利用255m铁塔研究城市化对地面粗糙度的影响

利用天津255m气象塔近10年观测资料,采用风速梯度资料拟合对数风速廓线的方法,定量计算天津255m气象塔空气动力学粗糙度随下垫面的改变情况.结果表明各方位的粗糙度存在明显差异,偏北方向的粗糙度大于偏南方向,但各方位粗糙度在总体是逐年递增趋势,个别年代减小与城市改造有关,粗糙度与城市建筑群高度之间存在线性关系.同时利用冬季风廓线资料研究城市化对边界层风场结构的影响:结果表明受下垫面影响近地面风向逐年趋于紊乱,平均风速呈逐年递减趋势,十年间城市冠层厚度增加10m,2005年城市冠层厚度在40～60m之间.     

夏季北京城市大气边界层湍流通量的塔层观测

利用2003年8月13～26日期间中国科学院大气物理研究所大气边界层气象塔47、120和280 m 3层高度上三维风速和温度脉动的观测资料,结合涡动相关方法,分析了夏季北京市城市下垫面的动量和感热等湍流通量。结果表明：3层高度上动量通量和感热通量的日变化彼此非常接近, 且3层高度上最大感热通量达到200～250 W·m-2。观测期间盛行南风,120 m高度的水平风速小于10 m·s-1。同时分析了由慢响应传感器采集的15个高度上的气温和8个高度上的相对湿度。结果表明：受地表加热影响,320 m高度上气温和相对湿度的日变化非常显著。不同高度上动量通量和感热通量的比较表明：城市下垫面的空气动力不均匀性比热力不均匀性显著。用廓线法计算了32和65 m高度之间的湍流通量,结果表明：1）夏季晴好天气情况下,北京城市下垫面能量输送以感热为主;2）由廓线法计算得到的动量通量、感热通量和由涡动相关法直接测量结果相近。此外还初步讨论了大气边界层温度、湿度垂直廓线随时间的演变。     

宜昌冬季两次降水过程大气边界层的观测分析

利用宜昌2007年12月10-25日的加密观测资料,分析了两次低值系统经过宜昌时大气边界层的温湿风廓线结构及其日变化特征。结果表明：位温廓线具有明显的日变化特征,对流边界层在白天出现和发展,其高度可达600m,而稳定边界层在夜间出现和发展,其高度可达300m,降水会抑制对流边界层和稳定边界层的发展;湿度廓线结构及其日变化与对流边界层的发展有关,总体上湿度随高度减小,贴近地面的薄层湿度随高度减小较快,而混合层内湿度随高度变化较小,出现降水时,近地层的湿度有明显增加,大气边界层内湿度随高度快速平稳减小;风速廓线结构比较复杂,总体上风速随高度增大,在大气边界层低层有时会出现一个风速极大值,风速廓线没有明显的日变化特征,大气边界层内风向变化较大,但以偏东风为主。     

稳定大气近地面层的风和温度廓线

本文不做风和温度廓线相似性假设,使用最小二乘法分析位于粗糙、不均匀地形上北京气象专用塔在稳定条件下的平均风速和温度测量资料。结果表明,在近地面层,从弱稳定到强逆温的较宽的稳定层结范围内,对数加线性规律都是适用的;廓线参数β和β不是常数,它们的数值随大气稳定度而变化。文中给出的经验公式表明:廓线参数随R_i的增大而减少,随L的增大而增大。在临界理查逊数的两侧,廓线参数随R_i的变化遵循不同的规律。文中还表明,廓线相似性假设仅对大气层结稳定度较弱时才是真实的;当稳定度增大时,廓线变成不相似,P值随R_i的增大而增大。     

关于中性层结大气边界层湍流参量铅直分布的计算分析

根据大气边界层平均风速廓线实测资料,参照Lettau方法计算了湍流参数——动量交换系数k_m,摩擦速度u_*,湍流切应x和混合长l随高度的分布.并与国外研究结果进行比较,基本规律一致,某些参数有所修正.     

