大气对流边界层发展的模拟研究

室内水槽模拟是大气边界层研究的一种重要手段。利用室内模拟水槽对大气边界层的发展进行了模拟,通过处理平均温度廓线和光斑图像得到了对流边界层顶部位置h2和边界层高度zi。结果表明,不同测量方法得到的结果一致性很好,与实际大气的边界层发展情况也较为接近。同时,根据试验情况确定初始条件和边界条件,使用边界层参数化模型进行了数值模拟,其结果与室内模拟的结果也较吻合。     

用大涡模式研究对流边界层湍流

利用三维对流边界层的大涡模拟模式研究对流边界层湍流统计特征量,模拟结果与前人的同类模拟工作及实验观测结果相比较,得到了一致的结论.       

对流边界层湍流结构系数的声雷达研究

本文叙述了在某些对流条件下,声雷达探测温度结构系数和风速结构系数(C_T~2和C_V~2)的简便方法.我们用声雷达在北京对于对流发展较好的自由对流体系作了实验,实验得到了9—10点钟时的C_T~2剖面和冬季13点钟时的C_V~2剖面.剖面结果表明,在Z≤0.7Z_i区间的C_T~2和C_V~2剖面与Kaimal等(1976)在明尼苏达(Minnesota)(陆上)的实验结果比较接近,在0.7Z_i≤Z≤Z_i区间,则我们用声雷达测量的C_T~2剖面和极大值都比Kaimal的结果大,并对两者的差别进行讨论.     

夜间大气边界层热力因子的数值研究

本文使用了一维非定常热力方程对夜间大气边界层热力结构进行了数值模拟.结果表明:(1)当天气形势变化平稳时,平坦地区夜间边界层热力结构的变化主要受到湍流与辐射传输作用的影响.(2)由于地-气之间热量传输的相互调整作用,使低层湍流变温率与地面温度变率之间表现为有相同周期的变化. 文中通过该模式的计算结果与复杂地形的实验资料的对比,研究了平流作用对温度垂直分布的影响.     

青藏高原大气边界层湍流特征量分析

采用１９７９年青藏高原气象科学实验资料,研究高原陆面上总体湍流送系数ＣＤ和ＣＨ的特征及边界层高度受高原地形的影响。结果表明用廓线法计算的高原上局地的ＣＤ和ＣＨ值比同样粗糙度长度条件下平原地区的值大得多,而且日较差也大于平原地区。     

西北干旱区对流边界层发展的热力机制模拟研究

观测发现,西北干旱区对流边界层高度在夏、冬两季极大值分别达到4 km和800 m.利用热力学方法对西北干旱地区深厚对流边界层的原因进行了定量分析.用建立的热力数值模型模拟表明,平均而言,夏季和冬季对流边界层高度的51.5％和61.4％分别由感热产生,对于夏、冬季对流边界层高度可分别达到4 km和800 m的极大值,感热贡献更大,为63.4％和73.1％,感热对对流边界层的贡献率冬季明显大于夏季;夏、冬季浮力夹卷对对流边界层的贡献是18.1％和9.4％;包括感热和浮力夹卷的热力因素可以解释夏、冬季对流边界层高度的69.6％和70.8％,而对于对流边界层极大值,则其解释可高达81％和84.6％.热力因素是西北干旱区对流边界层产生的主要原因,其中,感热又是最根本原因.     

大气边界层湍流相干结构的识别

首先利用数字滤波方法对淮河流域试验的大气边界层湍流观测资料进行三项分解，将大气边界层湍流的风速信号分解为近似各项同性的小尺度涡和各向异性的大尺度涡。然后再将大尺度涡信号进行离散正交小波分解，寻求相干结构的主要特征尺度。对于大气边界层湍流垂直脉动风速来说，其相干结构的主要特征尺度为16s；对径向与纬向脉动来说，其相干结构的主要特征尺度为32－64s。在此基础上，利用小波的反变换提取出相干结构的信号与非相干结构的信号，并计算两间的相关系数，最大仅有0．02。此外，对原始大气湍流观测信号不进行数字滤波，直接利用本中子波分析法提取湍流相干结构所得结果作比较研究；并探讨了采用对称或似对称离散正交小波对此研究的影响。     

大气边界层湍流多尺度分形特征的研究

运用离散正交小波变换将湍流信号分解为不同尺度，计算其分数维。考察其分数维的变化得出：随着分解层次得增加，提取湍流信号得低频部分趋于简单光滑，分数维不断减小，高频部分呈现复杂，分数维趋于定值，平均为1．70左右。说明大气边界层湍流信号在某些尺度上，存在明显的自相似性特征。     

不同下垫面大气边界层湍流的混沌特性研究

根据３ 种不同观测资料,计算和分析了有关诊断具有耗散结构的系统混沌运动的特征量：功率谱、关联维数、Ｌｙａｐｕｎｏｖ 指数和关联熵。结果表明：尽管下垫面明显不同,大气边界层湍流均为混沌运动。     

大气对流边界层中的涡漩结构

大气边界层中存在尺度从几百米到几十公里的大涡漩运动.它们在边界层中动量、热量、水汽等垂直输送中起重要作用.作者从边界层中对流和上部稳定层中波动相互作用的观点,发展得出大涡结构的对流波动理论.根据此理论,大涡的波谱构成主要由上、下层大气中风向、风速、层结以及两层之间的温度跃变等因素决定.本文根据卫星云图和天气资料分析了一次冷空气爆发流经暖洋面上形成云街、对流单体以及它们之间的相互演化的过程,并用对流波动理论,依据各阶段的大气条件计算出它们的波数构成,并得出了垂直速度、辐合带、界面扰动的分布,解释了云街、对流单体的形成、结构及相互转化的原因.     

