北京地区一次强沙尘暴过程的大气边界层结构和湍流通量输送特征

利用中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的风速和温度平均场观测资料和湍流资料,以及北京市气象台地面常规气象资料和逐日08:00和20:00(北京时间)的探空资料,分析了2002年3月18～22日沙尘暴过境前后北京城市边界层结构特征和湍流输送特征,结果表明:1)在沙尘暴爆发前,边界层中水平风速一直较小;气温较高,大气层结稳定,在边界层上部有强大的逆温层.随着冷锋过境,沙尘暴爆发,边界层中水平风速和平均湍流速度急剧增强;温度也突然变化,先迅速增强后又持续下降,逆温层迅速被破坏.2)沙尘暴初期,280 m上为系统性上升气流,而47和120 m则为系统性的下沉气流.随着沙尘暴爆发,湍流动能、向下传输的动量以及向上传输的感热也迅速增大,并且120 m高度的湍能、动量通量以及感热通量明显高于47和280 m,这与北京的局地环流有关.3)本次沙尘暴过程中,120和47 m层的摩擦速度都明显超过了北京的临界摩擦速度,表明局地起沙也是本次沙尘暴过程中北京沙尘的一个重要沙源.     

沙尘天气过程沙地下垫面沙尘通量的获取与分析研究

利用浑善达克沙地地区2004年春季沙尘暴和微气象学加强观测实验资料,计算了浑善达克沙地地区不同沙尘天气条件下湍流交换系数、湍流动量通量和感热通量、沙尘浓度通量;研究了沙尘暴过程中湍流作用、沙尘输送特征及起沙条件。结果显示:浑善达克沙地地区非沙尘天气白天近地层热力湍流作用强于动力湍流,湍流交换以感热交换为主;沙尘天气过程中,近地面层湍流动力作用明显增加,湍流动量和感热交换都对湍流输送有主要贡献,感热通量数值有不同程度的降低。较强沙尘暴天气过程中动力湍流强于热力湍流。随着沙尘天气经历起沙、平衡、沉降的演变过程,沙尘通量数值呈现由正值为主,过渡到向上和向下数值相当、向下数值比例增加。非沙尘天气、扬沙天气和沙尘暴天气过程的沙尘通量值范围分别是±5μg/(m2.s)、±30μg/(m2.s)和-200—300μg/(m2.s)之间。浑善达克沙地地区,非沙尘天气也存在一定量的沙尘输送,但数值较小。浑善达克沙地地区沙尘通量与摩擦速度的三次方成正比,为F=Cu3*。临界起沙风速和临界摩擦速度分别约为6m/s和0.4m/s。     

北京地区一次强沙尘天气过程的中尺度通量特征

应用大气所325 m铁塔的湍流资料和梯度资料,对2003年3月20～23日影响北京的一次强沙尘天气过程的中尺度通量和湍流通量进行了分析,结果表明:冷空气的影响是从上层开始的.沙尘爆发前,边界层有强逆温存在,动量以中尺度输送为主,湍流很弱.沙尘爆发时,向下的湍流动量通量明显加大.湍流动量通量是沙尘沉降的主要原因,但沙尘爆发前的中尺度过程不能忽略.沙尘爆发前后,感热通量均以小尺度的湍流输送为主,中尺度输送不明显.     

2009年4月北方一次强沙尘暴过程的特征分析和数值模拟

利用观测资料对2009年春季4月22-24日强沙尘暴过程的近地面气象要素(气温、气压、风速)变化和PM10进行分析.结果表明:蒙古气旋和冷锋是这次强沙尘暴的主要影响系统;沙尘暴过程前后温、压和风速有剧烈变化;PM10的强度能较好地反映沙尘暴强度.在观测资料分析基础上,利用沙尘暴数值预报系统对此次过程进行了模拟,采用模拟结果对地面沙尘浓度和起沙进行了分析.结果表明:模式能较好地模拟出这次沙尘天气的时间和空间演变特征,模拟沙尘浓度大值区与强沙尘暴的范围较为一致,比较白天早间和下午的沙尘浓度分布,发现其具有日变化;这次大范围的沙尘天气的起沙中心分别是南疆塔里木盆地、甘肃、内蒙古的西部及蒙古国南部,垂直沙通量超过50 mg·m2·s-1;沙尘浓度垂直输送的高度在550hPa以下,起沙后的沙尘粒子主要靠对流层低层的大风长距离地输送;对不同地区起沙过程贡献最大的沙尘粒子的粒径不尽相同,但是对起沙量贡献最大的是粒径在2μm相似文献   

