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。     

黄土高原复杂地形受中尺度运动影响的稳定边界层湍流特征

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,简称SACOL)2008年12月观测资料,研究了稳定边界层湍流特征.使用涡动相关资料研究湍流通量时,定义湍流的平均时间τ内的中尺度运动是造成湍流统计量变化范围大的主要原因,稳定情形? τ取几十秒至几分钟.对梯度理查森数大于0.3的强稳定情形的湍流尺度分解(MRD)谱分析表明,感热通量在112.4～449.9 s存在谱隙,尺度大于谱隙的中尺度运动造成了通量观测资料离散性大,甚至有支配性影响.动量通量的谱隙在112.4～224.9 s之间.弱风时,中尺度运动的影响更大,垂直风速标准差以0.1的比率随中尺度风速变化;垂直风速标准差同广义风速表现出很好的相关性,并随着广义风速消失而消失.三维风速标准差与摩擦速度呈很好的线性关系,垂直、水平、横风风速的无量纲标准差分别为1.35、2.54、2.21.对湍流动能的研究发现,在梯度理查森数大于0.3的条件下,仍然存在连续的湍流.以湍动能为依据,分析了湍流的平稳时间长度,其长度随稳定度变化而变化,2008年12月7～11日从133.5 s变化到856.2 s,湍流平稳时间长度反映了中尺度运动的发生频率.     

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。     

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.       

大气边界层湍流涡旋结构的小波分解

利用离散正交小波在若干物理判别准则下对边界层湍流脉动信号进行去噪和多尺度分解,从而有效地区分出均匀各向同性小涡成份和大尺度含能涡旋成份。能谱分析发现,小涡的谱动力学行为具有非常好的标度不变性,标度关系满足Kolmogorov的“-5／3”律。       

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。     

大气边界层湍流标量场的概率分布及其特征分析

利用2004年11月在白洋淀地区和2005年1月在中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的47 m高度由超声风温仪和水汽二氧化碳分析仪观测的湍流脉动资料,分析了大气边界层不同下垫面湍流标量场(温度、水汽和二氧化碳)的概率分布及其特征.标量场的概率分布通常不同于高斯分布,而且还会产生偏斜,可以用指数分布描述.因此,标量的偏斜度通常不为0,陡峭度也往往比3大.非0偏斜度的出现可能是由湍流时间序列中的相干结构和间歇性部分造成的.其中,相干结构的存在使概率分布偏斜,但是,它们对偏斜度的贡献相对较小,而与概率分布的长尾现象有关的间歇性则会使偏斜度大大增加.温度、水汽和二氧化碳的平均偏斜度和陡峭度反应了标量场与稳定度、下垫面、天气条件、源汇等因素之间的关系.在不同下垫面,温度和感热通量的偏斜度随稳定度变化比较一致;水汽通量的偏斜度在稳定和不稳定条件下都为正,而水汽本身在不稳定条件下可能出现负的偏斜度;二氧化碳和二氧化碳通量的偏斜度受下垫面影响很大,在不同下垫面,偏斜度与稳定度之间的关系并不一致;而3个标量的陡峭度随稳定度的变化不显著,它们与相应的偏斜度之间存在平方关系.     

Hilbert方法在大气边界层湍流特征分析中的有效性

介绍一种新的建立在经验模态分解(EMD)方法基础上的非线性、非平稳数据分析技术一Hilbert分析技术,并首次将其应用于大气边界层(PBL)湍流数据的分析,初步探讨了其在PBL湍流研究中的有效性.通过对城市与森林冠层上湍流资料的能量分布特征和统计平稳度进行分析、比较,结果表明:Hilbert谱分析能有效地对PBL湍流信号进行分析.它的边缘谱分析能够有效地探测PBL湍流信号的能量分布特征,统计平稳度分析也能有效地给出PBL湍流信号平稳性的定量化测量,这些将有助于建立合适的数据质量控制方法,以及对现有空气质量与扩散模式中扩散参数的计算加以改进.文中个例分析中,城市和森林冠层上空的湍流有一定相似性,湍流混合都比较充分,但森林冠层上湍流信号的能量更多地集中在大尺度湍涡,且扰动风速的高频部分具有更强的间歇性.对于相近高度的湍流信号来说,多数情况下,森林冠层上相同尺度的湍涡表现得比城市冠层上更不稳定,但湍涡的含能量要更低.     