VORTEX MOTIONS IN THE ATMOSPHERIC CONVECTIVE BOUNDARY LAYER

Large vortices with scales ranging from hundreds meters to tens of kilometers are generallyfound in the atmospheric convective boundary layer(CBL).These vortices play important roles in the vertical transport of momentum,heat,water vaporand other tracers in the boundary layer.On the basis of the view of interaction between theconvection in CBL and the gravity waves in the upper stable layer the authors developed aconvection-wave theory on the formation of large vortices.According to the theory thewavenumber spectrum of the large vortices mainly depends on the atmospheric conditions in bothof the upper and lower layers,such as wind speed,wind direction shear,stratification as well astemperature jump.In the present paper satellite image and weather data in a case of cold air outbreak over warmocean are analyzed to study every stage of the convective processes,such as cloud street,convective cell as well as their transformation.According to the theory the wavenumbercompositions for cloud street and convective cell are calculated,respectively,on the basis of theatmospheric conditions at every stage.The distributions of vertical motions,convergent band anddisturbed interface are obtained and compared with the cloud patterns in the convective processes.Thus the study seems to offer a likely explanation for the origin of large vortices in CBL.     

试探大气边界层湍流运动的若干问题

对湍流运动的几个基本理论问题作了一定程度的探讨，并根据湍流动能方程分析了大气边界层湍流产生和发展的能量机制，以此为判据推导了滴运动的凡主范围和物理含意较为清楚的混合长表达式。     

局地环流与大气边界层湍流相互作用的数值研究

本文建立了一个二维定常大气中尺度数值模式，并用该模式讨论了由下垫面粗糙分布非均匀（局地动力强迫）和温度分布非均匀（局地热力强迫）而产生的局地大气环流与大气边界层湍流的相互作用。结果指出：下垫面存在温度分布非均匀时运动方程中的湍流交换项与水平气压梯项一样可促使局地热力环境的形成，由粗糙度分布非均匀强迫产生的局地环流与由下垫面温度分布非均匀强迫产和的局地热力环流间的非线笥相互作用是通过湍流交换实现的。     

非定常过程对大气边界层的内参数和风廓线的影响

设大气中性、正压,用边界层运动方程的分析解,研究了当大气边界层顶风向随时间作周期变化而风速不变时,对大气边界层的内参数u*/A(A为边界层顶风速)和角φ(地面风与边界层顶的风的夹角)的影响。当风向逆时针转动时,u*/A增加,φ减少,反之亦然。方程的数值解亦得类似结果。因而在定常条件下,得出的大尺度模式中边界层参数化的结果应考虑非定常过程的订正。还分析了非定常过程对边界层风廓线的影响。     

HEIFE绿洲和沙漠地区大气边界层湍流混沌特性研究

利用“黑河实验”期间张掖、沙漠观测站加强观测期间１９９１年６月２０日０９：００至１９９１年１０月２日０９：００时段内水平风速的观测资料,计算分析了有关测量混沌的特征量：关联维数。Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数和Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｗ熵。     

北京海淀地区大气边界层的数值模拟研究

采用北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式,利用Landsat-TM卫星影像图得到的地表状况计算陆气之间的能量平衡过程,模拟了北京海淀地区大气边界层的风、温场结构以及污染物浓度分布,进而模拟了由于汽车尾气的排放而转化成的气溶胶的浓度分布.模拟表明城郊之间存在热岛效应,边界层风场受到热岛的热力作用以及地形的动力作用影响.污染物及气溶胶浓度也存在城乡差别,最大浓度出现在城区的下风方向.     

NUMERICAL SIMULATIONS OF THE EFFECTS OF AEROSOLS IN THE ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER ON THE CLIMATE

The climatic effects of the atmospheric boundary aerosols are studied by the use of a three-dimensional climatemodel.Simulated results show that the climate states both at the surface and in the atmosphere change remarkably whenthe aerosols with different optical thicknesses and properties are introduced into the atmospheric boundary layer of themodel.The aerosols absorb and scatter the solar shortwave radiation,therefore,they reduce the solar energy reachingthe ground surface and decrease the surface and the soil temperatures.The temperature in the boundary layer increasesbecause of the supplementary absorption of radiation by the boundary aerosols.In the atmosphere,the temperatures atall isobaric surfaces rise up except for the 100 hPa level.The atmospheric temperatures below the 500 hPa level aredirectly influenced by the boundary aerosols,while the atmospheric temperatures above the 500 hPa level are influencedby the heating due to convective condensation and the changes in the vertical motion field.Cyclonic differential circula-tions appear over the desert areas at the low levels,and anticyclonic differential circulations exist at the upper levels inthe horizontal flow fields.The vertical motions change in correspondence with the differential circulations.The changesin precipitation are directly related to that of vertical motions.The mechanisms of climate effects of the boundaryaerosols are also discussed in this paper.