河西走廊一次特强沙尘暴的热力动力特征分析

使用NCEP再分析资料、高空和地面观测资料对2010年4月24日发生在河西走廊的一次特强沙尘暴天气进行了热力和动力作用诊断分析。结果表明:沙尘暴发生前,感热通量达最大值,湍流运动增强,增加了大气的不稳定性;大风沙尘暴发展和强盛期与动量通量大值区对应,动量通量对沙尘向上输送起了重要作用;在强锋区附近,地转关系被破坏,大风沙尘暴大气主要出现在变压梯度大,即变压风大的区域,变压风是产生地面强风的主要成分;河西走廊这次沙尘暴过程有明显锋生活动,锋生过程使锋面次级环流加强;水平螺旋度负值中心值越大,近地面层风速越大,大风沙尘暴天气主要出现在水平螺旋度负值中心前方与零值线之间;在河西走廊上空,高空急流沿等熵面穿越等位势高度面下滑到2000gpm,形成偏西风低空急流,低空急流的形成和维持在大风沙尘暴过程中起到关健作用。     

南疆一次强沙尘暴前后塔中近地面各气象要素的变化特征

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中站2006年4月10日一次强沙尘暴前后连续5天地面、土壤中、以及80 m高塔站梯度观测系统的各气象要素资料,详细地分析了该沙尘暴前后不同沙尘天气日各要素的变化特征.结果表明:这次沙尘暴是南疆气温持续回暖、热低压强烈发展、沙尘暴和浮尘天气持续时间长的一次南疆东灌型强沙尘暴过程.温、湿廓线在沙尘暴过境时,因强湍流交换,整个近地层大气基本上处于中性层结,沙尘暴日为降温增湿的过程;沙尘暴日前后大气层结发生了转变,破坏了晴天正常的逆温、逆湿结构.风速廓线在沙尘暴日满足对数律关系,而在沙尘暴日前后的天气里,风速较小,规律性差.沙尘暴过境时0O cm和5 cm地温变化趋势与1.5 m气温相似,过境前1.5 m气温比5 cm地温达到峰值的时间约提前1～2 h,过境后反而又滞后1～2 h.     

2002年3月19日沙尘暴爆发条件分析

使用沙尘暴预报模式的输出资料，对2002年3月19～21日的一次特强沙尘暴过程作动力诊断分析。结果表明，该次沙尘暴由蒙古气旋后部冷锋锋生产生的偏西北大风引发。近地面风速的垂直切变和地面热通量的加大，都可使边界层湍流加强扬起地面沙尘。地面锋区附近风场的强水平切变，锋面垂直环流及锋后斜压转换的作用，将地面卷起的沙尘带到高空，引发强沙尘暴。     

