稳定行星边界层相似性函数A,B,C的实验研究

本文使用位于粗糙和不均匀地形上北京320米气象塔夜间边界层风速、风向和温度资料,用行星边界层u分量第一个极值高度作为行星边界层高度尺度,用边界层内的平均风速和平均位温作为速度和位温特征尺度,分析得到在稳定条件下相似性函数A_m、B_m和C_m以及行星边界层高度的参数化表达式。 分析表明,可以将广义相似性理论推广到粗糙而不均匀地形上的大气边界层中。     

预报夜间地面逆温高度的一个简单模式

行星边界层昼夜特性的研究,对于预报污染物的扩散具有重要意义。昼夜间边界层高度的变化有明显的不同,过去对夜间边界层高度的研究多集中于诊断方程方面,即借助于局地地面热量和动量通量等参数来描述边界层高度。用这种定常状态方程描述边界层结构的方法是不够的,近期的研究表明,大气层中稳定的边界层是连续演变的,因此,应当用描述边界层时间演变的预报方程来表达。     

关于非中性层结大气边界层湍流交换系数参数化公式的探讨

运用湍流半经验理论求解大气边界层的运动方程和大气污染物扩散方程的过程中,必须知道全边界层内湍流交换系数随高度的分布规律。本文利用平均场观测(如双经纬仪小球测风和低空探空)资料对目前理论计算中常用的四种非中性层结的km模式进行了计算分析,在此基础上得到中性和非中性层大气边界层参数化的km模式。     

对流边界层中粒子随机扩散模式和高斯模式的比较

用粒子随机扩散模式和高斯模式模拟的对应３种源高的横风向各分浓度的结果与水槽试验的结果进行比较，发现粒子随机扩散模式能较好地模拟出水槽试验结果，说明该模式能用来模拟对流边界层的扩散，而高斯模式不能完全反映对流边界层的扩散。比较两种模式的模拟结果，发现粒子随机扩散模式由于考虑了对流边界中由卷流和热泡引起的垂直方向上湍流的非均一性，比高斯模式能较好的模拟出污染物在垂直方向上充分混合较快、水平方向上扩散范     

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。     

城市热岛效应对污染物扩散规律影响的数值模拟

用一个二维非定常扩散方程模拟了夜间城市边界层中三种不同有效高度(20m,72m和110m)连续线源所产生的污染物浓度分布特征。数值试验结果表明:不管是否出现热岛环流,城市热岛效应使高架源产生的地面浓度增大,而使近地面源所产生的地面浓度减小。这是因为城市下垫面的热力和动力作用改变了一般的边界层低层的温度结构和湍流结构所致。     

地形和热源对冬季定常行星波形成的影响

本文用二层非线性原始方程谱模式，并在方程中考虑了Rayleigh摩擦、Newton冷却和温度水平扩散，在伟向均匀的初始场下，积分４０天，分别模拟了地形、热源单独作用和共同作用对冬季定常行星波形成的影响，尤其考虑了不同尺度地形和非定常热源的影响。     

一次飑线形成的数值试验

本文选取行星边界层几个不同的水平温度梯度、不同的相对湿度以及地面热力分布不均匀值,用二维数值模式对一次飑线过程进行研完,其结果表明:水汽凝结潜热是对流运动发展的重要能量来源,边界层内水平温差是对流发展的重要触发条件,地面热力条件只有在有利条件配合下才可能起明显的作用。     

区域复杂地形大气污染扩散的模拟研究

围绕复杂地形区域尺度大气污染物的扩散问题,以贵州西部山区"西电东送"大型火电厂六枝电厂所在区域为例,采用局部嵌套的高分辨率复杂地形大气扩散模式系统,模拟了该区域大气边界层气象场和污染物散布的浓度场,给出二级空气质量标准下各级保证率的小时平均和日均浓度分布,进而得出其年均浓度分布,分析其时空分布及变化特征,研究了山区复杂地形上大气污染物的扩散特性和散布规律。     

一次飑线形成的数值试验

本文选取行星边界层几个不同的水平温度梯度、不同的相对湿度以及地面热力分布不均匀值,用二维数值模式对一次飑线过程进行研完,其结果表明:水汽凝结潜热是对流运动发展的重要能量来源,边界层内水平温差是对流发展的重要触发条件,地面热力条件只有在有利条件配合下才可能起明显的作用。     

