西安市PM2.5城乡差异及与城市热岛的关联研究

依据一种基于建筑用地比例和土地利用信息熵的城乡站点划分方法,将西安市环境与气象站点划分为城区、郊区和两类乡村站,讨论其PM_2.5的城乡分布特征及与城市热岛效应强度(Urban Heat Island Intensity,UHII)间的相关关系。结果表明,不同季节西安市呈现不同的PM_2.5城乡分布特征和日变化特征,两类乡村站点PM_2.5差异明显且下风向乡村站点(乡村D)对应的UHII_D对城区和乡村的影响程度大于上风向乡村站点(乡村U)对应的UHII_U。在城区较多本地排放的影响下,乡村PM_2.5浓度与 UHII_U(或UHII_D)相关系数均大于城区。随着UHII_D的增加,城乡PM_2.5相对浓度差值(RUPII_D)整体呈下降趋势且UHII_D与RUPII_D在春夏秋季显著负相关。UHII_D增大,城区近地面PM_2.5的水平扩散能力减弱,但PM_2.5的垂直扩散能力较乡村更强,从而UHII_D通过影响PM_2.5的传输扩散特征,进一步影响西安市RUPII_D。     

大涡技术对模拟台风眼墙替换过程的影响

眼墙替换是影响台风强度和内核结构的一种重要过程。本研究在高分辨率的数值理想试验中加入大涡模拟技术,对比分析大涡模拟对眼墙替换过程的影响。结果表明:大涡模拟的加入使得模拟台风的强度和边界层入流增强。整个眼墙替换过程共用时约20～22 h,但大涡模拟试验中外眼墙形成更迅速,同时强度和上升运动偏弱。外眼墙完全取代内眼墙之后的台风强度超过替换过程之前的强度。此外,使用大涡技术可以更好地模拟出眼墙替换过程中内外眼墙之间的moat区下沉运动,结构特征与前人观测中所发现的结构特征一致。因此,在台风数值研究中引入大涡模拟技术,有助于更好地模拟眼墙替换过程中的台风结构特征和变化。     

4种蒸发波导模型的对比与分析

蒸发波导模型常用来计算海上蒸发波导高度。为了认识当前不同蒸发波导模型之间的差异和方法,本文选取了目前使用广泛的4种蒸发波导模型(即P-J模型、Babin模型、NPS模型和伪折射率模型)进行对比和分析。本文首先探讨了在理想情况下它们对气象要素的敏感性,随后并利用我国南海近海大气层观测试验数据对比了这4种模型的蒸发波导高度计算结果。分析表明:相对湿度、风速和气—海温差的变化对4种模型的计算都有着较大的影响,特别是在不稳定层结状况下,4种模型计算得到的蒸发波导高度都随着相对湿度的增大而降低、随着风速的增大而增高。Babin模型和NPS模型计算的波导高度较为一致,伪折射率模型与前两种模型的计算结果存在差异,而P-J模型与其他3种模型存在较明显的偏差。基于南海气象数据的计算结果表明,不同蒸发波导模型在该海域蒸发波导的模拟结果略有不同,但4种模型计算得到的波导高度日变化变化趋势较为一致,波导高度极低值常出现在早晨,而极高值常出现在傍晚。     

湍流通量参数化方案的非迭代方法研究

基于Högström (1996) 和Beljaars et al.(1991) 的研究工作, 沿用Louis et al.(1982) 和Launiainen (1995) 的思路, 本文采用多元回归分析方法, 研发了一种采用非迭代方法的湍流通量参数化方案。该方案直接用整体理查森数、 空气动力学粗糙度长度和热力学粗糙度长度对稳定度参数进行参数化, 从而避免了通过循环迭代计算Monin－Obukhov长度。该方案不仅有效地节省了CPU计算时间, 而且其计算结果与迭代方案 (BHH方案) 的计算结果非常接近。     

一种新型海-气湍流通量参数化方案的模式测试

将一种新型湍流通量参数化方案代入到大气环流模式CAM3中,对比分析了模式改进前后模拟的风应力、感热通量、潜热通量和降水的全球分布,以及风应力、潜热通量和降水的纬向平均。结果表明:改进后模式的模拟结果更接近ERS、ERA40湍流通量数据和CMAP综合降水数据,其中对西风带上洋面风应力、亚洲季风区的潜热通量和降水改进明显。由于该新型湍流通量参数化方案直接由整体理查逊数、空气动力学粗糙度和热力学粗糙度参数化稳定度参数,避免了通过循环迭代计算Obukhov长度,计算效率得到提高。     

基于“黑格比”和“灿都”台风期间湍流数据的曳力系数和动力粗糙度长度参数化研究*

海面的曳力系数和空气动力学粗糙度长度是计算海气动量、感热和水汽通量交换必需的参数。基于在“黑格比”和“灿都”台风期间收集的涡动相关系统观测数据, 文章研究了10m风速和摩擦速度之间、10m风速和曳力系数之间、以及10m风速和动力粗糙度长度之间的参数化关系。结果表明: 曳力系数和摩擦速度及10m风速之间存在抛物线关系, 动力粗糙度长度与摩擦速度及10m风速之间存在自然指数关系; 临界摩擦速度为0.83m·s^-1, 临界10m级风速为23.69m·s^-1。     

