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。     

高原东南缘大气近地层湍能特征与边界层动力、热力结构相关特征

基于云南省大理2008年3、5、7月GPS加密探空试验时段(14和02时)资料,结合边界层铁塔综合观测资料,采用温度梯度法、逆温强度法和涡动相关法分别计算高原东南缘对流边界层(convective boundary layer,CBL)及稳定边界层(stable boundary layer,SBL)顶高度,通过计算获取感热通量、潜热通量、湍流动能、切变项以及浮力项与大气动力、热力过程垂直相关特征综合分析,可发现湍能方程中浮力项、感热、潜热通量与NCEP再分析资料计算获取的大气视热源相关特征显著,这某种程度反映了高原东南缘近地层大气湍流动量、热量输送对低层大气视热源Q_1的重要贡献。低层视热源Q_1亦表现出与湍能方程分量类似的日变化周期,此特征反映了高原东南缘大气热源变化与下垫面水热过程及其湍流输送日变化密切相关;浮力项与湍能等项对大气低层热源与涡动特征、热力混合结构的形成有重要作用;低层大气视热源、水汽汇均与边界层高度有显著相关,综合分析结果某种程度描述了青藏高原东南缘近地层湍流动量、热量输送状况与低层大气热源,热力混合边界层结构的综合相关物理图像,初步探索了高原东南缘对流活跃区大气湍流运动与大气动力、热力过程相互作用特征。研究表明近地层湍流通量变化某种程度可反映未来局地大气视热源垂直结构变化的"强信号"特征。本文上述研究结论也可启发我们进一步关注近地层湍流通量异常变化特征及其对局地降水过程大气热源结构演变的影响问题。     

从湍流经典理论到大气湍流非平衡态热力学理论

湍流是日常生活中一种普遍的自然现象,也是经典物理学仍未完全解决的难题。湍流更是大气运动的最基本特征。本文系统地回顾了大气湍流经典理论发展简史,进一步详细介绍了大气湍流非平衡态热力学理论。大气湍流非平衡态热力学理论在熵平衡方程中引入动力过程,进而统一推导出大气湍流输送的Fourier定律、Flick定律和Newton定律,证明了Dufour效应、Soret效应、可逆动力过程与热力不可逆湍流输送过程之间的交叉耦合效应,以及湍流强度定理。这些定律和定理中得到了观测的事实验证,同时它们的唯象系数也由观测资料所确定。湍流强度定理揭示,湍流发展的宏观原因是速度和温度的剪切效应,Reynolds湍流和Rayleigh-Bénard湍流共存于大气湍流中。热力过程和动力过程间耦合效应现象的发现突破了传统湍流输送理论,即Fourier定律、Flick定律和Newton定律的观点——一个宏观量的输送通量等价于这个宏观量的梯度湍流输送通量。热力和动力过程间的耦合原理认为,一个宏观量的输送通量包括这个量的梯度湍流输送通量和速度耦合输送通量两部分。因此,能量和物质的垂直输送通量除了相应物理量梯度造成的湍流输送外,还应包括垂直速度耦合效应,即辐散或辐合运动造成的耦合效应。在一个很宽的尺度范围内,地表面的空间特征是非均匀的。下垫面非均匀性造成的对流运动将引起大气的辐散或辐合运动。这可能是导致地表能量收支不平衡的重要原因之一。垂直速度对垂直湍流输送的交叉耦合效应为非均匀下垫面大气边界层理论的发展,并为克服地表能量收支不平衡问题及非均匀下垫面大气边界层参数化遇到的困难提供了可能的线索。     

稳定大气边界层的湍流结构和相似律

本文从包括辐射影响在内的大气边界层模式出发,求解了稳定层结条件下湍流热通量和湍流应力的垂直廓线。另外,引入湍流的局地尺度L(z)、u_＊(z)和θ_＊(z),各湍流量的局地尺度可以表示成z/L(z)的函数,由此可将相似理论推广到全边界层应用,相似律的预告和观测资料很一致。     

局地相似性理论在林地及林木湿地下垫面塔层中的应用研究

对局地相似性理论在“粗糙副层”范围的林地及在塔层范围的林木湿地下垫面大气边界层的适用性进行了研究。结果表明，对于二阶或更高阶的统计参数，局地相似性理论在林地及林木湿地是有效的。无量纲速度、垂直速度三阶矩、温度、湿度仅是无量纲长度ζ=z-d/L1的函数。其中，在对σT/T*l的分析中发现，σT/T*l按感热通量分层明显，感热通量大的数据点能更好地符合相似性关系。类似地，潜热通量大的数据点σT/T*l相似性关系也很好。     

