天津市250m低层大气风廓线模式的试验研究

本文用天津250m气象塔的风廓线观测资料,检验了M-O相似理论的近地层风廓线模式。结果认为,在中性和不稳定条件下,使用近地层计算得到的L和U_*,M-O相似模式可以较好地推广应用。对稳定层结,用Yokoyama等人提出的U_*一级近似表达式替换常通量层公式中的相应量后,U_*和u/z之间的关系在风向随高度没有明显偏转的层次中仍然成立并且至少可推广应用到120m。     

榆林金鸡滩低空风温特征分析

根据金鸡滩1500m内小球测风、低探空资料和同期500hPa平均高度场,计算分析了本区域观测期间低空风温特征及不同稳定度下的风速廓线和温度廓线特征。分析表明：冬季观测期间受西北冷平流控制,近地层主要盛行SE风;夏季槽前不断有冷空气分裂南下,近地层风向多变;低空各主要高度层风速均较大,冬季大于夏季;接地逆温和低空逆温出现频率均较低,厚度较小,冬季强于夏季,出现在中性和稳定层结下的夜间,逆温层上部存在明显的风速切变。     

近地层湍流通量计算及几种塔层风廓线模式的研究

利用近地层风廓线的积分形式和平均场资料计算了表征湍流通量和热量通量特征量。u_*和T_*.得到了几种稳定度条件下利用两层风、温实测资料计算u_*和T_*的方法,可以普遍应用. 本文还用铁塔风速资料对目前广泛采用的几种中性和非中性湍流交换系数分布模式代入运动方程得到风廓线计算公式并进行了研究.给出了误差范围.认为:不稳定时用Yamamoto的K_m模式导出的风廓线公式以及中性和稳定时用Yokoyama的K_m模式导出的风廓线公式与实测廓线比较符合,且计算比较简便.     

稳定层结140米以下风廓线的研究

在稳定层结情况下,考虑到140米以下大气中局地摩擦速度u_*随高度的减小及混合长l随高度的非线性变化,将近地层由理论获得的通量—梯度关系推广到140米以下大气,得到了改进的风廓线公式.利用北京325米气象塔的资料进行检验,误差较小.若将近地层的廓线公式直接应用到140米以下大气,则误差明显比改进的风廓线公式的误差大.     

珠峰地区雨季对流层大气的特征分析

利用2007年7月中国科学院珠穆朗玛峰综合观测站的边界层塔、无线电探空和风温廓线仪观测资料,分析了珠穆朗玛峰地区雨季低层大气风温湿等特征.珠峰地区雨季近地层风速、风向、温度等有明显的日变化.近地层风的日变化有两个很明显的阶段,00:00～14:30受谷风的影响而刮偏北风,14:30～24:00受冰川风的影响以偏南风为主.白天的冰川风比夜间的谷风要强些.中午13:30在600m以下存在强水平风速垂直切变,这可能是珠峰地区发生降雨的重要原因之一.低空急流在夏季比较常见.对流层平均降温率为0.685K/100m.低层大气的相对湿度一般有两个峰值高度,最大值在4000m以下,第二峰值高度不固定,到16000m以后相对湿度超不过10%.各层大气的风速风向差别较大.     