城镇规划布局对边界层结构影响的数值试验

利用南京大学城市尺度边界层模式(UBLM),对方圆20 km的一个小城镇,以100 m水平格距进行了城市气象环境和边界层结构的数值模拟。结果表明,这种规模的小城镇,其边界层气象场分布与大城市最明显的差异就是城乡温差很小,不论白天还是晚上只有0.1~0.2℃的量值,基本不构成城市热岛现象。在日间层结不稳定情况下,主城区、郊区及居民区三类不同下垫面上的湍能廓线、位温廓线存在较大差异;而在夜间稳定情况下,这些要素的廓线分布几乎显现不出下垫面影响的差异。(1)局部下垫面的变化对模拟域内夜间气象环境的影响较小,差异主要显现在日间,且风速分布的变化强于温度变化。(2)当预留地建成稀疏居民区或稠密主城区时,在试验区下风方向的原有城市下垫面上会有气温升高、水平风速减小,垂直速度增大的现象;而当预留地建成平坦机场或水域时,城市下垫面上会有降温、水平风速增大、垂直速度减小的现象。(3)水域对城市气象环境变化的影响最大,它的存在或扩大会导致下风方向城市湍能、湍流扩散系数的明显减小。(4)备用地变成其它几种下垫面类型都对城市气象环境存在一定影响,但是其影响的程度比变成水域带来的影响程度都要小很多。     

冬季北京城市近地层的气象特征

运用2001年1～3月北京大气边界层和大气化学综合试验期间,中国科学院大气物理研究所铁塔上所获得的8～320 m 15层风、温度和湿度梯度资料,对冬季北京城市边界层特征进行了诊断分析.结果表明,在冬季北京城市边界层中,平均而言地表粗糙度为1.34、零平均位移约为20 m;温度基本上随高度呈线性变化;风速随高度的变化并不总遵循对数关系,尤其是在午前和夜间,风速与高度之间对数关系的不显著率可达30%～40%.不能简单套用在Monin-Obuhov相似理论中由Businger-Dve风廓线层结订正获得的近地面层动量、热量和水汽湍流输送计算公式.     

延吉市边界层风场特征分析

利用风廓线雷达在延吉市开展了边界层风场的探测研究,根据2012年4个月逐日的边界层风场探测资料,分析了延吉市大气边界层风场的时空分布特征,得到了逐月的高空风廓线图。结果表明：1000m以下,水平风速和垂直风速随高度均呈现出增加的趋势,地面风速最小,750-1000m高度处存在明显的风切变层;2月和7月高空水平风速随高度的增加而增加,4月和10月高空水平风速变化呈单峰型的变化趋势;2月垂直风速随高度的增加逐渐增加,7月随高度的增加逐渐减少,4月和10月随高度呈双峰型的变化趋势;各月在1000～2000m高度垂直风速较小;各月水平风除个别高度外均以西风或偏西风为主导风向,垂直方向以下沉气流为主。     

利用机场天气情报计算大气边界层下部垂直风切变的一种方法

本文介绍利用机场天气情报，考虑气层厚度、地转风速Vg、下垫面的性质、温度层结、平流性质和气层相对于地面的高度，根据下垫面高度上的地转风速、风向和850hPa高度上的地转风速、风向，给出了计算大气边界层下部垂直风切变的一种方法。并对该计算方法的误差进行了讨论。     

利用机场天气情报计算大气边界层下部垂直风切变的一种方法

本文介绍利用机场天气情报，考虑气层厚度、地转风速Vg、下垫面的性质、温度层结、平流性质和气层相对于地面的高度，根据下垫面高度上的地转风速、风向和850hPa高度上的地转风速、风向，给出了计算大气边界层下部垂直风切变的一种方法。并对该计算方法的误差进行了讨论。     