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。     

利用尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对一次陆地浓雾的数值模拟

为提高大气数值模式的模拟能力,改进大气边界层水汽、热量湍流输送计算和大雾天气的模拟效果,选用WRF三维非静力模式,采用具有局地和非局地垂直湍流尺度自适应计算能力的MYNN_SA参数化方案,对2017年12月28—29日我国华北—江淮地区的大范围浓雾过程进行了数值模拟研究,探讨从中尺度到灰区尺度分辨率范围,模式的尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对稳定大气边界层发展、湍流输送和大雾天气模拟的影响。利用中国地面气象站观测资料和ERA5再分析数据,在接近灰区尺度的网格分辨率上,利用尺度自适应大气边界层湍流MYNN_SA参数化方案较之中尺度参数化MYNN方案,可明显改善次网格湍流输送计算,以及陆地浓雾的强度、空间分布和时间演变特征,可更精确地模拟云水混合比、逆温层和雾区的垂直结构。     

非均匀网格的过渡湍流理论及其在大气边界层数值模拟中的应用

本文将Stull提出的均匀网格下的过渡湍流理论推广到非均匀网格情形，推广的非均匀网格的过渡湍流理论满足Stull提出的对过渡矩阵系数的要求并具有清晰的物理意义。然后，将非均匀网格的过渡湍流理论应用于一维大气边界层数值模式中，对Wangara资料进行了模拟，并与均匀网格情形进行了对比。计算表明，非均匀网格的过渡湍流模式能很好地模拟Wangara大气边界层平均量与湍流量的变化；本文非均匀网格的过渡湍流理论的推广是可行的，它可能会在大气边界层数值模拟及其他方面（如：中尺度模式）得到应用。     

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。     

大气边界层湍流相干结构的识别

首先利用数字滤波方法对淮河流域试验的大气边界层湍流观测资料进行三项分解，将大气边界层湍流的风速信号分解为近似各项同性的小尺度涡和各向异性的大尺度涡。然后再将大尺度涡信号进行离散正交小波分解，寻求相干结构的主要特征尺度。对于大气边界层湍流垂直脉动风速来说，其相干结构的主要特征尺度为16s；对径向与纬向脉动来说，其相干结构的主要特征尺度为32－64s。在此基础上，利用小波的反变换提取出相干结构的信号与非相干结构的信号，并计算两间的相关系数，最大仅有0．02。此外，对原始大气湍流观测信号不进行数字滤波，直接利用本中子波分析法提取湍流相干结构所得结果作比较研究；并探讨了采用对称或似对称离散正交小波对此研究的影响。     

高温和台风影响下的苏州城市粗糙子层湍流通量特征

利用苏州地区2011年12月20日—2012年8月13日的湍流观测资料对不同季节、高温、台风强天气过程下的湍流特征进行分析。结果表明:城市地区不同季节动量通量、感热通量、潜热通量日变化明显,各通量的夏季平均值、最大值均高于冬春季,夏季感热通量日最大值为160.2 W·m^-2,感热在城市地表能量平衡中的作用大于潜热,各季节潜热通量平均值仅为感热通量的40%~45%。降水量和植被覆盖度影响地表能量平衡,尤其影响地表热量在感热和潜热之间的分配。在高温天气过程中,感热通量增加明显,其峰值约是夏季平均的1.93倍。由于水汽较少,潜热通量明显减少,约为夏季日平均值的60%。速度三分量谱中u谱与w谱在低频区存在两个峰值,说明在城市复杂下垫面里,湍流激发机制中存在低频过程的影响。在台风天气过程中,动量通量大且变化快,感热输送弱,潜热输送波动大。速度谱w基本不符合"-5/3"次律,惯性子区最小且向高频移动,这和台风内部的复杂上升下沉气流有关。     

Surface turbulent flux measurements over the Loess Plateau for a semi-arid climate change study

