风沙流中风速廓线的数值模拟与实验验证

如何描述风沙流中被风沙运动改变了的风速廓线是风沙相互作用研究中的关键问题之一.该文中将跃移风沙流视为一种颗粒拟流体,将跃移颗粒对气流产生的阻力用颗粒流的阻力系数来表达,建立了描写两场相互作用的数学模型.颗粒流的阻力系数采用了前人在液态流化床研究中得出的阻力系数表达形式,通过引入一个修正系数,使其适用于风沙流(气-固两相流).将风沙边界层划分为跃移颗粒所产生的阻力不可忽略的内边界层和跃移颗粒阻力可以忽略但受内边界层影响的外边界层,分别建立了内边界层和外边界层的风速廓线表达式.应用所建立的数学模型,根据由风洞实验测定的跃移风沙流的浓度分布和速度分布资料,计算了跃移风沙流中的风速廓线,并与风洞实测结果进行了对比.结果表明,计算风速廓线与实测风速廓线吻合得比较好,在半对数图上均为上凸的曲线,有别于无风沙运动时的直线.跃移边界层外风速分布可较好地用对数函数来描述.对风沙流中风速廓线的进一步分析证实了风沙物理学奠基人Bagnold在其早期观测风沙流中的风速廓线时提出的"结点现象"(Bagnold结),该结点的高度随风速的增大而升高,随颗粒粒径的增大而降低.根据数值模拟和模拟实验,可以认为有风沙运动的动床剪切风速是综合反映风场与跃移层以及地表之间相互作用的物理量.     

频散效应对近地面层风速廓线的影响

应用含湍流频散效应的近地面层的运动方程求解了不同层结下的风速廓线，着重分析了湍流频散效应对近地面层平稳运动的影响。分析指出：湍流的频散效应对经典的幂律廓线一对数修正，该修正在不稳定层结时比稳定层时明显；利用相似理论也得到了该常数。     

非均一地形近地层风速廓线特点及粗糙度的研究

在中性大气层结条件下,利用35 m铁塔上五层不同高度处的有效风速,分析得到了非均一地形近地面层风速廓线特点及由粗糙元所决定的粗糙度。结果表明:(1)近地面层风速廓线一般符合对数风速廓线模式,其相关系数均大于0.985,标准偏差为0.04左右;(2)粗糙度的值为1.25 m。但由于外界流体运动状态改变可引起粗糙度出现起伏,其变化范围较大,一般在0.038～4.903 m,与风速之间的相关系数为-0.953。     

切向风速水平廓线对台风路径和强度的影响

用一个β平面的准地转模式和一个高分辨率的f平面准地转模式，实施了6组试验，研究了初始台风切向风速水平廓线对台风路径和强度的影响。结果表明：切向风速峰值区狭窄，最大风速半径较小的廓线，与偏西北方向的路径以及强度维持或增强相对应；峰值区宽平，最大风速半径较大的廓线，与北折转向的路径以及强度衰减相对应。     

内蒙古草原近地层垂直风速廓线的观测研究

利用中国国家气候中心2009-2010年在内蒙古锡林浩特开展的100 m铁塔大气湍流观测数据,分析了不同稳定度条件下的垂直风廓线变化特征,并在局地相似理论基础上建立了垂直风廓线表达式。结果表明:(1)内蒙古草原近地层大气中,不稳定层结和稳定层结条件发生的概率远高于中性和弱不稳定、弱稳定层结的发生概率。(2)稳定层结时,大气特性在垂直方向上变化较明显,需要按照不同的高度层分别研究其风速的变化规律。根据内蒙古锡林浩特草原大气湍流观测资料得到,稳定层结时的无因次风速梯度随稳定度ξ的变化关系可以表达为1+β_mξ,其中β_m的取值与距地面高度有关:30 m高度及以下,β_m取4.3-5.4;高度在(30 m,50 m],β_m取2.9-3.4;50 m及以上高度,β_m取2.0-2.9。     

