阵风因子与大气边界层要素的关系及预报试验

利用2008—2016年舟山4个海岛气象站大风资料和欧洲中心的ERA-interim再分析资料,分析了阵风因子随平均风速、风向、小时、月份等分布的气候特征,统计阵风因子与边界层的大气稳定度、250～1000m风速与10m风速的比值、6h变温等要素的相关后,选取最佳预报因子,利用BP人工神经网络方法,根据不同因子组合对阵风进行循环试报。结果表明:①平均风速较小时阵风因子波动范围大;靠近大陆站点的阵风因子及来自陆地方向气流的阵风因子偏大。②白天11:00—16:00受太阳辐射影响大气湍流相对较强,阵风因子偏大。7—9月沿海受台风影响频繁,其阵风因子要大些,而11—12月阵风因子偏大则与来流方向的地表粗糙度较大有关。③阵风因子和边界层不同高度的风速与10m风速比值,及气温具有明显正相关,与边界层大气稳定度参数具有负相关,相关结果印证了阵风主要物理成因与动量的垂直湍流输送有关。④阵风循环试报表明最佳组模型试报的绝对误差及方差均比对比组模型减少约11%～25%,具有较好的预报效果。     

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。     

大气边界层阵风相干结构的产生条件

壁湍流相干结构的发现是近代湍流研究的重大进展之一,从20世纪50年代开始,在大气边界层湍流中也发现了相干结构——对流云街,并进行了系统的研究。近些年来,人们发现在近地层湍流中也存在相干结构。利用北京325 m气象塔对城市下垫面中大风和小风天气的风速分析,发现较有规律的周期3~6 min的阵风,且有明显的相干结构,而对不同下垫面的阵风研究,均发现存在这种相干结构,这种阵风相干结构对通量输送有不可忽视的作用。本文利用2012年4月甘肃省民勤县巴丹吉林沙漠观测塔的超声风速和平均场风速、温度观测资料,对阵风相干结构的产生条件进行了分析。采用傅立叶变换,将三维超声风速按频率分成基流(周期10分钟以上)、阵风扰动(周期1到10分钟)、湍流脉动(周期小于1分钟)三部分,结合平均场的资料分析发现:阵风相干结构出现在静力中性、不稳定甚至略微稳定的条件下,或者说机械作用主导的大气边界层,阵风区就会出现相干结构,热力作用对其有抑制和干扰的作用。从而,阵风的相干结构和壁面相干结构都出现在中性条件下,是机械湍流的现象,都主导着动量能量的输运。阵风区的相干结构并不等同于对流云街,他们出现在不同的大气稳定度条件下且尺度不同。     

强风天气下边界层结构特征

近地层观测的强风运动表明,叠加在平均流动之上的脉动通常有两种,一种是随机的湍流脉动,还有一种具有相干结构的阵风扰动。分析表明,上层强风的剪切运动产生阵风,并向下传递能量,对近地层的通量传输起到重要作用。本文利用北京325 m气象塔、位于海拔1257 m的妙峰山测风塔和位于海拔1688 m的灵山测风塔的资料,分析了强风天气下,边界层上层出现阵风并向下传递的过程,进一步证实无论在近地层还是边界层上层,强风期间,叠加在平均流动上除了高频湍流脉动之外,还有周期为1~10分钟的阵风,即相干结构。阵风峰期有下沉运动,阵风谷期有上升运动。这些相干结构在边界层上层产生,向下运动和传播过程中受到平均气流梯度的切变作用和地面摩擦,破碎为湍流结构。边界层上层的阵风和湍流产生的动量通量向下传递,使得强风期间,边界层中阵风和湍流对通量具有同样的输送能力,对边界层中沙尘、污染物等气溶胶的传输具有重要作用。本研究为模式中进行通量输送参数化方案的修正提供了观测和理论依据。     