In order to provide high quality data for climate change studies, the data quality of turbulent flux measurements at the station of SACOL (Semi-Arid Climate & Environment Observatory of Lanzhou University), which is located on a semi-arid grassland over the Loess Plateau in China, has been analyzed in detail. The effects of different procedures of the flux corrections on CO₂, momentum, and latent and sensible heat fluxes were assessed. The result showed that coordinate rotation has a great influence on the momentum flux but little on scalar fluxes. For coordinate rotation using the planar fit method, different regression planes should be determined for different wind direction sectors due to the heterogeneous nature of the ground surface. Sonic temperature correction decreased the sensible heat flux by about 9%, while WPL correction (correction for density fluctuations) increased the latent heat flux by about 10%. WPL correction is also particularly important for CO₂ fluxes. Other procedures of flux corrections, such as the time delay correction and frequency response correction, do not significantly influence the turbulent fluxes. Furthermore, quality tests on stationarity and turbulence development conditions were discussed. Parameterizations of integral turbulent characteristics (ITC) were tested and a specific parameterization scheme was provided for SACOL. The ITC test on turbulence development conditions was suggested to be applied only for the vertical velocity. The combined results of the quality tests showed that about 62%–65% of the total data were of high quality for the latent heat flux and CO₂ flux, and as much as about 76% for the sensible heat flux. For the momentum flux, however, only about 35% of the data were of high quality.     

沙漠地区沙尘天气近地层湍流输送特征分析

利用1996－04－20－50－10在内蒙古自治区吉兰泰气象站以及1997－04－05－27在内蒙古自治区阿拉善右旗气象站观测到的风，温，湿廓线资料，应用空气动力学方法，计算了每天各观测时次的流动量通量，湍流感热通量和湍流潜热通量，并且比较分析了荒漠下垫面不同沙尘天气状况下的湍流动量通量，感热通量和潜热通量的日变化。结果表明，在沙漠地区春季无降水天气状况下，晴空条件下，白天热力湍流基于动力湍流，在近地层最重要的物质交换是湍流感热交换，浮尘天气条件下，近地层湍流输送较晴空天气条件下弱；扬沙天气条件下，近地层湍流感热交换和湍流动力量流感热通量的峰值大于交换，并且湍流动量通量的峰值较晴空峰值大将近一个量级，湍流感热通量的峰值大于浮尘天气峰值，但小于晴空条件下峰值，沙尘暴天气条件下，湍流动量通量和感热通量一样都是最重要的湍流交换，湍流交换强于扬沙天气，强的感热对沙漠地局地性沙尘暴的产生和加强起着重要作用。     

高山草甸下垫面夏季近地层能量输送及微气象特征

利用青藏高原东坡理塘站2007年6～8月的观测资料, 分析了高原东坡草甸下垫面夏季近地层气象要素和湍流通量日变化特征, 并用涡动相关法估算地面的曳力系数。结果表明: 水平风速、 动量通量、 摩擦速度等均在下午最大, 早晨最小。二氧化碳浓度表现为早晚高、 中午低的日变化特征, 比湿的最大值出现在早晨。地表辐射、 热量平衡各分量最高值出现在中午, 最低值出现在早晨。地表反照率表现出早晚高中午低的 “U” 型分布, 日平均值为0.164。夏季地面热源强度在白天午后表现为强的热源, 在夜里表现为弱的冷、 热源交替出现。夏季近地层地气热量交换中, 感热输送作用小, 潜热输送占主要地位。     

THE CHARACTERISTICS OF TURBULENT TRANSPORT IN THE SURFACE LAYER OVER EASTERN TIBET DURING SUMMER 1986

The turbulent fluxes for sensible and latent heat and momentum are computed and analyses are carried outabout the factors in terms of the fluxes,with the profile methods,based on the data from the Tibetan(Xi-zang)Plateau Meteorological Experiment in 1986(TIPMEX-86).It is shown that the fluxes of various kindshave evident diurnal variation,and each decade mean diurnal variation is quite different from others.Thesensible heat flux is about 2/3 less in July than in June.The results indicate that the averaged drag coefficient,C_d,and the averaged bulk transfer coefficient of sensible heat,C_h,are 0.0052 and 0.0075 respectively,for theperiod 13 to 28 in June for Nagqu.But for Lhasa,the mean C_d is 0.0056,and the mean C_h is 0.0085,for the period of June 11 to July 20.It is found that C_d and C_h are not only the function of wind velocity,but also influenced by stability conditions and wind and temperature gradients.     