天津城区大雾过程近地面层特征研究

地面倒槽、华北地形槽和地面弱高压是天津冬季雾日多见的地面气压系统。为了解雾事件在上述三种天气系统下近地面层气象要素的演变规律,利用天津市250m气象铁塔梯度观测和常规气象观测资料,分别选取2002、2003和2004年相应气压场下的雾个例,比较分析了冬季雾天近地面层结构及低层水汽分布特征。结果表明:(1)三种天气系统条件下,均存在近地层逆位温层结和增湿现象,近地面40m以下高度为弱风。(2)地面倒槽形势下的平流雾过程中,逆温层结稳定且厚达千米,近地层呈多层逆温或弱逆位温层结;80m以上,雾前风力较强,雾中风力较弱;低空各层水汽显著上升时间提前于起雾时间约15h,且日夜增速持续均匀,雾中呈现出逆湿特征,雾顶超过250m。(3)华北地形槽和地面弱高压下的辐射雾过程中,日落后近地面浅薄逆温层结生成并于05时(北京时间,下同)左右达最强,日出后减弱,于11时左右消散;仅夜间近地层水汽显著增加,且塔层250m逆温强度达到3.0℃时才开始出现,距起雾时间约2～9h;雾形成后,逆温层底抬升,雾体中逐渐演变呈不稳定层结;雾中呈现下湿上干特征,雾厚分别为80m和60m左右。(4)华北地形槽和地面弱高压下的风廓线演变规律有显著差异,即前者80m以上6m.s-1左右南风和北风呈规律性日变化转换特征,而后者250m低层大气恒为弱风控制。     

近地层湍流特征及其在扩散模拟中的应用

利用１９９４年９月北京市郊３２５ｍ气象观测塔在４７ｍ和１２０ｍ两层高度上的湍流观测资料。计算分析了城郊粗糙下垫面上近地层湍流特下量,湍流尺度和不同层结下的湍谱,得出了近地层的一些湍流特性。     

雨雪冰冻天气多普勒雷达产品特征

2008年1月下旬至2月上旬福建省西部北部出现了历史罕见的雨雪冰冻灾害。利用多普勒雷达反射率、回波顶高、径向速度、垂直风廓线等产品对此次雨雪冰冻天气进行特征分析,通过分析发现:①冰晶和雪的回波强度通常比连续性降水回波弱,在反射率图上,回波表现为边缘毛松,丝缕状纹理结构明显,边缘模糊不清,没有确定的边界;②回波顶高和零度层较低,因为垂直方向大气相对较稳定,不利于对流发展,降水粒子没有发展到高空;③在径向速度图上存在牛眼,说明在低空有急流存在。在低层有环形的零速度线,中高层的零速度线为倒"S"形,表明低层有风切变存在,中高层有冷平流;④风廓线图上高层为西南风,中层为西北风,低层为西南风,近地层为东北风。说明从近地层到高层为"冷-暖-冷-暖"的层结结构,有利于冻雨天气形成。     

城市近地层风特性的研究

对于高层建筑和高耸结构来说,风荷载是一个重要的侧向荷载。因此,正确地考虑风力,对设计的合理性与经济性有重要作用。近年来大城市的高层建筑越来越多,因此如何考虑城市中的风载显得越来越迫切。要确定城市的风载,则必须首先了解城市近地层风的特性。 我们在上海电视塔上安装了测风仪,该塔总高度210米,为6边形钢管结构。近塔体四周(半径100米)为1—3层的低小建筑物,     

微波辐射计资料在大雾预报预警中的应用

MP-3000A 是一种新型大气探测仪器,可以连续得到从地面到10 km 高度上高分辨率的位温、相对湿度、水汽密度及其廓线。选取大雾发生、维持及消散时微波辐射计观测数据,分析发现,大雾从形成到消散过程中水汽密度、相对湿度和位温均有不同变化;大雾发生前近地层大气中的相对湿度、水气密度一般会稳定增加,大雾发生时两者会有爆发性增加的现象。大雾维持阶段在近地层多伴有逆温层,辐射雾逆温层明显;大雾期间雾层高度有稳定型也有波动型,雾层高度下降时大雾会迅速加强。大雾消散时近地层大湿区减小抬升,水汽密度迅速减小。因此研究微波辐射计探测的大气水汽密度、液态水含量和位温,将有助于提高大雾生成与消散的预报、预警。     