基于非迭代海-气通量算法的蒸发波导预测模型研究

蒸发波导易发生在海洋等水体之上.为了深入研究蒸发波导预测模型的诊断预报技术,本研究依据目前最新的非迭代海-气通量算法,建立了非迭代通量算法蒸发波导预测模型-NEW模型,进而对新模型进行了敏感性试验,且用我国近海试验数据进行了检验.最后将NEW模型与目前使用广泛、效果较好的4种蒸发波导模型(即P-J模型、Babin模型、NPS模型和伪折射率模型)进行了对比分析,得到了不同模型蒸发波导高度随气象海洋要素变化的规律,结果表明非迭代通量算法模型与传统模型对不同海洋气象要素的敏感性响应是一致的.不稳定层结条件下NEW模型对蒸发波导的诊断结果接近于Babin模型和NPS模型,而稳定条件下略高于NPS模型.试验表明NEW模型可以有效地诊断预报蒸发波导.本研究系统阐述了非迭代通量算法模型的建立和适用情况,为蒸发波导预测诊断算法的更新和模型发展提出了新的思路.     

TESTING DRAG COEFFICIENT APPROACHES BY USING THE BUOY DATA COLLECTED IN MODERATE TO HIGH WIND UNDER FOLLOWING, CROSSING AND OPPOSING SWELL CONDITIONS

Hurricane intensity and track are strongly affected by air-sea interactions. Classified as following swells, crossing swells, and opposing swells, the observed wave height was parameterized by using the 10-m wind speed collected on 5 buoys by the National Buoy Data Center during 13 hurricane events. The path information of these 13 hurricanes was obtained from the National Hurricane Center Best Track (NHC-BT). Results show that the wave height increases exponentially with the 10-m wind speed, and the wave height reaches the maximum value, 11.2 m (8.1 m), when 10-m wind speed is 40 m s-1 under the following and crossing (opposing) swell conditions. We find that the wave steepness (the ratio of wave height to wave length) is proportional to the -2/3 power of the wave age (the ratio of wave phase velocity to 10-m wind speed). The parameterizations of friction velocity and drag coefficient are tested using the buoy data collected in moderate to high wind under following, crossing and opposing swell conditions. A wave age dependent equation for drag coefficient is found more accurate and suggested for future usage in numerical models. Further, these algorithms also suggest that wind-swell orientation needs to be considered to retrieve accurate surface drag under high winds and strong swells.     

不同的边界层参数化方案对江淮一次暴雨过程数值试验研究

利用WRF模式分别耦合YSU、MYJ、ACM2和MRF边界层参数化方案对长江中下游地区2013年7月的一次暴雨个例进行模拟实验。为了检验边界层参数化方案的重要性,研究使用无边界层方案(NOPBL)的WRF模式对这次暴雨进行了模拟。通过与实测数据进行对比和分析,本文检验了这五种不同的实验设计对降水落区、总量、基本气象要素的模拟能力。综合模拟结果表明,不同的边界层参数化方案模拟的结果不同。不论是否使用边界层参数化方案,均能模拟出雨带的基本走向,但不同的方案对降水中心强度及位置的模拟与实况相比有差异。NOPBL产生了最大的偏差,ACM2和MRF次之,MYJ的方案对于小雨与大雨的模拟最优,而YSU对不同强度暴雨模拟的正确率都较高。通过物理量分析对比,MYJ方案较优的原因是:1)风场检测,MYJ方案的模拟结果更接近观测值;2)850 hPa水汽通量散度检测,MYJ方案能够模拟两支水汽输送通道。一支以偏西南风为主,在急流出口区有较强的南风风速辐合,使得从西南方向来的水汽向暴雨区辐合;另一支将偏东水汽向西部输送,保证暴雨区局部辐合。3)垂直速度检测,MYJ,YSU方案模拟的垂直运动中心与降水落区相近,但YSU模拟上升速度偏大,相对而言MYJ方案更合理。     

稻麦轮作农田区大气边界层高度的日变化和季节特征

利用2015年7月至2016年5月寿县稻麦轮作农田区观测站地基多通道微波辐射计观测的高时间分辨率温度廓线资料,结合位温梯度法,计算了该站点的大气边界层高度,分析了边界层高度的日、月和季节演变规律。结果显示,晴朗天气情况下,边界层高度具备典型的日变化特征,随着地面温度的升高边界层高度不断增大。其最大平均值通常出现在午后,8月平均高度最高,超过1520m,1月最低,只有520m。而且边界层高度具有季节变化趋势,春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)平均高度分别为436m,499m,377m和322m。将边界层高度结果与FNL和ERA-Interim数据进行对比,发现在白天时间段(08:00—19:00)FNL和ERA-Interim比观测平均值分别高258m,346m,夜间时间段(19:00至次日08:00)比观测平均值分别低144m,102m。