夏季青藏高原500hPa高压活动期间大气加热状况与大气环流特征

由于青藏高原500hPa层出现高压系统的活动,使高原大气产生“上高下高”的气压场结构,从而东亚大气环流也发生某些相应的变化。本文统计分析了高原500hPa高压的散度与垂直速度分布、高原大气热源的演变和100hPa层涡度、纬向风以及经圈环流的变化等。结果认为,由于夏季高原500hPa高压的活动,使高原上空垂直上升运动和对流加热受到抑制,100hPa南亚高压强度减弱、位置北抬、有向西部型过渡的特征。高原北侧西风急流减弱,东风急流南支与北支合并后位于原北文东风急流位置以南,侵入高原南麓的西南季风减弱。与此同时,孟加拉湾上空上升运动有所增强,其对流加热对维持东风急流乃至南亚季风将起重要作用。     

江南地区气温异常年的流场特征

本文利用 4 9a(195 1 1～ 1999 12 )中国 16 0站的气温资料和近 4 0a(195 8 1～ 1997 12 )平均高度场和风场资料 ,研究江南地区气温异常时其对应的大气环流异常情况。     

THE ROLE OF THE MERIDIONAL CIRCULATION IN STATIONARY WAVE PROPAGATION

In a general baroclinic atmosphere,when the basic state includes meridional circulation,the sta-tionary waves might not only pass through the equatorial easterlies,but also strengthen significantly.The orographic forcing in the Northern Hemisphere mid-latitude might cause marked responses in thelow latitude atmosphere.This suggests that the meridional circulation plays an important role in theconnection of stationary responses in mid and low latitudes,and so does the heating forcing in theNorthern Hemisphere mid-latitude.Forced by the heating forcing in the Northern Hemisphere mid-latitude,the features similar to the Northern Hemisphere summer monsoon circulation can be ob-tained.It appears that the meridional circulation plays certain role in the formation of summer mon-soon circulation.The heating anomaly forcing located at the eastern equatorial Pacific makes the sta-tionary waves present PNA(Pacific-North America)pattern in the winter hemisphere,but it doesnot in the summer hemisphere.It suggests that the meridional circulation has a marked influence onthe route of stationary wave propagation both in the winter and summer hemispheres.     

南极地区的大气环流流体物理实验

通过流体物理实验，研究南极地形及冷源对大气环流的影响。正压流体实验表明，由于地形动力强迫，在南极大陆沿岸及以北地区生成气旋性涡旋带，有３个低压中心。在地形上空生成巨大的反气旋。斜压流体实验表明，东移“行星波”的波数及波形有准周期低频振荡，其振荡周期相当于地球大气系统中的２１ｄ。东移的槽在１１０°Ｅ以东逐渐发展，在１６０°Ｗ的罗斯海附近发展得最深，再往东则逐渐减弱     

旋转流体物理实验中见到的大气环流特征

在合适的实验参数下(热力Rossby数R_(OT)=0.1,Taylor数T_a=2.2 ×10~7),在旋转斜压流中,大尺度地形强迫造成低频振荡以及大气环流中的“阻塞”流型。这是由于地形强迫造成的准静止波与行进波的相互作用及共振引起的。地形把波数单一的流动变成多波数的流动。地形强迫使波数减少。     

海南岛附近四季风场的中尺度环流

利用一层σ坐标原始方程数值诊断模式研究海南岛，雷州半岛及其四周海域的地面风场特征，在春夏秋冬四季典型盛行气流下试验，均明显呈现绕流，爬坡，辐合线、海陆风和山谷风效应，看出在不同季节下的中尺度环流存在一定的差异。试验表明，区域内的复杂地形和海陆分布是形成各种中尺度环流的重要原因，同时，揭示出本地气候分布的特征与中尺度环流间存在的密切的关系。     

对流层大气环流的甚低频振荡

对１９５１—１９９２共４２ａ５００ｈＰａ北半球高度场的月平均资料进行了纬圈谐波分析，计算了３５°Ｎ与５５°Ｎ超长波振幅及位相，以及３５—５５°Ｎ北半球月平均纬向风距平百分比。对超长波振幅及纬向风距平百分比做了小波转换。结果表明，对流层大气环流变化中存在３种准周期性的甚低频振荡：１．年代际的振荡；２．准２ａ周期振荡（ＱＢＯ）；３．半年韵律。同时发现对流层ＱＢＯ和平流层赤道纬向风ＱＢＯ之间可能没有联系。     

南半球中高纬大气环流年代际变率的研究

利用近百年全球海平面气压图和再分析海平面气压等资料,建立了自1871年以来1,4,7和10月份的南极涛动指数（AOI）序列。近百年来1月AOI有明显增强的趋势,7月AOI则有明显减弱的趋势。最近40多年来,1,4和10月AOI都有较强的上升趋势。4个月份的AOI都有20～30a左右的准周期波动,表现出显著的年代际尺度的变化。用1,4,7和10月的平均可以近似反映年平均南极涛动指数的变化。在年代际尺度上,年平均指数在1894～1901年、1910～1935年左右是强的负指数时期。1880～1893年、1936～1945年左右是较强的正指数时期,1980年代以来,强的正指数已经持续了近20a,且1990年代以来还有加强的趋势。模拟结果的功率谱显示气候系统内部产生的低频变化主要体现在年际尺度变率上,年代际尺度变率的谱值则远远低于观测结果,但不排除在个别情况下,通过Hasselmann机制产生AOI年代际变率的可能性。