北极斯瓦尔巴德地区近地层大气观测研究Ⅰ.平均场特征

利用"中国科学探险协会2002年北极科学探险考察"期间,在斯瓦尔巴德地区政府所在地朗伊尔宾城架设的两个自动气象站记录的气象资料,分析了该地区气象要素平均值的日变化,给出了这一极端环境区夏季近地层气象要素的基本物理图像:太阳辐射、大气温度、地表温度和大气湿度等气象要素的日变化都呈单峰分布;地气温差因地而异,不同下垫面类型大气能量的源汇不同;局地环流多种多样,冰川风、海陆风、山谷风相互叠加,主导风向各地不一.     

北极斯瓦尔巴德地区近地层大气观测研究II.湍流场特征

利用“中国科学探险协会2002年北极科学探险考察”期间在北极朗伊尔宾地区获得的大气风温微气象脉动资料,讨论了该地区近地层湍流能谱、湍流方差、感热通量、动量通量、温度结构参数以及动量整体输送系数等的分布规律,给出了这一极端环境区夏季近地层微气象场的基本结构,分析了北极地区极昼期间陆地下垫面地-气之间能量交换,丰富了人们对该地区近地层湍流输送过程的深入理解。     

北极斯瓦尔巴德地区近地层大气观测研究Ⅱ.湍流场特征

利用"中国科学探险协会2002年北极科学探险考察"期间在北极朗伊尔宾地区获得的大气风温微气象脉动资料,讨论了该地区近地层湍流能谱、湍流方差、感热通量、动量通量、温度结构参数以及动量整体输送系数等的分布规律,给出了这一极端环境区夏季近地层微气象场的基本结构,分析了北极地区极昼期间陆地下垫面地-气之间能量交换,丰富了人们对该地区近地层湍流输送过程的深入理解.     

长白山近地层内湍流特征观测研究

通过分析2003年6、7、8月长白山阔叶红松林生态系统站点气象塔2.5m及40m两层每30 min间隔取得的近地层湍流通量观测资料,针对长白山湍流的统计特征量进行了研究,计算分析了各通量每月的日平均值极其变化特征。结果表明:感热、潜热通量随太阳升起逐渐增大,午后达到最大,然后降低;感热通量大于潜热通量占主导地位;动量通量白天大于晚上,最大值均出现在白天午后,夜间较小;湍流强度随高度的增加而明显下降;在日出前后有明显的变化。湍流通量和湍流动能昼夜变化明显。     

登陆台风近地层湍流特征观测分析

在对多个登陆台风实地观测的基础上,选取出较有代表性的实验观测个例:“黄蜂”、“杜鹃”和“黑格比”3个登陆台风,分析探讨在登陆台风的中心、靠近中心位置的强烈影响区域和台风外围环流影响地区近地层湍流特征,以期对登陆台风的边界层湍流过程有所认识。观测资料分析显示,在登陆台风的中心及其强烈影响的区域:(1)风速和湍流强度均有强烈的变化;(2)水平湍流积分尺度明显增大,越靠近中心位置,增大越明显,而垂直方向没有明显变化;(3)在湍流谱的低频和高频区,湍能均可增大1~2个量级,其中垂直方向湍能增大的幅度略小于水平方向;(4)湍谱在惯性子区u,v,w3个方向的分布均不满足-5/3次方律,存在较大偏移,而在台风外围环流影响区和无台风影响时,则无上述的4个特征。     

大气近地层湍流能谱特征的再分析

根据Kolmogorov局地均匀性湍流假设,大气近地层湍流能谱在惯性副区符合"-5/3律".但是作者通过翻阅大量文献以及实测资料分析发现,大气近地层湍流能谱符合"-5/3律"的频率范围比较狭窄,而用幂函数+指数函数形式"fS(f)∝F-ae-bf"拟合更恰当一些,这种能谱函数形式是连续时间混沌系统所特有的.利用HEIHE实验湍流观测资料分析结果表明,对于径向风分量,a＝0.447,b＝0.228;切向风分量:a＝0.489,b＝0.190;垂直风分量:a＝0.551,b＝0.124;温度:a＝0.588,b＝0.123.     

