大气边界层高度确定及应用研究进展

大气边界层高度是表征边界层特征的重要参量,影响边界层内水热、物质、能量的垂直分布,也是数值模拟、环境评估中的重要参数。从湍流运动、热力作用、动力作用以及物质分布等多视角总结了大气边界层高度的定义及确定方法,回顾了采用直接观测手段和遥感手段确定大气边界层高度的不同方法,对比了大气边界层高度不同获取手段的优缺点,梳理了大气边界层高度参数化方案,探讨了大气边界层高度确定中存在的问题,并提出未来相关研究和应用可能突破方向。      

在EBEX-2000实验资料中湍流耗散率、长度尺度和结构参数特征

采用2000年8月在美国加州棉花地两个高度上应用超声三分量仪、快速响应温度和湿度仪进行的EBEX-2000 (International Energy Balance Experiment, 2000, 简称EBEX-2000) 风速三分量、温度和湿度湍流实验观测数据, 计算分析了在不同稳定度下的湍流能量和热量耗散率和湍流结构参数特征.并与Kansas和长白山原始森林湍流实验得到的结果进行了比较, 得到了一些湍流特征量在不同下垫面情况下的一些有意义的特征.     

一种考虑海拔高度的风速测量相关推测法

测量相关推测法 (measure-correlate-predict,简称MCP方法) 广泛应用于风能评估,它基于风场空间相关原理,利用参照站和目标站同步短期风记录来推测目标站点长期风速和潜在风能大小。但以往任何一种MCP方法都只能推测与参照站在同一海拔高度上目标站的风速,而对于较高或较低处目标站风速的推测会出现较大误差,具有局限性。该文选取内蒙古锡林郭勒草原地区两座风能测风塔2009年5月—2010年4月的6层高度数据,拟合出Weibull双参数分布随高度变化的公式,从而得到高低空风的关系。并通过Weibull双参数分布法,在方差比MCP方法的基础上建立起一种修正的MCP方法,它修正了方差比MCP方法由于海拔高度不同而引起的误差。最后选取了4种检验因子 (相关系数、平均风速、卡方拟合优度、年平均发电量) 对方差比MCP方法和修正的MCP方法分别进行考察,并进行对比分析。结果表明:修正的MCP方法推测结果更接近于实测值,4种检验因子检验结果较方差比MCP方法更优,能够运用到难于测量地区的风能评估。     

NUMERICAL SIMULATION ON THE WIND FIELD STRUCTURE OF A MOUNTAINOUS AREA BESIDE SOUTH CHINA SEA DURING THE LANDFALL OF TYPHOON MOLAVE

Leveraging the commercial CFD software FLUENT, the fine-scale three-dimensional wind structure over the Paiya Mountains on the Dapeng Peninsula near Shenzhen, a city on the seashore of South China Sea, during the landfall of Typhoon Molave has been simulated and analyzed. Through the study, a conceptual wind structure model for mountainous areas under strong wind condition is established and the following conclusions are obtained as follows： （1） FLUENT can reasonably simulate a three-dimensional wind structure over mountainous areas under strong wind conditions; （2） the kinetic effect of a mountain can intensify wind speed in the windward side of the mountain and the area over the mountain peak; and （3） in the leeward side of the mountain, wind speed is relatively lower with relatively stronger wind shear and turbulence.     

北京夏季强热岛分析及数值模拟研究

应用北京地区20个常规地面气象站、2个自动气象站和中国科学院大气物理研究所325m气象铁塔的资料，对北京2003年7月热岛状况进行了统计分析，发现北京夏季夜间存在强热岛效应，夏季夜间存在强热岛效应的天数占到了1/3，强弱热岛天数合计占到了大约4/5。进一步分析7月1日强热岛特征及其气象影响因子，结果表明：夜间存在强热岛时，郊区所有测站的地面气温都要低于主城区地面气温，城市强热岛的高温中心在天安门和白家庄连线的主城区；白天日照充足的晴夜，日落后城区320m以下低层大气存在逆温和弱的风速，城区地面气温下降速率和幅度均远小于郊区，城市强热岛因此得以形成和维持。日出后至正午，北京北部郊区日照时间比城区长，郊区地面大气得到来自太阳辐射的能量多于城区，而太阳辐射的加热作用使城区低层大气逆温消失，大气稳定度减弱，并使郊区地面气温上升速率和幅度大于城区，最终导致夜间出现的强热岛减弱、消失。此外，应用MM5模式对强热岛进行了初步数值模拟研究，发现在MM5中考虑城市人为热和热储存，可以改善模式对热岛的数值模拟，表明城市人为热和热储存在夏季强热岛的形成中有重要作用。     

