北京及周边地区雾形成的边界层特征

采用国家科学技术部“973”项目北京环境大气外场科学实验(BECAPEX)获得的大气边界层探测, 包括大气风廓线仪、系留气艇、铁塔边界层梯度观测及超声风速仪等探测、大气成分探测以及常规高空、地面和加密自动气象站(AWS)观测资料, 对2001年2月北京及周边罕见大雾过程进行综合分析.对大雾的形成、发展、持续等不同阶段边界层动力、热力特征及层结结构演变特征进行分析.结果表明: (ⅰ) 作为城市大雾的典型例子, 北京及周边此次持续大雾形成前期低空出现逆温, 城市及周边大气中烟尘污染物SO₂及NO₂在城市低空积聚. 起雾前, 随着SO₂及NO₂浓度的增加, 凝结度迅速增长; 大雾期间, 随着凝结度增长, SO₂及NO₂浓度反而下降. 表明城市大气污染物作为凝结核在低空堆积对触发凝雾起重要作用. (ⅱ) 采用铁塔上布设的梯度平均场观测仪器及超声脉动风速仪的脉动观测资料分析, 均得到起雾之前, 在边界层低层有强扰动信号出现. 即起雾前约10 h, 边界层低层平均及扰动动能均出现显著跃升.揭示起雾前低空风切变增大, 有利于湍流的激发.此强信号对指示起雾、监测和预测雾的发生、发展十分有意义. (ⅲ)雾一旦形成后, 雾的凝结反馈效应使逆温层在大气低空的中、上层产生抬升、维持与再建过程, 对城市雾的持续起重要作用.     

1998年长江流域梅雨期暴雨过程的水汽输送特征

通过对1998年第二次青藏高原大气科学试验期间的加密观测资料、NCEP／NCAR资料、1998年6—7月暴雨2个关键强降水时段水汽通量特征的诊断分析及其区域边界水汽输入问题的数值模拟研究表明：1998年长江流域特大暴雨过程是在有利的持续异常且稳定的大尺度环境场及中尺度风场的配合下发生的；6月与7月水汽输送特征存在差异；高原中部区域西边界与中国区域南边界的水汽输送对此次梅雨期特大暴雨的形成均有重要作用，即水汽源及其侧边界水汽通道特征的显著变化对梅雨期不同阶段长江流域特大暴雨的形成、发生和发展作用明显；水汽的时空分布特征为长江流域持续性特大暴雨的预报提供了着眼点。     

北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污染物浓度关系的研究

利用2001年3月19~29日和2003年8月11~25日中国科学院大气物理研究所325m大气边界层观测塔资料,分析研讨了北京城市大气边界层低层的垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系.对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料,综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征及其与污染物浓度空间分布的关系,同时分析了北京地区沙尘天气过程中城市边界层低层垂直结构特征及其污染物浓度的分布与变化特征.分析结果表明,在不稳定层结条件下,47和120m高度上无因次速度湍流方差和温度湍流方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,并给出相应的拟合公式.稳定大气边界层可按层结参数z′/L分成二分区,z′/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z′/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大的趋势,而无因次温度方差则保持不变.白天近地层包含了47和120m,而280m已在近地层之上.对2001年3月北京地区一次沙尘天气过程的城市边界层资料分析发现,320m高度上总悬浮颗粒物浓度最高达到913.3μg/m3,在边界层内大气颗粒物从上层向低层输送,这与锋面过境时低空急流从上层向下发展过程并伴随的强下沉运动有关.     