藏北地区近地层大气和土壤特征量分析

利用"全球协调加强观测期亚澳季风青藏高原试验研究(CAMP/Tibet)"4个台站2003年大气和土壤的观测资料,详细分析了藏北高原不同下垫面上的气温、相对湿度、土壤温度、土壤湿度等的季节变化及年变化特征。近地层大气各气象要素变化剧烈;4个站气温高低的差异显示了纬度和高度的明显影响;各站冻土冻融过程存在地域差别,尤其是春季冻结消融阶段的持续时间相差可达1个月;土壤质地的差别对土壤湿度影响也较大,黏土土壤含水量要高些,粉土和砂土要低些。     

青藏高原改则地区近地层通量观测研究

本研究利用首次对西藏西部改则地区大气边界层的湍流观测资料,分析了近地层动量、感热、潜热通量的变化情况,并对该地区能量收支进行了计算。最后,利用脉动资料计算了CD和CH值。     

长江三角洲常熟地区近地层湍流特征的研究

利用1999年5－9月长江三角洲常熟地区的湍流脉动观测资料，分析了该地区感热，潜热和动量通量的日变化以及湍流强度和湍流谱特征，结果表明：该地区各能量的日变化与常见情况相同，白天潜热通量的输送占主导地位，感热通量比潜热小得多，且湍流的日变化与天气的关系非常密切，晴天比阴天要大得多。湍流强度和湍流谱的分析结果表明，在近中性条件下，常熟地区各方向湍流强度接近典型平坦下垫面的值。非中性条件下，垂直方向规一化标准差与稳定度的关系都较好地满足1／3次幂定律，水平方向没有垂直方向上的规律好，特别是稳定条件下，数据点分散性大；各风速分量变在高频段满足理论上的－2／3次幂定律，纵向和垂直方向速度谱的峰值频率与典型平坦下垫面上的结果一致，总体输送系数CD，CH与稳定度的关系密切，随稳定度增加有减小的趋势。     

青藏高原珠峰绒布河谷地区大气近地层观测研究

利用“珠峰环境监测2001”期间获得的绒布河谷近地层观测资料,分析研究了珠峰地区近地层大气温度、湿度、风向风速、地表温度和辐射等气象要素的日间平均分布规律,并探讨了它们之间的相互关系,指出诸如下垫面性质、地形特征、水陆分布差异等造成珠峰地区气象要素特殊分布的原因,为全面认识青藏高原大气边界层结构,考察珠峰环境,研究该地区地-气之间物质和能量交换提供科学的事实依据。     

Western Arctic Cyclones and Equilibrium between the Atmospheric Boundary Layer and the Sea Surface

The data-collection campaign for the 2008 International Polar Year–Circumpolar Flaw Lead System Study saw the Canadian Coast Guard Ship (CCGS) Amundsen, a research icebreaker, overwinter in high-concentration unconsolidated sea ice in Amundsen Gulf. Environmental monitoring continued into the open-water season. During this period, the Amundsen registered five relatively deep mean sea-level pressure minima (less than 100?kPa). Three were selected for further analysis based on season and the nature of the underlying ocean or sea-ice surface: (1) a winter pressure minimum over unconsolidated sea ice, (2) a spring pressure minimum which likely contributed to the break-up of the sea-ice cover on Amundsen Gulf, and (3) a summer pressure minimum over open water. The characteristics of these pressure minima and the impact of their passage on the atmospheric boundary layer and on the sea-ice cover as they crossed Amundsen Gulf were examined. Several features were revealed by the analysis. (1) The winter and summer pressure minima were migratory cyclones accompanied by Arctic frontal waves with characteristics very similar to the polar frontal waves associated with the migratory cyclones found at more southerly latitudes, whereas the spring pressure minimum was attributed to an Arctic frontal trough of low pressure with the cyclonic centre remaining south of the Gulf. (2) The passage of the frontal-wave cyclone in winter and the frontal trough of low pressure in spring disrupted the equilibrium that had been established during more settled periods between the atmospheric boundary layer and the mosaic surface (leads, polynyas, and sea ice); however, equilibrium was quickly re-established. (3) In summer, the thermal structure of the lower atmospheric boundary layer persisted through the passage of the frontal-wave cyclone over the open-water surface. (4) The passage of the frontal-wave cyclone in winter and the frontal trough of low pressure in spring modified the mesoscale sea-icescape.     

珠穆朗玛峰绒布河谷近地层大气湍流及能量输送特征分析

利用中国科学院2005年珠穆朗玛峰地区科学考察期间 (4月2日至6月7日) 收集的大气观测资料,分析了珠峰绒布河谷近地层水平风速、温度、湍流强度、湍流通量日变化及地表能量平衡特征。通过分析得出近地层三维风速方差与稳定度的关系基本满足1/3次方规律;珠峰绒布河谷近地层大气水平风速、温度、动量通量、感热通量和潜热通量均存在明显的日变化;地表获得的能量很大一部分以感热形式散失掉了,潜热所占比重很小。另外,还发现绒布河谷地区地表能量通量各分量并不满足能量平衡方程Rn=Hs+Le+G。通过对地面加热场的分析发现珠峰地表白天是强热源,晚上转变为弱冷源。     

