,风向始终以西风为主,存在深厚的云系提供水汽,云内的上升运动和云下的下沉运动是促发霰过程的主要动力机制。     

论边界层中的大气扩散PDF模式

基于大气扩散Ｋ理论，用作为风速脉动均方差和拉氏时间尺度函数的湍流交换系数，得到了直接利用风速脉动几率密度而不用扩散参数的大气扩散ＰＤＦ模式。分别研究了对流边界层上升气流区与下降区垂直速度的统计特征，求得双正态ＰＤＦ模式。在给定ＣＢＬ自身参数如对流特征速度ｗ＊，顶高ｈｉ和源高度上的平均风速时，该模式计算出的无量纲浓度分布与室内外测试结果一致。     

苏州东山冬季大气边界层结构特征及其对污染物浓度的影响

利用2015年1月15—27日在苏州东山气象观测站系留气艇观测数据以及细颗粒物浓度观测资料,对东山大气边界层结构特征及其对污染物垂直结构分布的影响进行分析研究。结果表明:苏州东山地区冬季空气污染过程的边界层结构演变比较典型,夜间稳定边界层高度约为200 m,白天最大边界层高度可达1 000 m。边界层内污染物垂直结构分布易受边界层高度的影响,较低的大气边界层高度可使细颗粒物在近地层持续累积;反之,边界层高度较高,湍流发展旺盛,颗粒物垂直分布均匀。夜间大气边界层稳定,逆温结构多发,导致近地面出现细颗粒物堆积。风的垂直结构对细颗粒物空间分布也存在显著影响,在风速较小的低空层细颗粒分布较多,而风速较大的中高层的分布较少。      

斜压性与非线性Ekman抽吸的动力特征

本文利用Ekman动量近似研究了斜压性对Ekman层动力学的影响,得到了一些新的结果。大气斜压性对Ekman层的水平风速分布及近地面的风速矢的水平分量夹角有重要的改变作用。斜压边界层顶部的非线性Ekman抽吸(垂直运动)由三个不同的物理因子决定,第一、正压性的地面地转涡度,第二、斜压性作用产生的热成风涡度,第三、正压性的地面地转涡度与斜压性的热成风涡度的非线性相互作用。这些理论结果为边界层的参数化及数值模拟结果的解释提供物理基础。     

两次冰雹过程边界层气象要素变化特征

基于常规气象观测、浙江省自动气象站、宁波多普勒雷达和凉帽山岛370 m高塔边界层资料,对宁波市2012年7月7日(个例1)和2013年3月22日(个例2)两次冰雹过程进行了比较分析,结果表明:两次过程发生在不同季节和天气背景下,个例1由强热对流单体所致,个例2则是具有高架雷暴特征的移动性强对流带所造成。地面流场都显示:雹暴前侧入流辐合带和后侧下沉气流辐散区相对雹暴中心位置变化不大,两次过程前部冷出流边界前沿距离降雹中心约8~10 km及其后约4 km处形成了下沉尾涡。雹暴前侧入流区边界层主要表现为气压下降、气流转向雹暴中心、风速及辐合加大等;而下沉辐散区则表现出天气要素的剧烈变化。个例1高塔处于冰雹前侧入流区,边界层气象要素变化低层先于高层,临近降雹时由于拖曳作用削弱了抽吸作用,近地层各气象要素均有短时间的反向变化。个例2高塔处于低层入流区时,风速增大也最先出现在塔层底部;雹暴过境时,冷高压出流造成高塔处边界层风向、风速剧烈变化,上下各层时间较一致。