台风“山竹”登陆前后广东沿海珠三角机场阵风预报方法研究

利用WRF模式对1822号台风"山竹"的登陆过程进行数值模拟试验,分析台风产生的大风特征,比较不同的阵风参数化方法在机场大风预报中的效果,结果表明:(1)试验基本模拟出了台风的路径和强度变化过程,模拟的珠三角机场平均风速大小和变化趋势与观测非常接近。(2)地面最大风速区出现在距离台风中心大约50-100km的位置上,垂直方向上风速从低层到高层逐渐减小,湍流动能的大值区集中在1.5km以下的边界层内。(3)台风登陆过程中广州、深圳和珠海机场的平均阵风因子分别为1.45、1.51和1.46,且随着平均风速的增大,阵风因子有减小的趋势。(4)基于湍流动能的阵风参数化方案在珠三角机场阵风预报中效果最好,平均预报误差只有3.9m/s,可以考虑应用到台风天气过程中机场阵风的业务预报。     

浙江海岛台风和冬季大风阵风特征的对比分析

为了提高阵风预报准确率,利用2006—2016年浙江7个海岛气象站资料和ERA-interim资料,分析了台风和冬季大风的阵风因子与10 m稳定风速、风向、Brunt-Vaisala频率、总体理查逊数、边界层250~1 000 m风速及其与10 m稳定风速比值等的关系,对比两种大风系统阵风的主要成因差异,最后对冬季大风的阵风因子进行拟合。(1)从总体上,台风阵风因子比冬季大风要大0.1~0.2,波动幅度也一般比冬季大风偏大0.3~0.5。有些站点在稳定风速较大时,阵风因子随稳定风速变化不明显,而有的站点变化幅度较大。(2)站点不同方位的地表特征差异明显,导致台风和冬季大风的阵风因子在某个风向上有较统一的最大值和最小值,两者差值一般为0.2~0.3。(3)大气边界层台风样本主要表现为气流辐合上升及正涡度,而冬季大风样本主要表现为辐散下沉及负涡度,台风垂直速度、涡度和散度的强度均明显大于冬季大风样本;从Brunt-Vaisala频率来看,边界层750 m处冬季大风样本总体为静力不稳定,而台风样本总体为静力稳定;从总体理查逊数来看,台风样本和冬季大风样本两者边界层250 m处动力不稳定程度接近。(4)台风和冬季大风的阵风主要形成机制不同,冬季阵风与边界层上层气流向下动量传输引发的辐合辐散有关,而台风阵风可能更多与边界层气流的水平动量输送引发的辐合辐散有关。(5)基于风向、边界层1 000 m处风速和10 m稳定风速的冬季大风阵风因子的拟合模型,比仅考虑10 m稳定风速的拟合模型的绝对误差减少了20%~50%,误差方差也减少了10%~30%。      

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。     

高风速相干结构对通量输送影响的实验研究

切变湍流的相干结构是湍流研究中的重大发现,它表明湍流运动并非完全随机,其中具有可检测的有序结构.本文通过处理南京浦口地区大气边界层观测数据,来分析不稳定层结中高风速相干结构特征.本次观测项目包括对场地中央的气象铁塔上2 m和40 m高度上超声风速仪的脉动速度、温度测量以及风廓线雷达对边界层风速廓线的测量.对超声水平风速时间序列数据进行小波变换 (时间尺度400 s),通过阈值来识别这种高风速相干结构.与多普勒风廓线雷达测量结果对比后发现,这种方法确定的相干结构符合常规的认识,具有较长的时间尺度和较大的垂直尺度 (接近边界层厚度).分析三天相干结构特性得到无量纲空间间隔约为6,即每隔6个边界层厚度的水平位置出现一个高速相干结构.通过与垂直风速小波系数的比较,发现高风速相干结构与向下垂直风速之间有较好相关,这与湍流中 “阵风” 现象的研究结论相似.使用四象限分析方法分类得到两种动量通量输送为负的运动:较小水平风速的上扬 (ejection) 运动 (简称为上扬运动) 和较大水平风速的下扫 (sweep) 运动 (简称为下扫运动),这两种运动在整个湍流活动中处于主导地位.高风速相干结构通过促进下扫运动和抑制上扬运动来影响动量通量的输送.     

