天津市250m低层大气风廓线模式的试验研究

本文用天津250m气象塔的风廓线观测资料,检验了M-O相似理论的近地层风廓线模式。结果认为,在中性和不稳定条件下,使用近地层计算得到的L和U_*,M-O相似模式可以较好地推广应用。对稳定层结,用Yokoyama等人提出的U_*一级近似表达式替换常通量层公式中的相应量后,U_*和u/z之间的关系在风向随高度没有明显偏转的层次中仍然成立并且至少可推广应用到120m。     

地表热力非均匀性对近地层相似理论适用性影响的大涡模拟

利用非均匀地表加热的大涡模拟试验,研究了不稳定条件下地表热力非均匀性对近地层相似理论适用性的影响。结果发现,边界层的平均廓线基本不受地表热力非均匀性的影响。进一步分析发现,较大尺度的地表非均匀加热可以激发出有组织的大尺度次级环流,冷暖斑块的通量直到边界层上部才混合均匀;而当地表非均匀尺度较小时,次级环流难以形成有组织的结构,冷暖斑块的通量很快就可以混合均匀。然而,不管是哪种尺度的非均匀地表,非均匀斑块间的平流都对各斑块近地层结构产生重要影响,进而斑块近地层通量—梯度关系与相似理论产生偏差,其中风速梯度关系的偏差更为明显。最后,对目前大气模式中常用的基于相似理论的次网格非均匀地表通量参数化方法——Mosaic方法提出了改进思路。     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义,湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一.选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统,离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA相似理论迭代方案B),并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析.在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下,根据边界层铁塔4层高度风速拟合,发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显.将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算.结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素,在不稳定条件下方案B低估了动量通量,方案A优于方案B,而在稳定条件下方案A低估了动量通量,方案B优于方案A,两种方案总体来看误差不大.对于大理边界层通量观测场农田植被交替的环境条件,不同季节下垫面植被类型的差异,以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显着影响.方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异,不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A.针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象,使用了Zeng等1998年提出的用辐射地表温度订正裸土下垫面感热能量方法后,计算结果也有明显改善.     

全边界层选用相似理论对O3、NOx浓度及沉降的影响

将广泛应用于东亚地区的LLA(Lurmann Lloyd Atkinson)化学机制耦合到欧拉型区域空气质量模式(RAQM),并考虑区域污染物长期模拟研究中降水随时间变化的非均匀性,讨论了湍流参数化过程中相似理论在近地层和全边界层的应用对湍流垂直扩散系数(Kz)与干沉降速度(V),O3与NOx浓度的影响。结果表明,全边界层应用相似理论明显低估了Kz值,近地层50m处Kz值被低估20%以上,750m处其值被低估约70%;O3、NOx的干沉降速度在日本东部与南部海域被低估了10%以上,在朝鲜半岛东部和西部海域模拟值普遍偏高。Kz和干沉降速度的不同直接影响污染物的浓度和沉降量分布。Kz值的被低估对NOx浓度有明显影响,在近地层50m处NOx浓度最大可增加约30%,整个边界层中NOx平均浓度除台湾省东北海域外普遍增加5%~20%。O3浓度则受干沉降作用的影响较大。虽然近地层、全边界层分别应用相似理论都较好地模拟了O3与NOx峰值浓度出现的时间,但相似理论应用于全边界层会引起较大的误差。即使是大区域、长期空气质量模拟研究,也建议相似理论仅应用于近地层,且模式第一层高度应设置在常通量层内。     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义, 湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一。选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统, 离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA 相似理论迭代方案B), 并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析。在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下, 根据边界层铁塔4层高度风速拟合, 发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显。将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算。结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素, 在不稳定条件下方案B低估了动量通量, 方案A优于方案B, 而在稳定条件下方案A低估了动量通量, 方案B优于方案A, 两种方案总体来看误差不大。对于大理边界层通量观测场地农田植被交替的环境条件, 不同季节下垫面植被类型的差异, 以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显著影响。方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异, 不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A。针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象, 在使用了(Zeng, et al, 1998)提出的对于使用辐射地表温度在裸土下垫面时的订正方法后, 计算结果也有明显改善。     

