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。     

台风登陆过程中南海近海阵风因子特征

阵风预报对于输电铁塔线路设计、风力发电、建筑和桥梁设计以及航空气象安全等至关重要。目前,基于不同观测资料和计算方法,学者们给出了不同的阵风或阵风因子参数化公式,没有公认的一致结果。利用中国气象局南海(博贺)海洋气象科学试验基地离岸4.5 km和6.5 km的两个海洋气象观测塔在2008—2018年七个台风期间观测的10 Hz高频湍流脉动数据,分析了观测高度、平均时间、下垫面特征和大气稳定度对阵风因子计算结果的影响,研究了近海海上台风过程中阵风因子与平均风速和湍流特征参数的关系。不同于以往研究给出阵风因子是常数,给出了阵风因子随10 m风速变化的计算公式,为阵风预报及相关防灾减灾提供参考依据。     

近地层大气湍流微结构对比分析

利用黑河资料分析了戈壁下垫面上的近地层湍流微结构,并与其他下垫面上的端流微结构进行比较。结果表明：黑河戈壁滩上的湍流微结构满足局地相似理论,且有不同于其他下垫面的湍流结构特征;横向湍强较强,大小与纵向湍强相当。对湍流进行多尺度分析发现,黑河地区湍流结构呈现明显的多尺度分布,湍涡尺度量级从１０＾－２到１０＾２不等; 相比于ｖ方向,ｕ方向上占主要地位的湍涡尺度较大,但是所占比例罗小;随着不稳定度增加,     

浙江沿海台风阵风系数的影响因子分析

利用2004—2015年影响浙江海岛的台风及沿海气象站资料,分析台风阵风系数与平均风速、台风强度、测站高度、岛屿位置、台风与测站之间距离、台风象限和月份等因子的关系。结果表明,当平均风速较小时阵风系数的均值和波动幅度较大。在相同风速情况下,台风中心强度较强时的阵风系数会大些且其变化幅度随高度增大;而台风强度较弱时的阵风系数随高度变化不明显。最大阵风系数一般出现在台风与测站距离为150~250 km的区域内。台风第一和第四象限不仅其影响风力明显比第二和第三象限的强,且阵风系数变化幅度也较大。近海岸岛屿测站的阵风系数比远海岸岛屿测站要大。9月阵风系数波动范围比7—8月的小。从台风的自身环流来看,中低层的高度场、垂直速度场和湿度场等因子与阵风系数相关密切。      

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。     

广州地区近地层湍流输送的特征

利用风温梯度观测资料,以相似理论为基础,采用迭代方法得到普适函数Φ（ｚ／Ｌ）的半径验表达式,对近地层总体输送系数的牲进行了分析,求得了与风速、温度的拟合关系,并利用实测资料地其适用性作了检验。     

HEIFE戈壁地区近地层大气的湍流结构和输送特征

根据黑河地区地气相互作用实验研究(HEIFE)1988年POP和1990年PIOP实验的观测资料,分析了戈壁地区近地层大气的湍流结构,主要是风速分量和温度方差的相似关系,以及各有关量的功率谱和湍流通量的协谱。1988年POP期间发现的戈壁近地层大气中白天经常出现的水汽由上而下输送等特殊现象,在1990年PIOP中得到进一步的验证。文中分析了有关物理机制,认为这一现象和众所周知的“绿洲效应”是戈壁-绿洲这一地区性中尺度环流影响的两个侧面。     

青藏高原近地层热量湍流系数的实验分析

本文着重研究青藏高原近地层的湍流结构。使用梯度观测和热量平衡方法,确定了感热湍流系数(Kh)表达式中的无量纲系数1/ψmψh,并表明它与W.O.Pruitt等人的结果相当一致。本文还计算了睛天和多云条件下1米高度上感热湍流系数,最后比较了高原和低海拔平原上感热湍流系数与动量湍流系数的比值αT。     

