三层模式背风波的理论研究

文中建立了一个背风波的三层理论模式 ;当三层Scorer参数在中层最大、高层次之、下层最小的情况下 ,利用该模式求得了背风波的理论波长及扰动的解析解 ,并对一个典型的个例计算了其背风波波长 ,并在此基础上分析了背风波波长对上、中、下三层Scorer参数变化的敏感性 ,结果表明波长对中层Scorer参数的变化比较敏感 ,对下层Scorer参数的大小和符号都不敏感 ,但在计算背风波波长时不能忽略下层的Scorer参数。     

下坡运动的分析解

本文采用二层模式,在一个斜坡地形上,求解大气波动方程,得出了下坡运动的普遍分析解,并对解在不同大气条件和地形条件下的物理意义做了分析。当下层大气厚而稳定、风速较强时,得到的是背风坡大风。而当下层大气强稳定、小风时,得到的是泄流风。对各类下坡运动近地面风速和大气层结、流场结构及Scorer参数之间的关系也做了讨论。     

小振幅背风波的非线性特征及水汽敏感性试验

从Scorer的背风波发生理论条件出发,首先考虑3层均匀干空气,利用WRF模式模拟出干空气条件下的小振幅拦截背风波动,波动主要发生在2~5 km的高度范围,波长为8 km左右,这与之前的观测和模拟结果相一致。分析表明:形成平稳背风波动过程中,存在能量波包向下游传播的性质,各位置振动的强度会发生周期性的增强和衰减。引入水汽进行的敏感性试验表明:随着水汽增多,背风波动的波长会增加,且波动传播中所能达到的最大垂直速度有变小趋势。     

青藏高原东北边坡复杂地形重力波的数值模拟

基于2007年7月青海祁连站的野外加密探空资料,结合高分辨率的三维边界层模式,模拟研究了青藏高原东北边坡复杂地形条件下,边界层对流引起的干动力过程对该地区地形重力波产生及传播的影响机理。结果表明:在不同的背景场强迫下,高原东北边坡复杂地形上空对流和重力波的空间结构存在较大差异。当背景风向与山体垂直时,随着风速增加,山脊背风坡混合层顶附近大气不稳定能量加强,激发了下游区域较强的重力波信号,此时对流线组织性增强、重力波波列较长,高水汽含量的空气被波峰传输到较高的高度,为对流云发展提供了有利条件;当背景风向与山脊走向平行时,山顶上空对流发展旺盛,山脊背风坡混合层顶大气状态较稳定,激发的地形重力波信号较弱且波列较短,整个混合层顶附近水汽较少,对流云形成条件减弱;当背景大气浮力频率减小时,整个区域上空对流发展更加旺盛但组织性减弱,背风坡下游重力波向上传输的距离减小,信号不显著,混合层顶附近水汽分布均匀且变化幅度较小,有利于层状云发展。     

北京冬季城市边界层结构形成机制的初步数值研究

利用耦合了城市冠层参数化方案的MM5模式对2001年冬季北京地区一次典型的城市边界层过程进行成功模拟的基础上,对北京城市化作用、周边地形以及城市化进程发展对城市边界层结构的影响等问题进行了一系列的数值模拟试验。城市化作用的因子分离试验发现,城市化的总体作用即城市下垫面结构对大气热力及动力的综合影响导致了北京冬季城市边界层结构主要特征的形成。此外,揭示了城市结构的不同影响因子———动力因子、热力因子和热动力因子间的相互作用在北京冬季城市边界层结构形成和演变过程中的不同作用。在夜间,城市结构的动力因子对于城市边界层主要特征如市区悬浮逆温、近地层中小的风速及较强的湍流动能等的形成起着主导作用;在白天,城市结构的热力因子则成为影响市区混合层强度以及湍流运动特征等边界层结构的主导因素;热、动力因子间的相互作用对城市边界层结构的形成和演变也有着重要作用,但其影响特征比较复杂。北京周边地形作用的敏感性试验的结果表明,北京周边的特殊地形条件对城市边界层热力结构特征如悬浮逆温层及城市热岛等的结构及分布特征的形成也有着明显的影响,使其具有特殊的局地化特征,同时,它也是北京地区近地层主要气流特征的强迫源。不同城市化程度的敏感性试验结果揭示,随着北京城市建筑高度和密度的增加,市区风速将减小、湍流动能将加强,夜间城市悬浮逆温层底的高度会有所提高,城市热岛的强度也将加强,并可能在白天出现比较明显的城市热岛效应。     

