城市下垫面空气动力学参数的估算

为了定量描述北京城市下垫面的空气动力学特征,为模式提供准确的下垫面参数.利用气象塔大气湍流观测资料,结合Martano(2000)由单层超声风速、温度资料估算非均匀下垫面空气动力学参数的方法,计算了中国科学院大气物理研究所气象塔附近的下垫面空气动力粗糙度z0和零平面位移d,即z0为1.75 m和d为40.12 m.该结果与前人研究成果的比较结果表明最近的8年内,该处的零平面位移和空气动力粗糙度明显增大,这与该塔周围城市建设状况吻合.     

在北京气象塔上测量城市边界层辐射特征

利用2004年10～12月在北京325m气象铁塔上所测量的长波辐射和短波辐射垂直分层资料,分析了晴空、霾(烟、尘、轻雾)和浓雾天气条件下塔上两层的辐射特征。结果表明,城市边界层大气对短波总辐射有明显的衰减作用,2m处的总辐射280m处的总辐射。在晴好天气下,衰减比例为11.2%;在霾和雾天气下,衰减比例分别达到22.3%和36.6%。在塔上280m处测量的晴天城市地表反照率为0.12,而在霾和雾天气条件下分别为0.17和0.29。大气逆辐射(向下长波辐射)的日变化没有短波辐射的明显且有规律,晴好天气的辐射通量密度最小,霾天较大,雾天最大,2m处的大气逆辐射一般高于280m处的。向上长波辐射呈明显的日变化,且2m处的向上长波辐射日变化幅度280m处的。净辐射具有典型的日变化,晴天日变化幅度最大,霾和雾天的日变化幅度减小。晴天辐射加热最显著,278m厚气层的辐射加热达1.35℃.h-1,霾天为1.13℃.h-1,雾天为0.40℃.h-1。个例分析表明,在近地面气层内,霾中的气溶胶粒子和雾中的水滴对辐射产生程度不同的影响,并影响到辐射平衡,进而影响不同高度气层的加热和冷却,导致边界层结构的改变。     

在北京气象铁塔上测量城市边界层辐射的研究

测量边界层辐射对研究地气系统相互作用有重要意义,城市边界层辐射的变化影响着城市局地气候和环境.目前辐射测量仪器的精度不能满足城市大气边界层辐射分层测量的特殊要求.2004年10～12月,在北京325 m气象铁塔上的280 m和2 m高度上分别安装了长波辐射表和短波总辐射表,进行辐射测量.为提高辐射测量精度,采取多种方法,进行了较细致的误差分析和资料订正,使两层不同高度上仪器的一致性得到明显提高,计算订正了铁塔塔体发射的长波辐射对辐射测量的影响,取得了比较合理的结果.辐射观测资料分析表明,边界层内辐射通量密度随高度的变化是明显的,在不同环境条件下对边界层结构有着重要作用.     

北京城市下垫面动力学参数的计算与分析

采用北京325 m铁塔2008—2012年的单层超声观测资料,基于莫宁-奥布霍夫相似理论(Monin-Obukhov similarity theory)和前人提出的最小误差分析方法,计算了铁塔周边下垫面的零平面位移高度和动力粗糙度长度。结果表明,由于铁塔位于北京市区,其周边下垫面呈现极其复杂的非均匀性,所以对应铁塔周边不同的扇区,零平面位移高度和动力粗糙度长度各有不同。平均而言,在2008—2012年间,铁塔周边下垫面的零平面位移高度为34.4 m,动力粗糙度长度为1.16 m。此外,综合前人的计算结果发现,铁塔周边的零平面位移高度和动力粗糙度长度在2001年之前呈显著增加的趋势,而在2001年以后并未增长,这一现象与铁塔周边的城市化进程相对应。     