小波变换在风廓线雷达探测大气边界层高度中的应用研究

大气边界层的高度是污染物扩散模式、气候模式、大气模式的一个重要输入参数,边界层高度的变化对数值预报中的物理过程,天气预报的诊断分析,城市污染物的监控也有相当重要的作用。然而,边界层高度的连续监测缺乏有力的手段,风廓线雷达凭借其高时间分辨率和空间分辨率,加上其能够连续探测等优点,可以成为连续监测边界层高度的有效工具。利用协方差小波变换对风廓线雷达距离订正后信噪比数据进行分析,来确定边界层的高度,并与无线探空仪确定的边界层高度进行比较,通过分析得到:(1) 协方差小波变换应用于边界层高度的确定时,尺度因子a和平移因子b的选取很关键,不同的a和b值得到的结果可能差异很大,在计算过程中要仔细选择合适的值;(2) 质量控制对正确判断边界层高度至关重要,好的质量控制方法可以起到剔除突变点的作用,使确定的边界层高度更符合实际情况;(3) 在晴空条件下,如果边界层湍流不均匀及杂波影响较大时,梯度法将不适用,它容易受到大气湍流不稳定以及其他因素引起的信噪比突变而产生较大误差,而协方差小波变换法作为梯度法的改进,能够较好地确定边界层的高度;(4) 通过质量控制,小波变换法和探空仪确定的高度很一致,两者的相关系数达到0.87。      

北京地区夏季边界层急流的基本特征及形成机理研究

首先指出了北京地区夏季边界层急流的基本特征, 即北京地区边界层急流一般出现在白天高温背景下或发生局地暴雨的夜间, 强度存在明显的日变化, 垂直分布具有明显的"鼻状"结构特征, 急流核高度一般为600～900 m.从中尺度扰动方程出发, 并通过天气过程演变实例, 研究了地形热力作用、局地强降水在边界层急流形成过程中的作用, 指出: (1)夏季高温背景下, 平原与山区之间温度梯度方向、强度的变化, 是造成低空风垂直切变加速或减速, 即边界层急流形成或消失的直接原因, 因此这种边界层急流的高度一般要低于山体的高度.(2)局地暴雨与边界层急流之间存在明显的正反馈现象: 由于局地暴雨同时改变了对流层中层和近地面层气温的水平分布, 这种热力强迫作用造成了边界层气流加速; 反过来, 边界层气流的加速又加强了急流前方的风速辐合--如果急流方向水平垂直于山坡, 这种迎风坡上的辐合将更强, 造成局地降水强度进一步增强.     

2016—2017年冬季华北地区一次重污染过程的气象条件分析

以华北地区为研究区域,利用地面监测数据、高空观测资料、NCEP FNL资料及HYSPLIT后向轨迹模式,对2016年12月26日至2017年1月9日该地区的雾霾天气过程进行综合分析。结果表明,雾霾期间高空以纬向环流为主,冷空气势力偏弱,主要受高压、弱高压或均压场控制,有利于华北地区静稳天气形成。同时,雾霾期间边界层平均高度约600~900 m,污染物浓度与边界层高度呈负相关,且污染物浓度变化较边界层高度变化存在滞后现象。逆温层的长期存在,不利于污染物垂直扩散,能见度一直维持在5 km以下。后向轨迹集合模拟与聚类分析表明,以北京地区为核心的华北地区雾霾天气期间,外来污染物中,80%来自西北方气团,20%来自河北西南地区气团。     

城市湍流边界层内汽车尾气扩散规律数值模拟研究

以纳维斯托克斯方程组、大气平流扩散方程、湍流动能及湍流动能耗散率方程组为基础．采用伪不定常方法,建立了一个数值模式．利用该模式列城市湍流边界层内流场结构及汽车排放污染物扩散规律进行了研究。结果表明：街谷内会形成一个涡旋型流场．汽车排放污染物浓度在地面及建筑物背风面产生堆积,且其沿高度方向的梯度变化在背风面大．迎风而小。随着街谷两侧建筑物屋顶风速的增大,峡谷内形成的涡旋流场的强度增大,污染物扩散速率增大：当屋顶来流与街道之间的夹角逐渐增大时．涡旋中心位置由街道中心偏向于背风面及更高层且污染物扩散速度加快。     

模式大气对于非绝热加热场的线性响应

本文利用一个包含了Newton冷却、Rayleigh摩擦以及▽~4型水平扩散等耗散作用的定常、斜压、线性初始方程三维谱模式,研究了热带和中纬度理想热源以及1979年1月北半球平均非绝热加热场对于冬季行星尺度的大气定常波的影响。数值试验结果表明,热力强迫作用的重要性可以与北半球大地形的动力强迫作用相比拟。利用1979年1月平均加热场作为强迫函数计算得到的强迫扰动,主要表现为纬向波数为2的行星波,并具有明显的斜压结构。热带地区纬向非均匀热源所激发的近似地沿大园路径传播的Rossby波列,对于热带区域与中、高纬大气之间的遥相关现象提供了一种可能的解释,同时,热带外区域的加热场对于整个半球范围内定常波的维持有着更显著的贡献。     