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。     

A barotropic planetary boundary layer

The temperature and wind profiles in the planetary boundary layer (PBL) are investigated. Assuming stationary and homogeneous conditions, the turbulent state in the PBL is uniquely determined by the external Rossby number and the stratification parameters. In this study, a simple two-layer barotropic model is proposed. It consists of a surface (SL) and overlying Ekman-type layer. The system of dynamic and heat transfer equations is closed usingK theory. In the SL, the turbulent exchange coefficient is consistent with the results of similarity theory while in the Ekman layer, it is constant. Analytical solutions for the wind and temperature profiles in the PBL are obtained. The SL and thermal PBL heights are properly chosen functions of the stratification so that from the solutions for wind and temperature, the PBL resistance laws can be easily deduced. The internal PBL characteristics necessary for the calculation (friction velocity, angle between surface and geostrophic winds and internal stratification parameter) are presented in terms of the external parameters. Favorable agreement with experimental data and model results is demonstrated. The simplicity of the model allows it to be incorporated in large-scale weather prediction models as well as in the solution of various other meteorological problems.     

塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层参数化方案的模拟评估

沙尘起沙、沉降、传输均受到沙漠地区大气边界层条件的制约。沙漠地区观测资料匮乏,限制大气边界层模拟效果的检验和评估。利用WRFV3.7.1中尺度数值模式中5种边界层参数化方案(ACM2、BL、MYJ、MYNN2.5、YSU),模拟2014年4月塔克拉玛干沙漠大气边界层特征,并与塔中80 m塔及风廓线雷达晴朗天气下的观测资料对比分析。结果表明:5种方案均能模拟出近地面气温及地表温度,边界层高度,感热、潜热、地表热通量的变化趋势,但未能模拟出边界层风速的日变化趋势,温风湿廓线能较好的反映晴日沙漠地区边界层结构的变化特征,但未模拟出风速随高度变化趋势。沙漠地区下垫面干燥,热容量低,晴天极易形成对流不稳定边界层,非局地湍流参数化方案,ACM2方案是沙漠地区大气边界层模拟较为合理的选择。     

绿洲与荒漠相互影响下大气边界层特征的模拟

用发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式模拟了绿洲与荒漠相互影响下的大气边界层特征。得到了绿洲和临近荒漠之间的边界层高度、风螺线、风速廓线、位温廓线和比湿廓线的差别,并给出了绿洲对其上游和下游荒漠大气的不同影响。基本再现了白天绿洲大气逆温和临近绿洲的荒漠大气逆湿。模拟实验研究不仅验证了外场观测结果,而且也使我们对复杂下垫面边界层结构有了一些新的认识。     

Sensitivity analysis of planetary boundary layer schemes using the WRF model in Northern Colombia during 2016 dry season

This study conducted meteorological simulations in northern Colombia by analyzing different planetary boundary layer (PBL) schemes available in the numerical Weather Research and Forecasting (WRF) model. The study area included three nested domains with horizontal resolutions of 18 km, 6 km, and 2 km, with 38 vertical levels. The evolution and structure of the PBL were analyzed during the driest months (March, April, and May 2016) and in regions with the highest particulate matter concentrations. Sensitivity analysis of the WRF model was performed with two local and two non-local PBL schemes. The results were validated using observations of the surface air temperature, relative humidity, and surface wind speed collected from three meteorological stations in the area. The PBL heights were experimentally determined using radiosonde data provided by a station located in the center of the study area. Variations in PBL heights were estimated using linear regression methods and minimization of statistical errors for the bulk Richardson number, as well as analysis of vertical temperature and wind profiles. The WRF model reliably reproduced the daily values and diurnal cycles of temperature, relative humidity, and wind speed within the PBL and accounted for the influence of topography and sea breezes. Horizontal heat advection dominates the upwelling of air masses when sea breezes are active. The onshore wind direction starts to change from east to northwest, implying a decay in the land breeze regime. All schemes overestimate the mixing height and tend to underestimate surface air temperature values at night. All show wetter conditions and underestimate wind speed. Although the non-local Yonsei University (YSU) scheme shows the best performance, it also shows the largest sources of errors when determining the behavior of the surface layer during stable conditions. Relative humidity and wind speed estimates provided by the local Mellor‐Yamada‐Nakanishi‐Niino (MYNN) scheme were closer to those recorded at the meteorological stations.     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴过境时近地层风速、温度和湿度廓线特征

