下垫面粗糙度突变时的内边界层研究

本文介绍了下垫面粗糙度突变时内边界层的形成过程,阐述了内边界层研究的意义,总结和分析了内边界层在理论研究、实验和观测以及数值模拟方面的主要成果。     

城市表面粗糙度长度的确定

讨论了动量粗糙度长度与热量和水汽等标量粗糙度长度在形式上和物理本质上的不同，以及造成这些不同的原因和条件，分析了决定动量粗糙度的几种因素，并给出了确定动量粗糙度长度的简化关系式，并且根据城市冠层与其上惯性次层能量和动量守衡的原因，建立了热量和水汽粗糙度与动量粗糙度之间的联系，得到了确定热量和水汽粗糙度长度的简化关系式，最后，通过数值试验，表明了动量粗糙度和标量粗糙度变化特征以及对一些主要参数的敏感程度，以及动量粗糙度与标量粗糙度的动态关系。     

海面粗糙度可变时定常非中性大气边界层数值模式

本文结出一个海面粗糙度可变时定常非中性大气边界层数值模式,其中粗糙度是摩擦速度的函数,湍流交换系数是湍流热通量和风切变的函数,而热通量在海气温差已知时由近地层通量梯度关系求出。解得的风和若干边界层特征参数符合观测及理论考虑。因此,只要知道地转风、纬度及海气温差即可用本模式计算海面大气边界层中不同高度的风。     

强风天气条件下海气动量交换参数的观测分析

利用近岸海上气象平台对登陆台风“黑格比”近海层风廓线观测资料,计算分析了近海层大气的湍流动量通量交换参数,以期认识高风速情况下的海气动量交换特征.数据分析结果显示,当海面上方 10 m处风速U10≤24 m/s时,摩擦速度(U*)随风速的增大而增大,当U10＞24 m/s时,U*呈饱和趋势.海面粗糙度长度(Z0)、拖曳系数(Cd)在低风速( U10≤6 m/s)随风速的增大而减小,在U10处于6～24 m/s之间时,Z0、Cd随风速的增大而增大,当U10＞24 m/s时,Z0、Cd达到极值后开始减弱.Z0、Cd极值出现在U10为24～28 m/s之间.并对高风速时拖曳系数衰减现象的对应机制进行了讨论.另外,还探讨了台风期间的阵风因子(G(t,T))等参数的演变特征.     

精细的城市边界层模拟中热力粗糙度引入的初步研究

运用南京大学城市尺度边界层模式（UBLM）以100 m水平网格距的精细高分辨率，诊断分析小规模城市（水平范围在一二十公里）的气象环境与边界层结构。就高分辨率精细模拟分析研究了两个问题:（1）在模式中引入热力粗糙度，就引入热力粗糙度前后的模拟结果与实测结果进行对比，结果表明引入后的模拟结果与自动气象站的观测结果吻合较好，能够很好地反映出地面气温的日变化规律。冬季，白天不引入热力粗糙度比引入热力粗糙度会高估小规模城市地区感热通量约60 W/m2，而对乡间农作物地区约10 W/m2。（2）以四种不同水平网格距对同一下垫面及气象条件进行诊断分析，结果表明以100 m网格距精细模拟效果明显优于以较大网格距进行的模拟效果。以这样的精细高分辨率模式所获模拟结果分析了小规模城市的边界层特征，表明:冬季白天和夜间小规模城市与乡村气温差分别为0.8℃和0.6℃；风速明显低于乡村地区；湍能高于乡村地区，白天和夜间湍能一般为乡村的3倍左右；白天混合层发展较乡村迅速，且高度高于乡村地区。这样的特征在当今城市规划布局工作中，为特大型城市的卫星城市的建设规划提供了有益的科学实验依据。模拟效果表明以如此高的水平分辨率实施的模式和模拟是可行和有意义的。     

