非单一水平均匀下垫面空气动力学参数的确定

文章介绍了一种利用单一高度风速、温度湍流资料确定空气动力学参数的方法。该方法无须进行风速廓线的测量，可以应用于非单一水平均匀下垫面和非中性层结，避免了主观性。用该方法计算了北京城市北部边缘325 m气象塔附近的零值位移d和地表粗糙 z0。结果表明:该处下垫面零值位移d和地表粗糙度z0与风向有很强的依赖关系，与气象塔周围的城市建设相对应。     

强风天气条件下海气动量交换参数的观测分析

利用近岸海上气象平台对登陆台风“黑格比”近海层风廓线观测资料,计算分析了近海层大气的湍流动量通量交换参数,以期认识高风速情况下的海气动量交换特征.数据分析结果显示,当海面上方 10 m处风速U10≤24 m/s时,摩擦速度(U*)随风速的增大而增大,当U10＞24 m/s时,U*呈饱和趋势.海面粗糙度长度(Z0)、拖曳系数(Cd)在低风速( U10≤6 m/s)随风速的增大而减小,在U10处于6～24 m/s之间时,Z0、Cd随风速的增大而增大,当U10＞24 m/s时,Z0、Cd达到极值后开始减弱.Z0、Cd极值出现在U10为24～28 m/s之间.并对高风速时拖曳系数衰减现象的对应机制进行了讨论.另外,还探讨了台风期间的阵风因子(G(t,T))等参数的演变特征.     

北京城市化发展对大气边界层特性的影响

利用中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室的北京325 m气象塔1993年～2003年夏季 (7月～9月) 的观测资料, 统计分析了各年的风速与温度廓线分布特征。统计分析结果表明, 随着城市化的发展, 相对风速有逐年减小的趋势, 并且越靠近地面, 相对风速的减小越明显, 这反映了城市建筑对近地面层空气流动的摩擦作用。对风速廓线进行线性拟合得到风速随高度的垂直递增率, 发现无论是100 m以下的近地面层还是较高层, 风速的垂直递增率都随城市化发展存在逐年增大的趋势, 表明粗糙下垫面的影响已经向高层扩展。根据温度廓线计算了各年的温度垂直递减率, 发现其有增大的趋势, 这表明城市化发展对边界层热力结构同样有显著影响。本文还依据统计整理得到的近中性层结下的风速廓线资料, 利用莫宁-奥布霍夫相似理论计算了下垫面的空气动力学参数, 结果表明, 地表粗糙度、 零平面位移随着城市化发展皆有明显增加的趋势。同时, 分析了各空气动力学参数与平均风速及无量纲风速的关系。其中, 摩擦速度和平均风速二者基本成正相关, 且摩擦速度随平均风速的增大而增大的趋势越发明显。本文研究结果对研究城市化发展对区域大气边界层结构、 气候和环境影响有参考意义, 可为城市大气边界层模式和区域气候模式提供参数化依据。     

黑河下游绿洲近地层湍流输送特征研究

分析2003年9月5-27日在黑河下游额济纳绿洲取得的近地面层湍流观测资料,讨论无量纲湍流方差与稳定度参数Z/L的关系.无量纲风速分量σu/u*、σv/u*和σw/u*在不稳定层结与稳定度Z/L满足1/3次方时,符合Monin-Obkuhov相似理论.在近中性时,σu/u*、σw/u*值比平坦下垫面的略小些,σv/u*值比平坦下垫面的略大.无量纲温度脉动方差和湿度脉动方差在对流状态下与Z/L满足-1/3次方,在稳定和不稳定层结下,随|Z/L|减小而增大.地面热量以感热输送为主,感热通量峰值约为250 W/m2,潜热通量的峰值为170 W/m2;夜间潜热通量较小,感热通量则出现负值.动量通量日间平均在0.2-0.3 N/m2,峰值为0.31 N/m2.黑河下游绿洲柽柳林动力学粗糙度比HEIFE戈壁及其他绿洲下垫面的大,中性时z0m=0.47551 m.中性状态下动量整体输送系数CD=22.2×10-3,不稳定层结时平均值CD=10.3×10-3,稳定层结时平均值CD=7.2 × 10-3.热量整体输送系数CH,中性状态下CH=3.2 × 10-3,不稳定层结时平均值为CH=3.3×10-3,稳定层结时平均值为CH=2.7×10-3.     

