湿地下垫面大气边界层温、湿廓线的数值模拟及影响因素分析

应用大气二维边界层数值模式,对2008年夏季洪河国家级自然保护区沼泽湿地1000m高度边界层的温度、湿度廓线进行了3次模拟试验,并模拟分析了风速和下垫面粗糙度对湿地边界层温、湿廓线结构的影响.结果表明:(1)大气二维边界层模式可以较好的模拟湿地下垫面边界层的温、湿结构,并且该模式对位温的模拟效果优于比湿;(2)风速和粗...     

大气边界层高度确定及应用研究进展

大气边界层高度是表征边界层特征的重要参量,影响边界层内水热、物质、能量的垂直分布,也是数值模拟、环境评估中的重要参数。从湍流运动、热力作用、动力作用以及物质分布等多视角总结了大气边界层高度的定义及确定方法,回顾了采用直接观测手段和遥感手段确定大气边界层高度的不同方法,对比了大气边界层高度不同获取手段的优缺点,梳理了大气边界层高度参数化方案,探讨了大气边界层高度确定中存在的问题,并提出未来相关研究和应用可能突破方向。      

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。     

大气边界层与风力发电的相互作用研究综述

大气边界层与风力发电的相互作用是近年来的新兴研究热点,具有重要科学意义和高度应用价值。一方面,大气边界层的风切变现象可导致风电机组的输出功率减小、机械载荷增大;湍流现象在低(高)风速段导致机组的输出功率增大(减小),但对机械载荷具有单调增大的影响;大气边界层具有显著的日变化规律,层结状态的改变影响着地面风场的结构和特性,并导致风电机组的输出功率和机械载荷随之发生变化。另一方面,风电机组的叶轮旋转施加了扰动效应,导致下风向的风速减小、湍流增大,并且具有复杂空间分布特征;而大型风电场或风电基地产生的巨大扰动效应可影响和改变边界层的整体结构和特性,并影响局地甚至全球气候环境。     

边界层和陆面过程对中国暴雨影响研究的进展

总结了近年来我国学者关于边界层和陆面过程对中国暴雨影响的研究成果。此类研究主要应用中尺度数值模式,有的对边界层过程和陆面过程做敏感性试验,有的则对模式中边界层和陆面过程参数化作改进。结果表明：边界层和陆面过程对我国暴雨有明显影响。主要表现在影响暴雨的强度以及使暴雨中心位置有一定的变动,但决定暴雨发生发展的主要因子是大中尺度动力过程。对边界层和陆面过程的改进能有效改善数值模式对暴雨的模拟。     

边界层风廓线仪应用中存在的若干问题

根据多年来在上海地区边界层风廓线仪布设和应用中取得的经验和研究结果,详细介绍了边界层风廓线仪在大城市组网、选址和建站方面需要注意的问题,同时针对边界层风廓线仪受地物杂波干扰和降水污染影响的问题进行了典型个例分析。     

水平平流与非定常过程对大气边界层内参数的影响

用正压、中性边界层运动方程的解析解,研究了边界层顶不同系统中,由于水平平流及风向变化,对大气边界层的内参数u*/a(a为边界层顶风速)和角ψ(地面风与边界层顶的风的夹角)的影响。结果表明,不仅风向变化对内参数有影响,而且即使风向不变,由于平流作用对内参数仍有影响。在正涡度系统中,u*/a增加,ψ角减小;反涡度系统中,结果相反。方程的数值解得到类似结果。因而大尺度模式中边界层参数化结果不仅应考虑非定常过程的订正,而且还必须考虑水平平流作用的订正。     

稳定大气边界层的湍流结构和相似律

本文从包括辐射影响在内的大气边界层模式出发,求解了稳定层结条件下湍流热通量和湍流应力的垂直廓线。另外,引入湍流的局地尺度L(z)、u_＊(z)和θ_＊(z),各湍流量的局地尺度可以表示成z/L(z)的函数,由此可将相似理论推广到全边界层应用,相似律的预告和观测资料很一致。     

Ekman边界层动力学的理论研究

大气边界层及其与自由大气之间的相互作用具有明显的非线性特征,而这些特征是经典Ekman理论所不能描述的,因此,发展中等复杂程度(介于完全模式与经典Ekman模型之间)的大气边界层动力学模式,简称中间模式,对人们从理论上认识大气边界层动力学过程的非线性特征具有重要意义。本文对目前最具代表性的几个中间边界层模型:地转动量近似边界层模型、Ekman动量近似边界层模型以及弱非线性边界层模型进行了总结和分析,阐述了Ekman层主要动力学特征。通过分析上述各模型的理论框架,揭示了各模型的物理意义及其在描述Ekman边界层基本动力特征上的优点和局限性,并指出尽管在细节定量描述上有差异,但各中间模型对Ekman层动力学特征的定性描述具有很好的一致性。对于这些Ekman边界层近似理论模型的进一步应用问题,主要回顾和总结了利用上述模型探讨地形边界层结构、大气锋生过程、低层锋面结构和环流以及边界层日变化、低空急流形成等动力学问题的研究,并对这些研究所揭示的Ekman层动力学特征及其对自由大气低层运动的影响进行了分析,结果表明,这些Ekman边界层近似模型可以较好地揭示大气边界层动力学特征,在大气边界层动力学及其与自由大气相互作用的研究上具有重要价值。另外,还对目前Ekman边界层理论研究中存在的问题进行了一些分析,提出了有待进一步研究的科学问题。     