WRF模式中QNSE方案的湍流长度尺度系数的调整试验研究

边界层参数化方案中湍流混合对数值模拟起着重要的作用,湍流混合作用的恰当描述对于温度、湿度、风场以及降水的准确模拟至关重要。我国长江中下游流域人口密集,暴雨灾害频发,很有必要寻找一种适合该地区降水模拟的边界层参数化方案。本文运用WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值模式,以QNSE（Quasi-Normal Scale Elimination）边界层参数化方案为基础,将其中湍流混合长度尺度系数调整为可变参数。本文将Noh et al.（2003）提出的Prandtl公式与Janji?提出的修正湍流长度尺度系数的方法相结合,通过考虑非局地项的强迫、地表稳定度与边界层高度对湍流长度尺度系数的影响,强调大气的动力结构特征与热力结构特征对湍流混合的共同影响,从而提高QNSE边界层参数化方案在不同地理环境下的模拟能力。文章通过进行长江中下游地区的典型暴雨试验,将调整参数后的QNSE方案与原方案进行比较,重点分析调整参数后的方案与原方案对关键基本气象要素场、边界层结构特征以及降水的模拟能力,并将模拟结果与观测结果进行对比,结果表明:调整参数后的方案一定程度上改进了地表温度、边界层结构以及降水的模拟效果。进一步研究表明,调整参数后的方案主要通过改变边界层混合缓解水汽混合比、位温模拟方面的误差。     

大气边界层气象学研究综述

文中回顾了大气边界层气象学的发展历史，总结了目前大气边界层气象学的主要进展，并指出国内外在未来大气边界层气象学研究方面面临的一些主要科学问题，以及对未来大气边界层气象学的发展方向提出若干建议，同时还指出了大气边界层气象学在思想上和方法上应该注意的一些相关问题。     

斜压边界层风场的动力学特征

在大气边界层中,当温度分布在水平方向不均匀时,斜压性必须予以考虑。本文在地转动量近似条件下,采用Agee[1]公式来描述湍流粘性系数K,求得斜压边界层中风场分布的解析表达式。由求得的解析解和个例的图解均分析得出一些与经典Ekman理论很不相同的动力学特征。例如,在边界层上部,冷平流使气旋中的风速随高度增大而一直增大,且一直指向低压一方,不再呈Ekman螺线状。在边界层下部,例如20米处,引进热成风将使风向改变达25°左右。这对预报边界层风场是很重要的修正。     

边界层特征参数对边界层顶垂直速度的影响

本文从正斜压及有层结时的边界层相似理论及阻力定律出发，由边界层顶垂直速度与地面湍应力的关系求出了层结、粗糙度、它们的水平梯度及地转风的水平梯度、斜压性对w的影响的解析式，可用于模式计算。计算结果表明层结影响可使w差1-２个量级，不稳定时粗糙度影响也使w差几倍。除地转涡度决定w外，地转风、层结稳定度和粗糙度及其水平梯度也起了重要作用，还讨论了斜压性的影响。     

二阶闭合模式在污染气象学中的某些应用

本文采用二阶闭合的湍流边界层模式,进行一系列数值试验以模拟边界层中连续线源的扩散状况。试验表明:无论在稳定的或不稳定的边界层中,高源的扩散能力都低于低源;在稳定层中,粗糙地表上的大气扩散能力高于光滑表面;在相同风速和地表净辐射情况下,粗糙表面上的大气扩散能力反而低于光滑表面;对流边界层中存在反梯度输送,因而K理论的应用受到限制。试验还表明,修正的Kazanski-Monin参数可能比Monin-Obukhov长度更能反映大气的扩散能力。     

半干旱区榆中地表粗糙度年变化及影响机理

利用2006年6月—2010年12月兰州大学半干旱气候与环境观测站 (SACOL) 观测资料,分析了黄土高原自然植被下垫面榆中地表粗糙度时间变化特征,考虑到地形、植被物理特征以及降水和热力条件的影响,分析了东南风向和西北风向粗糙度年变化规律及其影响机理,并分别给出这两个风向归一化粗糙度与时间的拟合关系式。研究发现:对于非均一下垫面,由于地形起伏和下垫面植被差别造成的不同风向粗糙度差异显著。选取东南风向和西北风向,这两个风向的地表粗糙度无论是量级还是年变化特征都有很大差别,且由于地形和植被的差别,东南风向粗糙度年变化趋势与稳定度年变化趋势一致,粗糙度与稳定度存在一定相关关系,而西北风向粗糙度年变化趋势与降水量年变化趋势一致,粗糙度与降水量相关性较好。     