北京城区低层大气PM10和PM2.5垂直结构及其动力特征

2003年8月10~26日在中国科学院大气物理研究所气象铁塔3个不同高度(8, 100和320 m)得到了1 min平均的PM_2.5和PM₁₀连续质量浓度资料, 配合其它观测资料, 其中包括4个不同高度(8, 100, 200和320 m)PM_2.5和PM₁₀日平均质量浓度, CO和NO₂连续观测, 并结合气象铁塔同期的气象场观测, 揭示了北京城区PM_2.5和PM₁₀垂直结构及其动力特征. 北京325 m铁塔所观测到的气溶胶垂直分布大致分为两种类型: 渐缓递减型和快速递减型. 静稳天气以及污染日气溶胶垂直分布属于渐缓递减型, 而弱冷空气过境及清洁日气溶胶垂直分布属快速递减型, 气溶胶垂直分布特征是和边界层大气动力、热力结构及湍流特点密切相关. 清洁日低层(100 m)PM_2.5和PM₁₀浓度较接近于8 m, 高层(320 m)浓度下降较快, 其浓度和8 m相比几乎下降了—半, 其中PM_2.5下降的略偏多些. 清洁日150 m以下存在较强的湍流强度, 气溶胶能够很好地混合, 但受上层较强的逆温层阻档又不能向高层输送, 同时, 清洁日各层水平风速较大, 尤其高层增加更加明显, 结果高层气溶胶浓度迅速降低, 因此造成气溶胶垂直分布上下浓度的明显差异. 污染日低、中(200 m)、高层PM_2.5和PM₁₀浓度与8 m比较平均逐层下降10%左右. 污染日伴随着边界层低风速出现, 同时边界层有两重浅薄递温层结构, 但气溶胶仍可在逆温层下进行—定的混合, 因此污染日PM_2.5和PM₁₀浓度随高度降低比较缓慢; 观测结果还发现320 m高度在西南和东南风向条件下PM_2.5和PM₁₀均明显出现高浓度值, 而其它高度PM_2.5和PM₁₀浓度和风向没有关系. 足痕分析计算结果表明这是由于来自污染相对较重的河北省保定、石家庄以及天津、山东等北京偏南地区对该高度的贡献, 而低层仅受北京局地源的影响. 所计算的功率谱和周期初步反映了静稳天气条件下铁塔各高度PM₁₀的周期仅以分钟量级计, 而风速较大情况下PM₁₀和PM_2.5在320 m除存在分钟量级的短周期外, 尚有小时级的较长周期出现; 和作者以往观测所发现的在北京不同测点、不同高度, 各空气污染物种有同位相变化特点一样, 基于试验同样观测到铁塔不同高度PM_2.5和PM₁₀日变化及平均日变化也有同位相的特点, 其充分展示了北京城市冠层中存在空气污染物同位相的时空分布特征; PM10和PM_2.5平均日变化呈较平缓的双峰特征. 其密切地联系到北京城市冠层中不同高度存在明显的湍流动量通量、感热通量和湍流动能的相似日变化的特点; 此外, 静稳天气PM_2.5和PM₁₀浓度随高度增加降低较慢, 低层降低为8 m的90%左右, 中层略低于低层, 高层约为8 m的80%. 弱冷空气过境天气条件下PM_2.5和PM₁₀浓度随高度增加明显降低, 低层可降到8 m的70%, 中层以上降到20%~30%, 其中PM_2.5降低的更多—些.     

热带气旋异常运动的曲率变化特征

运用热带气旋曲率理论模型，选择不同环境及移速特征的台风个例，通过动力学诊断分析，揭示了台风异常运动的关键影响因子的物理机制及其规律。研究结果表明，热带气旋曲率理论模型中影响台风移动的相关特征能够在一定程度上描述出天气系统等环境因子对台风异常运动的综合影响规律。诊断分析结果表明，台风移速、涡旋动力结构、外围副热带高压带及西风槽的非定常变化均可影响台风移动轨迹曲率，尤其是对异常路径和转向点的影响，其突变规律符合台风移动规律。台风移动与系统动力结构有关，台风最大风速与中心气压突然增强或减弱时都会导致台风的突然转向。     

应用层次分析法进行长白山天池泥石流危险度研究

以长白山天池泥石流为例,用层次分析法建立了层次结构模型,确定成对比较矩阵,计算权向量,进行一致性检验,从而为泥石流的预警和治理提供了依据。