精细的城市边界层模拟中热力粗糙度引入的初步研究

运用南京大学城市尺度边界层模式（UBLM）以100 m水平网格距的精细高分辨率，诊断分析小规模城市（水平范围在一二十公里）的气象环境与边界层结构。就高分辨率精细模拟分析研究了两个问题:（1）在模式中引入热力粗糙度，就引入热力粗糙度前后的模拟结果与实测结果进行对比，结果表明引入后的模拟结果与自动气象站的观测结果吻合较好，能够很好地反映出地面气温的日变化规律。冬季，白天不引入热力粗糙度比引入热力粗糙度会高估小规模城市地区感热通量约60 W/m2，而对乡间农作物地区约10 W/m2。（2）以四种不同水平网格距对同一下垫面及气象条件进行诊断分析，结果表明以100 m网格距精细模拟效果明显优于以较大网格距进行的模拟效果。以这样的精细高分辨率模式所获模拟结果分析了小规模城市的边界层特征，表明:冬季白天和夜间小规模城市与乡村气温差分别为0.8℃和0.6℃；风速明显低于乡村地区；湍能高于乡村地区，白天和夜间湍能一般为乡村的3倍左右；白天混合层发展较乡村迅速，且高度高于乡村地区。这样的特征在当今城市规划布局工作中，为特大型城市的卫星城市的建设规划提供了有益的科学实验依据。模拟效果表明以如此高的水平分辨率实施的模式和模拟是可行和有意义的。     

太平洋湍流热通量异常与中国夏季降水年代际变化

采用NCEP/NCAR再分析感热、潜热资料,利用EOF方法,分析了夏季太平洋湍流热通量年代际变化的时空特征及其与中国夏季降水的关系。分析结果显示,1951—2003年夏季太平洋湍流热通量距平的年代际分量的EOF前3个模态的方差贡献率分别为32.27%、12.52%、11.10%,且这3个模态分别与中国华北、华南和东北地区夏季降水的年代际关系密切;太平洋湍流热通量年代际异常EOF第1模态的时间系数与东亚夏季风指数年代际变化有显著的负相关。20世纪70年代中期以前,太平洋湍流热通量异常偏多,东亚夏季风偏强,对应华北降水偏多;20世纪70年代中期以后,太平洋湍流热通量异常偏少,东亚夏季风偏弱,对应华北夏季降水减少,干旱化趋势明显。     

大气边界层的研究——从均匀到非均匀

主要从理论、试验角度对大气边界层的研究进行了简要的回顾,尤其对近年来倍受关注的非均匀地表条件下的边界层研究进行了较详细的介绍,并对大气边界层的研究进行了展望。20世纪50年代,Monin和Obukhov提出的Monin-Obukhov相似理论,为现代大气边界层物理学奠定了基础。之后进行的多次大型综合性外场试验,不仅揭示和发现了大气边界层中的许多现象和规律,也验证和发展了Monin-Obukhov相似理论。80年代以后,非均匀地表条件下的大气边界层研究越来越受到关注,一些新的现象被揭示,新的问题被提出,同时也提出了一些新的概念和研究方法。未来10 a,除大气湍流机理等需长期坚持研究外,还应进一步开展非均匀复杂下垫面边界层研究、城市边界层研究和局地边界层气象预报研究。     

基于频谱补偿和数值模拟技术的江苏近海大气边界层百米高度处极端风速研究

在平均风速基本满足近海风力发电需求的前提下,近海大气边界层百米高度处极端风速的合理估算成为中国海上风电开发领域的研究热点。与低纬度海域台风极端风速的广泛研究不同,由于缺乏有效的技术手段,对于台风影响相对较少的中纬度海域,极端风速的科学认识明显不足。研究以江苏近海为例,通过频谱分析技术,定量刻画了数值模拟风速能谱在高频波段的能量衰减和截断特征;进而利用风速能谱曲线在频率域的积分及其在高频波段的补偿,实现无观测区域年最大风速的估算。与台风风场数值模拟技术相结合,综合考虑了中国中纬度海域受寒潮大风和热带气旋大风影响的复杂、特有气候特征,建立了一套可推广应用的近海大气边界层百米高度处极端风速估算的新方法。据此推算了江苏近海100 m高度处50年一遇的极端风速。结果表明:受寒潮大风影响,江苏北部海域的50年一遇风速超过40 m/s;少量北上的热带气旋则造成响水和如东附近海域40 m/s,甚至44 m/s以上的50年一遇风速;中部盐城附近海域的50年一遇风速则普遍低于35 m/s。研究成果不仅为该海域近海海洋工程的开发设计及安全运行提供重要的科学支撑,同时也有助于加深对中国极端气候事件的科学认识和大气边界层科学理论的发展。      

黄河中游地区MCC天气学分型及结构差异分析

利用2005—2017年卫星、实况探测、L波段探空秒数据和NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析等资料,采用天气学和动力诊断分析等方法,对黄河中游地区中尺度对流复合体（mesoscale convective complex,MCC）进行天气学分型,并对其结构特征及差异进行分析。结果表明：1）黄河中游地区MCC主要生成在夏季,多在傍晚至次日凌晨发展成熟,生命史长、移动缓慢,以暴雨及以上量级降水为主,雨强大,地域差异明显。2）依据200 hPa环流形势,将MCC分为3个主型,结合500 hPa形势特点,每个主型下分为不同副型。通过分析不同分型下MCC环境场及物理量空间结构特征及差异,提炼MCC强降水预报关键技术,建立MCC强降水预报物理模型。3）MCC形成在低层比湿和能量扰动的正值中心附近,在低层扰动梯度大值区、靠近正中心的区域发展成熟。扰动正值中心所在高度、中心强度以及正扰动的厚度等物理因子与MCC发展以及降水强度关系密切。4）不同分型下,MCC不同生命阶段云系及环境大气的垂直变化存在明显差异。云顶高度下降,湿层加厚,凝结高度降低,逆温层消失,是MCC达到成熟的先兆信号。5）在200 hPa南亚高压稳定背景下,地面存在次天气尺度冷锋、中尺度高压和冷池;中尺度高压作用明显小于冷池,冷池强度和维持时间与MCC降水强度和持续时间密切相关。在200 hPa深厚低槽和西北急流或急流分支背景下,地面无冷池和中尺度高压形成,低层入流风速和温度梯度的加大是MCC发展成熟的重要因素,中尺度露点锋对MCC强降水的触发作用不可忽视。     

