L波段探空高分辨率廓线中近地层信息分析及相关模型

L波段高空气象探测系统的更新换代,提高了大气探测精度,L波段＂秒级＂数据为垂直高分辨率廓线探测信息的获取提供了气象要素再分析的基础平台。为了探讨L波段探空垂直高分辨数据应用的可行性,考虑到用于对比分析的其他观测系统获取＂秒级＂＂高时间密度＂同步观测数据的设备条件,本文重点选用了JICA（中日气象灾害合作研究中心项目）PBL（行星边界层）通量铁塔梯度观测系统来进行对比分析,并构造L波段探空再分析与通量铁塔近地层气象信息相关模型。研究结果表明,L波段探空垂直高分辨率廓线近地层数据能够较好地描述大气边界层内近地层温、湿、压;所建立的温、湿、压模型具有推算PBL铁塔近地层的温、湿、压的可行性。研究结论可为L波段高分辨率垂直廓线再分析平台及其对大气结构描述可行性提供具有应用价值的技术基础。基于L波段高分辨率垂直廓线再分析信息平台的构造,将有助于开发全国L波段探空在数值模式应用方面的潜力,推进探空垂直高分辨信息在数值模式同化系统中新技术的发展。     

近地层内湍流特征量的参数化研究

以地表能量收支平衡方程为基础，将地表通量同近地层内的常规气象资料联系起来，模式要求输入地面风速、温度和总云量等常规气象观测资料，输出近地层的湍流特征参数U* 、θ* 、L和参数化的地表通量（净辐射、感热通量、潜热通量和土壤热通量），澳大利亚Wangara试验资料被用来检验了该模式。计算结果和实际资料吻合较好。     

北京城市下垫面边界层湍流统计特征

分析了1998年10月在北京325 m气象塔47 m、120m及280m 3层取得的湍流资料,讨论了湍流宏观统计特征量等随稳定度变化的规律.结果表明,47 m及120 m观测到的感热通量的日变化基本一致,城市边界层中近地层高度可达100m左右,这主要是由于下垫面粗糙度很大所致.同时发现当冷空气来临时,边界层中的感热通量会有明显增大.     

古尔班通古特沙漠大气边界层参数化方案的模拟评估[1]

为准确描述我国最大的固定/半固定沙漠-古尔班通古特沙漠区域的大气边界层结构，本文利用该沙漠腹地2017年的梯度铁塔和通量观测数据，基于中尺度气象模式WRF (Weather Research and Forecast v3.7.1)，分析了5种边界层参数化方案在古尔班通古特沙漠的适用性。结果表明：1）采用WRF模拟沙漠腹地近地层内的边界层特征时，2m气温的模拟存在冷偏差，5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节2m气温的日变化特征，其中非局地方案ACM2(Asymmetric Convective Model version 2)对2m气温效果最好，局地方案BL方案的模拟偏差最大；2）5种边界层参数化方案均能够模拟出10m风速的日变化特征，其中局地方案BL(Bougeault-Lacarrere)对10m风速效果最佳；3）采用WRF模拟沙漠近地层内的地表通量特征时，感热通量存在高估现象，潜热通量存在低估现象，5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节模拟时间段内地表净辐射通量的日变化特征，其中局地方案MYJ(Mellor-Yamada-Janjie)的模拟精度最高。     

论塔层风 、温廓线

本文改进了Zilitinkevich的工作,得到在塔层内动力学上合理的风廓线.并近似推求了不稳定层结下边界层高度h的表达式,使风、温廓线能用于不同层结.由近地层理论从近地层风、温求出通量后,即可推求塔层风、温分布.325m气象塔资料证明这一廓线达到一定的精度.     

广东博贺近海海面的一次冷空气过程强风特征分析

利用广东博贺离海岸6 km的一个海上100 m铁塔观测到的梯度资料,采用特征量分析方法,研究强冷空气过程海洋近地层强风的微观特征。结果表明：冷锋过境时,近地层的气象要素有明显的响应：温度骤降、风速加大、气压上升,风向有明显的转变;风向标准差和风速标准差在冷锋前、冷锋过境和冷锋后都有明显不同;冷锋过境大风湍流度为0.08,阵风系数为1.19;此次冷锋过境强风在时间上表现为周期0.5～1 h的低频阵性;在空间上,60 m附近存在近地层的最大风层。     

古尔班通古特沙漠大气边界层参数化方案的模拟评估

为准确描述我国最大的固定/半固定沙漠—古尔班通古特沙漠区域的大气边界层结构,利用该沙漠腹地2017年的梯度铁塔和通量观测数据,基于中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecast v3.7.1),分析了5种边界层参数化方案在古尔班通古特沙漠的适用性。结果表明:(1)采用WRF模拟沙漠腹地近地层内的边界层特征时,2 m气温的模拟存在冷偏差,5种边界层参数化方案均能较好地模拟出4个季节2 m气温的日变化特征,其中非局地方案ACM2(Asymmetric Convective Model version 2)对2 m气温效果最好,局地方案BL方案的模拟偏差最大。(2)5种边界层参数化方案均能够模拟出10 m风速的日变化特征,其中局地方案BL(Bougeault-Lacarrere)对10 m风速效果最佳。(3)采用WRF模拟沙漠近地层内的地表通量特征时,感热通量存在高估现象,潜热通量存在低估现象,5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节模拟时间段内地表净辐射通量的日变化特征,其中局地方案MYJ(Mellor-Yamada-Janjie)的模拟精度最高。     