长波稳定性的季节变化

利用多层模式导得了多层斜压大气中的斜压不稳定的必要条件,还利用迭代-还原法计算了春夏秋冬实际基流上不稳定波的增长率。结果显示,长波扰动的增长率及其不稳定波的波长范围有明显的季节变化,冬季增长率最大,不稳定波的波长范围也最宽,春季次之,夏季最弱;β参数对长波不稳定起稳定化作用,它减小不稳定波的增长率,缩小不稳定波的波长范围;Froude数的影响与β参数相反,它对长波起不稳定化作用.地形的存在,使不稳定波的波长范围缩小,对增长率的影响比较复杂。     

WRF模式对山谷城市边界层模拟能力的检验及地面气象特征分析

利用先进的WRF中尺度模式中3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2),模拟了2005年1月25~28日兰州市冬季地面温度和风速的变化,并与同期系留探空和自动气象站的实测资料进行了对比分析。结果表明:对兰州冬季大气边界层地面温度日变化的模拟,局地闭合的MYJ方案优于非局地闭合的YSU和ACM2方案;3种方案模拟的夜间位温廓线较好,白天的较差;在边界层低层,考虑局地和非局地闭合的ACM2方案模拟的位温廓线与观测值比较一致;在边界层上部,局地闭合的MYJ方案则更适合于描述大气湍流对位温垂直分布的影响;3种边界层参数化方案模拟的兰州地区冬季温度场空间分布特征相似,但MYJ方案模拟的夜间温度低于YSU和ACM2方案,白天则高于YSU和ACM2方案。     

西北干旱区对流边界层发展的热力机制模拟研究

观测发现,西北干旱区对流边界层高度在夏、冬两季极大值分别达到4 km和800 m.利用热力学方法对西北干旱地区深厚对流边界层的原因进行了定量分析.用建立的热力数值模型模拟表明,平均而言,夏季和冬季对流边界层高度的51.5％和61.4％分别由感热产生,对于夏、冬季对流边界层高度可分别达到4 km和800 m的极大值,感热贡献更大,为63.4％和73.1％,感热对对流边界层的贡献率冬季明显大于夏季;夏、冬季浮力夹卷对对流边界层的贡献是18.1％和9.4％;包括感热和浮力夹卷的热力因素可以解释夏、冬季对流边界层高度的69.6％和70.8％,而对于对流边界层极大值,则其解释可高达81％和84.6％.热力因素是西北干旱区对流边界层产生的主要原因,其中,感热又是最根本原因.     

WRF模式不同边界层参数化方案模拟兰州冬季边界层高度的研究

本文利用WRF模式中YSU、MYJ和ACM2三种不同的边界层参数化方案,模拟了2005年1月20-31日兰州市冬季大气边界层高度,并将模拟的边界层高度与同期系留探空资料位温廓线法计算的大气边界层高度进行了比较分析,从闭合方法和混合层高度计算方法等方面探讨了各个方案模拟结果的差异。结果表明:三种不同的参数化方案均模拟出了兰州市冬季边界层高度日变化的基本特征,其中,MYJ方案明显偏高,YSU和ACM2方案次之;统计分析结果显示,ACM2方案能较好地模拟兰州市冬季边界层高度。     

三维三层背风波的理论和数值研究

建立了一个三维三层背风波的理论模型，求出当Scorer参数满足中间层大，上、下两层小的情况下，三维三层背风波的理论波长和扰动分布。利用该理论模型对一个实际的背风波个例进行了计算，得到的理论波长与实际波长十分接近。理论结果还表明波动的最大扰动振幅在中层附近。利用ARPS（The Advanced Regional Prediction System） 模式对此个例模拟的结果表明，模拟得到的波长、锲角及波动位相的分布都与理论模型的结果较为一致。     

三层模式中风场对背风波的影响

为了研究风场对背风波的影响,针对边界层附近为弱稳定层结的背风波,建立了一个三维三层的理论模型和线性计算模式,分析了各层中风速和风向的变化对背风波特征的影响,揭示了气流过孤立山脉产生背风波的有利风场条件。结果表明：背风波的波长、振幅等特征对各层风速和风向的变化具有相当的敏感性,波长随着低、高层风速的增大而增大,随着中层风速的增大先减小后增大;振幅随着低、中层风速的增大先增大后减小,随着高层风速的增大而增大。此外,风速和上下层风向切变的增大均使背风波的形态逐渐由横波型转为辐散型,但是上下层风向的切变对背风波形态的影响比风速更为显著。     

