天津市郊大气边界层湍谱特征分析

用１９９０年７月在天津市郊的观测资料，计算了风速谱、温度谱及动量和热量通量的协谱。结果表明，市郊下垫面上的大气湍流谱特征与平坦地形上得到的典型结果基本一致，但满足各向同性的湍流尺度似乎比在平坦地形上的略大，谱的峰值频率区域略窄，谱的低频区（含能区）特征与平坦地形上的情况也不同。     

成都地区大气边界层逆温特征分析

针对污染气象条件对大气环境影响的问题,利用2010—2012年成都地区探空资料的温度数据,系统研究了成都地区逆温的结构及分布特征。结果表明:2010—2012年成都地区整体以贴地逆温出现频率最高、厚度最大及强度最强,其次为低悬逆温和高悬逆温。不同类型逆温出现的频率、厚度及强度也存在一定的季节差异,贴地逆温春季出现频率最高,厚度最大,其他各季差异不显著;冬季逆温最强,夏季最弱。3类逆温的日变化明显,08时逆温出现的频率和厚度普遍大于20时,且08时逆温强度大于20时。分析成都地区大气边界层逆温层特征,对了解成都地区污染物扩散规律具有重要的意义。     

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.     

苏州城区大气边界层低空急流特征分析

利用2012年苏州城区风廓线雷达的观测资料,从低空急流个例分析入手,选取1、4、7、10月四个典型月份,分析该地区边界层低空急流的时空分布及强度变化特征。结果表明:冬春两季低空急流发生频率最高,夏季出现频率最低。在4个典型月份里低空急流均表现出日落后出现频率升高,夜间保持稳定,日出后出现频率降低的特征。全年有80%的低空急流分布在900 m以下高度上,冬、夏季平均高度最低。全年低空急流风速70%以上集中在4~12 m·s~(-1),小于4 m·s~(-1)和大于20 m·s~(-1)的低空急流出现频率较低。     

北京冬季大风过程大气边界层特征分析

利用北京中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔的气象梯度资料和湍流资料,分析了2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程中气象要素和湍流输送特征的变化。第一次大风过程的强度和持续时间均高于第二次大风过程。强烈的风速垂直切变主要集中在距地面100 m高度范围内,最强风速垂直切变达到0.31 s~(-1)。大风过程中,阵风系数呈现随高度减小的趋势,越接近地面,阵风系数愈大。阵风强度的变化与阵风系数相似,100 m以下高度时,阵风强度随高度增大而减小。大风过程自上而下改变边界层结构,平均动能、湍流动能和摩擦速度最先从上层(280 m)发生变化且迅速增加。近地层由于风速垂直梯度的显著差异,近地层垂直方向的湍流强度最大。大风时各功率谱在低频区(0.01 s~(-1))达到峰值,大风过后各高度的能量都有所下降。     

稳定大气边界层结构演变的数值研究

本文应用二阶矩闭合模式研究了在不同的下垫面降温情况下稳定大气边界层结构的演变过程。结果表明:下垫面降温不同,稳定大气边界层内平均位温廓线的演变规律也不同,风廓线和脉动量廓线也相应地变化。影响温度廓线演变的因子除了湍流扩散作用以外,还有由于湍流交换作用在垂直方向的非均匀分布而产生的类似垂直平流作用的输送项。若下垫面经过一段时间的明显降温后降温停止或很少,则这种输送作用能改变位温廓线斜率在垂直方向上的分布规律。即由斜率在垂直方向的单调变化演变为非单调变化。     

大气边界层和大气环境研究进展

大气边界层物理和大气环境是大气科学的重要领域,中国科学院大气物理研究所自成立以来在这一研究领域取导了丰硕的成果.作者重点介绍最近十多年来在大气边界层探测、大气边界层结构特征、大气湍流理论、城市和区域大气污染预测预报模式研究等方面取得的重要进展,并对大气边界层和大气环境研究的未来发展作了展望.     

大理地区晚霜冻灾害前后大气边界层特征分析

研究晚霜冻灾害的成因不仅能提高灾害性天气预测能力,而且可为此类灾害性天气的准确预报以及做好大、小春农作物的防灾减灾工作提供依据。对2009年3月14日云南省大理地区发生晚霜冻灾害期间大气边界层探测资料变化特征的分析结果表明：①此次晚霜冻是在降雨过程后以及前期偏暖的背景下发生的,由高空冷平流和夜间辐射降温形成的混合型霜冻;②晚霜冻发生前,近地层受冷空气影响,各类气象要素呈现出显著的变化特征,白天大气透明度高、无云、风速小、气压高、湿度小,太阳对地表的辐射较强,地表储存的热量较多,气温升高且达到最高值的时间较晚,地面以湍流方式向大气输送的能量以潜热通量为主,傍晚日落后,地表释放的热量开始增多而且远远超过白天吸收的热量,加之水汽放射的长波辐射稳定,获得大气逆辐射补偿的热量相对较少,气温迅速下降,从而近地面空气中的水汽发生凝结现象。     