青藏高原地表湍流热通量计算的一个试验

鉴于计算近地层湍流热通量的规范扩散法在高原地区试用的不理想情况,本文从湍流相似理论出发,根据高原大气科学实验期间格尔木测站的某些特殊资料,建立了计算青藏高原近地层湍流热通量的半经验公式。使用这一公式对所有实验测站的湍流热通量作了全面计算。并对这些计算结果进行了检验,结果合理。     

边界层局地相似理论在草原下垫面的适用性检验

利用锡林浩特草原平坦下垫面塔层湍流资料,对常值通量层的高度进行了估计,检验了局地相似理论在均匀草原下垫面的适用性,对Monin-Obukhov相似理论和局地相似理论在常值通量层以上的大气边界层的适用性进行了比较。结果表明:(1)对于锡林浩特草原来说,常值通量层厚度在50m左右;(2)通过分析无量纲风速和温度梯度、无量纲风速方差、无量纲标量(温度T、水汽q、CO2浓度C)方差与稳定度z/L之间的关系,验证了局地相似理论在均匀草原下垫面70m以下大气边界层的适用性;(3)感热通量尺度与浮力长度尺度之间存在线性关系;(4)从经典Monin-Obukhov长度、局地Monin-Obukhov尺度和浮力长度尺度的对比分析来看,局地尺度更适用于50m以上的大气边界层,而浮力长度尺度不适用于50m以上的大气边界层。     

深圳两次灰霾过程的通量变化特征

利用深圳龙岗观测基地的30 m梯度塔超声风观测资料,对2015年1月19—23日和1月31日—2月4日深圳2次灰霾过程前后的物理通量变化进行了分析,结果表明:不同高度的通量存在着相似的日变化特征,近地层的通量输送与灰霾过程存在密切关系,30 m高度上的通量绝对值总体上要高于贴地的2 m高度,30 m通量变化滞后于2 m高度通量约6 h,同时不同高度各种通量之间关联性极高、变化趋势基本一致,与灰霾过程的能见度变化存在密切关系。低风速、高湿度是影响灰霾的主要因子,而通量的垂直扩散也是影响灰霾的一个重要因子。     

估算地表热通量和近地层土壤含水量的变分方法

提出一种反演地表感热通量、潜热通量和近地层土壤含水量的变分方法,该方法把不同高度上的风速、位温以及湿度梯度的观测资料与Monin-Obukhov相似理论计算值的偏差、土壤水分蒸发参数化方案估算的蒸发潜热与由相似理论导出值的偏差在地表能量平衡的约束下融合到一个目标泛函数中,采用最优化算法寻求问题的解。利用2001年6月中国暴雨试验与研究项目在安徽肥西观测资料进行了数值验证,结果表明:该方法估算的通量值与Bowen比法具有很好的相关性且又能克服当Bowen比等于-1时计算通量出现的不稳定;同时能克服用廓线法求解热通量与地表能量平衡条件有较大出入的缺点。对观测误差的敏感性试验也表明变分方法是3类方法中最稳定的。反演的近地层土壤含水量对降水具有很好的响应并与观测的0—15 cm深度上平均土壤湿度的变化趋势具有很好的一致性,其绝对偏差小于0.03 m3/m3。     

场相似在汛期暴雨预报中的应用

采用相似原理,利用车贝雪夫多项式对暴雨发生前期高空三层的高度场展开,突出与历史暴雨过程场相似特点。在高度场相似的基础上,又对和暴雨关系密切的Ｑ矢量散度,水汽通量及其散度,潜在不稳定度等物理量进行诊断分析,也取场的主要分布特点来进一步逼近,进行最佳相似预报和相似分析预报。通过试报和业务使用,效果较好。     

