Temperature oscillations observed in the stable boundary layer over four different underlying surfaces

夜间边界层内的温度时空特征决定了边界层的稳定性。由于稳定边界层的间歇性和复杂性,模式在夜间的参数化方案还不完善,研究夜间边界层的温度变化有助于改进模式在夜间的表现。本文利用四座在不同下垫面上的气象塔的数据,研究了夜间边界层中的温度波动。研究表明,无论是海边、草原还是沙漠下垫面,夜间形成的稳定边界层中,振幅大约2摄氏度,周期在数分钟的温度波动非常频繁地出现。而在北京,由于城市下垫面较大的热容量和人为热源使得稳定边界层不容易形成,温度波动也较弱。用布朗特维萨拉频率代表的静力稳定度是影响温度脉动强弱的重要因子。     

北京2013年1月严重霾天气过程的气象成因分析

利用常规观测资料、地面自动站资料及NCEP 1°×1°分析资料,结合边界层散度场的诊断分析,探讨了北京2013年1月严重霾天气过程的环流特征和气象成因。主要结论如下: 1)500 hPa为偏西气流,冷空气活动弱,无明显冷平流,对流层低层850 hPa及其以下风速小、冷空气活动偏弱,是霾天气的显著特征。2)边界层存在逆温和大气层结稳定是霾发生的另一重要条件,逆温层不仅可出现在边界层,有时也出现在对流层低层850 hPa 附近。3)边界层存在弱辐合中心是霾形成的重要条件,特别是在区域性污染的情况下,边界层辐合可使霾因区域性污染物的输送汇聚而加重。4)偏东风对霾形成和加重具有重要作用,主要表现为风速一般较小,在边界层形成暖平流结构,易形成逆温,增加边界层相对湿度和维持边界层辐合,配合北京西部山地特殊地形,使污染物积累,最终通过增大污染物浓度及增大边界层相对湿度,造成大气水平能见度严重降低。5）1月10—14日霾天气过程主要是在边界层有弱辐合而相对湿度较低的条件下形成的,而27—31日过程主要发生在边界层相对湿度较高的条件下。     

自由对流与稳定层结边界层风廓线的解析表达和边界层顶抽吸速度

基于近年来对自由对流和稳定边界层湍流交换特征的研究,求解边界层运动方程,得到这两种层结下边界层风的解析表达式.所得廓线与边界层特性参数符合观测特征.还求出了这二种层结下边界层顶抽吸速度的解析表达及其与某些参数的关系.结果表明,抽吸速度与层结有关,其特征可从物理上加以解释.     

建筑群对城市冠层动力、热力效应的数值试验研究

利用中尺度模式MM5,分别耦合传统的边界层参数化方案和城市冠层参数化方案,模拟了2001年冬季北京冠层大气的动力、热力特征,并和观测资料进行了对比分析.分析结果表明,城市冠层参数化方案更能细致描述建筑群对城市冠层大气的动力、热力作用.由于建筑群的动力、热力作用,使北京城区的温度升高,风速减小,湍流动能增强,形成了明显的增温区、阻风区和湍能增强区,中心均位于城区高大建筑群附近,并向郊区递减.     

黑河绿洲区不均匀下垫面大气边界层结构的大涡模拟研究

采用RAMS模式中大涡模拟的方法,加入高分辨率的植被和土壤资料,模拟了黑河（张掖地区）不均匀下垫面条件下大气边界层演变过程。分析了模拟的地表通量、边界层的平均结构和湍流二阶量,并用黑河试验的观测资料检验了模式的模拟性能。结果表明,模拟的平均结构较好地展现了不均匀下垫面条件下边界层内从稳定层结到混合层发展,夹卷层形成,底层逆温层出现,混合层过渡到残留层等的演变过程,呈现出了从初始的稳定边界层发展到对流边界层,最后又形成夜问稳定边界层的日变化规律。湍流二阶量的分析显示,在非均匀下垫面条件下边界层内湍流二阶量的垂直分布与边界层的发展相对应,白天湍流二阶量出现两个峰值,分别位于近地层和混合层顶。与观测资料和现有研究的对比表明,RAMS中陆面模块（LEAF）地表参数不能较好地反映黑河地区的植被特征,模拟的白天地表感热和潜热通量偏小,气温白天偏低、夜间偏高,相对湿度也有偏差。     