复杂地形城市冬季边界层对气溶胶辐射效应的响应

作者着眼于城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用问题,针对地形复杂的兰州市及周边地区,开发应用了WRF(Weather Research and Forecasting,天气研究和预报)模式,使之与包含了大气气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的综合大气边界层数值模式嵌套起来.通过个例分析,揭示了冬季气溶胶辐射效应对边界层结构的定量影响.主要特征为夜间气溶胶的长波辐射效应使地面附近的气温增高,增温幅度为0.1～0.3 K/h,使低空(25～300 m)大气层冷却,降温幅度为0.08～0.15 K/h,风速在150 m以下减小;白天气溶胶的短波辐射效应使地面层内明显增温,1 h内升温约0.5 K,增温最大值在混合层顶500～600 m高度.受增温影响,垂直风场和水平风场随之调整,风速在450 m以下增大约0.1 m/s左右,而在450 m以上风速减小0.1 m/s左右.     

温江站夏季大气边界层垂直结构特征

利用温江观测站边界层塔和探空获取的观测资料,从地表物理量的日变化、边界层的垂直结构及逐日变化这些方面分析该站夏季边界层特征,得到以下结论:(1)地表各物理量都具有明显的日变化特征,呈现一峰一谷的演变状态,其中地表热通量、动量通量、气温以及风速的峰值皆出现在午后,谷值出现在凌晨,湿度与气温日变化是反位相的。(2)近地层低层大气气温在早晚时段,随高度的增加而上升,呈逆温状态;午间时段随高度的增加而下降。9 m以下大气在午后的比湿梯度最大。风速值随着高度的增高而增大,风切变随着高度的增高而减小。(3)探空观测的边界层垂直结构显示:夏季温江站早晚边界层大气层结稳定,而午后表现为典型的混合边界层特征。大气温/湿度差异随高度增长而降低,各个时次温/湿度的差异都主要集中边界层低层,越靠近地面大气温/湿度差异越突出。8:00的温度最低,14:00最高。14:00的大气比湿最小,2:00和20:00较大。近地层风速随高度增长较快,在离地2~300 m左右高度达到一个极值,4个时次的风速差异不大。(4)地表温度、短波辐射、感热通量对边界层的高度和降水都有一定的影响。     

DERIVATION OF FLUXES FROM PROFILES OVER A MODERATELY HOMOGENEOUS FOREST

Measurements of fluxes and profiles of wind andtemperature are performed in the roughness layer ofa moderately homogeneous forest location. Weinvestigate to what extent vertical scalar fluxescan be derived from profile measurements. Theinfluence of inhomogeneities in the upwind terrainis investigated with footprint analysis and with aninhomogeneous surface-layer model. Four methods toestimate displacement height are suggested, amongthem is a method involving the structure parameterof the vertical wind. All methods give a decrease ofdisplacement height with increasing wind speed,while roughness length is found to increase withincreasing wind speed. For near-neutral conditionsdimensionless temperature gradients are found to besubstantially lower than the surface-layer valuesfound in the literature for homogeneous terrain with lowvegetation. Dimensionless shear however iscomparable with the surface-layer value. The heightof the roughness layer is 20 times the roughnesslength. Two schemes with locally derived surfaceparameters are tested to derive friction velocityand sensible heat flux from the profilemeasurements. These site specific schemes performsatisfactorily. A third scheme based on surface parameters chosen a priorifrom the literatureperforms significantly worse especially for low windspeed and unstable cases.     

天津塔层风切变的研究

根据天津气象铁塔１９９０－１９９２年冬季８个月的风速、风向、温度等资料的分析，得到了天津２５０ｍ以下边界层中风切变的若干特征，如风垂直分布幂次律中指数ｐ的时空变化及频数分布，各层各时段风切变的频数分布，风切变与温度梯度、稳定度的关系。这些特征有助于对城市下垫面塔层中风垂直分布的了解。还分析了冷锋过境前后风切变及温度状 的分布情况。     

Turbulent diffusivity and diurnal variations in the atmospheric boundary layer

Diurnal variations of the vertical profiles of wind and temperature have been surveyed, and the diffusivity and the dimensionless gradient function in the atmospheric boundary layer have been estimated. Even in the middle of the atmospheric boundary layer (e.g., below a height of 442 m), the vertical wind profile normalized by the surface friction velocity has approximately a universal profile function different from that in the surface boundary layer. Under strong stability conditions, the dimensionless gradient function has a value of about 9.     

