春季晴日蒙古高原半干旱荒漠草原地边界层结构的一次观测研究

在科技部公益专项"沙尘气溶胶辐射模型及气候环境生态效应研究"支持下,执行期间在二连浩特气象站用GFE(L)1型二次测风雷达和GTS1型数字式探空仪,于2006年4月24~25日对内蒙古高原半干旱荒漠化草原地区春季典型晴日边界层特征进行了加密探测。结果表明:二连浩特地区边界层的日变化大,对流边界层最大高度可以达到2000 m,超绝热层平均高度为270 m,夜间稳定边界层高度可达到900 m;白天在4000 m附近存在高空急流,最大风速达到29 m.s-1;夜间近地面层有东风急流,其高度在250 m左右,观测日低空急流最强时间是在23:00,风速达到16 m.s-1;边界层内湿度变化较大,呈现多层逆湿结构。     

敦煌戈壁地区近地层风的变化特征

为了解敦煌戈壁地区近地层风向、风速的变化特征,利用2002-2008年"敦煌试验"在戈壁的微气象观测资料,分析了西北极端干旱的戈壁地区风向、风速的概率分布特点和日变化、年变化、年际变化的特征.结果表明:(1)该地区多为东、西风,威布尔分布能很好地拟合风速频率分布.(2)风向有明显的日变化,白天多为东风,晚上多为南风;风...     

敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率参数化研究

利用敦煌站观测资料,选取其中观测资料完整且连续性好的7个年份每年5～10月的地表净辐射四分量和土壤湿度资料,分析研究了敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率与太阳高度角和表层土壤含水量之间的关系,结果表明:地表反照率与太阳高度角呈e指数关系,随太阳高度角的增大而减小,当太阳高度角大于40°时,地表反照率趋于稳定。表层土壤含水量的增大可导致地表反照率的减小,地表反照率与5 cm深土壤湿度呈线性关系。另外,建立了敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率与太阳高度角和表层土壤含水量之间的双因子参数化公式,提出了一种更加适合该地区的地表反照率参数方案,并且选取2002年6～9月的实测资料对拟合的参数化公式进行模拟验证。本文所提出的地表反照率参数化方案能够很好地再现该地区裸土地表反照率的“U”型日变化特征,可准确地模拟出地表反照率的动态变化趋势。基于此参数化方案计算得到的地表反射辐射与实测值基本一致。     

荒漠戈壁大气总体曳力系数和输送系数观测研究

利用“我国西北干旱区陆一气相互作用观测试验”在甘肃敦煌进行的陆面过程野外试验的观测资料,依据三种不同方法确定了干旱戈壁区动量输送的曳力系数Cd、感热和潜热交换的总体输送系数Ch和Cq。结果表明：尽管这三种方法计算的曳力系数和总体输送系数有一定的差别,但在量级上相当,尤其是Cd和Ch的平均值比较接近。本文还通过对风向的分析,剔除了附近建筑物干扰和来自绿洲湿平流的影响,得到了荒漠戈壁总体输送系数的特征及其与理查孙数的关系。     

敦煌戈壁地表风蚀起沙量的计算

利用三种不同的计算方案,根据敦煌地区的观测资料,计算了2002年4月8日沙尘天气过程中戈壁地表的风蚀起沙量(垂直尘粒通量)。结果表明:三种方法的计算结果比较接近;在风蚀起沙较严重的时段内,顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量平均值的量级分别为10-4kg·m-1·s-1和10-8kg·m-2·s-1。通过计算结果和观测结果的比较,在地面风蚀起沙物理机制的基础上,讨论了三种计算方案各自的优缺点。     

敦煌地区荒漠戈壁地表热量和辐射平衡特征的研究

利用2000年5月25日～6月17日"敦煌试验"在戈壁的微气象观测资料,分析了极端干旱地区晴天、阴天和降水等天气条件下的地表辐射平衡、热量平衡和土壤温度等微气象特征的日变化规律.发现在不同天气条件微气象特征有很大变化.但观测期间的平均微气象特征与晴天比较接近,天气过程的影响不是很大,平均的总辐射、净辐射和感热通量与晴天的比值在白天基本大于0.8.观测期间的平均Bowen比全天大于1,在白天都在10以上,最大超过100.     