利用塔中80m梯度观测塔探测系统采集的资料,详细的分析了2006年4月10日沙尘暴过境时,塔克拉玛干沙漠腹地近地层风速、温度和湿度廓线的演变特征。结果表明:风速廓线满足风速值随高度增高而增大,风速梯度随高度增高而减小的对数律关系;沙尘暴由爆发前到过境时,温度廓线的温度值由随高度增高而增大转变为温度值随高度增高而减小,同时在贴地层2m处存在一微弱拐点;沙尘暴过境时,近地层大气出现微弱逆湿现象,并在不同高度上存在多处拐点,比湿增减在时间上与风速的增减呈负相关性,且整个沙尘暴天气是一个降温增湿的过程。     

塔中春季阴天近地层风速、温度和湿度廓线特征分析

利用塔中最新安装的80 m梯度观测塔探测系统采集的资料,详细分析了2006年4月2日1次阴天天气时塔克拉玛干沙漠腹地近地层风速、温度和湿度廓线演变特征,并与典型晴天廓线做了对比,得到以下结果:(1)阴天,夜间风速廓线风速值随高度增高而增大,但不是以对数增长,而是以比对数关系更快的速度增长;白天,风速很小,近地层10 m上下廓线分布规律各异;(2)温度廓线有夜间辐射型、早上过渡型、白天日射型及傍晚过渡型4种类型,与晴天类似;(3)比湿廓线存在一个极小值,其出现高度以上比湿随高度增加而增加,廓线呈逆湿特征,极小值出现高度以下比湿随高度减小而增加。     

The computation of the friction velocity u * and the temperature scale T * from temperature and wind velocity profiles by least-square methods

A method is given to calculate the surface layer parameters: u _* (friction velocity) and T _* (temperature scale) from wind speed and temperature profiles.The problem is formulated as a minimization of a least-square function, which is constructed from the difference between the measured profiles and the well-known Kansas profile relations.The wind speed and temperature profiles are treated simultaneously in this procedure. All the available wind speed and temperature measurements are used in order to reduce the effect of measurement errors.Estimates of the goodness of fit and confidence limits on the estimated parameters are discussed.The method has been applied to data obtained during experiments in a wide variety of conditions: Project Prairie Grass, experiments over Lake Flevo and experiments at the meteorological tower at Cabauw, the last two in the Netherlands.     

古尔班通古特沙漠大气边界层参数化方案的模拟评估[1]

为准确描述我国最大的固定/半固定沙漠-古尔班通古特沙漠区域的大气边界层结构，本文利用该沙漠腹地2017年的梯度铁塔和通量观测数据，基于中尺度气象模式WRF (Weather Research and Forecast v3.7.1)，分析了5种边界层参数化方案在古尔班通古特沙漠的适用性。结果表明：1）采用WRF模拟沙漠腹地近地层内的边界层特征时，2m气温的模拟存在冷偏差，5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节2m气温的日变化特征，其中非局地方案ACM2(Asymmetric Convective Model version 2)对2m气温效果最好，局地方案BL方案的模拟偏差最大；2）5种边界层参数化方案均能够模拟出10m风速的日变化特征，其中局地方案BL(Bougeault-Lacarrere)对10m风速效果最佳；3）采用WRF模拟沙漠近地层内的地表通量特征时，感热通量存在高估现象，潜热通量存在低估现象，5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节模拟时间段内地表净辐射通量的日变化特征，其中局地方案MYJ(Mellor-Yamada-Janjie)的模拟精度最高。