城市下垫面空气动力学参数的估算

为了定量描述北京城市下垫面的空气动力学特征,为模式提供准确的下垫面参数.利用气象塔大气湍流观测资料,结合Martano(2000)由单层超声风速、温度资料估算非均匀下垫面空气动力学参数的方法,计算了中国科学院大气物理研究所气象塔附近的下垫面空气动力粗糙度z0和零平面位移d,即z0为1.75 m和d为40.12 m.该结果与前人研究成果的比较结果表明最近的8年内,该处的零平面位移和空气动力粗糙度明显增大,这与该塔周围城市建设状况吻合.     

城市近地层风特征与污染系数分析

使用黑龙江省风能资源专业观测网依兰测风塔2010年5月-2011年4月期间10、50、70、100m四层测风数据,对依兰风特征进行分析。结果表明：测风塔各高度风速具有一致的日变化规律,均是白天大,夜间小。随高度升高,风速变化趋势减弱,100m高度与下层显现出不同的变化特征,具有高空风速的日变化特征。垂直气流速度各时刻平均值均为正值,日变化规律与水平风速基本一致,也是白天较大,夜间较小。风廓线指数n值夜间较大,且稳定,均在0．25左右,08时后,随着温度升高,上下层空气能量交换增大,a值迅速减小,12—14时最小,仅为0．11,之后又迅速增大。各高度主导风向一致,随高度增大,主导风向频率升高。各高度污染系数最大值对应的风向一致,随高度增加,污染系数较小的风向区间增加,有利于大气污染物的扩散。因此增加排放高度,可以有效减少城市近地面的大气污染物浓度。     

1998年南海季风爆发期间近海面层大气湍流结构和通量输送的观测研究

1998年5月14日至6月22日,在西沙永兴岛近海铁塔上进行了一次海-气通量观测试验,观测期包括了西南季风爆发前、爆发、爆发后风速加强等几个阶段。这次试验获得该年西南季风爆发的天气特征以及由涡度相关法、廓线法计算的动量、感热、潜热通量及湍流强度等一些统计量分布。分析结果表明,观测期湍流强度σu、σv、σw与平均风速之比为0.096、0.066、0.045;在近中性条件下（z/L≈0）,各相似函数基本为常数,σu/u＊≈3,σv/u＊≈2,σw/u＊≈1.25;在稳定条件下u、v、w三方向σ/u＊近似相等;在稳定与不稳定条件下σt/t＊随稳定度参数z/L的变化趋势相似,但符号相反。摩擦速度u＊随风速的变化接近于关系式u＊=0.029U10+0.006（U10为10m高度30min平均风速）,空气动力粗糙度长度z0变化在0.01～0.35mm之间。观测期动量通量变化在0.05～0.30N/m2之间,季风爆发期明显增大;曳力系数CD平均为1.12×10-3,它随平均风速变化可以表示为关系式103CD=0.003U210+0.020U10+0.836或103CD=0.056U10+0.732。感热通量由海洋输向大气,平均值为7.8W/m2,数值在0～15W/m2之间变化,季风爆发后明显增大;潜热通量数值一般变化于50～200W/m2,白天中午数值较高,夜间较低。季风爆发后也明显增大。观测期间鲍恩比（BowenRatio）日平均为0.05左右。     

高寒草甸湍流特征量的季节变化特征

利用青藏高原东北边缘的若尔盖高寒湿地生态系统研究站玛曲高寒草甸观测场提供的2010年近地面层梯度和涡动观测资料,基于Monin-Obukhov相似理论(MOST)分析了该地区风速分量、温度、水汽和CO2的归一化标准差随稳定度参数z/L在均匀平坦地表的变化关系及其季节变化特征。结果表明,风速分量σu/u*、σv/u*和σw/u*与稳定度参数z/L呈1/3次方关系,并随|z/L|增大而增大,在近中性(|z/L|0.05)时趋于常数,且σu/u*σv/u*σw/u*;水平方向风速的归一化标准差随空气动力学粗糙度z0m的增大而减小,σw/u*无明显季节变化,可近似为常数;温度、水汽和CO2的归一化标准差在不稳定条件下与z/L呈-1/3次方关系,归一化值随|z/L|的减小而增大,在中性条件下σq/q*σc/C*σT/T*。σT/T*、σq/q*和σc/C*的季节变化分别与感热、潜热和CO2通量的季节变化相反,且主要决定于特征尺度T*、q*和C*。其中感热通量的季节变化与潜热通量、CO2通量相反,且年变化幅度最小,相应地,σT/T*的季节变化与σc/C*和σq/q*相反,且年变化幅度最小。     