北京地区一次PM2.5重污染过程的边界层特征分析

利用北京市环境保护监测中心和美国大使馆的细颗粒物（PM2.5）逐时监测数据,中国科学院大气物理研究所325 m气象梯度塔资料以及实况天气图和探空资料,对2015年11月27日至12月1日北京的PM2.5重污染过程的边界层特征进行了分析。研究发现:这次重污染过程持续时间长、强度大,其中PM2.5浓度超过75 μg/m3的时次共计126 h,超过150 μg/m3共计116 h,小时最高PM2.5浓度为522 μg/m3。在高低空环流场配置的影响下,近地面静风和多层逆温结构抑制了污染物在水平和垂直方向上的输送,加上边界层内的深厚湿层,使得其中气溶胶不断吸湿增长,高PM2.5浓度得以维持。在重污染期间,湍流动能较低,不利于污染物的水平和垂直扩散。垂直方向的湍流动能一直占水平方向的15%~20%左右,水平湍流动能占主要贡献。摩擦速度与湍流动能呈现出相似的变化趋势,不同高度之间的摩擦速度差别不大。超出前后时次一个数量级的湍流强度尖峰的出现是湍流场发生调整的一个信号,是PM2.5浓度发生剧烈转变的前兆,预示着污染状况更加糟糕。重污染过程中感热通量的输送方向为从地面向大气输送,感热通量和潜热通量都大幅减少,并且表现出明显的日变化特征。对湍流功率谱计算和分析表明,在重污染过程期间,时间尺度为5 min至6 h的中尺度过程对从地面到大气方向的动量和热量通量输送做出了重要贡献。     

典型沙尘天气过程近地层气象要素演变特征

选取2009年3月至2010年3月期间观测到的3次典型沙尘天气过程,利用大同国家基准气候站的20m气象梯度塔的风速、气温、相对湿度的观测资料,PM10质量浓度资料以及能见度的部分观测资料,分析了近地层气象要素和PM10质量浓度的演变特征。结果表明:风速在沙尘暴、扬沙的发生、发展过程中均较大,浮尘较小。3种沙尘天气条件下,1m、2m、4m、10m高度与20m高度的风速比大致在0.48~0.84和0.41~0.79范围内,局地扬沙过程中近地层风速梯度较大。在浮尘天气过程中,观测到的近地层气温变率与同一季节的昼夜气温变率有较明显差别,反映了沙尘气溶胶的辐射强迫对局地温度变化速率的影响。在沙尘天气过程中,还观测到相对湿度与气温之间的反常变化,反映了来自于沙漠地区干燥气团的可能影响。总体上,沙尘暴、扬沙、浮尘天气条件下的PM10平均质量浓度水平存在依次递减的趋势,但是沙尘天气的PM10平均质量浓度水平并不唯一与风速大小有关,尤其是在沙尘天气持续发展的后期,随着近地面沙尘颗粒尺度谱性质的改变,PM10质量浓度会出现下降,导致能见度、风速变化与PM10质量浓度变化趋势不相一致。     

鄱阳湖地区复杂地表条件下一次强降水过程的近地面边界层特征

使用鄱阳湖北部70 m气象塔湍流和梯度观测数据,分析了2011年6月6日夜间一次暴雨过程中近地面边界层特征.结果表明,此次过程是在高空低槽和西南急流的天气背景下,受鄱阳湖复杂地表影响产生的局地性强降水.强降水发生前受东南暖平流影响,近地面边界层中水汽累积,不稳定性增加;强降水过程中,近地层感热、潜热通量迅速增加,同时,近地面层湍流动量通量下传和水平输送增加,鄱阳湖的水汽输送加强降水强度.另外,强降水过程中,近地面湍流动能迅速增大并达到最大值,而平均动能的增大发生在强降水结束后,表明地表作用明显,近地面边界层的湍流场为暴雨提供动力条件.尺度分析表明,强降水前,中尺度动量通量占主要地位,降水过程中湍流动量通量显著加强.     

北京北郊冬季大风过程湍流通量演变特征的分析研究

利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔1993年12月～1994年1月大气边界层实验资料, 计算分析了大风过境过程中47 m和120 m高度湍流通量演变特征及其影响因子, 以及与风速、 稳定度等参数的关系。结果表明: 大风过程对近地面层的物质能量输送有着重要影响, 大风之前出现短时间动量上传和热量下传; 大风过程中的湍流通量数值明显高于过境后, 水平方向湍流通量数值和能量增加幅度大于垂直方向; 当风速大于临界值5 m/s时, 湍流通量与风速、 湍流动能的相关迅速增大; 湍流谱特征表现为湍流能量的低频部分增加、 湍流谱曲线变宽; 大风能强烈影响近地面层的能量收支。     