两次台风过程近地层湍流度和阵风因子分析

利用2005年台风"麦莎"和"卡努"期间青岛海岸实测三维风观测资料,挑选6个10 min平均风速≥8 m/s的强风时段,使用矢量分析方法研究台风影响华东地区时近地层的平均风速风向变化、湍流度和阵风因子变化等湍流特性,结果表明台风影响期间,近地层湍流脉动风速不稳定,水平方向、垂直方向风速风向快速变化;虽然台风"麦莎"、"卡努"入海地点不同,不同强风时段近地层湍流度差异也较大,但湍流强度都表现为Iu(横向)＞Iv(纵向)＞Iw(垂直向).两次台风影响过程不同强风时段近地层阵风因子的变化与湍流度的变化是一致的,在风速增大风向转变的时段,湍流度和阵风因子明显增大.     

琼州海峡海面风场特征的观测分析

在检验资料可靠性的基础上，利用船载自动站、浮标站与岸基自动站测风资料分析了琼州海峡海面风速空间变化规律，以及秋冬季节的海面风场的日变化特征。结果表明：(1) 琼州海峡海面风速平均比沿岸风速大3～4 m/s，当沿岸风速≥8.0 m/s(5级)时，海面风速比沿岸大5～6 m/s；(2) 海峡海面阵风系数随着风速加大而减小。沿岸风速<5级时，海面平均阵风系数在1.4～1.5之间，风速≥5级时，平均阵风系数为1.35左右；(3) 秋冬季节，海面的平均风速日较差与风一致率均小于沿岸，当海面出现≥10.8 m/s(6级)强风时，海面与沿岸的风速日较差减小，风一致率增加。     

南方上半月连日阴雨 北方下半月气温偏高——2002年5月

今年 5月 ,与常年同期相比 ,除东北大部、华北北部、华南东部、内蒙古东部和南疆大部等地降水明显偏少外 ,我国其余大部地区降水偏多或接近常年。本月全国大部地区气温接近常年或偏低 ,其中黄淮西部、江淮大部、西南地区东部、湖北和湖南北部等地的气温偏低 1～ 2℃ ,东北和华南东部沿海偏高 1～ 2℃。本月有一个热带风暴生成。1　天气概况5月份降水量 ,西南东部地区、黄淮大部及其以南地区在 10 0ｍｍ以上 ,其中江南及重庆大部、贵州大部、云南西南部、广西、广东中部等地一般有 2 0 0～ 330ｍｍ ,局部地区达 330～ 4 70ｍｍ ;东北、华北、…     

鲁中山区东北部丘陵地区霜冻特征分析

利用临朐县1980-2008年29年间作物生育季节3—11月的所有“黑、白”霜观测记录,对鲁中山区东北部丘陵地区霜冻进行统计分析。结果表明,鲁中山区东北部丘陵地区霜冻有明显的地域特征,即霜冻危害较重的季节在3—4月份;霜冻类型以辐射霜冻为主;霜冻发生的气候特征与当地地形地貌密切相关;从而为鲁中山区东北部丘陵地区霜冻的预测预报提供可靠的依据。     

Fluctuations in the length of the growing season in Minnesota

Fluctuations in growing season length and in the dates of the last spring freeze and first fall freeze between 1899 and 1982 were studied for five rural Minnesota stations with long, high quality records. A general increase in growing season length was found, but there was substantial variation in the pattern of fluctuations among the stations. The increase in growing season length is not clearly and uniformly related to changes in the dates of first and last freezes. The interannual variability of growing season duration is on the order of the increase in duration so that the change would not be readily apparent to a casual observer. Our results do not correspond well with certain other studies of growing season length nor with fluctuations in hemispheric mean temperature. We conclude that extreme care must be used in extrapolating results of growing season length studies in space and in relating them to mean temperature fluctuations.     