南亚夏季风爆发前后青藏高原地表热通量的长期变化特征分析

青藏高原作为世界第三极,其热力强迫作用不仅对亚洲季风系统的发展和维持十分重要,也会对大气环流场产生深远影响。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim中1979-2016年3-10月青藏高原及其周边地区的地表热通量月平均再分析资料,通过分析得出以下结论:3-5月青藏高原主体由感热占据,感热强度快速上升且呈西高东低的分布态势,潜热强度较小但随时间而增强。季风爆发后的6-8月,青藏高原感热强度减弱,潜热强度迅速增强且呈东高西低的分布特征。季风消退后的9-10月,感热与潜热强度相当,但感热呈现出西高东低的分布特征。过去38年,青藏高原地表感热总体呈现微弱下降趋势,潜热呈较弱上升趋势。青藏高原西部地区感热呈微弱下降趋势,潜热呈上升趋势。东部感热呈较为明显的下降趋势且近年来变化趋势增强,东部潜热通量则呈现较为明显的上升趋势,分析结论与近期全球变暖条件下青藏高原气候变暖变湿这一变化状况一致,通过对青藏高原地表热通量的变化分析为下一步运用第三次青藏高原大气科学试验所获资料分析青藏高原上空大气热源的变化以及地表加热场如何影响大气环流奠定基础。      

城市近地层湍流通量及CO2通量变化特征

利用北京325m气象塔47m高度上2006年全年连续观测获得的湍流资料,分析了北京城市近地层动量通量、感热通量、潜热通量和CO2通量的典型日变化、月平均日变化和季节变化特征。分析结果显示:动量通量具有明显的单波峰日变化特征,在15时(北京时间)左右达到最大,季节变化中春季最大,冬季次之,夏、秋季最小;感热通量和潜热通量全年变化范围分别为-92～389W.m-2和-75～376W.m-2,其日变化也表现为单波峰特征。感热通量的日变化受城市下垫面和人为热源影响,入夜后虽然降为负值,但只略小于0。阴雨天感热通量和潜热通量均很小,降雨前后有明显区别。感热和潜热最大值分别在春季3月和夏季6月,最小值都在冬季1月;城市下垫面CO2通量总表现为正值,即净排放,最大值为3.88mg.m-2.s-1,不稳定情况下最小值小于-2mg.m-2.s-1。受到人类活动的影响,CO2通量的日变化特征在工作日与周末有明显区别;由于冬季采暖,CO2通量明显大于夏季;在夜间,CO2通量受进城车辆的影响也出现高值。     

青藏高原西部地表通量的年、日变化特征

利用青藏高原西部地区改则和狮泉河两个自动观测气象站1998年全年每天24个时次的风速、温度和湿度等梯度观测资料,采用湍流相似理论．计算了改则和狮泉河的动量通量、感热通量以及潜热通量。结果表明：改则和狮泉河两地的地表湍流通量都具有明显的季节变化和日变化,且其季节变化的相同点表现在感热通量均在5月份最大,1月份最小：而潜热通量均在8月份最大。不同点表现在改则的潜热通量在12月份最小,狮泉河1～5月平均潜热通量为负,以凝结为主,改则的月平均蒸发及全年的蒸发总量比狮泉河的要大。而其感热通量比后者的都小。日变化幅度随季节变化明显,表现在夏季地表通量的日变化幅度大,冬季要小得多。     

青藏高原中东部地区地表感热通量的时空变化特征

基于1970—2015年青藏高原地区78个站点的观测资料,应用物理方法计算了高原中东部地区的感热通量。利用小波分析、相关性分析等研究了高原中东部感热通量的时空特征和影响因子。结果表明,高原年平均和春夏季节,感热通量周期为3~4 a,而秋冬季节为2~3 a;感热通量的变化趋势为,1970—1980年和2001—2015年感热通量呈增加趋势,而1981—2000年呈减小趋势;高原年平均和各季节的最强感热加热中心均位于高原南坡E区（除冬季外),最弱加热区域位于高原西北部A区（夏季除外);高原春秋季节感热通量的空间分布均匀,冬夏季节有明显的梯度分布且梯度相反,夏季呈现自东到西的梯度;春季、夏季及秋季,高原感热通量和降水呈负相关;高原10 m风速的极值中心随季节北上南撤变化与地气温差的强弱变化共同决定了感热通量的季节变化。     

基于CLM4.5的高寒草地辐射收支和水热交换的数值模拟研究

利用那曲高寒气候环境观测研究站本部BJ观测点2014年6-8月的近地层观测资料,结合CLM4.5陆面模型,探究空气动力学粗糙长度、叶面积指数、植被覆盖度和热力学粗糙长度参数化方案的改变对陆面能水平衡的模拟结果产生的影响,并且探讨了粗糙度及植被状态指数影响陆面能水平衡模拟性能的机制.结果表明:(1)CLM4.5默认的热力...