三类陆面模式模拟土壤湿度廓线的对比研究

针对不同陆面模式对土壤湿度方程求解方法以及对土壤分层结构的差异, 本文选取了三类陆面模式（CLM, CABLE和ECMWF陆面模式）作比较研究。为了避免不同模式参数化方案引起的上边界误差, 上边界采用固定蒸发率、 入渗率和固定表层土壤湿度三类边界条件。土壤分层采用101层（细网格）和11层（粗网格）两种, 并考虑土壤性质沿深度变化。结果表明： 当土壤性质均匀时, 求解的差别主要在第三类边界条件下CLM 求出的水分入渗速度比其它两种快; 改用粗网格后由于土壤深层厚度加大无法与细网格得出的土壤湿度廓线相重合。当土壤性质非均匀时, 模拟结果间差别加大, 只有ECMWF模式模拟的土壤湿度廓线是严格连续的。对于模式和上边界的不同组合, 粗、 细网格模拟结果间均方根偏差不一致。一般而言, CABLE模拟的偏差除第一类条件较小外, 其它都是最大的。第二三类边界条件引起的偏差较大, 第一类最小。上述结果提示我们, 在比较不同陆面模式以及用观测资料来检验模拟结果时应充分考虑土壤分层及土壤性质非均匀性的可能影响。     

浙北沿岸海域海面风场反演方法的研究

高质量的海面实况风场是海洋气象监测和预报的基础,卫星反演的大陆沿岸海域海面风场的准确率不高。文章基于反映近地面风速廓线变化的指数律公式,利用浙江北部沿岸海岛或滩涂上布设的中尺度自动站来反演附近海面风场,并使用客观分析方法将反演的离散风场值转换到中尺度网格上,从而获得完整的高分辨率海面风场。指数律中参数α值对于反演风场的准确率至关重要,它主要受到下垫面状况以及大气层结状态的影响,而后者的影响较前者更大。文章使用多个风塔站的风廓线率值进行了反演风场的误差试验,结果表明:目前单一风速廓线还无法取得最优的反演效果,有必要分季节使用多站风速廓线。使用混合风速廓线得到的总体样本的平均偏差为0.04 m·s~(-1),平均绝对误差为1.51 m·s~(-1),均方根误差为2.01 m·s~(-1)。对海面反演风场的优化可以将总体样本的平均绝对误差和均方根误差分别降低到1.28和1.68 m·s~(-1)。     

On the extension of the wind profile over homogeneous terrain beyond the surface boundary layer

Analysis of profiles of meteorological measurements from a 160 m high mast at the National Test Site for wind turbines at Høvsøre (Denmark) and at a 250 m high TV tower at Hamburg (Germany) shows that the wind profile based on surface-layer theory and Monin-Obukhov scaling is valid up to a height of 50–80 m. At higher levels deviations from the measurements progressively occur. For applied use an extension to the wind profile in the surface layer is formulated for the entire boundary layer, with emphasis on the lowest 200–300 m and considering only wind speeds above 3 m s^?1 at 10 m height. The friction velocity is taken to decrease linearly through the boundary layer. The wind profile length scale is composed of three component length scales. In the surface layer the first length scale is taken to increase linearly with height with a stability correction following Monin-Obukhov similarity. Above the surface layer the second length scale (L _MBL ) becomes independent of height but not of stability, and at the top of the boundary layer the third length scale is assumed to be negligible. A simple model for the combined length scale that controls the wind profile and its stability dependence is formulated by inverse summation. Based on these assumptions the wind profile for the entire boundary layer is derived. A parameterization of L _MBL is formulated using the geostrophic drag law, which relates friction velocity and geostrophic wind. The empirical parameterization of the resistance law functions A and B in the geostrophic drag law is uncertain, making it impractical. Therefore an expression for the length scale, L _MBL , for applied use is suggested, based on measurements from the two sites.     