利用大涡模式模拟黄土高原地区对流边界层特征

边界层湍流所引起各物理量的垂直输送在大气过程中起着重要作用。研究对流边界层特征对分析污染物扩散条件,认识陆气间物质、能量的输送交换机制和提高数值模式模拟能力具有重要意义。受限于目前许多地区通量观测站较少、资料时空分辨率较低,为了研究黄土高原地区大气边界层结构及其特征,将中尺度气象模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model)与大涡模式WRF Large-Eddy Simulation(WRF-LES)嵌套使用,分析了黄土高原夏季温湿廓线情形下,由热力驱动的边界层结构特征。结果表明:(1)WRF-LES模拟的地面风温场能较好地显示边界层典型湍流结构,其他气象要素的模拟结果也比较符合边界层实际。(2)混合层顶所在的1000 m高度处垂直湍流强度最大,强夹卷作用导致湍涡尺度减小且涡旋数量增多。(3)在模拟区选定的参数化方案下,采用夏季实际粗糙度0.062 m替换模式默认值0.1 m,发现使用实际粗糙度的模拟温度较之前低0.4 K,与模拟区中心处的观测数据更接近,说明采用合理的粗糙度对提高WRF-LES模拟效果有重要作用。     

M—γ尺度动力模式在SO2扩散数值模拟中的应用

引言在环境影响评价领域,高斯烟流模式被广泛应用于大气污染物的输送扩散计算,由于推导高斯烟流模式的假设条件要求风矢量与湍流扩散系数的时空结构为定常,与实际情况存在很大的偏离,而用逼近真实环境风温场结构的三维动力模式来进行污染物传输过程的数值模拟有其重要意义。本文即采用Ｍ—∪尺度动力模式对太原市ＳＯ２的传输扩散进行了数值模拟个例分析,分析模拟结果表明,Ｍ—∪尺度动力模式可用于大气污染物的数值模拟,能够反映太原市的ＳＯ２浓度分布状况。１Ｍ—∪尺度动力模式简介Ｍ—∪尺度动力模式是基于由地形动力、热力强迫…     

草原垦荒行星边界层的数值研究

本文主要用修改的Nickerson等(1986)提出的中尺度模式,研究了在我国北方(49°19′N,119°55′E)草原开垦地所形成的行星边界层。其基本结果是:1)正午开垦地的“热岛”强度达4—6℃。下垫面的热力扰动可达700m高度,而对流扰动可达行星边界层顶,对流速度为1-2cm·s~(-1);2)一旦草原被大范围开垦,其边界层气候就会朝干热方向演变;3)灌溉可以减轻开垦地的“热岛”强度和旱情,但不能阻止气候的干热化过程,4)行星边界层内局地环流的方向在一昼夜内保持不变,即低层150—200m高度以下的气流由草原吹向开垦地,风速达2m·s~(-1)左右,上层为返回气流,速度略小于下层。草原上的湿气流在水平方向伸入开垦地可达30-50km。     

荒漠绿洲边界层结构的数值模拟

陆-气相互作用和中小尺度天气系统的研究中,水平不均匀边界层和水平不均匀地表的强迫作用都是重要的物理过程.本文用已建立的陆面过程与大气边界层耦合模式(BLCM),较详细地研究了草地周围为荒漠(半沙漠)的地表植被不均匀而造成的边界层结构特征和局地环流及其昼夜变化.通过边界层顶影响自由大气不同尺度的运动.模式结果揭示出最强的上升和下沉运动是发生在荒漠-草地间动力和热力不连续的界面附近,且呈现出不对称性.     

大气行星尺度运动的动力特性

本文首先利用尺度分析方法分析了行星尺度运动的动力特性,指出第二种地转运动方程——Burger方程只能描述经向度很大的而不能描述经向度较小的行星尺度运动. 本文还利用一个包含涡旋粘性、Newton冷却的β平面近似准地转模式,计算了中纬度地形与热源强迫所产生的准定常行星波,并且与用Burger方程的计算结果相比较,表明了准地转模式适用于经向度不太大的行星尺度运动,而Burger方程则不能正确描述这类行星尺度运动.