Numerical Modelling of Katabatic Flow Over a Melting Outflow Glacier

A realistic simulation of katabatic flows is not a straightforward task for numerical models. One complicating factor is that katabatic flows develop within a stably stratified boundary layer, which is poorly resolved and described in many numerical models. To capture the jet-shaped shallow flow a model set-up with high vertical resolution is also required. In this study, ‘a state of the art’ mesoscale numerical model is applied in a simulation of katabatic flow over a melting glacier. A basic agreement between observations and model results is found. From scale analysis, it is concluded that the simulated flow can be classified as katabatic. Although the background flow varies in strength and direction, the simulated katabatic flow over Breidamerkurjökull is persistent. Two factors vital for this persistence are identified. First, the melting snow maintains the surface temperature close to 0 °C while the air temperature warms adiabatically as it descends the slope. This provides a ‘self enhanced’ negative buoyancy that drives the flow to a balance with local friction. Second, the jet-like shape of the resulting flow gives rise to a large ‘curvature term’ in the Scorer parameter, which becomes negative in the upper jet. This prevents vertical wave propagation and isolates the katabatic layer of the influence from the free troposphere aloft. Our results suggest that the formation of local microclimates dominated by katabatic flow is a general feature over melting glaciers. The modelled turbulence structure illustrates the importance of non-local processes. Neglecting the vertical transport of turbulence in katabatic flows is not a valid assumption. It is also found that the local friction velocity remains larger than zero through the katabatic jet, due to directional shear where the scalar wind speed approaches its maximum.     

影响云南空气质量的风场特征分析

利用美国NCEP/NCAR风场再分析资料和云南高空、地面、高山风塔实测风资料,对云南地区的大气风场特征进行了分析。结果表明,云南对流层中低层大气风场常年盛行偏西气流,风向稳定,尤以西南风最多,冬-春-夏-秋四季风场变化特征明显。腾冲、思茅高空盛行风向以西风为主。云南除滇东北、滇东南和局地地形影响外,大部分地区近地面全年以盛行西南风为主。山区全年盛行风向以西南风为主。云南近地面年平均风速1.9m/s,北部大于南部,东部大于西部,冬春季风大,夏秋季风小,风速日变化特征显著。昆明地区大气边界层存在逆温现象,冬季突出,夏季微弱,秋冬春季频率高,夏季频率低。云南空气污染具有干湿季分布特点,1-5月为主要污染时段,冬春季节存在西南和东北两条污染传输通道。     

夏季金塔边界层风、温度和湿度结构特征的初步分析

利用2004年6～7月在河西走廊金塔陆-气相互作用试验的观测资料,分析了该地区夏季夜间和中午风、温、湿的垂直结构特征,结果表明：夏季夜间,当地面风较小时,金塔绿洲高空可能为偏西风气流,夜间稳定层高度大致在100～190m。夏季中午,当低空为偏东风时,风速随高度的变化比较复杂。总的来说,存在着东风急流,急流高度在1000-4000m之间,大气边界层顶盖（即逆温层底）约在3000-3600m高度,在500-800m高度以下存在绿洲内边界层;当低空为偏北风或西北风时,高空都为偏西风或西北风气流,低空风速随高度的变化比较平缓,风速有时存在极大值,大气边界层顶盖（即逆温层底）在3500m左右,在1200m以下可能存在绿洲内边界层,绿洲内边界层高度有时会很低。     

A study of the environmental influence on the amplitude of lee waves

A three-layer theoretical model is used to calculate the lee wave of a real example occurring over Blue Ridge in Pittsburgh, in which the maximum vertical velocity is 0.11 m s^-1. Based on this, the influence of changes in the thickness and values of the Scorer parameter in each layer are analyzed. It is shown that the influence of each layer parameters on the lee-wave amplitude is different, and the amplitude is more sensitive to the changes in the lower layer. Since the environment changes can affect the Scorer parameter profile, the influence of the environment on the amplitude is studied. The results show that the amplitude will decrease in the daytime because of solar heating, and increase at night because of radiational cooling, according to observational data. The case is also simulated by the Advanced Regional Prediction System （ARPS） model. The simulated amplitude is 0.089 m s^-1, which is close to the calculated result. Numerical sensitivity experiments are performed to test the former calculated experiments. The simulated results are consistent with the analytically calculated results.     