内蒙古草原近地层垂直风速廓线的观测研究

利用中国国家气候中心2009-2010年在内蒙古锡林浩特开展的100 m铁塔大气湍流观测数据,分析了不同稳定度条件下的垂直风廓线变化特征,并在局地相似理论基础上建立了垂直风廓线表达式。结果表明:(1)内蒙古草原近地层大气中,不稳定层结和稳定层结条件发生的概率远高于中性和弱不稳定、弱稳定层结的发生概率。(2)稳定层结时,大气特性在垂直方向上变化较明显,需要按照不同的高度层分别研究其风速的变化规律。根据内蒙古锡林浩特草原大气湍流观测资料得到,稳定层结时的无因次风速梯度随稳定度ξ的变化关系可以表达为1+β_mξ,其中β_m的取值与距地面高度有关:30 m高度及以下,β_m取4.3-5.4;高度在(30 m,50 m],β_m取2.9-3.4;50 m及以上高度,β_m取2.0-2.9。     

内蒙古科尔沁沙地起沙近地层动力学阈值的试验研究

利用内蒙古科尔沁沙地沙尘暴探测与监测试验站2008年和2009年春季沙尘和近地层观测资料,研究了不同沙尘天气条件下沙尘浓度随摩擦速度的变化规律,对比分析了不同天气(晴天、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴)入射短波辐射和净辐射的演变,并利用两层高度沙尘浓度差,区分局地起沙和非局地起沙,有效地避免了沙尘水平输送引起的起沙阈值的低估。结果表明,起沙前,摩擦速度和沙尘浓度数值都较低;临近起沙阶段,摩擦速度迅速增大而沙尘浓度基本保持不变;起沙时,摩擦速度数值较高,沙尘浓度迅速增大;沙尘天气减弱阶段,沙尘浓度随摩擦速度近似呈线性减小。科尔沁沙地春季临界起沙摩擦速度u*t和临界起沙风速ut分别为0.62m.s-1和9.5m.s-1,扬沙、沙尘暴和强沙尘暴天气的起沙阈值依次略有增加。与晴天天气相比,沙尘天气到达地面的短波辐射和净辐射明显减少。     

稳定大气近地面层的风和温度廓线

本文不做风和温度廓线相似性假设,使用最小二乘法分析位于粗糙、不均匀地形上北京气象专用塔在稳定条件下的平均风速和温度测量资料。结果表明,在近地面层,从弱稳定到强逆温的较宽的稳定层结范围内,对数加线性规律都是适用的;廓线参数β和β不是常数,它们的数值随大气稳定度而变化。文中给出的经验公式表明:廓线参数随R_i的增大而减少,随L的增大而增大。在临界理查逊数的两侧,廓线参数随R_i的变化遵循不同的规律。文中还表明,廓线相似性假设仅对大气层结稳定度较弱时才是真实的;当稳定度增大时,廓线变成不相似,P值随R_i的增大而增大。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴过境时近地层风速、温度和湿度廓线特征

利用塔中80m梯度观测塔探测系统采集的资料,详细的分析了2006年4月10日沙尘暴过境时,塔克拉玛干沙漠腹地近地层风速、温度和湿度廓线的演变特征。结果表明:风速廓线满足风速值随高度增高而增大,风速梯度随高度增高而减小的对数律关系;沙尘暴由爆发前到过境时,温度廓线的温度值由随高度增高而增大转变为温度值随高度增高而减小,同时在贴地层2m处存在一微弱拐点;沙尘暴过境时,近地层大气出现微弱逆湿现象,并在不同高度上存在多处拐点,比湿增减在时间上与风速的增减呈负相关性,且整个沙尘暴天气是一个降温增湿的过程。     

麦田动力学参数的确定方法及其分析

本文根据莫宁-奥布霍夫近地面层风廓线模式,用轻便风速表、热线风速仪、低阈值风速表在麦田中得到的两年风速资料,提出了一个计算农田零平面位移d、粗糙长度z_0,摩擦速度u*及空气动力学阻力γ_(am)、γ_(ar)的方法。并对几种测风仪器所得结果进行了比较,分析了d、z_0、u*,γ_(am),γ_(av)随风速及稳定度的变化特点。     

梯度法计算空气动力学粗糙度存在的问题

利用2009年春季内蒙古苏尼特左旗风速、空气温湿度的野外观测资料,用梯度法研究荒漠化草原区空气动力学粗糙度Z0时发现,Z0有明显的日、月分布规律。中性条件下,根据风速对Z0的不同影响可分为3个特征区。梯度法计算Zn有风速条件约束,只有在风速较大时计算的Z0真实可靠,确定可靠风速区域是正确应用梯度法计算Z0的关键。乙随风速值的增大成指数关系递减,可从指数函数的收敛性确定Z0。     