连云港沿海近地层湍流强度特征

在对连云港沿海15个各类气象观测站2000—2009年8级以上强风样本统计分析基础之上,利用6座沿海梯度测风塔2005—2007年测风资料,探讨了连云港沿海近地层风湍流强度的时空分布规律及特点,并重点对不同类型天气系统引起的强风湍流演变特征及其对风电场影响进行剖析。研究结果表明:①风湍流强度具有很强的季节性,冬季小、夏季大,随高度增加而减小;②海面动力粗糙度对海上强湍流变化的影响有别于无强风及下垫面是陆地时;③在热带气旋影响区域,同一时段内可能会出现风速和湍流强度瞬时骤变现象;④海上强湍流出现在30m以上高度,陆地出现在底层,这一现象在不同天气系统引起的强风湍流变化中都有发现;⑤风机轮毂高度处有2.1%～3.8%的湍流强度特征值超过目前风机最大抗湍流强度设计标准,建议华东中、北部沿海地区风机抗湍流强度参数调整为0.31～0.41。     

一次暴雪过程前后近地层物理量场特征分析

利用铁塔风梯度观测资料和超声风温仪观测资料,对2008年1月18—21日暴雪前后,湖北黄石长江岸边近地层风场和湍流作了计算分析,探索其异常变化特征,为认识黄石地区暴雪近地层发生发展的物理过程提供依据。结果表明,暴雪前,风向转变,水平风速和垂直风速明显增大,湍流通量的输送较活跃,湍流动能和湍流强度有显著峰值出现;降雪过程结束后,湍流动能再次增大后缓慢减弱。可见此次暴雪过程前后近地层物理量场有异常变化     

Impact of terrain heterogeneity on near-surface turbulence structure

This study investigates the impact of terrain heterogeneity on local turbulence measurements using 18 months of turbulence data taken on a 30 m tower at the SIRTA mixed land-use observatory under varying stability conditions and fetch configurations. These measurements show that turbulence variables such as the turbulent kinetic energy or momentum fluxes are strongly dependent on the upstream complexity of the terrain (presence of trees or buildings, open field). However, using a detection technique based on wavelet transforms which permits the isolation of the large-scale coherent structures from small-scale background fluctuations, the study shows that, for all stability conditions, whatever the upstream complexity of the terrain, the coherent structures display universal properties which are independent of the terrain nature: the frequency of occurrence, time duration of the coherent structures, the time separation between coherent structures and the relative contribution of the coherent structures to the total fluxes (momentum and heat) appear to be independent of the upstream roughness. This is an important result since coherent structures are known to transport a large portion of the total energy. This study extends to all stability conditions a numerical study by Fesquet et al. [Fesquet, C., Dupont, S., Drobinski, P., Barthlott, C., Dubos, T., 2008. Impact of terrain heterogeneities on coherent structures properties: experimental and numerical approaches. In: 18th Symposium on Boundary Layers and Turbulence. No. 11B.1. Stockholm, Sweden., Fesquet, C., Dupont, S., Drobinski, P., Dubos, T., Barthlott, C., in press. Impact of terrain heterogeneity on coherent structure properties: numerical approach. Bound.-Layer Meteorol.] conducted in neutral conditions which shows that a reason for such behavior is that the production of local active turbulence in an internal boundary layer associated with coherent structure originating from the outer layer and impinging onto the ground is not sensitive to the nature of the terrain.     

Performance of various similarity functions for nondimensional wind and temperature profiles in the surface layer in stable conditions

The linear functions for non-dimensional wind and temperature profiles are commonly used to describe the surface layer fluxes in atmospheric models. However, their applicability is limited to smaller values of the stability parameter z/L (where z is the height above ground and L is the Obukhov length) i.e. z/L < 1.0. These linear functions have been modified (Webb 1970, Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 96, 67–90; Clarke 1970, Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 96, 91–114; Hicks 1976, Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 102, 535–551; Beljaars and Holtslag 1991, J. Appl. Meteorol. 30, 327–341; Cheng and Brutsaert 2005, Boundary-Layer Meteorol. 114, 519–538) over the years for calculating fluxes when z/L > 1.0 under strongly stable conditions. In view of this, the objective of the present study is to analyze the performance of these similarity functions to compute surface fluxes in stable conditions.The meteorological observations from the Cooperative Atmosphere-Surface Exchange Study (CASES-99) experiment are utilized for computing the surface fluxes in stable conditions. The computed fluxes are found to be reasonably close to those observed. The ratio of observed to computed fluxes reveals that the computed fluxes are close to the observations for all the similarity functions for z/L < 1.0 whereas the computed values show relatively a large scatter from observations for z/L > 1.0. The computed values of u and heat flux do not show significant differences from those observed at 99% confidence limit. The performance of all the similarity functions considered here is found to be comparable to each other in strongly stable conditions.     

