基于旋翼无人机的大气边界层环境气象垂直观测及订正方法的研究

基于旋翼无人机开展大气边界层观测可为气象要素和大气污染物垂直结构的研究提供具有高时空解析能力的新方法,有助于深入理解低层大气物理化学变化机制。本文详述了旋翼无人机在开展大气边界层环境气象垂直观测实验的应用及优势。基于自主研发的旋翼无人机环境气象观测平台,通过开展传感器在无人机上不同的搭载位置,以及旋翼无人机与探空气球、高塔的对比观测实验,明确了旋翼无人机对气象环境观测的影响及合理的搭载方式。研究进一步在湖北重污染天气条件下开展了0—1000 m的大气边界层垂直观测,并研发了基于旋翼无人机姿态数据的大气边界层气象要素及污染物垂直观测的订正方法。结果表明:实验获取了2—10 m垂直分辨率的高质量大气廓线数据,可精细捕捉大气边界层及其逆温层高度和污染物浓度等要素的垂直变化特征。本文旨在为无人机观测的科研应用提供一种技术可行且数据可靠的观测手段。     

复合翼无人机不同传感器探测大气温湿度对比北大核心CSCD

无人机为大气探测的重要平台,为克服固定翼起飞降落条件要求高和旋翼机飞行航时短的问题,中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测实验室自主研制了一款新型复合翼无人机。为检验其在近地面探测大气温湿度的能力,于2020年7月28日—8月6日及2021年8月1—6日,在内蒙古自治区正镶白旗无人机综合验证基地开展了两期无人机搭载不同传感器探测温湿度的比对试验。结果显示:机载自动站与GPS探空仪所测温度绝对偏差为2.00℃~2.35℃,系统偏差可订正;两者所测相对湿度绝对偏差为4.28%;2021年搭载维萨拉温湿探头,测量对比表明维萨拉温湿探头与GPS探空仪测量结果一致性较好,机载自动站与两者差异较大。飞行探测试验表明:长航时复合翼无人机在近地面大气层探空方面机动性强,与常规旋翼无人机相比,可获取更大垂直与水平范围的气象要素信息。     

旋翼无人机盐城试验观测资料分析及其在一次浓雾天气观测中的应用

2018年3月28—30日、6月20—26日和9月5—13日在江苏省盐城市射阳站开展了旋翼无人机大气边界层垂直结构观测试验,并与L波段雷达探空资料进行对比,验证无人机观测资料精度。结果表明无人机观测的温度、相对湿度、风向、风速廓线与探空观测资料具有较好的一致性。二者温度、相对湿度的相关系数均为0.98,温度绝对偏差为0.57℃,相对湿度绝对偏差为4.25%,风向相关系数为0.98,绝对偏差为11.5°,二者风速的相关系数为0.91,绝对偏差为1.88 m·s~(-1),且无人机探测的风速为对应高度上的瞬时风速,可以更好地反映出边界层内风速细节变化特征。试验期间,无人机观测到一次夏季浓雾过程边界层结构细致变化特征,其观测的雾的边界层结构特征和宏观特征与探空观测基本一致。验证结果表明无人机在边界层气象观测中具有很好的应用前景。     

L波段雷达探测资料在大气边界层特征分析中的应用

基于L波段雷达探测的高空气象资料具有垂直分层密,并可获取不同高度层资料的特点,应用2005～2009年L波段雷达探测资料对西宁市区大气边界层气候变化特征、茫崖70m、100m高度层气象要素的变化规律等进行研究,结果表明:L波段雷达探测资料,可用于大气边界层特征分析,进行大气污染潜势等分析预报;可为应急气象服务提供技术支持;可将其用于风能资源评价工作中。     

合肥市郊低层大气的激光雷达探测研究

利用L300米散射激光雷达对合肥市郊大气边界层进行长期系统观测.分析讨论了大气边界层气溶胶消光系数与温度、湿度的关系, 大气边界层气溶胶消光系数垂直分布和时间变化的主要特征, 给出了激光雷达探测的大气边界层高度的统计特征及其与无线电气象探空仪探测大气边界层高度的比较结果.     

大气边界层和大气环境研究进展

大气边界层物理和大气环境是大气科学的重要领域,中国科学院大气物理研究所自成立以来在这一研究领域取导了丰硕的成果.作者重点介绍最近十多年来在大气边界层探测、大气边界层结构特征、大气湍流理论、城市和区域大气污染预测预报模式研究等方面取得的重要进展,并对大气边界层和大气环境研究的未来发展作了展望.     