西藏那曲地区一次霰过程的大气边界层特征分析

本文利用探空气球加密观测资料和欧洲中心ERA-Interim 0.125°×0.125°再分析资料,对2016年8月29日午后降霰过程进行大气边界层特征分析,与同年8月26日典型晴天个例对比分析,结果表明:降霰过程前,温度0℃线随时间增加而升高,温度递减率分层现象显著,逆温层不明显,边界层多为对流不稳定层结;位温随高度增加而增加,随时间增加呈现5K·(2h)~(-1)的增加趋势;比湿随高度增加而减小,水汽含量较晴天更大;风速随高度呈多层次变化,近地层风速大于晴天同高度风速,边界层顶风速小于晴天边界层顶风速,风向始终以西风为主,随高度不存在大波动;降霰过程前云覆盖量大,云层厚度达4000m,存在复杂垂直运动,近地层为下沉运动,云层内为上升运动。综合以上可以看出那曲29日降霰过程前,08时边界层内存在明显过冷水,边界层顶波动极大,08时存在最大高度(3780m),10时为最低高度(850m)。位温随时间增加而上升,持续积累能量达6h,比湿大于晴天,边界层内风速大于晴天,且随高度变化不大,风向始终以西风为主,存在深厚的云系提供水汽,云内的上升运动和云下的下沉运动是促发霰过程的主要动力机制。     

大气边界层物理研究进展

本文总结了近4年来(2009～2012)中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室在大气边界层物理理论、观测实验、数值模拟和超声风速温度仪等仪器研制领域的主要研究进展,并对未来几年内大气边界层物理的发展方向提出了一些建议.     

珠峰地区大气边界层结构的一次观测研究

利用2005年8月31日~9月5日中国科学院珠穆朗玛峰综合观测研究站的LAP3000风廓线仪的观测资料,分析了该地区气温日变化和大气边界层风廓线结构。结果表明,该地区1500 m以下大气边界层主要受高原山地地形及珠峰地区冰川环境的影响,冰川风可能是引起观测期间下午强风天气的主要原因;1500 m以上高空受西风气流影响程度增大,但东南风仍占有一定比例。     

青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析

利用2007年8月8~19日期间系留气球低探空和GPS无线电探空资料,分析了纳木错湖区大气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达1750 m;在晴天条件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层内比湿变化呈V型变化,白天减小,夜间增大,早晨08:00出现峰值。     

珠峰地区大气边界层结构及近地层能量交换分析

利用2005年中国科学院珠穆朗玛峰地区科学考察期间的无线电高空探测资料和超声风温仪观测资料,分析了珠穆朗玛峰地区边界层高度、风速、风向和比湿的日变化以及两个海拔高度不同的观测站(珠峰站和曲宗站)的近地层能量交换特征,得到珠穆朗玛峰地区5月份边界层高度日变化比较明显,因冰川风的存在影响了大气边界层,边界层高度最高为3888 m;白天珠穆朗玛峰地区低层都存在逆湿现象。因珠峰站和曲宗站海拔高度、下垫面状况不同,能量交换特征也不同:4~5月份白天珠峰站感热大于潜热,而曲宗站潜热大于感热;珠峰站土壤热通量转为正、负值的时间早于曲宗站。     

Packet Structure of Surface Eddies in the Atmospheric Boundary Layer

A smoke visualization experiment has beenperformed in the first 3,m ofneutral and unstable atmospheric boundary layersat very large Reynolds number(Re > 10⁶). Under neutral atmosphericconditions mean wind profiles agreewell with those in the canonical flatplate zero-pressure-gradient turbulentboundary layer. The experiment was designedto minimize the temperaturedifference between the passive marker (smoke)and the air to ensure that anyobserved structures were due to vortical, ratherthan buoyant, motions. Imagesacquired in the streamwise–wall-normal planeusing a planar laser light-sheetare strikingly similar to those observed inlaboratory experiments at low to moderate Reynolds numbers. They reveal large-scaleramp-like structures withdownstream inclination of 3°–35°.This inclination isinterpreted as the hairpin packet growthangle following the hairpin vortexpacket model ofAdrian, Meinhart, and Tomkins.The distribution of this characteristicangle agrees with the results of experiments at far lower Reynolds numbers,suggesting a similarity in structures among low, moderate, and high Reynoldsnumber boundary layers at vastly different scales. These results indicate thatthe hairpin vortex packet model extends over a large range of scales. Theeffect of vertical heat transport in an unstable atmosphere on wall structuresis investigated in terms of the hairpin vortex packet model.     

大气边界层强风的阵性和相干结构

我国北方春季冷锋过境后,常骤发强风,甚至起沙扬尘,持续数小时甚至一二天,通过对边界层超声风温仪的资料分析,可知大风常叠加有周期为3～6 min的阵风,较有规律,且有明显的相干结构:阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动以沿平均流的顺风方向分量为主,横向和垂直方向的分量都较小,其本质是低频次声波和重力波的混合;阵风沿顺风向且向下传播.周期小于1 min的脉动在水平面上基本是各向同性的不规则的湍涡.大风期间,无论是平均流、阵风和湍流脉动,至少在120 m高度以下,主要都有西风和北风动量下传,感热上传.平均流的动量下传强于由脉动下传的量,与一般天气情况不同,而且阵风与湍流的动量下传的量值差不多.平均流和阵风在动量传送上起相当大的作用.     