城市建筑动力学效应对对流边界层影响的敏感性试验

本文将大涡模拟应用于城市对流边界层(CBL)湍流结构和流场特征的研究,在大涡模式中,拖曳系数取与建筑物高度及建筑物高度标准差有关的表达式以考虑次网格建筑物对风速和湍流动能(TKE)的面积平均影响.模拟结果表明,由于城市建筑物对气流的拖曳作用,使建筑物冠层及整个CBL内风速大幅度减小,城市冠层内部风速减小尤为明显,在夹卷层内,风速有一明显的跃变.在边界层中部对流运动已经发展成为较强的热泡,城市建筑物的动力学效应使热泡的水平尺度增大,CBL内平均上升气流速度和下沉气流速度减小,同时使CBL中上升气流所占比例比平坦地面增大.城市建筑物使CBL低层热通量、动量通量、速度方差和位温方差明显增大,但对近地层高度以上的湍流量影响不大.     

Impact of barrier layer on typhoon-induced sea surface cooling

Both Argo measurements and satellite sea surface temperature (SST) data revealed that there was less-than-usual surface cooling during the passage of typhoons Kaemi and Cimaron in the tropical Northwest Pacific. In the present study, it is found that SST cooling induced by typhoon can be greatly suppressed by a barrier layer with a thickness of 5–15 m. Such a barrier layer could reduce the entrainment cooling by 0.4–0.8 °C/d during typhoon passage, according to a diagnostic mixed layer model. The pre-existing barrier layer leads to a reduction in typhoon-induced surface cooling, and favors typhoon development. The average SST anomaly under barrier layer condition is 0.4–0.8 °C less than that under no-barrier-layer condition. Due to the reduced cooling, the available maximum potential intensity (MPI) under barrier layer condition are higher 6 and 9.34 m/s than those under no-barrier-layer condition according to SST-dependent MPI formulation for Kaemi and Cimaron. In addition, the results from Price–Weller–Pinkel (PWP) model indicate that stratification due to salinity may significantly influence both entrainment and the upper ocean heat content during typhoon passage in the tropical Northwest Pacific.     

大理近地层山谷盆地湖陆风及湍流特征分析

研究湖陆风特征不仅能够为提高天气气候的预测能力奠定基础,而且对风能资源的开发利用等具有重要的实用意义。利用大理国家气候观象台近地面通量观测系统的2007年3月－2008年5月资料,采用涡动相关法等分析了大理近地层中湖陆风、峡谷风特征及形成原因和影响因素。结果表明：大理地区白天以东风和东南风为主,夜间以西风和西南风为主。进一步对湍流和湍流通量特征分析发现,大理地区白天不稳定层结多于夜间;湍流强度白天强于夜间,并且随着风速的增大而减小;湍流通量具有明显的日变化特征,热量交换形式以潜热为主。     

2008年“凤凰”台风暴雨的水汽和螺旋度分析

本文利用NCEP/NCAR1°×1°再分析格点资料和降水实况数据,对"0808"号台风"凤凰"在登陆福建前后引发浙闽沿海地区的暴雨过程进行水汽和螺旋度分析。结果表明:东海和南海是此次强降水的主要水汽供应源。水汽输送辐合主要出现在低层,950 hPa水汽通量散度幅合场对强降水落区有较好的指示作用。台风登陆福建之前,东边界的水汽输入起主导作用;登陆福建后,南边界的水汽输入逐渐起主导作用。800 hPa螺旋度正值区对未来6 h强降水落区有很好的指示意义。同时,螺旋度强度演变对未来6 h的降水强度有较好的正相关关系。水汽收支演变表明净水汽输入量对于降水强度演变的指示效果不及螺旋度,但是整层净水汽输入明显减小时,可预见其后降水强度减小。     