地形非均匀性对网格区地面长波辐射通量计算的影响

从理论和数值试验两个方面证明地形的非均匀性(如海拔高度)对网格区地面长波辐射通量的计算有重要影响,海拔高度场的区域平均值及其变差系数是影响网格区地面长波辐射通量的主要因素,仅仅用地表均匀假定下的区域平均参量(如平均海拔高度和平均温度)所计算的网格区地表有效辐射通量值与其真实值之间存在着一定的误差。由于地表有效辐射通量是海拔高度的非线性函数,在特定情况下,其影响相当大,可产生不容忽略的误差。相对而言,海拔高度自身非均匀性对误差的影响远大于地表温度非均匀性项及其混合扰动项所产生的误差。对于不同的地形平均高度,地形非均匀性影响的程度并不相同。平均高度较小时,非均匀性的影响几乎可以忽略,但随着地形平均高度的增加,地形非均匀性的影响程度呈非线性增长趋势。因而,在复杂地形区域,考虑次网格地形的热力作用非常必要。     

Relating Urban Surface-layer Structure to Upwind Terrain for the Salford Experiment (Salfex)

Profiles of wind and turbulence over an urban area evolve with fetch in response to surface characteristics. Sodar measurements, taken on 22 April 2002 during the Salford Experiment in the UK (Salfex), are here related to upstream terrain. A logarithmic layer up to z = 65m was observed in all half-hour averaged profiles. Above this height the profile showed a different vertical gradient, suggesting a change in surface cover upstream. The drag coefficient varied by a factor of two over only a 20° direction change. Turbulence intensity (σ _x ) for each wind component (x) decreased with height, but the ratio suggested an underestimate of σ _u compared to previous results. Mean urban and suburban cover fraction within the source area for each height decreased sharply between z = 20 and 50m, increasing slightly above. The near-convergence of cover fractions thus occured for source areas of minimum length ≈ 2,200 m. In comparison, the mean length scale of heterogeneity L _P was calculated from surface cover data to be 1,284 m, and the corresponding mean blending height h _b was 175 m. Finally, the mean streamline angle, α, was negative and the magnitude decreased with height. An exponential fit to α for z ≤ 65m gave an e-folding height scale of 159 m. A simple relationship between this height scale and L _P was assumed, giving L _P ≈ 1,080 m, which is in reasonable agreement with the estimate from surface cover type. The results suggest that more emphasis is required on modelling and measuring surface-layer flow over heterogeneous urban canopies.     

青藏高原地区地气系统太阳辐射能收支的研究

本文利用1982年8月—1983年7月Nimbus-7的月平均行星反射率资料和根据卫星资料得到的地面总辐射、地表反射率的估算结果,分析了青藏高原地区地气系统(大气顶)的太阳辐射能收支和地表、大气对太阳辐射吸收的时空变化特征,给出了表征太阳辐射能收支的一些基本参数,讨论了以行星反射率为基本参数表征大气、地表对太阳辐射吸收的参数化方法。分析表明:过渡季节5月份的行星反射率极小值的出现对青藏高原地区太阳辐射能收支有重要调节作用;全年平均而言,青藏高原地区被地气系统反射和被大气、地表吸收的太阳辐射的比例为37:18:45。     

黑潮延伸体区域海表温度锋的时空变化特征分析

利用NOAA最优插值逐日海表温度资料和AVISO中心的海表高度异常资料,分析了黑潮延伸体区域的海表温度锋的时空变化特征以及导致其年代际变化可能的原因。结果表明,气候平均态的黑潮延伸体区域海表温度锋位于黑潮延伸体区域北部边缘,在143 °E和150 °E附近存在两个弯曲,SST水平梯度最大值出现在142 °E附近,强度超过4.5 ℃/(100 km),其后强度自西向东逐渐递减,在149 °E附近又出现一个较弱的大值中心,在141~153 °E范围内,海表温度锋位置的平均值为36.25 °N,强度的平均值为3.22 ℃/(100 km)。黑潮延伸体区域的海表温度锋南北位置的季节变化很弱,而其强度的季节变化非常显著。相较于较弱的季节变化,海表温度锋位置的年际和年代际的低频变化则要显著得多,其南北变化跨度超过2 °。海表温度锋强度的年际和年代际的低频变化也较强,超过4.5 ℃/(100 km)。黑潮延伸体区域的海表温度锋的变化与太平洋年代际振荡（PDO）以及北太平洋涡旋振荡（NPGO）存在显著的相关关系,NPGO和PDO在中东太平洋区域会强迫产生海表高度异常,随后向西传播,在约3年后到达黑潮延伸体区域,使该区域流场发生变化产生海洋热平流异常,最终导致海表温度锋强度发生变化。      