2009年早春南方地区一次高架雷暴天气过程的机理分析

利用常规气象观测资料、6.7μm卫星水汽图像和TBB、闪电定位资料以及NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2009年3月3日南方地区一次高架雷暴天气过程进行诊断研究。结果表明,该过程主要影响系统是中低层低槽、低涡切变线、西南低空急流、南北支西风急流。低空急流造成暖湿气流输送和高空急流造成冷平流侵入是对流触发机制。近地层为层结稳定的"冷空气垫",位势不稳定出现在低空急流与中高层干冷气流之间,并因急流中的下沉运动得以加强;西南暖湿气流与其北部干冷气流在中低层形成湿斜压锋区,西南气流的下沉支和北方下沉气流汇合在近地层形成的东北风回流与上部西南风生成锋面次级环流圈及中高层上升气流与北支急流中的下沉气流耦合形成次级正环流圈有利于倾斜上升运动的发展;低空急流的强暖平流和水汽通量辐合、北支急流入口区右侧的强辐散和南支急流北侧的辐合均加强了中尺度上升运动。湿层浅薄、上下干层较为深厚、强垂直风切变、低层逆温、-20~0℃过冷水层气流强上升运动等有利于雷暴天气的发生。雷电和冰雹出现在TBB、低空急流风速、θse、水汽通量以及300 h Pa散度等值线密集区附近。     

基于多普勒测风激光雷达的低空急流观测研究

基于相干多普勒测风激光雷达于2018年8月在山东德州获取的为期一个月的风廓线观测数据,进行了低空急流的判定、识别与统计分析。参考BONNER对低空急流的判定标准,对1 500 m高度以下的每10 min平均风廓线数据进行低空急流识别与统计,急流发生频率仅为3.6%。参考张世丰对低空急流的判定标准,统计了350 m高度以下10 min平均风廓线的低空急流风速、高度、风向及风切变等结构特征。急流发生频率为24.9%,急流速度主要介于6～10 m·s-1之间,急流高度出现3个峰值,分别位于110 m、160 m和220 m左右,急流风向主要为偏东风和偏南风。结果表明,多普勒激光雷达可以获取高时空分辨率的风廓线数据,进而可以有效检测低空急流结构的存在及其特征。     

急流和地形对阳江一次特大暴雨的影响

利用中尺度数值模式WRF对2020年6月1日的阳江特大暴雨进行模拟和分析。结果表明：WRF的模拟结果很好地再现了该次暴雨的过程。通过控制试验和地形敏感性试验对比,发现将阳江及附近地区的山地移除后,降水区远离阳江地区,发生在粤西北山区。进一步分析表明,边界层急流为这次降水的发生发展提供了充沛水汽的前提条件。阳江附近山地对边界层急流的阻挡和抬升作用是降水发生发展的关键因素：一方面地形阻挡边界层急流增强相当位温水平梯度,增强对流不稳定性;另一方面,地形对边界层急流的抬升作用增强辐合上升运动产生对流。同时,边界层急流出口区配合低空急流入口区的抽吸作用,导致降水系统发展强盛。     

珠峰地区大气边界层结构的一次观测研究

利用2005年8月31日~9月5日中国科学院珠穆朗玛峰综合观测研究站的LAP3000风廓线仪的观测资料,分析了该地区气温日变化和大气边界层风廓线结构。结果表明,该地区1500 m以下大气边界层主要受高原山地地形及珠峰地区冰川环境的影响,冰川风可能是引起观测期间下午强风天气的主要原因;1500 m以上高空受西风气流影响程度增大,但东南风仍占有一定比例。     

敦煌夏末大气垂直结构和边界层高度特征

本文利用西北干旱区陆-气相互作用野外观测试验 (NWC－ALIEX) 2008年8月11～18日的探空试验资料, 分析了中国西北干旱区敦煌地区的大气垂直结构和边界层高度特征。结果表明, 对流层顶大约在距地15000 m高度左右, 为第二 (副热带) 对流层顶; 水汽主要集中在距地6500 m以下对流层, 0℃层在距地3000～4000 m高度波动, 逆湿层高度在0℃层左右摆动; 在距地5000 m以上的对流层基本被西北风或偏西风统治, 在距地9000～13000 m左右的对流层高层, 存在一个风速为25～50 m/s的西北风或偏西风极大值; 敦煌夏末存在特厚边界层, 对流边界层高度可达4200 m, 稳定边界层高度可达1300 m。     

敦煌绿洲夏季边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征。并且与无绿洲试验进行了比较。结果表明：沙漠中的绿洲在夏季是一个冷源,地面感热通量和潜热通量与周围的沙漠地区存在较大差异。在绿洲区,感热通量小,潜热通量大;在沙漠区,感热通量大,潜热通量小。绿洲边界层顶低,沙漠边界层顶高。绿洲可以改变沙漠地区的大气稳定度,使得原来大气层结不稳定的沙漠地区出现较稳定的大气层结。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区的环流结构及温、湿场的分布,使得在绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气干冷,沙漠上空大气暖湿的边界特征。绿洲边缘的沙漠形成的较大的湿气柱围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。沙漠绿洲低空呈现辐散气流,使得绿洲上风方的沙漠地区风速减小,绿洲下风方的沙漠地区风速增大。     

北京市秋季城区和郊区大气边界层参数观测分析

应用2001年9月北京城区和郊区同步大气边界层观测资料,对大气边界层热力和动力参数进行了计算分析.结果表明:北京市秋季,逆温出现的时间城区滞后于郊区;逆温层高度城区大于郊区,200m通常为郊区的逆温层顶和城区的逆温层底部;逆温层强度城区弱于郊区;城市热岛强度为3℃;城区感热通量的输送大于郊区;城区下垫面粗糙度远大于郊区;郊区总辐射和紫外辐射的强度明显大于城区.     