1998-2009年间台风不活跃期间热带云团活动分析

热带云团是台风生成的前兆,虽然一些研究将近20 a来台风不活跃与大尺度环境场相联系,但是还没有人分析台风不活跃期热带云团的活动特点。本文利用目前仅有的1989-2009年全球热带云团资料,分析了西北太平洋热带云团近20 a的变化特征。1998年以后西北太平洋台风生成减少主要发生在7-10月,集中在南海（13～23°N,110～120°E）和西北太平洋台风活动区域的东部（13～23°N,145～170°E）。热带云团除1月外各月都有增加的趋势,特别是与台风生成显著减少区域相联系的热带云团活动具有显著的增加趋势。通过对NCEP/NCAR再分析资料分析发现,1998年后热带云团活动增加与环境风垂直切变增加有关,而增强的垂直切变不利于台风生成。     

一次梅雨期台风远距离暴雨的分析研究

用NCEP 1°×1°再分析资料、MICAPS系统地面站资料、TRMM卫星降水资料以及自动站雨量资料分析了2011年梅雨后期发生在江苏省南京市的一次暴雨过程。结果表明:此次暴雨发生在中高层高空深槽前部、低空切变线附近、低层低涡和地面低压的东北部,是西风带低值系统及其引导的低层低涡与西进北上的"马鞍"台风共同作用产生的。925 h Pa上中国东南沿海位于低层低涡东北部的东南偏东气流影响下,将来自于西太平洋的水汽源源不断向暴雨区输送,为暴雨的发生提供了良好的水汽条件。不仅如此,此东南偏东气流还使得华南和东南沿海地区暖平流明显。低层暖平流输送伴随的小幅增温和水汽输送导致的湿度层增厚,导致南京附近大气层结不稳定是暴雨发生的热力环境。随着"马鞍"台风的西进北上,其北侧副高中的干空气逐渐被卷至中国东南沿海附近,与大陆上的暖湿气流形成明显对比,形成了一条明显的能量锋。与此同时,在长江中游地区,残余的梅雨锋也表现为一条能量锋,两条能量锋在南京附近相接,造成明显的上升运动,从而触发了暴雨的发生。     

On the turbulence structure in the stable boundary layer over the Greenland ice sheet

Turbulence measurements from a 30 m tower in the stably stratifiedboundary layer over the Greenland ice sheet are analyzed. The observationsinclude profile and eddy-correlation measurements at various levels. Atfirst, the analysis of the turbulence data from the lowest level (2 m aboveground) shows that the linear form of the non-dimensional wind profile(m) is in good agreement with the observations for z/L <0.4, whereL represents the Obukhov length. A linear regression yieldsm=1+5.8z/L. The non-dimensional temperature profile (h) at the2m level shows no tendency to increase with increasing stability. The datafrom the upper levels of the tower are analyzed in terms of both localscaling and surface-layer scaling. The m and the h values show atendency to level off at large stability (z/>0.4) where represents the local Obukhov length. Hence, the linear form of the functions is no longer appropriate under such conditions. The bestcorrespondence to the data can be achieved when using the expression ofBeljaars and Holtslag for m and h. The vertical profiles of theturbulent fluxes, the wind velocity variances and temperature variance arealso determined. The momentum flux profile and the profiles of wind speedvariances are in general agreement with other observations if a welldeveloped low-level wind maximum occurs, and the height of this maximum isused as a height scale.     

台风“麦莎”活动期间TTL区域的物质分布特征分析

利用ECMWF逐6 h的ERA-Interim再分析资料,分析了台风"麦莎"的环流场、位势高度场以及涡度场随时间的演变,了解台风的发生发展过程。在此基础上,进一步分析了台风发生发展期间热带对流层顶(TTL,称为热带对流层到经流层的过渡带)区域的云覆盖情况和微量物质(臭氧、云冰、水汽)分布特征,并对其产生的原因进行了初步探究。结果表明:(1)台风活动强盛地区的TTL区域臭氧浓度相对较低。(2)台风活动期间TTL区域云冰和水汽的浓度明显升高,浓度的高值中心处于台风中心附近。(3)台风活动会使其上空TTL区域的云覆盖量增加,在TTL区域上存在一个云量的极值区。(4)台风引起的垂直运动造成了对流层和平流层之间的物质交换,进而对TTL区域的微量物质产生重要影响。