边界层大气的声雷达探测

声雷达可用于遥感探测边界层大气(1—2公里以下),能够实时地获得风速、风向、温度梯度以及风速脉动和温度脉动谱的空间分布和随时间的连续变化。由于边界层大气对人类活动有着最密切的、直接的联系,因而,遥感探测边界层大气气象要素的方法也得到了迅速发展。从1968年声雷达开始出现以来,已得到不少国家的重视和应用。     

陕西小型多旋翼无人机气象观测应用体系构建与观测试验

开展小型多旋翼无人机气象观测应用,对综合气象观测发展有着十分重要的意义。结合小型多旋翼无人机气象观测业务的运行研究基础和小型多旋翼无人机气象观测示范网的规范业务应用,建立了陕西省小型多旋翼无人机气象观测应用研究示范体系。该体系通过建立小型多旋翼无人机探测系统、示范站建设、观测体系规范的构建等方式,完善了综合气象观测的内涵,扩展了现代气象探测业务的范畴。在陕西成功进行了业务化试验运行,取得了相关飞行和观测数据,表明了初步具备全国推广的价值和可行性。     

农林复合带一维非静力大气边界层模式及其模拟分析

建立了一个农林复合带地区一维非静力大气边界层能量闭合模式，对1000m以下的大气边界层内的风、温、湿作了24h的预报，并对下垫面3种不同参数化方案(农作物、森林、无植被)的输出结果与实测值进行了分析和比较；同时通过敏感性试验，突出比较了农作物和森林下垫面对大气边界层垂直流场，湍流垂直交换和湍能的影响。结果表明，本模式能改善边界层风速、位温和湿度预报的模拟效果，下垫面植被对边界层气象要素大小和分布有显著的作用，对湍能垂直分布有一定影响。     

新书架北大核心CSCD

《塔克拉玛干沙漠大气边界层和沙尘暴探测研究》王敏仲明虎等著该书系统介绍了塔克拉玛干沙漠大气边界层特征、沙漠腹地大气边界层风场变化、沙漠大气边界层高度与陆面参数的关系、沙漠对流边界层大涡模拟、沙漠极端深厚边界层过程对区域环流的反馈作用等内容,并首次利用边界层风廓线雷达、毫米波雷达开展了沙尘暴探测试验研究,计算归纳了沙尘暴的回波强度。     

塔克拉玛干沙漠腹地晴天与沙尘暴天气大气边界层对比分析

根据2017、2019年7月塔克拉玛干沙漠腹地GPS探空和地面观测数据,利用位温廓线法等方法,对比分析了沙漠腹地夏季晴天和沙尘暴天气大气边界层结构变化特征。结果表明：晴天和沙尘暴天气大气边界层结构特征显著不同。晴天大气边界层各气象要素垂直分布较为均一,白天对流边界层深厚,高度接近5 km,夜间稳定边界层一般在500 m左右。沙尘暴天气边界层内位温和比湿垂直变化较小,风速较大,可达24.0 m/s,其白天对流边界层在1.5 km左右,夜间稳定边界层在1 km左右。晴天辐射强烈,地表升温迅速,湍流旺盛,是形成晴天深厚对流边界层的主要因素。大尺度天气系统冷平流的动力条件,以及云和沙尘减弱了到达地表的辐射强度是形成沙尘暴天气独特的大气边界层结构的主要因素。     

关于非均匀下垫面大气边界层研究的讨论

本文是该会议关于非均匀下垫面大气边界层研究的讨论总结,涉及大气边界层观测试验、M-O相似理论的适用范、非均匀陆面边界层参数化、非均匀下垫面能量平衡、城市边界层,以及大气边界层湍流结构与特征等方面。希望这些讨论能为今后非均匀陆面过程研究提供有益的启示。     