北京冬季城市边界层结构形成机制的初步数值研究

利用耦合了城市冠层参数化方案的MM5模式对2001年冬季北京地区一次典型的城市边界层过程进行成功模拟的基础上,对北京城市化作用、周边地形以及城市化进程发展对城市边界层结构的影响等问题进行了一系列的数值模拟试验。城市化作用的因子分离试验发现,城市化的总体作用即城市下垫面结构对大气热力及动力的综合影响导致了北京冬季城市边界层结构主要特征的形成。此外,揭示了城市结构的不同影响因子———动力因子、热力因子和热动力因子间的相互作用在北京冬季城市边界层结构形成和演变过程中的不同作用。在夜间,城市结构的动力因子对于城市边界层主要特征如市区悬浮逆温、近地层中小的风速及较强的湍流动能等的形成起着主导作用;在白天,城市结构的热力因子则成为影响市区混合层强度以及湍流运动特征等边界层结构的主导因素;热、动力因子间的相互作用对城市边界层结构的形成和演变也有着重要作用,但其影响特征比较复杂。北京周边地形作用的敏感性试验的结果表明,北京周边的特殊地形条件对城市边界层热力结构特征如悬浮逆温层及城市热岛等的结构及分布特征的形成也有着明显的影响,使其具有特殊的局地化特征,同时,它也是北京地区近地层主要气流特征的强迫源。不同城市化程度的敏感性试验结果揭示,随着北京城市建筑高度和密度的增加,市区风速将减小、湍流动能将加强,夜间城市悬浮逆温层底的高度会有所提高,城市热岛的强度也将加强,并可能在白天出现比较明显的城市热岛效应。     

城市下垫面对北京冬季气象要素影响的模拟研究

首先总结和分析了气象站观测的2012年1月北京地区主要天气过程和月平均物理量分布特征,然后利用中尺度天气预报模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),通过个例模拟平均和平均场模拟两种方法分别模拟了1月北京新、旧城市土地利用状况下月平均2 m温度、2 m比湿和10 m风速;将模拟结果与观测结果验证之后,对比分析了两种模拟方法反映城市发展对冬季月平均气象要素的影响特征。结果表明,两种模拟方法均具有较好的模拟效果,对城区月平均2 m温度、比湿的模拟命中率在70%以上,10 m风速超过60%,且二者对研究区月平均物理量的模拟在空间分布特征和日变化规律是一致的,平均场对2 m气温的模拟效果好于对湿度和风速的模拟;城市下垫面发展对北京地区冬季月平均气象条件影响显著,两种方法在模拟城市发展对月平均气象条件影响方面有较好的一致性,个例模拟平均方法能得到极端影响状况,平均场模拟方法局限性在于无法得到极端影响状况和降水模拟。     

城市下垫面空气动力学参数的确定

分析近10年北京325m气象塔常年观测资料,研究城市化发展对城市大气边界层动力学结构和特征的影响.结果表明,空气动力学粗糙度和零平面位移总体是逐年递增的.气象塔西南方向的高层建筑群是20世纪90年代初期逐渐建成,在SW方向,空气动力学粗糙度和零平面位移在90年代增加明显,增加的幅度1997年和1999年之间较大,这一点与气象塔西南方向城市化的加快相符合.而在NE、SE和NW方向,从1987年到1994年空气动力学粗糙度和零平面位移增加明显,1994年以后变化较小.     

城市下垫面空气动力学参数确定方法综述

地表粗糙度和零平面位移是2个重要的空气动力学参数,对于城市下垫面,粗糙元的形态非常复杂,空间分布上存在较大的非均匀性,如何确定城市下垫面地表粗糙度和零平面位移目前尚无最佳方案。概述了这2个参数适用于城市非均匀下垫面的参数化方法,包括风温观测方法和粗糙元形态学方法。探讨了各自在应用过程中存在的问题及进一步的研究工作,并且提出,通过数学模型的改进和卫星遥感技术的引入,粗糙元形态学方法会有更好的发展前景：     

北京城郊近地层湍流实验观测

本文利用两台FA-11超声风速温度仪于1992年3月到４月间在北京325 m气象观测塔47 m和120 m两个高度观测到的风速三个正交分量以及声虚温的湍流脉动资料，计算和分析了北京城郊粗糙下垫面近地层湍流特征量及其日变化，无量纲垂直速度和声虚温的方差随稳定度的变化，风速分量和温度的归一化湍流能谱以及动量和热通量的互谱及其随稳定度的变化。并且与平坦均一下垫面近地层湍流观测的结果进行了对比。     