Experiment on Dust Flux During Duststorm Periods over Desert Area

The present study investigates the characteristics of turbulent transfer and the conditions for dust emission and transport using the dust concentration and micrometeorological data obtained during dust events occurring in the spring of 2004 over the Hunshandake desert area. The turbulent exchange coefficients and turbulent fluxes of momentum and heat are calculated. The relationships between dust flux, friction velocity, and wind speed are also explored. The results show that thermal turbulence is dominant during daytime of non-dusty days. The dynamic turbulence increases obviously and the sensible heat flux reduces by different degrees during dust events. There is an efficient downward transfer of momentum before duststorm occurrence, and both the dynamic turbulence and the thermal turbulence are important in the surface layer. The dynamic turbulence even exceeds the thermal turbulence during severe duststorm events. The values of dust flux vary in the range of -5 5, -30 30, and -200-300 μg m^-2 s^-1 during non-dusty days, blowing dust, and duststorm events, respectively. A slight upward transport of dust is observed during non-dusty days. The dust flux gradually varies from positive to negative during duststorm periods, which indicates the time evolution of dust events from dust rising to stably suspending and then deposition. The dust flux is found to be proportional to u＊^3. The threshold values of wind speed and friction velocity are about 6 and 0.4 m s^-1, respectively.     

Velocity and temperature spectra and cospectra in an unstable suburban atmosphere

Boundary-layer flow over very rough surfaces is poorly understood so the applicability of standard micrometeorological theory is uncertain. This study presents observations of the turbulent fluctuations of meteorological parameters over a suburban area. Even though the height of measurement is considered to be close to the junction between the inertial and roughness sub-layers, the wind and temperature spectra and the momentum and sensible heat flux cospectra are in good agreement with reference data from smoother surfaces. Recommendations are made concerning site requirements, height of measurement and averaging times for the study of turbulence and turbulent fluxes over suburban terrain.     

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。     

A study of multiple stable layers in the nocturnal lower atmosphere

The structure of nocturnal inversions in the first 300 m of the atmosphere is analyzed using observational data from the Boulder Atmospheric Observatory (BAO) from March through June 1981. The temperature profiles show more than one inversion layer 41% of the time during the observational period. The vertical distributions of wind speed and moisture also show evidence of stratification during these multiple-layer events. The relation between the radiative cooling rate in time and height, including moisture, and the vertical structure of the multiple layers is calculated. The vertical distribution of eddy kinetic energy and the turbulent vertical fluxes of heat and momentum are also calculated. Turbulent structure in the elevated inversion layers is more complicated than that in the single-layer, stable nocturnal boundary layer. The total heat budget for a multiple-layer case is calculated, and turbulent cooling is found to be negligible relative to radiative cooling and to horizontal advection and/or horizontal divergence of heat flux.     

Performance of the Wind Farm Parameterization Scheme Coupled with the Weather Research and Forecasting Model under Multiple Resolution Regimes for Simulating an Onshore Wind Farm

We use the Wind Farm Parameterization(WFP) scheme coupled with the Weather Research and Forecasting model under multiple resolution regimes to simulate turbulent wake dynamics generated by a real onshore wind farm and their influence at the local meteorological scale. The model outputs are compared with earlier modeling and observation studies. It is found that higher vertical and horizontal resolutions have great impacts on the simulated wake flow dynamics. The corresponding wind speed deficit and turbulent kinetic energy results match well with previous studies. In addition, the effect of horizontal resolution on near-surface meteorology is significantly higher than that of vertical resolution. The wake flow field extends from the start of the wind farm to downstream within 10 km, where the wind speed deficit may exceed 4%. For a height of 150 m or at a distance of about 25 km downstream, the wind speed deficit is around 2%. This indicates that, at a distance of more than 25 km downstream, the impact of the wind turbines can be ignored. Analysis of near-surface meteorology indicates a night and early morning warming near the surface, and increase in near-surface water vapor mixing ratio with decreasing surface sensible and latent heat fluxes. During daytime, a slight cooling near the surface and decrease in the near-surface water vapor mixing ratio with increasing surface sensible and latent heat fluxes is noticed over the wind farm area.