南京北郊大气垂直扩散参数特征的测量及其应用

利用平面照相法,以江苏南热发电有限责任公司#Q2号烟囱为研究对象,进行了500次拍摄,通过风向风速、云量、太阳高度角等气象数据,确定了不同稳定度下南京北郊大气扩散参数的特征。与P-G扩散曲线对比发现,在强不稳定A、弱不稳定C、中性D层结中,南京北郊的大气垂直扩散参数在距离排放源200 m范围内更不稳定,而在200—1000 m范围内更稳定。其中,不稳定B层结的扩散曲线与P-G扩散曲线一致,较稳定E、稳定F层结出现于白天的频率很低。对比垂直扩散参数幂函数表达式σ_z=γx~α的系数值γ和α,本研究中α值分别比国家标准增加了28. 6%(A层结)、56. 4%(C层结)、30. 4%(D层结),而B层结的α值却比国家标准减少了22. 9%。此外,通过高斯扩散公式计算得到SO_2和NO_X扩散到观测点的浓度,发现该计算值仅占气象楼污染气体监测平台实测SO_2和NO_X浓度的0. 82%和0. 69%。结合风场发现,SO_2和NO_X实测值受观测点东部工业污染物排放的叠加效应影响较大。其中,NO_X的实测值在受到偏东风和偏南风的影响时具有较大值,且在0. 5～1. 5 m·s~(-1)的较弱风速影响时,NO_X的实测值将达到60μg·m~(-3)以上。     

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。     

近水面层温、湿、风廓线和湍流交换规律

本文分析了官厅水库近水面层的温、湿、风廓线规律,指出水面的波浪状况对廓线规律有影响。给出了中性层结时水面粗糙度、动力摩擦速度及阻力系数与风速和浪高的关系。得出了适用于水面的层结订正函数。还分析了不稳定层结条件下的温度廓线规律,并对温、湿、风廓线的相似性问题进行了讨论。     

黄河上游玛曲地区空气动力学参数的确定及其在陆面过程模式中的应用

为了定量描述黄河上游玛曲地区草地下垫面的空气动力学特征,为模式提供准确的下垫面参数,利用"黄河源区气候与环境综合观测研究站"2006年9月的湍流观测资料,结合Martano由单层超声观测资料确定下垫面空气动力学参数的方法,计算了黄河上游玛曲地区草原下垫面空气动力学粗糙度z0和零平面位移d,即z0为0.035 m,d为0.143 m。同时,将z0和d应用于陆面过程模式CoLM中,检验其对模式模拟性能的影响,结果表明,改进陆面参数后的模式对感热通量和潜热通量的模拟均有明显改善。     

一次局地强雹暴天气过程分析

通过对2004-06-06延安市强雹暴天气过程分析,得出该过程前期大气层结较为稳定,高空无垂直风切变,在天气形势向不稳定发展的趋势下可形成弱的垂直风切变;雷暴单体是在接近对流层中层中小尺度槽、切变线附近发展旺盛的,当地面形成中小尺度辐合场时有利于低层暖湿空气抬升,是雷暴单体产生降雹时段。当低层有强的干冷空气入侵,0oC层高度与常年同期比较明显偏低时,造成雷暴单体反射率因子0 dB z高度偏低。     

北京地区一次强沙尘暴过程的大气边界层结构和湍流通量输送特征

利用中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的风速和温度平均场观测资料和湍流资料,以及北京市气象台地面常规气象资料和逐日08:00和20:00(北京时间)的探空资料,分析了2002年3月18～22日沙尘暴过境前后北京城市边界层结构特征和湍流输送特征,结果表明:1)在沙尘暴爆发前,边界层中水平风速一直较小;气温较高,大气层结稳定,在边界层上部有强大的逆温层.随着冷锋过境,沙尘暴爆发,边界层中水平风速和平均湍流速度急剧增强;温度也突然变化,先迅速增强后又持续下降,逆温层迅速被破坏.2)沙尘暴初期,280 m上为系统性上升气流,而47和120 m则为系统性的下沉气流.随着沙尘暴爆发,湍流动能、向下传输的动量以及向上传输的感热也迅速增大,并且120 m高度的湍能、动量通量以及感热通量明显高于47和280 m,这与北京的局地环流有关.3)本次沙尘暴过程中,120和47 m层的摩擦速度都明显超过了北京的临界摩擦速度,表明局地起沙也是本次沙尘暴过程中北京沙尘的一个重要沙源.