水、陆不均匀条件下大气边界层结构的模拟研究

应用2004年白洋淀野外观测实验资料,对白洋淀地区水、陆不均匀分布条件下的大气边界层开展了数值模拟试验,结果表明:由于下垫面的热力差异,在360多km2的白洋淀地区,地表特征分布的不均匀可以引发弱的局地环流,影响大气边界层内温度和湿度的空间分布;在500m高度以下,下垫面不均匀分布对湍流动能有明显影响.最后将模拟结果与观测资料进行了对比检验.     

大气边界层湍流标量场的概率分布及其特征分析

利用2004年11月在白洋淀地区和2005年1月在中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的47 m高度由超声风温仪和水汽二氧化碳分析仪观测的湍流脉动资料,分析了大气边界层不同下垫面湍流标量场(温度、水汽和二氧化碳)的概率分布及其特征。标量场的概率分布通常不同于高斯分布,而且还会产生偏斜,可以用指数分布描述。因此,标量的偏斜度通常不为0,陡峭度也往往比3大。非0偏斜度的出现可能是由湍流时间序列中的相干结构和间歇性部分造成的。其中,相干结构的存在使概率分布偏斜,但是,它们对偏斜度的贡献相对较小,而与概率分布的长尾现象有关的间歇性则会使偏斜度大大增加。温度、水汽和二氧化碳的平均偏斜度和陡峭度反应了标量场与稳定度、下垫面、天气条件、源汇等因素之间的关系。在不同下垫面,温度和感热通量的偏斜度随稳定度变化比较一致;水汽通量的偏斜度在稳定和不稳定条件下都为正,而水汽本身在不稳定条件下可能出现负的偏斜度;二氧化碳和二氧化碳通量的偏斜度受下垫面影响很大,在不同下垫面,偏斜度与稳定度之间的关系并不一致;而3个标量的陡峭度随稳定度的变化不显著,它们与相应的偏斜度之间存在平方关系。     

Mosaic方法在非均匀下垫面上的适用性研究

在非均匀下垫面情况下, Mosaic方法是目前国际上广泛运用于模式中计算地表通量的方法.大量的研究表明, 下垫面的非均匀分布会引发局地环流, 非均匀分布的空间尺度较大时, 所引起的环流甚至可以达到海陆风的强度.这种环流的存在直接影响到次网格地表通量的计算.次网格地表非均匀分布, 尤其是大尺度模式中的次网格非均匀分布, 必将影响地表通量的计算.本文针对次网格地表非均匀问题, 设计了高分辨率的Mosaic试验和非均匀试验, 开展了不同背景风情况下的一系列数值试验, 以探讨这种影响的程度.结果表明, 在土壤湿度空间分布不均匀的情况下, 运用Mosaic方法计算得到的地表潜热通量偏小, 背景风较小的时候偏差较大, 背景风增强时偏差减小.     

近20年北京晴天紫外辐射的变化趋势

在对北京晴天1990年1月～1991年12月太阳辐射观测资料进行了详细分析的基础上,得到了计算晴天紫外辐射的计算公式,结果表明,计算值与观测值吻合得比较好,计算值与观测值的最大相对偏差为6.2%,24个月相对偏差的平均值为1.9%.利用此公式计算了北京晴天1979～1998年的紫外辐射,并给出了1979～1998年紫外辐射的变化趋势,发现近20年北京地区晴天的紫外辐射呈下降趋势,并对其产生原因以及影响紫外辐射的各个因子进行了详细分析.     

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.