华南农田下垫面地气交换和能量收支的观测研究

利用2004年11月至12月在广东省惠州地区进行的湍流连续观测资料,分析非均匀农田近地面层的基本气象要素特征以及水汽和CO2的浓度与通量输送规律,作为今后深入探讨地表非均匀性效应的基础.通过各辐射分量和感热、潜热与土壤热通量的特征分析,研究能量收支的基本状况,并讨论了造成显著能量"不平衡"的原因.观测的基本结果是:(1)近地面1.8 m高度处以北风为主,风速大多低于2 m/s,正午入射太阳辐射约700 W/m2;CO2浓度的日变化范围为600～900 mg/m3,水汽为5～25 g/m3.(2)各气象要素呈现明显的日变化,当地温度日较差约10℃,相对湿度始终高于50%.CO2和水汽的浓度在夜间较白天高,二者的日平均值为713.7 mg/m3和15.9 g/m3;利用涡旋相关法,测得二者的通量在白天高于夜间,日平均值为25.3 mg·m-2·s-1和-4.7×10-2mg·m-2·s.当地的日平均波文(Bowen)比仅为0.04,这主要是由于当地的高湿度造成的.(3)当地存在显著的能量"不平衡"现象,正午时的差额热通量可高达150 W/m2,这可能与平均垂直运动输送的作用、观测误差以及通量和辐射观测的"源地"不匹配等原因有关.研究结果与荒漠、城市和稻田下垫面的观测事实进行了定量比较.     

峨眉山地区近地层微气象特征研究

基于2019年12月至2020年11月峨眉山站梯度塔资料、辐射观测资料和地表通量资料,采用涡动相关法对峨眉山地区近地层的地表通量和蒸散发量的变化进行分析,并估算了零平面位移、空气动力粗糙度、空气热力粗糙度、动量通量输送系数和感热通量输送系数等重要的空气动力学和热力学参数.研究表明:近地面风速呈现高层高、低层低的特征,且...     

青藏高原改则地区近地层湍流特征

分析了第二次青藏高原气象科学试验（TIPEX）1998年6～7月加强期在改则取得的湍流资料,讨论了近地层湍流宏观统计量、温度、湿度结构参数以及通量整体输送系数等变化规律,结果表明在不稳定层结下,湍流宏观统计量等随稳定度的变化满足过去在平原地区得到的相似关系。     

藏北高原草甸下垫面近地层能量输送及微气象特征

利用GAME/Tibet 1998年IOP观测资料,分析研究藏北高原草甸下垫面近地层的地面加热场、地表能量平衡、地面阻曳系数CD及感热通量整体输送系数CH等特征,得到了一些有关藏北高原草甸下垫面近地层能量输送及微气象特征结构的新认识.     

夏季敦煌稀疏植被下垫面物质和能量交换的观测研究

利用2009年夏季敦煌地区加强期观测资料,分析了稀疏植被下垫面CO2、水汽的通量输送规律和地表辐射、能量平衡等微气象的变化特征。结果表明,敦煌地区夏季CO2、水汽通量有明显的日变化,其平均通量分别为-0.023mg.m-2.s-1和2.90mg.m-2.s-1;地表平均反照率为0.24,低于绿洲内部;感热是该地区地表热量流失的主要形式,潜热和土壤热通量相对较小,平均波文比为3.08;观测中也发现了有较大的能量不平衡现象,利用试验资料估算了土壤容积热容量,并在能量平衡方程中加入了土壤热储量,提高了能量平衡度。     

Analysis of Atmospheric Boundary Layer Height Characteristics over the Arctic Ocean Using the Aircraft and GPS Soundings

Utilizing aircraft sounding data collected from the Surface Heat Budget of the Arctic Ocean (SHEBA, 1998) campaign, the authors evaluated commonly-used profile methods for Arctic ABL height estimation by validating against the’true’ABL height from aircraft sounding profiles, where ABL height is defined as the top of the layer with significant turbulence. Furthermore, the best performing method was used to estimate ABL height from the one-year GPS soundings obtained during SHEBA (October 1997-October 1998). It was found that the temperature gradient method produces a reliable estimate of ABL height. Additionally, the authors determined optimal threshold values of temperature gradient for stable boundary layer (SBL) and convective boundary layer (CBL) to be 6.5 K/100 m and 1.0 K/100 m, respectively. The maximum ABL height during the year was 1150 m occurred in May. Median values of Arctic ABL height in May, June, July, and August were 400 m, 430 m, 180 m, and 320 m, respectively. Arctic ABL heights are clearly higher in the spring than in the summer.     

复杂地形下地面观测资料同化I. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂，模式地形与实际观测地形存在一定高度差异，因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料（常规地面观测站和地面自动站）在中尺度数值模式中得到充分利用。作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析，并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究。研究结果表明：通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用，并且地面观测资料（温度、 湿度、 风场、 地面气压）中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果，但各物理量起的作用大小不一样，其中影响最大的是温度，其次为湿度；地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异，适当考虑这种高度差异能取得较好的结果。