边界层方案对华北低层O3垂直分布模拟的影响

利用WRF-Chem模式,采用3种边界层参数化方案 (YSU, MYJ和ACM2),针对1个晴空、静稳日 (2013年8月26日20:00—27日20:00(北京时)) 进行模拟,着重分析不同边界层参数化方案对夜间残留层形成及日出前后O₃浓度垂直分布形式的模拟效果,并与固城站地面及垂直同步观测资料进行对比。结果表明:3种边界层参数化方案均能够模拟出温度及风速的区域分布形式以及风温垂直结构的变化特征;相比之下,MYJ方案模拟的夜间边界层高度较YSU方案和ACM2方案明显偏高,该对比结果可能是导致近地面污染物浓度模拟差异的重要原因;在夜间稳定层结至日出后稳定状态打破的边界层结构演变过程中,采用YSU方案和ACM2方案模拟的温度和风速垂直扩线形式与观测结果更为接近;同样采用非局地闭合的YSU方案和同时考虑局地和非局地闭合的ACM2方案,对于边界层高度内O₃浓度垂直分布形式的模拟效果具有明显优势。     

The wind speed shear in the case of stable stratification and the scales of the similarity theory

The wind speed shear in the case of stable stratification in the linear part of the profile spreading high above the surface layer of constant flows is studied using the data of long-term sodar measurements in the atmospheric boundary layer. The wind speed shear in this part remains almost invariable during several hours at the significant change in parameters of the Monin-Obukhov theory. The length of this linear part can be associated with the layer of the critical Richardson number. In the case of the pronounced temperature inversion (with the positive gradient of more than 1°C per 100 m), the wind speed profile is close to the linear function in the most part of the nocturnal mixing layer. Proposed is a scale characterizing the height of the surface layer of constant flows.     

A model for the height of the internal boundary layer over an area with an irregular coastline

A model for the time and space variation of the internal boundary-layer height over a land area with an irregular coastline is presented. It is based on the analytical model of the boundary-layer height proposed by Gryning and Batchvarova (1990) and Batchvarova and Gryning (1991), The model accounts for the temperature jump and the mean vertical air motion at the top of the internal boundary-layer. Four cases from experiments in Nanticoke and Vancouver are used for model validation. The agreement between the calculated and measured internal boundary layer height at the observational sites is fairly good. The input information for the model consist of wind speed and direction, friction velocity and kinematic heat flux in time and space for the area, and the potential temperature gradient and the mean vertical air motion above the internal boundary layer. For the experiments used in the validation the effect of subsidence is relatively important in the afternoon under low wind speed high pressure conditions, lowering the height of the internal boundary layer by up to 10%, and it is negligible in the morning hours. The effect of the mixing height over the sea is found to be negligible.     

东疆黑戈壁近地大气边界层气象要素季节变化规律

利用东疆红柳河黑戈壁下垫面陆气相互作用观测站2017年近地大气边界层梯度探测资料和红柳河气象站天气现象观测数据,分析该地区典型晴天条件下的近地层风速、温度和比湿的四季廓线特征。结果表明:四季近地层风廓线变化规律明显。典型晴天条件下,在0.5～4 m高度内风速随高度的增加而变大的速度较快,在4～32 m范围内,白天风速随高度增大较缓慢,但夜间出现快速增大;存在明显的夜间逆温,逆温层主要集中在4～32 m,冬季逆温强于夏季,晨间0.5～32 m间的温度差可达4.6℃,且红柳河四季的气温日较差均较大,秋季可达到15.7℃;夜间比湿高于白天,秋、冬季夜间逆湿层出现在10～32 m,其比湿差为0.15 g/kg左右,夏季无逆湿现象。