浙江北部近海边界层风廓线特征分析

利用2010年12月至2014年5月宁波近海凉帽山370m高塔气象梯度风观测和浙江北部沿海自动气象站测风资料,对浙江北部近海风速垂直廓线进行分析,结果发现:受地形影响,偏南、偏北风时塔基风速一般比上一层风速大。不同天气系统影响下近地边界层风廓线不同,南风型320m以下风速基本遵从对数律。热带气旋影响型和北风型时风廓线可分为3段,常通量层内基本满足对数律,该层向上一段高度热带气旋影响型风速变化不大,北风型反而减小,再往上风速又继续增大。北风型风廓线的这种3段结构表现比热带气旋影响型更为清楚,约80~109m风速出现相对极大值,200~250m间存在风速极小值。满足对数律的近地边界层内小风比大风具有更好的拟合优度。浙江北部沿海自动气象站测风资料不同风型统计分析与高塔风廓线表现基本一致。     

湍流频散对边界层风廓线的影响

应用包括湍流粘性和频散的新的Reynolds平均动量方程，分析了边界层的垂直风速廓线，发现包含湍流频散的地面层的风速廓线对经典的风廓线指数规律有一个对数规律的修改；而且在不稳定层结下比在稳定层结下，湍流的频散效应更为显；在中性条件下，指数规律退化为对数规律并且Karman常数被另外一个常数所代替，而这个新常数也可以通过相似理论来获得。     

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。     

孟津县历史极大风速推算及其气候特征分析

利用孟津县2006-2008年自动气象站风资料建立由2 min平均风速、10 min平均风速推算极大风速的拟合方程,根据方程由孟津县气象观测站1959-1982年2 min定时风速和1983-1992年2月10 min平均风速,推算出极大风速,从而建立了可用于研究使用的长时间序列的孟津县年极大风速序列值。通过分析孟津县...     

基于风廓线雷达的对流边界层高度的确定

大气边界层高度对于天气、气候和大气污染研究是一个至关重要的参量。对流边界层(Convective Boundary Layer,CBL)顶部的夹卷过程造成温度和湿度垂直梯度增强,导致这一层的折射率结构常数C■变高。C■的这种垂直分布特征经常被用来定位出CBL高度Z_i。本文利用2010年7—8月天津大港的风廓线雷达数据推断出CBL高度Z_i,对于多重C■峰值或不明确的C■峰值,本文改进了对Z_i的测定,分别讨论了C■最大后向散射法与C■和垂直速度方差(σ■)相结合的新方法的适用性。研究显示:(1)C■廓线具有单峰时,最大后向散射强度法能正确估计CBL高度,这种情况往往对应的是晴天。CBL上存在的残留层或云层引起的温湿起伏变化导致C■廓线具有双峰甚至多峰时,最大后向散射强度法可能会错误估计CBL高度;(2)C■和σ■结合的方法不仅与晴天时C■最大后向散射法有较好的一致性,而且可以将CBL造成的C■峰值从云层造成的C■峰值中区分出来,从而正确估计CBL高度;(3)一般而言,对流边界层中存在有明显的、破碎或者分散不明显的云时,C■和σ■结合的方法都能较好地识别出CBL对应的C■峰值。但由于边界层中的情况极为复杂,C■和σ■结合法也会因不同的原因而错误估计CBL高度。     

黄渤海一次持续性海雾过程形变特征及其成因分析

2016年3月3—5日,渤海和黄海大部出现了一次大范围持续性的海上大雾天气过程。本文从卫星遥感监测上分析海雾在生成、发展和消亡三个阶段的形态演变特征。从海洋气象条件上分析了山东半岛东南近海没有海雾和海雾形态演变的原因。结果表明:(1)在海雾形成初期,在山东半岛东南海域有弱气旋性弯曲,大气层结不稳定,地面形势受低压影响,虽受偏南风控制,但湿度小,无水汽辐合,因此在山东半岛东南近海没有雾。(2)海雾的形成与低层的偏南暖湿气流有关,而这个偏南暖湿气流来源于西北太平洋,雾区对应着水汽辐合区,海气温差为0～1℃的区域与雾区吻合,在海雾发展成熟期,雾顶长波辐射导致雾体降温,出现气温低于海温的现象。(3)925～1000 hPa垂直风切变有利于海雾在逆温层内维持和垂直高度上的发展,形成有一定厚度的海雾。     

自由对流与稳定层结边界层风廓线的解析表达和边界层顶抽吸速度

基于近年来对自由对流和稳定边界层湍流交换特征的研究,求解边界层运动方程,得到这两种层结下边界层风的解析表达式.所得廓线与边界层特性参数符合观测特征.还求出了这二种层结下边界层顶抽吸速度的解析表达及其与某些参数的关系.结果表明,抽吸速度与层结有关,其特征可从物理上加以解释.