辽东湾东海岸表面粗糙度及阻力系数特征分析

边界层最下部的几十米到一百米范围通常定义为近地面层。在该层内大气运动呈明显的湍流状态,铅直方向的湍汽通量(如动量通量、热量通量及水流通量)可近似作为常量。研究近地层的主要目的是为了获得便于使用的近地层特征参数表达式。由于近地层与人类的生产、生活关系非常密切,因此．研究其特征具有十分重要的意义。     

理查逊数Ri在沿海近地层大气稳定度分类中的应用

根据广东、浙江沿海２个１００ｍ气象铁塔上１０、２５、５０、７５、１６０ｍ五层各１年的逐时温度、风速梯度资料，研究理查逊数（Ｒｉ）在沿海近地层大气稳定度分类中的应用。结果表明：目前常用的理查逊数稳定度分类标准不适用于沿海地区，根据沿海地区的实际资料，本文推荐了一种适用于沿海地区的Ｒｉ数稳定度分类标准。     

近地层相似理论适用的分析研究

利用实测的脉动场与平均场同步梯度观测资料研究近地层相似理论的适用性。结果表明：理论的核心——近地层为常数通量层的近似假设在有植被陆面上是基本不成立的。Ｗ′Ｔ′随高度明显减小；摩擦速度ｕ＊在３０ｍ高度范围内可增大２４％左右。用相似理论关系式（或称作廓线通量法）得到的通量值只代表某高度层以下的平均值     

天津市250m低层大气风廓线模式的试验研究

本文用天津250m气象塔的风廓线观测资料,检验了M-O相似理论的近地层风廓线模式。结果认为,在中性和不稳定条件下,使用近地层计算得到的L和U_*,M-O相似模式可以较好地推广应用。对稳定层结,用Yokoyama等人提出的U_*一级近似表达式替换常通量层公式中的相应量后,U_*和u/z之间的关系在风向随高度没有明显偏转的层次中仍然成立并且至少可推广应用到120m。     

青藏高原改则地区近地层湍流特征

分析了第二次青藏高原气象科学试验（TIPEX）1998年6～7月加强期在改则取得的湍流资料,讨论了近地层湍流宏观统计量、温度、湿度结构参数以及通量整体输送系数等变化规律,结果表明在不稳定层结下,湍流宏观统计量等随稳定度的变化满足过去在平原地区得到的相似关系。     

北极斯瓦尔巴德地区近地层大气观测研究II.湍流场特征

利用“中国科学探险协会2002年北极科学探险考察”期间在北极朗伊尔宾地区获得的大气风温微气象脉动资料,讨论了该地区近地层湍流能谱、湍流方差、感热通量、动量通量、温度结构参数以及动量整体输送系数等的分布规律,给出了这一极端环境区夏季近地层微气象场的基本结构,分析了北极地区极昼期间陆地下垫面地-气之间能量交换,丰富了人们对该地区近地层湍流输送过程的深入理解。     

鄂东两次暴雨前后近地层物理量场异常特征分析

利用湖北黄石长江南岸50 m高铁塔的风梯度、超声风及气温、湿度观测资料,对2007年5月31日及7月1-2日两场暴雨前后近地层风温湿场和降水前湍流特征进行了计算分析,探索其异常变化特征,为进一步认识黄石地区强降水的近地面层物理过程提供依据。结果表明:(1)降水前温度下降,湿度上升,平均风向发生明显转变,水平风速与垂直气流速度在降水前出现显著增大;降水后,风向平缓变化,平均风速再次增大。(2)垂直气流速度在降水前频繁上下振荡,激发湍流活动。(3)降水前湍流动能增大,湍流动量通量和感热通量增大向上传递,湍流强度逐步增大。湍流动能最大值的出现早于湍流通量,湍流活动在临近降水时进一步加强。可见暴雨发生前后近地层风温湿场有明显的变化,降水前湍流活动增强。     

青藏高原中部聂荣亚寒带半干旱草地近地层湍流特征研究

湍流运动是大气最基本的运动特征,是地气间能量物质交换的主要方式。利用2014年7月18日至8月31日青藏高原中部聂荣观测站的近地层湍流观测资料,分析了该地区近地层湍流统计特征以及近地层通量的日变化特征。结果表明:在不稳定和稳定层结下,风速分量归一化标准差σ_u/u_*,σ_v/u_*,σ_w/u_*与稳定度参数z/L满足相似理论的"1/3"定律,近中性条件下趋于常数,并表现为σ_u/u_*≈σ_v/u_*σ_w/u_*;在不稳定层结下,温度、水汽密度和CO_2浓度归一化标准差σT/|T*|、σq/|q_*|和σ_C/|C_*|与|z/L|满足"-1/3"定律,在近中性层结下趋于常数,且明显大于青藏高原其他地区。湍流在风速0 m·s~(-1)U3 m·s~(-1)的环境中发展最为旺盛,垂直风分量的湍流强度较水平风分量更为集中,三个方向的湍流强度基本表现为I_u≈I_vI_w。夏季潜热通量大于感热通量,CO_2通量的日变化以吸收为主,最强达到0.46 mg·m~(-2)·s~(-1)。     