青藏高原地区大气顶净辐射与地表净辐射的关系

地表净辐射为地气系统净辐射与大气层净辐射之差。对大气层净辐射作不同的假定，可将地表净辐射与大气顶辐射收支之间的关系表示成不同的形式。本文利用１９８２年８月—１９８３年７月青藏高原地区地面辐射收支观测资料及同期ＮＯＡＡ－７辐射收支资料，用统计方法讨论了大气顶净辐射与地表净辐射之间的相关性，建立了两者之间的回归方程，并在此基础上分析了青藏高原地区月平均地表净辐射的时空分布特征。     

Wind Profile Diagnosis from Surface Routine Meteorological Data Over a Coastal Area

A simple algorithm is proposed in order to transform routine surface wind speed observations near the coast to a wind at the height of the equilibrium planetary boundary layer as well as to any other height over a relatively flat coastal region. The model is based on the well known internal boundary layer (IBL) concept, Monin-Obukhov similarity theory and the resistance law, and describes the effects of the roughness transition from sea to land as well as the effect of stability on the shape of the profiles and the IBL growth. The required input weather data are no more than surface wind speed, air temperature and total cloud cover. Satisfactory agreement was found between measurements at Hellinikon airport and estimations made with the scheme. The introduction of a transition layer above the IBL did not improve the agreement to any significant extent. Mean values of the estimated wind differed by less than 1 m s ^-1 from the observed ones, a difference within the accuracy of the reported rawinsonde values. The rms error varied in the range of 17–22% of the observed average value, giving the best agreement under unstable conditions. The correlation coefficient between the observed and the estimated values of the wind, at the height of the equilibrium planetary boundary layer, ranged between 0.74 and 0.90.     

The structure of the stably stratified internal boundary layer in offshore flow over the sea

Observations obtained mainly from a research aircraft are presented of the mean and turbulent structure of the stably stratified internal boundary layer (IBL) over the sea formed by warm air advection from land to sea. The potential temperature and humidity fields reveal the vertical extent of the IBL, for fetches out to several hundred of kilometres, geostrophic winds of 20–25 m s^–1, and potential temperature differences between undisturbed continental air and the sea surface of 7 to 17 K. The dependence of IBL depth on these external parameters is discussed in the context of the numerical results of Garratt (1987), and some discrepancies are noted.Wind observations show the development of a low-level wind maximum (wind component normal to the coast) and rotation of the wind to smaller cross-isobar flow angles. Potential temperature () profiles within the IBL reveal quite a different structure to that found in the nocturnal boundary layer (NBL) over land. Over the sea, profiles have large positive curvature with vertical gradients increasing monotonically with height; this reflects the dominance of turbulent cooling within the layer. The behaviour is consistent with known behaviour in the NBL over land where curvature becomes negative (vertical gradients of decreasing with height) as radiative cooling becomes dominant.Turbulent properties are discussed in terms of non-dimensional quantities, normalised by the surface friction velocity, as functions of normalised height using the IBL depth. Vertical profiles of these and the normalised wavelength of the spectral maximum agree well with known results for the stable boundary layer over land (Caughey et al., 1979).     

Diurnal Variations of Thermal Roughness Height over a Grassland

The thermal roughness height associated with the surface radiation temperature has been previously found to vary between different surface types. This study finds that the thermal roughness height varies diurnally even over a homogeneous senescent grassland. The corresponding roughness length for momentum is relatively constant.Both the aerodynamic temperature and the surface radiation temperature are found to be closely related to the air temperature in the middle of the grass canopy. However, the aerodynamic temperature is strongly influenced by the horizontally integrated heat transfer, while the surface radiation temperature represents the integrated thermal emission through the grass depth within the field of view of the radiometer. The aerodynamic temperature is less sensitive to variations and measurement errors in sensible heat flux, wind speed, and air temperature than the thermal roughness height. We find that formulating the aerodynamic temperature in terms of the surface radiation temperature is better posed for use in the bulk formula than using the surface radiation temperature directly and adjusting the thermal roughness length.