青藏高原大气边界层结构特征研究综述

青藏高原对我国东部地区的天气和气候、亚洲季风乃至全球大气环流和天气气候都有重要影响,而高原大气边界层作为连接高原独特下垫面和自由大气的桥梁,在上述影响过程中扮演了重要作用。高原大气边界层观测资料的匮乏严重制约着青藏高原天气与气候研究。本文回顾了青藏高原大气边界层结构特征的研究历史,将这些成果进行了总结和分析,并对目前研究中存在的不足之处进行了探讨。     

A Study of the Atmospheric Boundary Layer Structure During a Clear Day in the Arid Region of Northwest China

The local climate and atmospheric circulation pattern exert a clear influence on the atmospheric boundary layer （ABL） formation and development in Northwest China. In this paper, we use field observational data to analyze the distribution and characteristics of the ABL in the extremely arid desert in Dunhuang, Northwest China. These data show that the daytime convective boundary layer and night time stable boundary layer in this area extend to higher altitudes than in other areas. In the night time, the stable boundary layer exceeds 900 m in altitude and can sometimes peak at 1750 m, above which the residual layer may reach up to about 4000 m. The daytime convective boundary layer develops rapidly after entering the residual layer, and exceeds 4000 m in thickness. The results show that the deep convective boundary layer in the daytime is a pre-requisite for maintaining the deep residual mixed layer in the night time. Meanwhile, the deep residual mixed layer in the night time provides favorable thermal conditions for the development of the convective boundary layer in the daytime. The prolonged periods of clear weather that often occurs in this area allow the cumulative effect of the atmospheric residual layer to develop fully, which creates thermal conditions beneficial for the growth of the daytime convective boundary layer. At the same time, the land surface process and atmospheric motion within the surface layer in this area also provide helpful support for forming the particular structure of the thermal ABL. High surface temperature is clearly the powerful external thermal forcing for the deep convective boundary layer. Strong sensible heat flux in the surface layer provides the required energy. Highly convective atmosphere and strong turbulence provide the necessary dynamic conditions, and the accumulative effect of the residual layer provides a favorable thermal environment.     

青岛地区边界层结构的数值模拟

本文建立了一个非静力的三维细网格边界层模式，对青岛地区复杂下垫面条件下的边界层结构和湍流特征作了数值模拟，模式采用能量闭合方案，舍弃了静力近似，以提高空间分辨率和模式精度。模拟以实测资料为初始输入，对该地区风场和湍流场作了较细致的模拟分析，与观测资料相比，结果合理地一致。结果表明了陡峭地形和不规则海岸线对局地风场和湍流场影响很大。     

金塔绿洲大气边界层特征的数值模拟研究

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF(weather Research and Forecast Model),对金塔绿洲的环流场、温度场及湿度场结构及其日变化进行了较为全面细致的模拟研究,WRF模式很好地模拟出了绿洲一沙漠环流的日变化特征和这种局地热力环流的空间结构,模拟再现了绿洲“冷岛效应”和邻近绿洲的沙漠“逆湿”等边界层特征．模拟还发州了白天绿洲湿度场“凹型槽,,式分布的特征。     

Turbulent Helicity in the Atmospheric Boundary Layer

We consider the assumption postulated by Deusebio and Lindborg (J Fluid Mech 755:654–671, 2014) that the helicity injected into the Ekman boundary layer undergoes a cascade, with preservation of its sign (right- or alternatively left-handedness), which is a signature of the system rotation, from large to small scales, down to the Kolmogorov microscale of turbulence. At the same time, recent direct field measurements of turbulent helicity in the steppe region of southern Russia near Tsimlyansk Reservoir show the opposite sign of helicity from that expected. A possible explanation for this phenomenon may be the joint action of different scales of atmospheric flows within the boundary layer, including the sea-breeze circulation over the test site. In this regard, we consider a superposition of the classic Ekman spiral solution and Prandtl’s jet-like slope-wind profile to describe the planetary boundary-layer wind structure. The latter solution mimics a hydrostatic shallow breeze circulation over a non-uniformly heated surface. A 180°-wide sector on the hodograph plane exists, within which the relative orientation of the Ekman and Prandtl velocity profiles favours the left rotation with height of the resulting wind velocity vector in the lowermost part of the boundary layer. This explains the negative (left-handed) helicity cascade toward small-scale turbulent motions, which agrees with the direct field measurements of turbulent helicity in Tsimlyansk. A simple turbulent relaxation model is proposed that explains the measured positive values of the relatively minor contribution to turbulent helicity from the vertical components of velocity and vorticity.