北极斯瓦尔巴德地区近地层大气观测研究Ⅱ.湍流场特征

利用"中国科学探险协会2002年北极科学探险考察"期间在北极朗伊尔宾地区获得的大气风温微气象脉动资料,讨论了该地区近地层湍流能谱、湍流方差、感热通量、动量通量、温度结构参数以及动量整体输送系数等的分布规律,给出了这一极端环境区夏季近地层微气象场的基本结构,分析了北极地区极昼期间陆地下垫面地-气之间能量交换,丰富了人们对该地区近地层湍流输送过程的深入理解.     

青藏高原及周边地区近地层小气候特征分析

利用中国气象局成都高原气象研究所建立的5个边界层站（湄潭、巴中、什邡、曲麻莱、狮泉河）2019年的观测资料，对比分析青藏高原及周边地区近地层大气要素变化和陆—气能量交换特征及异同点，探讨其原因。结果表明：（1）青藏高原及周边地区近地层大气温度、相对湿度、风速、感热通量、潜热通量、动量通量均符合一峰一谷的常规日变化特征，气压具有双峰双谷的日变化特征。（2）高海拔台站近地层温度日变幅（12℃）高于周边低海拔地区（4～6℃），季变幅与海拔高度的关系不显著。（3）相对湿度与温度关系密切，相对湿度的垂直结构和日变化都具有明显的区域差异，其垂直梯度夜间显著高于白天，峰值出现时间随夏、秋、春、冬季呈现季节性滞后，而谷值超前。（4）风速春季较大，夏、秋季次之，冬季小，季变幅略小于日变幅；低海拔区域的风速及其日变幅均显著低于高海拔区域。（5）低海拔区域气压季变幅（>13 hPa）远高于日变幅（2.5 hPa左右），而高海拔区域气压季变幅（>3 hPa）略低于日变幅（2 hPa左右）。（6）感热通量春季大、冬季小；感热通量和动量通量在高海拔区域均较高，二者具有较一致的日、季变化特征，表明大气动...     

长白山近地层内湍流特征观测研究

通过分析2003年6、7、8月长白山阔叶红松林生态系统站点气象塔2.5m及40m两层每30 min间隔取得的近地层湍流通量观测资料,针对长白山湍流的统计特征量进行了研究,计算分析了各通量每月的日平均值极其变化特征。结果表明:感热、潜热通量随太阳升起逐渐增大,午后达到最大,然后降低;感热通量大于潜热通量占主导地位;动量通量白天大于晚上,最大值均出现在白天午后,夜间较小;湍流强度随高度的增加而明显下降;在日出前后有明显的变化。湍流通量和湍流动能昼夜变化明显。     

乌鲁木齐市近地层风切变指数特征

利用乌鲁木齐市5座100 m气象铁塔2012年6月—2014年4月10层风速观测资料,应用统计学方法详细分析了乌鲁木齐市城区和郊区近地层风切变指数特征,得出以下结果:乌鲁木齐市风切变指数分布范围在-1.5~1.5,基本呈正态分布。风切变指数与风速大小关系密切,当风速1 m/s时,切变指数变化较大;当风速2 m/s时,切变指数变化较小。城区和郊区最大切变指数出现高度差异较大,南郊燕南立交切变指数最大在36~46 m,城区水塔山在60~77m,城区鲤鱼山在13~22 m,近北郊红光山在46~60 m,北郊米东在28~36 m。各层切变指数白天变化幅度大,夜间变化幅度小。切变指数日变化不规律与城市边界层变化的复杂性密切相关。降温幅度大的秋季-冬季时段,易出现切变指数小于0的情况。     

近地层辐射过程与雾微结构的相互作用特征

利用2006-2009年南京郊区（32°12’N,118°42’E,25ma．s．1）冬季雾综合观测资料,分析了近地层辐射特征与雾微物理结构的相互作用。结果表明,净辐射通量密度介于-50～＋25W·m12时,雾层中雾滴数浓度逐渐增加,且雾滴半径越小,雾滴数密度增大越显著。近地层辐射冷却或弱增温,有利于雾滴活化和凝结增长。地面辐射增温较强时,雾滴数浓度和不同尺度雾滴数密度均减少,且雾滴半径越小,雾滴数密度减小得越快。太阳短波反射率的变化主要受雾滴数浓度、平均半径和液态含水量的影响。雾过程中,雾滴数浓度和液态含水量每增大100cm-3和0．001g·m-1。引起的太阳短波反照率的增量分别为5．29×10-3和1．18×10-4。