全边界层选用相似理论对O3、NOx浓度及沉降的影响

将广泛应用于东亚地区的LLA(Lurmann Lloyd Atkinson)化学机制耦合到欧拉型区域空气质量模式(RAQM),并考虑区域污染物长期模拟研究中降水随时间变化的非均匀性,讨论了湍流参数化过程中相似理论在近地层和全边界层的应用对湍流垂直扩散系数(Kz)与干沉降速度(V),O3与NOx浓度的影响。结果表明,全边界层应用相似理论明显低估了Kz值,近地层50m处Kz值被低估20%以上,750m处其值被低估约70%;O3、NOx的干沉降速度在日本东部与南部海域被低估了10%以上,在朝鲜半岛东部和西部海域模拟值普遍偏高。Kz和干沉降速度的不同直接影响污染物的浓度和沉降量分布。Kz值的被低估对NOx浓度有明显影响,在近地层50m处NOx浓度最大可增加约30%,整个边界层中NOx平均浓度除台湾省东北海域外普遍增加5%~20%。O3浓度则受干沉降作用的影响较大。虽然近地层、全边界层分别应用相似理论都较好地模拟了O3与NOx峰值浓度出现的时间,但相似理论应用于全边界层会引起较大的误差。即使是大区域、长期空气质量模拟研究,也建议相似理论仅应用于近地层,且模式第一层高度应设置在常通量层内。     

边界层参数化方案对南海秋季台风“莎莉嘉”(2016)模拟的影响

利用美国中尺度数值模式WRF,选取两个局地(QNSE、MYJ)闭合和两个非局地(YSU、ACM2)闭合的边界层参数化方案对台风“莎莉嘉”(2016)进行了4组模拟试验,结果表明,不同边界层方案对台风路径影响较小,但对台风强度和结构有明显的影响,就本个例研究而言,非局地闭合边界层方案明显优于局地闭合边界层方案。台风强度的差异是热力和动力共同作用的影响。局地闭合方案模拟的地表焓通量、水汽通量和动量通量更大,台风偏强;局地闭合方案模拟的边界层高度更高、边界层顶的夹卷过程更强、垂直混合更强、台风暖心结构更强,从而台风也更强。台风强度的差异和台风结构的变化密切相关。      

自由大气非定常扰动对大气边界层的内参数的影响

本文用大气边界层运动方程的数值积分方法,研究了当自由大气(边界层顶)风作非定常的周期扰动时,对非中性层结的大气边界层的内参数u*/G(u*为摩擦速度,G为自由大气风速)和角α(地面风与自由大气风向的夹角)的影响。并将其结果与中性层结大气边界层的相应结果作了对比。最后对斜压大气情形也作了相应讨论。说明了大尺度模式中边界层的参数化的结果应考虑层结、斜压性与非定常过程的共同作用。     

青藏高原夏季大气边界层高度与地表能量输送变化特征分析

利用NCEP-FNL大气边界层高度资料和NCEP/DOE(NECP2)的地面感热、潜热通量再分析格点资料,分析了2000-2016年夏季青藏高原(下称高原)地区的大气边界层高度及感热、潜热的基本气候特征、年际变化及空间分布,地表能量输送对大气边界层高度的影响机理,并分析了影响大气边界层高度与地表能量输送的主要影响因子。结果表明:夏季高原整体呈大气边界层高度显著下降,潜热通量显著上升,感热通量先增后降的变化趋势。2009年是高原大气边界层高度的气候突变时间点,其他物理量的变化趋势也在2009年发生了转折变化。大气边界层高度和地表能量输送的线性变化趋势分布具有明显的区域差异,以91°E为界将高原分为东、西两部分,东部与西部地区的变化特征明显不同;东部、西部地区的变化特征2009年前后也有很大差异。影响西部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子是0～10 cm土壤含水率和10 m风速;影响东部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子则是云量。在2009年气候突变时间前、后,各影响因子的影响程度有很大变化。夏季高原低层热低压辐合、高层南亚高压辐散的环流形式,为地表能量输送影响高原大气边界层发展提供了动力条件,有利于上升运动。上升运动的气流能将水汽相变中释放的凝结潜热输送至对流层上层,有利于形成潜热通量和南亚高压的正反馈。     

长江上游暴雨的边界层动力诊断研究

本文应用诊断分析方法研究了大气边界层动力特征与长江上游暴雨天气的关系。结果表明:大气边界层对暴雨天气有重要影响，成都边界层风场分量u，v＜０时，对应暴雨天气，u，v＞０时，无降水天气；边界层内正涡度、辐合、上升运动的出现、增强、减弱与暴雨的发生、发展、结束相联系；与青藏高原东部边缘东北－西南走向地势相关的边界层动力激发作用是长江上游暴雨产生的一种物理机制。     