标量粗糙度对地气交换的影响

为提高地-气间感热和潜热通量的精度,利用Garratt的公式将标量粗糙度Z0T和Z0q引入BATS,对六种不同的植被作对比试验。结果表明:标量粗糙度Z0T和Z0q均远远小于动量粗糙度Z0,约相差3～10个数量级不等。晴天状况下,农作物区Z0/Z0T最小,约103,阔叶林最大,达1010;雨天状况下,各种植被间标量粗糙度的差异减小了。计算的地表温度、感热通量、潜热通量较原BATS的更为合理。     

地表粗糙度非均匀性对模式湍流通量计算的影响

理论分析和数值试验结果表明,地表参量的不均匀性对网格区地表湍流通量的计算有重要影响。近中性大气层结条件下,次网格粗糙度长度的变差系数、网格平均粗糙度及参考高度的选取是影响网格湍流通量计算的主要因素,其中次网格粗糙度长度的变差系数对计算偏差起主要决定作用。实际计算表明,某些特定地区(如植被气候过渡带)粗糙度的地表非均匀性引起的计算相对误差可达40%以上,选取特定的参考高度能改善高网格湍流通量计算的效果。非中性大气层结条件下,由地表粗糙度不均匀性所致的平均风速、位温梯度以及近地层大气稳定度的次网格分布都对网格湍流通量(感热通量)计算产生影响,比较而言,相对误差大小对大气稳定度的次网格分布最为敏感。所以,在目前的数值模式中有必要进一步对湍流通量计算过程中由于地表不均匀性产生的计算偏差加以考虑。     

数值模式中的大气边界层参数化方案综述

大气边界层对下垫面和自由大气之间的热量、动量和物质交换以及全球辐射的收支平衡有着非常重要的作用,数值模式中对边界层的模拟需要通过参数化方案表现出来。综述了数值模式中常用的边界层参数化方案,从闭合框架以及边界层内的重要物理过程这两个方面对各类方案进行了总结,并讨论了边界层参数化方案的发展方向。     

利用机场地面情报计算边界层下部垂直风切变的方法

在机场气象台没有天气情报的条件下，确定了利用地面情报计算边界层下部垂直风切变所需要的重要参数Ri数、μO-H和地转风速值Vg；介绍了根据这些参数计算边界层下部垂直风切变的法，并对结果进行了讨论。对保障飞行安全有一定的现实意义。     

ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER CONCEPT MODEL OF THE PEARL RIVER DELTA AND ITS APPLICATION

Based on the geographical circumstance, climate and the boundary layer meteorology features of the Pearl River Delta, a boundary layer concept model of the Pearl River Delta was built. The concept model consists of four fundamental factors that affect the boundary layer meteorology of the Pearl River Delta and can convincingly explain the reason of the air quality change in the Pearl River Delta. The model can be used to the diffusion capability analysis, the air pollution potential forecasting or haze forecasting, etc.     

中国高分辨率地表粗糙度分布研究

利用2010年欧洲空间局(ESA)最新发布的高分辨率全球土地覆盖卫星观测数据,研究中国地区的地表粗糙度分布。参考两个常用气象模式CALMET和WRF中有关土地覆盖类型与地表粗糙度的分配方案,分别建立ESA土地覆盖类型数据与地表粗糙度的映射关系,编制了水平分辨率约300 m的中国地表粗糙度分布,并与实际观测数据进行比较分析。结果表明:(1)使用ESA土地覆盖类型数据有利于反映地表粗糙度更细致的空间分布,但无法反映城市区域内部的粗糙度变化;(2)基于CALMET模式的映射关系给出的地表粗糙度数值系统偏高;(3)基于WRF模式的映射关系能够给出更合理的地表粗糙度,与实际观测更相符,并可部分反映地表粗糙度的季节变化。