城市下垫面对北京冬季气象要素影响的模拟研究北大核心CSCD

首先总结和分析了气象站观测的2012年1月北京地区主要天气过程和月平均物理量分布特征,然后利用中尺度天气预报模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),通过个例模拟平均和平均场模拟两种方法分别模拟了1月北京新、旧城市土地利用状况下月平均2 m温度、2 m比湿和10 m风速;将模拟结果与观测结果验证之后,对比分析了两种模拟方法反映城市发展对冬季月平均气象要素的影响特征。结果表明,两种模拟方法均具有较好的模拟效果,对城区月平均2 m温度、比湿的模拟命中率在70%以上,10 m风速超过60%,且二者对研究区月平均物理量的模拟在空间分布特征和日变化规律是一致的,平均场对2 m气温的模拟效果好于对湿度和风速的模拟;城市下垫面发展对北京地区冬季月平均气象条件影响显著,两种方法在模拟城市发展对月平均气象条件影响方面有较好的一致性,个例模拟平均方法能得到极端影响状况,平均场模拟方法局限性在于无法得到极端影响状况和降水模拟。     

北京大气边界层中风和温度廓线的观测研究

为了研究冬季北京城区大气边界层结构的特征,分别在城区和郊区4个观测点利用系留气艇在2001年1月5～13日和2月21～28日进行了大气廓线探测,并分析了温度和风廓线垂直变化的基本特征.初步结果显示城市热岛效应十分明显,热岛强度随高度增加而递减,近地层热岛强度在晴天最大可达到4℃左右.除了近地层郊区的风速大于城区外,城区和郊区风速的垂直分布特征有较大差异.在100～200m高度以下,城区和郊区风速和风向随高度分布都出现了明显的拐点,300 m以上高度风向和风速基本趋于一致,表明城区和郊区的风廓线均受到城市覆盖层的影响.随着北京市区的规模不断扩大,在今后探测中应考虑郊区测点的代表性.     

北京地区气象环境数值模拟试验

用区域边界层模式RBLM模拟北京地区气象环境特征.数值模拟结果表明(1)北京地区的气象环境很复杂,其主要特点是受昼夜循环的山谷风气流、城市热岛环流以及大尺度系统共同影响.(2)北京市区冬季地面风的日变化较小,主要是偏北气流,城市上游方向在市区的北边,而春夏季地面风的日变化比较明显,市区的进出口气流方向变化很大.(3)北京市城市热岛强度在夏季较强,城市热岛环流明显,城市中心近地面气温比郊区近地面气温高5～6℃左右.(4)数值模拟结果能较好地反映北京地区流场的日变化,与实际观测结果吻合较好.     

北京与兰州地区的地闪特征

利用闪电定位系统(LLS)在兰州地区和北京地区探测到的共两万多个地闪资料,对两地的正、负地闪特征进行了对比。分析发现兰州地区的正闪比例是北京地区正闪比例的5倍多。北京地区的正闪平均强度近似为负闪的3倍,而兰州地区的正闪强度只有负闪的2.2倍。无论正闪还是负闪,两地的地闪强度均是稳定的正态分布,并且与雷暴本身的特征无关,从而可用DF强度来作雷暴临近的估计。两地的正、负地闪的回击数均按指数规律下降,不过北京地区的多次回击较兰州地区的多次回击要多。两地的闪电频数都在下午后期出现峰值,但北京地区的闪电频数最大值和最小值都较兰州地区早1小时出现。 通过试验找到了地闪定向仪显示数与闪电辐射电场和放电电流的关系,扩大了地闪定向仪的利用率。     

M-LDARS观测的北京地区云地闪特征分析

1991年夏,我们利用自制的单站闪电探测及定位系统(M—LDARS),在北京地区进行了对比实验,并对所记录的地闪回击信号作了分析。本文提出了我们得到的北京地区云地闪回击信号的峰值时间、半峰时间、峰值电流以及电流上升率的统计分布和频谱特征的典型结果,并与国内外同类观测的结果进行了对比。     

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.     