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

中国西北地区大气边界层高度变化特征——基于探空资料与ERA-Interim再分析资料

利用中国西北地区2015年9月至2016年8月38个站点L波段探空观测、2016年7月加密探空观测和ERA-Interim边界层高度资料,对比分析了西北地区大气边界层高度变化特征。观测资料表明,在中国西北地区,08:00(北京时,下同)冬季边界层高度最高; 20:00春季边界层高度最高,边界层高度从西部到东部有显著降低的趋势。ERA-Interim资料基本能表现出边界层高度的区域分布,但相对于探空观测得到的边界层高度,除夏季20:00外,ERA-Interim再分析资料边界层高度均偏低。全年平均而言,08:00(20:00)偏低160 m(170 m),其中在08:00(20:00),冬季(春季)偏低最显著。08:00边界层高度与低层稳定度、近地层温度和风速相关更加显著; 20:00边界层高度与低层稳定度和相对湿度相关更加显著。2016年7月加密观测资料对比表明,ERA-Interim资料的对流(中性)边界层高度显著偏高;低层稳定度、相对湿度偏小,风速偏大可能是造成边界层高度偏高的原因; ERA-Interim资料的稳定边界层高度偏低,与低层稳定度和近地层温度偏低相关,但其影响因素相对更加复杂。     

边界层低空急流的数值研究

本文利用稳定层结条件下的二维夜间边界层模式,研究了自由大气中的波动及热力稳定度对夜间低空急流的发展演变的影响问题,从而初步研究了自由大气中的波动对边界层大气的反馈作用。指出了自由大气的波动对于大气边界层结构有相当大的影响,对边界层低空急流影响明显。     

一次东北冷涡MCS边界层特征数值模拟分析

边界层是中尺度对流系统(MCS)动力和水汽的主要来源.针对东北冷涡中MCS的边界层特征及边界层对MCS的触发和维持机理,应用MM5模式耦合Noar陆面模式对2004年7月5日发生在辽宁中西部的强对流过程进行了数值模拟.重点分析了MCS不同发展阶段边界层三维气流结构、边界层冷丘、边界层层结结构及其在MCS触发和维持中的影响.结果表明,本次MCS在边界层有3股明显的气流汇合于雷暴区,1股是来源于东北部长白山稳定气团的东北气流,1股是西北部的西北下沉气流,1股是西南气流,浅薄的东北部底层冷空气有利于西南气流的上升,形成对流.MCS初期边界层低层的辐合强于边界层高层辐合,边界层气流旋转作用较弱,边界层辐合线是对流触发的重要因素之一.MCS边界层卜层的中尺度辐合涡旋主要由环境场辐合,边界层摩擦抽吸形成,是对流重要的能量、水汽输送系统,它伴随着强对流的发展而出现,同时对对流的维持、发展有重要的反馈作用,是边界层与自由大气进行交换的重要系统,是对流系统维持的人流的主要入口.MCS边界层冷丘内部为潜在稳定层结,特别在近地面层形成了非常稳定的层结,其温湿层结及气流结构改变了边界层人流.     

''98南海季风(SCSMEX)和高原科学试验(TIPEX)边界层

使用1998年南海季风(SCSMEX)试验和青藏高原科学试验(TIPEX)的边界层资料对Ekman特征进行了动力学研究。得到如下结果：(1)在青藏高原和南海及其周围区域有类似的Ekman动力学特征。(2)比较研究表明，边界层厚度在青藏高原约为2250m且考虑到它的摆动特性，其厚度可在2250-2750m之间。在热带西南太平洋边界层厚度约为2000m，其厚度摆动较小，在平原地区边界层厚度较低。（3）由于高原和热带海域海拔高度的不同，尽管在高原和热带海区有着几乎同样的边界层厚度，但边界层对大气的影响是相当不同的。考虑到海拔高度的影响，在这两个地区摩擦力作用的空间部位的高度有相当大的差别。(4)这两个区域的湍流摩擦的垂直结构差异较大。使用’98SCSMEX和TIPEX边界层资料计算结果表明，即使在低层，平均湍流粘性力在高原上是热带海域的2．3倍。     

农林复合带一维非静力大气边界层模式及其模拟分析

建立了一个农林复合带地区一维非静力大气边界层能量闭合模式，对1000m以下的大气边界层内的风、温、湿作了24h的预报，并对下垫面3种不同参数化方案(农作物、森林、无植被)的输出结果与实测值进行了分析和比较；同时通过敏感性试验，突出比较了农作物和森林下垫面对大气边界层垂直流场，湍流垂直交换和湍能的影响。结果表明，本模式能改善边界层风速、位温和湿度预报的模拟效果，下垫面植被对边界层气象要素大小和分布有显著的作用，对湍能垂直分布有一定影响。