Characteristics of urban boundary layer in heavy haze process based on Beijing 325m tower data

2015年11月24日至2015年12月2日北京市经历了一次严重的雾霾污染过程。本文利用这次过程期间北京325米气象塔的观测资料,对重污染天气条件下的边界层风场、温度场、湿度场和湍流特征进行了分析研究。本次污染过程并未发布红色预警,但是实际的污染形势被低估了,本文也对低估原因进行了分析。结果表明:北京地区这次污染过程主要是由偏东风和偏南风引起的,11月29日高层(280米)风速增加而低层(15m)风速并未增加,且次日高层风速大幅减小,导致了对于这次污染形势的低估。风速、湍动动能和摩擦速度与PM2.5浓度呈反相关关系。在晴天,风速随高度的增加而显著增加,但在污染严重的时期,风速从近地层到塔顶的变化不是很大。湍流动能从近地层到铁塔高层的变化并不是很明显。雾霾过程通常伴随有逆温层的出现,边界层内温度的日变化很小。在严重污染时,相对湿度接近100%,此时感热通量和水汽通量也都减小,湍流活动受到抑制,湍流活动强度的减弱又会进一步加重污染形势。     

近10a黄山市区与景区的大气稳定度和混合层厚度的特征北大核心CSCD

利用黄山市区(屯溪)和黄山风景区(黄山)近10 a逐日4个时次的常规气象资料,采用国标GB/T 3840-91中规定的方法,分别计算分析了屯溪和黄山的大气稳定度和混合层厚度的变化特征。结果表明:2005-2013年屯溪和黄山的大气稳定度频率以中性类为主,黄山中性类频率比屯溪高;黄山的大气稳定度频率逐年变化曲线较屯溪平稳。2005-2013年混合层厚度多年均值黄山是屯溪的2.7倍,近些年屯溪和黄山的年均混合层厚度有一定程度的降低。大气稳定度频率和混合层厚度受风速影响较大。     

北极冰间水道区域的物理过程和遥感观测研究进展

冰间水道是海冰区在风力和洋流作用下形成的线状断裂带。总结了冰间水道区域海洋—海冰—大气相互作用的物理机制和水道遥感的研究现状。冰间水道是极区海洋与大气间水热交换的重要窗口,是冬季产冰析盐和夏季融冰产生淡水的重要场所,也是极区动物赖以生存的栖息地和迁徙通道。利用水道与浮冰之间在反照率、表面温度、发射率和粗糙度等性质上的差异,可通过光学、红外和微波等多种遥感手段来识别和提取水道。随着北极海冰厚度的减小和季节性衰退的提前,波弗特海的水道宽度、面积和出现频率均呈现增加的态势。在北极海冰不断减少的态势下,未来需要结合现场和遥感观测重新评估水道表面能量收支及其对区域能量平衡的贡献,更准确地认识其在北极气候变暖放大效应中的作用。     

基于WRF不同边界层方案的陕西气象要素预报检验

利用陕西省区域数值模式系统,通过对比WRF中两种大气边界层方案(MJY和YSU),对陕西省2021年7月地面和高空要素预报开展了对比试验。结果表明:地面要素预报上,MYJ方案的24 h累积降水量预报的空报率和漏报率都更低,TS评分更高,预报效果更好,逐小时降水量预报的BIAS评分随预报时效的增加变化更小,空报率、漏报率和TS评分也整体优于YSU方案,表明MYJ方案对降水预报的稳定性更好。两个方案的2 m温度和10 m风场预报存在正偏差,2 m比湿预报存在负偏差,即预报场的温度偏高、风速偏大、湿度偏干,YSU方案在2 m温度和10 m风场预报上效果更好,而MYJ方案在2 m比湿预报上效果更好。高空要素预报上,两个方案在各个高度层上对各个要素的预报各有优劣,其中YSU方案在高空风速预报上较MYJ方案更稳定。     

MM5和WRF对中国东部地区冬季边界层模拟效果比较

应用MM5和WRF模式对2006年和2007年12月中国东部地区边界层气象要素进行了逐日模拟,利用地面常规观测资料及南京和安庆逐日探空资料对两个模式模拟的地面及边界层内气象要素进行了客观评估与比较。结果表明:MM5和WRF模式模拟的地面温度和相对湿度均较理想,风速效果略差;两个模式模拟的温、湿、风效果均是白天优于夜间;根据观测与模拟的相关性,对温度的模拟效果东部优于西部,相对湿度的模拟效果由东南向西北变差,风速模拟效果平原优于丘陵和山区。总体上,WRF模式对地面温度和湿度的模拟效果均优于MM5模式。以南京、安庆两站为例的边界层内气象要素模拟效果评估结果表明:MM5和WRF模式模拟的150 m以上边界层内温、风、湿廓线均较可信,150 m以下的效果略差,20:00比08:00(北京时)模拟效果好;总体上,WRF模式对温度和湿度的模拟效果较好,而MM5模式对风速模拟效果稍好;两个模式均能再现近地层逆温,都有高估逆温频率的倾向。