2014年初冬牡丹江市暴雪天气诊断分析

本文利用常规资料及数值预报产品,对2014年12月1日牡丹江出现的暴雪天气过程进行诊断分析,结果表明:高空阶梯槽的形成和维持,为暴雪提供了有利的环流背景,中低空切变线和低压倒槽是主要影响系统,为暴雪产生提供强的辐合上升运动和水汽条件;冷平流的持续使近地面气温降至0℃以下,保证了降雪所需要的温度条件。     

1994年冬季洛阳机场天气之特点

主要用洛阳１５ 年冬季能见度资料对比,提出１９９４ 年１１ 月—１２ 月出现多日大雾天气在历史上是少见的。通过分析１９９４ 年几例典型大雾形成的具体特点和影响因素及天气形势。指出稳定层的存在,适宜的地面气压场是导致大雾的直接原因     

2002年夏季山东干旱成因分析

分析了山东省 2 0 0 2年夏季降水、气温特点和干旱情况 ,并从大气环流、北太平洋SST、气候背景等方面对少雨干旱气候的影响进行了分析 ,指出冬季大气环流、北太平洋SST对山东夏季旱涝趋势的预测具有重要的指示意义。     

Fronts in the vicinity of the tropopause

Summary From a study of five cases of pronounced fronts in the upper troposphere, it is concluded that the waterspout model offers the most satisfactory solution to the problem of connecting frontal boundaries and tropopauses. Composite cross sections of temperature, potential temperature, normal wind component and potential vorticity are presented for the five cases. On the basis of the potential vorticity measurements it is suggested that the most likely explanation for the formation of the high-level front is a folding of the tropopause.

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Zusammenfassung Auf Grund einer Untersuchung von fünf Fällen ausgesprochener Fronten in der höheren Troposphäre wird der Schluß gezogen, daß die Wasserhosen-Vorstellung am besten den Zusammenhang zwischen Fronten und Tropopausen darstellt. Kombinierte Querschnitte von Temperatur, potentieller Temperatur, normaler Windkomponente und potentieller Vorticity werden für die fünf Fälle vorgelegt. Auf Grund der Bestimmungen der potentiellen Vorticity wird dargelegt, daß die wahrscheinlichste Erklärung für die Entstehung einer Front in der Höhe in der Annahme einer Faltung der Tropopause besteht.

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Résumé En se fondant sur cinq cas de fronts très nets de la haute troposphère, les auteurs concluent que le schéma de trombe constitue la meilleure solution pour représenter la liaison entre zones frontales et tropopause. Ils donnent des profils combinés de température, de température potentielle, de composantes normales du vent et de vorticity potentielle pour les cinq cas. Ils montrent à l'aide de mesures de la vorticity potentielle que l'explication la plus probable de la formation d'un front en altitude consiste à admettre un plissement de la tropopause.

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With 11 Figures

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Contribution No. 37, Department of Meteorology and Climatology. —The research reported in this article has been supported by the Geophysical Research Directorate, Air Force Cambridge Research Center, under Contract No. AF 19 (604)-1811.     

1994年冬季洛阳机场天气之特点

主要用洛阳15年冬季能见度资料对比,提出1994年11月-12月出现多日大雾天气在历史上是少见的.通过分析1994年几例典型大雾形成的具体特点和影响因素及天气形势.指出稳定层的存在,适宜的地面气压场是导致大雾的直接原因.     

Atomic mercury distribution features in the surface air layer in the Sea of Japan in the fall of 2010

Presented are the results of mercury content measurements in the surface air layer in the Sea of Japan in the period from October 27 to November 11, 2010. It is revealed that the mercury content varied from 0.6 to 3.8 ng/m³. It is demonstrated that the mercury concentration distribution has geographical zoning and depends on the movement of air masses and on the closeness of anthropogenic sources. The maximum mercury concentration is detected in the central part of the sea at the southwestern and southern directions of the wind, that is associated with the industrial emissions of East Asia countries. The minimum mercury concentration corresponding to the concentration in the surface air layer of the Arctic, Atlantic Ocean (Northern Hemisphere), and the Sea of Okhotsk and Bering Sea was observed along the coast of Primorye at the northwestern wind direction.     

1998年洞庭湖流域特大暴雨的雨水情分析

应用１９９８ 年汛期湖南省９７ 个气象站、２００ 多个水文站的雨量、水文资料,分析了同期洞庭湖流域特大暴雨洪涝的雨水情概况和基本特征。