北京市区大气污染的时空特征

用1999年11月1日到2001年4月30日SO2、PMl0、NO2、CO和O3等5类污染物每日大气污染指数和等级资料,讨论了北京市区大气污染的时空分布特征.结果表明北京市区的污染物以可吸入颗粒物和二氧化硫为主,出现3级以上的概率分别为50%和30%,是相当严重的.北京污染物有明显的季节变化,SO2出现3级以上概率在冬半年(11月至翌年3月)为34%,夏半年(4～10月)几乎不出现,但可吸人颗粒物的季节变化没有其它4类污染物显著.从1997年以来北京市区的大气污染略有好转.     

2000～2002年北京市城市大气污染特征分析

通过对 2 0 0 0年 1月至 2 0 0 2年 1 2月北京市城市大气污染物SO2 ,PM1 0 ,NO2 的分析发现 :北京市主要污染物是SO2 和PM1 0 。SO2 污染月份主要发生在 1 1月至次年的 3月 ;PM1 03级以上的日数全年都有分布 ,但 4级和 5级的日数主要发生在春季和冬季 ;NO2 主要污染月份发生在 1 0月至次年的 3月 ;大多数污染物以 2 0 0 0年最为严重。对污染资料进行MHAT小波分析发现 ,北京市大气污染存在两个明显的周期波动 ,即 2 0～ 30天周期和准 5天周期 ,这说明北京市污染物浓度短期变化主要受到天气过程及大气低频振荡的影响 ,该文进一步计算了 2 0 0 0年污染资料与气象资料的相关关系发现 ,北京市污染物与日平均气温、日平均风速、每日 1 2 :0 0 (北京时 )温度梯度、相对湿度存在明显的相关关系 ,且不同的气象要素对不同的污染物浓度影响不同。     

北京城市能见度及雾特征分析

利用北京及市郊16个标准国家气候站的1980至2000年21年能见度与雾特征等资料,对北京及周边地区的能见度和雾特征及其演变进行了研究结果表明,近20年北京能见度的变化存在显著季节性差异.近20年来,北京市区能见度冬季和夏季呈两种不同的变化.冬季能见度有转好趋势,夏季,80年代以来,北京市城区海淀、京西门头沟、石景山、丰台等地、北部及东部等地能见度有逐年转差趋势,冬季和夏季能见度距平呈反位相变化. 近十年上述能见度转差地带,雾日也是增加的.20世纪的最后10年与80年代开始的10年相比,夏季7、8、9月份北京城市和郊区的雾日有显著增加.雾日的高峰值出现在以海淀区为中心的北京城区的全境,包括京西的石景山、丰台、门头沟等地;另一个雾日数高峰区位于北京东部地区.北京夏季雾增加与能见度减低的地区分布趋于一致可能与北京特殊的"马蹄形"大尺度地形堆积影响有关. 尺度过滤分析研究表明,夏季,从北京城区向东南方向伸展至河北一带地区,有个显著的带状能见度减弱区.这个能见度减弱带与尺度分离揭示的城区内更小尺度的雾增大特征现象有关,有可能与最近10年北京以南地区其他的工业排放或污染源对北京的输送及城市发展变化有一定关系,即与大气气溶胶分布和北京特定的气象条件和城市变化状况有关.     

深圳356米气象塔观测数据的质量控制方法和空气动力学参数研究

气象高塔数据资料弥足珍贵,对其进行质量控制将为后续科学研究和业务工作的开展提供便利;此外,利用塔基观测资料计算空气动力学参数有助于校正模式空气动力学参数理论值。对2017—2018年深圳356 m气象梯度观测塔共13层的每10 s风速、风向、相对湿度、温度探测资料进行数据质量控制,基于莫宁-奥布霍夫相似理论和数据质量控制后的气象梯度观测塔近地层(10 m、20 m、40 m、50 m和80 m)1分钟平均的风温资料,利用最小二乘法拟合迭代计算了近中性条件下深圳气象梯度观测塔下垫面空气动力学粗糙度(z₀)和零平面位移(d)。结果表明:深圳气象梯度观测塔的气象探测资料数据质量很高,连续两年平均数据缺失率为1.28%,数据错误率为0.01%。近中性边界层条件下,深圳气象梯度观测塔下垫面空气动力学粗糙度均值为0.35 m,零平面位移均值为5.33 m,结果合理可信。研究表明空气动力学参数受下垫面非均匀性、植株柔软性、气流来向、风速等的共同影响。