气象参证站的选取对AERMOD模型结果的影响分析

选取南昌经济技术开发区规划大气环境影响预测工作为案例,分析了当选取不同气象参证站,输入同期两套不同的气象数据参数对AERMOD模型计算结果的影响,探究气象条件的差异对大气扩散的影响程度。分析结果表明,气象参证站的选取对大气环境影响预测的结果有较大的影响,使用两个距离相近的地面气象站进行预测,污染物浓度计算结果相差可达数倍以上。对比风速、风向、气温、湿度、压力、云量这些单个的气象因子,稳定边界层(SBL)湍流高度和莫宁-奥布霍夫长度这些边界层参数更能综合地反映当时的气象扩散条件,对污染扩散模型的响应更为直接。翔实的有代表性的气象数据是环境影响评价至关重要的基础。在日常的大气环境影响评价中,应全面调查了解项目周边的地面气象站的数量、类型、距离、地形特征,经过专业的气象分析,选取最能代表评价项目所在地气象条件的气象站作为气象参证站,用于该项目的环评和浓度预测。各地气象部门还应加强城市与郊区大气边界层垂直结构变化规律的观测与研究,从而为提高各地空气质量预报的精度,改善大气污染治理措施和优化城市布局提供更为科学的依据。     

Remote Sensing And Surface Observations Of The Response Of The Atmospheric Boundary Layer To A Solar Eclipse

On 11 August 1999, a near-total solar eclipse (80%) was observed in Campistrous, France. The influence of this particular event on the atmospheric boundary layer was observed with a UHF-RASS radar, a sodar and an instrumented mast. The changes in turbulence intensity, radar reflectivity, and temperature on the radiative budget are described in relation to collocated ground meteorological data. The impact of the eclipse induces a clear response of the atmosphere, with a time lag of 15 to 30 min, perceptible in several mean and turbulent meteorological variables up to the top of the atmospheric boundary layer.     

混合层厚度的经验计算及与探空观测对比分析

根据Nozaki计算混合层厚度的经验参数化方法,利用部分时段的北京、黑龙江龙凤山、浙江临安、新疆阿勒泰、海南三亚、青海西宁、云南腾冲7个站的地面常规气象观测资料,计算14:00(北京时)的混合层厚度,并与短期的臭氧探空资料中的Vaisala RS-80气象探空仪观测资料(位温廓线和折射系数梯度)分别确定的混合层厚度作对...     

热带西太平洋边界层大气的多逆温层特征

本文主要利用第四航次“中美热带西太平洋海气相互作用联合调查”所获得的海洋水文气象及低空大气温度探测资料,分析了热带西太平洋暖水区边界层大气层结特征,指出春季热带西太平洋边界层大气具有多逆温层的层结特征。逆温层个数大多为4个左右,厚度多在30m以上,最厚336m。这一研究结果是关于热带大洋边界层结构观测研究的重要补充。      

Diurnal variations of radon and meteorological variables near the ground

Radon is an excellent tracer for the study of transport processes in the lower atmospheric boundary layer. Analyses of the radon data measured on a 300-m meteorological tower at Philadelphia show that the diurnal variation of atmospheric turbulence is closely related to the meteorological variables. A model of variation of radon concentration with mean wind speed and low-level vertical temperature difference is derived. It indicates that radon concentration is inversely proportional to the mean wind speed and directly proportional to the temperature difference. These predictions are in good agreement with the measurements.     

热带西太平洋边界层的多层结构分析

本文主要利用第一次“中美热带西太平洋海气相互作用联合调查”所获得的海洋水文、气象及大气探测资料,分析了热带西太平洋暖水区边界层大气层结特征,指出热带西太平洋边界层大气具有多层结构和多层送温现象,边界层内各层厚度及气温、位温、混合比随高度的变化趋势如下:超绝热层位于地面以上50m左右,气温、位温、混合比迅速减小,系绝热不稳定层;第一层为混合层,平均厚度为351m,位温、混合比变化不明显;混合层上又是逆温层大多为30—100m厚,位温迅速增大,混合比迅速减小,系绝对稳定层;700—1000m为浅对流云活跃层,     

Wind tunnel modeling of small-scale meteorological processes

After introductory remarks on similarity laws to be satisfied in wind tunnel experiments simulating small-scale meteorological processes, mean and turbulence characteristics of wind tunnel boundary layers are presented and compared with the characteristics of the atmospheric boundary layer. The results are used to evaluate the possibilities and limitations of physical modeling of pollutant dispersion in general. In the second part of the paper, the potential of wind tunnels to solve micro-meteorological problems of real practical interest will be demonstrated. The example involves the investigation of the effects of building downwash on ground-level concentrations for flue gases discharged from natural draft wet cooling towers.     

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.