北京地区一次典型大雾天气过程的边界层特征分析

利用中国科学院大气物理研究所325 m铁塔15层风、温、湿梯度观测资料和3层超声资料,对2002年12月1~4日发生在北京地区的持续大雾天气过程进行近地面层大气边界层特征分析。结果表明,近地面大气边界层较大的相对湿度(70%)、较小的风速(3.0 m.s-1)和风速垂直切变(0.02 s-1)、稳定的层结结构以及较低的气温是北京持续大雾天气形成的主要原因。冷空气的侵入使得边界层相对湿度迅速减小,风速和风速垂直切变增大,破坏近地面大气边界层的结构,导致大雾的消散。分析还发现,大雾的维持与消散主要受风场等动力因素的影响,热力层结是大雾维持和消散的必要条件。冷空气的侵入自上而下影响平均风场,而对湍流风场的影响则是自下而上的。尺度分析结果表明,大雾期间,近地面边界层内中尺度动量通量和感热通量都大于湍流尺度的,中尺度动量通量与平均风速基本呈反相关;冷空气的侵入使得湍流通量显著加强,是导致大雾天气消失的主要原因。     

一次华北暴雨过程中边界层东风活动及作用

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h分析资料、微波辐射计资料及FY-2E气象卫星及雷达探测资料,针对2013年6月4日发生在北京及周边地区的一次暴雨过程中边界层东风活动及作用进行了天气学诊断分析,结果表明:对流性暴雨过程伴随有源自东北平原的边界层东风活动,东风活动具有尺度小、降温明显和湿度大等特点。暴雨过程是边界层东风和中低空暖式切变线、偏南风急流和500 hPa短波槽共同作用的结果;东风湿冷空气的锋面抬升和地形抬升作用共同加强了中低层暖湿气流的辐合上升运动,同时东风冷垫和地形抬升作用触发了雷暴的再次发生,相应雷暴具有高架对流特点。东风气流起到了边界层水汽输送作用,中低层偏南暖湿气流为暴雨的产生提供了充足的水汽和不稳定层结条件。     

民勤干旱区冬季浓雾形成的边界层条件分析

利用民勤县气象站过程地面小时观测资料、逐日08时和20时每隔50 m探空资料和NECP再分析资料,对2015年11月9—13日出现在干旱区民勤县的一次罕见浓雾天气过程进行了研究分析。结果表明:前期降水后地面相对湿度增大,为大雾形成提供了必要的水汽条件,稳定的高低层环流配置提供了大雾形成的稳定层结和弱风条件。雾层的厚度和强度与近地面逆温层的强度和厚度、边界层高度、水汽垂直运动以及夜间地气温差绝对值密切相关,边界层高度越高,逆温层越厚,雾层越厚;逆温层越强,夜间地气温差绝对值越小,雾层越强。高空环流形势稳定少动,近地层强逆温层、稳定等温层以及饱和湿层长时间维持,导致此次大雾强度和持续时间异常罕见。     

2013年3月19日江西省冰雹天气成因分析

利用常规观测资料和卫星、雷达、自动站等非常规观测资料以及NCEP再分析资料,对2013年3月19日江西省大范围冰雹天气过程形成原因进行分析。结果表明,该过程是在有利的环境条件下发生的：对流层中低层强热力不稳定和强动力不稳定为冰雹生成和增长提供了不稳定机制;暖湿边界层偏南风急流和低层西南急流以及中层“干”西南急流对热力不稳定和动力不稳定机制发展有重要贡献;适宜的0℃层和-20℃层高度有利于冰雹增长。江西北部冰雹天气是在边界层有锋面逆温的条件下发生的,为“高架雷暴”类对流,南部冰雹天气是在边界层有较强暖平流的条件下发生的,为非“高架雷暴”类对流,两类对流的边界层温度层结分布差异明显。与历史同类个例比较发现,假相当位温垂直变化不仅能表征条件不稳定发展程度,对雷雨大风类强对流天气的判断也有一定参考意义。     

上海地区持续东风系统控制下污染扩散条件分析

利用常规气象资料、物理量场资料、PM2.5小时浓度数据和激光雷达资料,对2014年上半年上海地区持续东风系统控制下两次截然不同的污染变化时空分布特征及其扩散条件进行对比分析。结果表明：海陆温差变化造成两次过程垂直扩散条件显著不同。1月26日海温相对于陆地较高,东风气流为暖平流,海陆热力差异造成近地层垂直温度层结趋于不稳定,加速边界层污染物的垂直扩散;而3月10日过程则相反,海温相对于陆地较低,东风气流为冷平流,造成近地层垂直温度层结趋于稳定,抑制边界层污染物的垂直扩散。此外,激光雷达资料能够直观反映污染物垂直分布,对于了解污染过程的传输特征和形成有一定指导意义。     

BECAPEX科学试验城市建筑群落边界层大气环境特征及其影响

20 0 1～ 2 0 0 3年在北京实施了大气边界层动力、热力、化学综合观测试验 (BECAPEX ,BeijingCityAtmosphericPollutionObservationFieldExperiment) ,获取了北京城市大气动力和大气化学三维结构图像。综合观测试验分析研究发现 ,城市区域呈非均匀次生尺度热岛分布 ,并伴随着城市次生尺度环流 ,影响了局地空气污染物分布特征。MODIS卫星遥感 地面观测资料经过变分分析 ,可发现北京城市空气污染与周边区域影响源有密切关系 ,并影响城市群落环境气候特征 ,导致该区域日照、雾日、低云量和能见度呈显著年代际变化趋势。     