绿洲周边荒漠戈壁夏末土壤-大气水分传输特征

利用“我国西北干旱区陆-气相互作用试验”2000年8-9月在甘肃敦煌地区戈壁滩上取得的野外观测资料,分析了临近绿洲的戈壁土壤湿度和温度特征以及相对应的大气湿度特征,发现土壤热量活动层约为5cm厚,比一般土壤要薄得多;临近绿洲的荒漠戈壁上,不仅近地层大气多为逆湿,而且浅层土壤有时也出现逆湿。土壤湿度日变化能清楚地被区分为湿维持、水分损失、干维持和水分补充等四个阶段。土壤湿度廓线表明：土壤水分活动层厚度约为10m;湿维持阶段的浅层土壤逆湿是土壤湿度廓线最主要的结构特征,这一土壤湿度结构预示着夜间土壤可能通过凝结吸收大气水分,它与白天的土壤水分蒸发共同构成土壤对大气水分的“呼吸”过程。土壤逆湿的形成与土壤温度状态、大气逆湿强度和大气稳定度都有关。     

环渤海近海岸雾产生的天气条件及边界层特征分析

利用渤海沿岸微波辐射计、风廓线雷达、四分量辐射仪和超声风速仪等多种观测反演资料,并结合常规站点气象资料,卫星云图,浮标气象水文观测和FNL（Final）再分析资料研究了2016年12月17~19日一次环渤海大雾个例产生的天气水文条件以及边界层垂直分层的辐射和湍流特征。研究发现:（1）此次大雾出现在大陆低压前部、入海高压后部的西南低空急流控制区域,与强急流相伴的暖湿平流输送为雾区提供了稳定的逆温和持续的水汽积累,非常有利于大雾天气的形成;（2）水汽通量的分布与低空急流的移动密切相关,近地面比湿的增速与低空急流的强度成正比;（3）由于低空急流的水汽输送增湿了环渤海低层大气,从而增强了大气辐射的衰减效应,导致雾形成前向下短波辐射逐渐减小,向下长波辐射不断增加,净辐射在大雾形成后趋近于零;（4）逆温有效抑制了湍流的发展,近地层湍流动能和摩擦速度微弱。     

Intermittent Bursting of Turbulence in a Stable Boundary Layer with Low-level Jet

The atmospheric stable boundary layer (SBL) with a low-level jet is simulated experimentally using a thermally stratified wind tunnel. The turbulence structure and flow characteristics are investigated by simultaneous measurements of velocity and temperature fluctuations and by flow visualization. Attention is focused on the effect of strong wind shear due to a low-level jet on stratified boundary layers with strong stability. Occasional bursting of turbulence in the lower portion of the boundary layer can be found in the SBL with strong stability. This bursting originates aloft away from the surface and transports fluid with relatively low velocity and temperature upward and fluid with relatively high velocity and temperature downward. Furthermore, the relationship between the occurrence of turbulence bursting and the local gradient Richardson number (Ri) is investigated. The Ri becomes larger than the critical Ri, Ri_cr = 0.25, in quiescent periods. On the other hand, the Ri number becomes smaller than Ri_cr during bursting events.     

敦煌戈壁不同近地层大气稳定度下的感热交换系数

首先利用空气动力学法,计算分析了敦煌戈壁2000年9月—2001年9月的感热交换系数Ch的特征,计算得到Ch的年平均值为0.00203±0.00045。敦煌戈壁的Ch在近中性和中性条件下(-0.01<ζ<0.01,ζ为Monin-Obukhov大气稳定度参数)为常数,Chn≈0.0020;在稳定条件下(ζ≥0.01),Ch比较小,随地表风速的增大而增大,趋于Chn,它们之间存在的关系是:Ch=0.0012 0.0003ln(V);在不稳定条件下(ζ≤-0.01),Ch比较大,随地表风速的增大而减小,也趋于Chn,它们之间存在的关系是:Ch=0.0026-0.0002ln(V)。本文还利用地表温度、一层气温和一层风速近似计算了总体Richardson数Rb,判定大气的层结稳定度,再根据该稳定度来选择感热交换系数。