Numerical simulation of January 28 cold air outbreak during GALE part II: The mesoscale circulation and marine boundary layer

A two-dimensional (2-D) mesoscale numerical model is applied to simulate the January 28 cold-air outbreak over the Gulf Stream region during the Intensive Observation Period-2 (IOP-2) of the 1986 Genesis of Atlantic Lows Experiment (GALE). The model utilizes a turbulence closure which involves the turbulent kinetic energy (TKE) and dissipation () equations and combines the level 2.5 formulations of Mellor and Yamada (1982) for better determination of the eddy Prandtl number.The modeled marine boundary layer (MBL) is in good agreement with the observations (Wayland and Raman, 1989) showing a low-level jet west of the Gulf Stream warm core and a constrained boundary layer due to the middle-level (2–4.5 km) stable layer. The MBL-induced single cloud and rain band first appears east of the Gulf Stream boundary, and then moves offshore at the speed of the circulation front. The front, however, moves slightly slower than the ambient flow. Removal of the tropopause does not influence the low-level circulation and the movement of the front. The speed of the front is slightly larger in the baroclinic downshear flow than in the barotropic flow. The results also indicate that the observed high cloud streets propagating downwind of the Gulf Stream may be related to upper-level baroclinic lee waves triggered by an elevated density mountain. The density mountain waves, however, become evanescent as the baroclinity (which gives a larger Scorer parameter) is removed.The modeled 2-D circulation systems are found to be sensitive to differing eddy Prandtl numbers, in contrast to the 1-D model results presented in Part I. Sensitivities become increasingly important as the clouds begin to interact with the MBL. A constant eddy Prandtl number of unity produces a more slantwise convection compared to that by the level 2.5 case. Cloud development is stronger in slantwise convection than in upright convection. The fastest development of clouds can be explained in terms of the conditional symmetric instability (CSI), which begins as the MBL baroclinity becomes sufficiently large.     

A comparison of model calculations and measurements of acetone in the troposphere and stratosphere

We present 1-D eddy diffusion model calculations of the distributions of propane and acetone in the atmosphere for continental conditions. The magnitude of the surface seasonal variation in propane mixing ratios that we obtain is in general agreement with measurements at the surface and in the free troposphere. A comparison of the absolute values of the model with propane measurements suggests that a larger surface flux than we have used may be more appropriate for continental conditions. The acetone model results for summer conditions that we obtain are also in reasonable accord with measurements. However, we find serious disagreement between the model winter profiles of acetone and the measurements at the tropopause and in the lower stratosphere. The measured values are lower than the model values at 45° N by a factor of 7–30. In addition, it is also surprising that, given the relatively long lifetime of acetone, free tropospheric values of acetone more representative of surface values have not been measured. The results simulating the decay of elevated levels of propane in the upper troposphere caused by rapid convective transport of boundary layer air indicate that propane will be primarily dispersed by transport rather than destroyed photochemically. Thus, the impact on acetone and PAN is minimal.     

中国地区夏季云粒子尺寸的时空分布特征

利用CloudSat卫星资料,分析了2006～2008年中国地区夏季月平均云粒子有效半径的垂直和区域变化特征。结果显示,水云粒子有效半径在对流层低层达到最大,并随高度增加而减小。30°N纬度带的水云相对以南及以北纬度带的粒子有效半径偏大。6月水云粒子有效半径较大,应与梅雨季节有密切联系。对于中国北部和中部,水云粒子有效半径在西部较东部偏大,而在南部地区,东西部差异不明显。不同纬度带上的冰云粒子有效半径相类似,在冰云下边界最大,随高度增加而减小。水云和冰云的云粒子尺度的年际变化不明显。对上述特征的成因分析表明,高原地形以及东亚夏季风对月平均云粒子有效半径具有明显影响。所揭示的云粒子有效半径特征为天气和气候模式改进、人工影响天气及云—辐射—气候相互作用等研究提供了重要的基础信息。     

金沙江下游局地大气边界层风场变化特征

利用2008年在金沙江下游溪洛渡水电站坝区及向家坝水电站库区获得GPS低空探空资料以及同步地面观测资料,统计分析了坝区从地面开始到大气边界层2000 m高度四季不同高度的风场变化特征.结果表明:(1)春季溪洛渡坝区大气边界层以偏西风为主导风向,1500m高度层以下静风和小风出现频率大,是四个季节中地面静风、小风出现频率的最大值;(2)夏季地面静风、小风出现频率为四个季节中最小,夏季大气边界层中低层主要盛行西风和西北偏西风;(3)秋季溪洛渡坝区大气边界层中低层主要盛行偏西风,到高层则逐渐转变为偏北风;(4)冬季溪洛渡坝区大气边界层低空盛行以西风和西北偏西风为主导的偏西风;中高层主要风向是西风、西南偏西风、东风和东北偏东风;(5)溪洛渡坝区秋、冬季大气边界层西风、东北偏北风、东北偏东风风速最大值均出现在2000m高度层.     

亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相