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。     

北京地区严重大气污染的气象和化学因子

利用北京３２５ ｍ 气象塔进行了大气污染物臭氧、氮氧化物、一氧化碳和气象要素的同步观测, 对影响大气污染的气象和化学因子进行了分析,探讨大气污染物变化的规律, 为城市空气污染预报提供理论基础。     

北京一次浓雾过程的边界层结构及成因探讨

利用逐小时地面加密观测资料、系留气球探空资料、常规观测资料、NCEP再分析资料等对2004年11月30日至12月1日发生在北京的一次浓雾过程进行了分析。结果表明:浓雾过程发生在边界层有浅槽东移,地面为均压场、微风、入夜后迅速辐射降温的条件下;浓雾生成前、后近地层维持辐合区,有利于水汽的聚集;在浓雾发生发展的不同阶段,边界层中逆温层、湿度和风的分布是有差别的;从动力学的角度对温、湿场结构的形成原因进行了初步探讨,指出了与其它辐射雾的不同点。     

Building morphological characteristics and their effect on the wind in Beijing

An urban boundary layer model (UBLM) is improved by incorporating the effect of buildings with a sectional drag coefficient and a height-distributed canopy drag length scale. The improved UBLM is applied to simulate the wind fields over three typical urban blocks over the Beijing area with different height-to-width ratios. For comparisons, the wind fields over the same blocks are simulated by an urban sub-domain scale model resolving the buildings explicitly. The wind fields simulated from the two different methods are in good agreement. Then, two-dimensional building morphological characteristics and urban canopy parameters for Beijing are derived from detailed building height data. Finally, experiements are conducted to investigate the effect of buildings on the wind field in Beijing using the improved UBLM.     

2010年冬季北京初雪预报难点分析

北京地区非典型性降雪是预报中的难题,尤其是偏东风在弱降雪过程中的作用难以把握。本文利用常规观测资料与北京地区特种观测资料,对北京2010年冬季(2010年12月至2011年2月)空报的初雪个例和实际初雪个例进行了诊断分析,得出了一些有意义的结果:偏东风的干湿性质取决于东部上游地区的干湿条件。当上游为干中心时,它是一支干平流。12月12日夜间的降雪空报是由于尽管中低层上升运动显著,但是边界层湿度太小,偏东风实际为一支干平流,对北京地区增湿没有明显贡献。北部干冷空气的快速南下控制北京地区,也是预报出现偏差的重要原因。2月9日初雪过程,是边界层高湿区中,弱的辐合上升运动作用下产生的稳定性降雪。对比发现边界层水汽条件在北京地区冬季降雪中非常重要。当边界层水汽条件差,即使中低层上升运动系统明显,也很难形成有效降水。而在边界层受充沛的暖湿气团控制并配合有弱辐合上升运动,即使中高层并无明显的辐合系统,也可产生明显降水。     

ON SIMILARITY AND THE TURBULENT STRUCTURE IN THE STABLE BOUNDARY LAYER

In the stably stratified boundary layer,the vertical flux profiles for momentum and heat can be obtained froman atmospheric boundary layer model which includes parameterization of the long-wave radiation.In addi-tion,the Monin-Obukhov similarity theory can be extended to the whole boundary layer by using the local tur-bulent scales L(z),U.(z)and 0.(z)in place of surface layer scales.The similarity predictions are ingood agreement with observational data.     

加密观测资料在北京2008年9月7日雷暴过程分析中的综合应用

利用多种加密观测资料,对2008年9月7日凌晨北京一次雷暴过程进行详细中尺度分析,研究其发生发展的物理机制。研究结果表明,强对流发生前,北京地区处于200 hPa急流轴右后部和850 hPa暖式切变南侧的西南气流里,加上地面暖湿空气输送使得大气不稳定能量积聚,这时只要有恰当的触发机制或系统,强对流就会发展起来;另外城市热岛效应形成的地面辐合线,以及地形辐合抬升后卷形成的边界层扰动,使得移入北京的对流系统再度发展成为强对流,造成北京城区强降水;此后,强对流系统地面高压前部的流出气流与山风相遇形成新的地面辐合线,从而诱发新的对流系统而造成北部强降水。     

用大涡模式研究对流边界层湍流

利用三维对流边界层的大涡模拟模式研究对流边界层湍流统计特征量,模拟结果与前人的同类模拟工作及实验观测结果相比较,得到了一致的结论.