干旱区陆面过程和大气边界层研究进展

干旱区陆面过程和大气边界层不仅与气候、生态、水资源密切相关,而且影响我国气候格局和东亚大气环流,是一个十分重要的研究领域,近20多年已取得了比较系统的研究进展.从干旱区陆面热力和水分过程特征、干旱区大气边界层结构特征、干旱区陆面过程参数及其参数化公式、非均匀下垫面大气边界层理论、干旱城市大气边界层特征与污染机理等方面归纳总结了干旱区陆面过程和大气边界层领域取得的部分研究进展.并且,认为科学试验的代表性、复杂下垫面的影响、尺度转化、地表能量不平衡、极端天气过程的相互作用、水分过程的复杂性等问题是干旱区陆面过程和大气边界层研究领域的突出问题和未来研究重点.     

大气边界层数值模拟研究与未来展望

大气边界层作为连接下垫面和自由大气的重要桥梁,不仅影响局地的各种天气过程的发展和演变,而且在区域和全球的天气和气候变化中也扮演着关键角色。鉴于大气边界层自身的复杂性,对其数值模拟一直以来都是大气数值模拟研究中的热点和难点。通过归纳近几十年来大气边界层数值模式发展经历的3个阶段,梳理了干旱半干旱区、青藏高原地区和城市复杂下垫面3个陆地气候关键区边界层过程,以及海洋上特殊的台风边界层数值模拟研究取得的重要进展;总结出当前大气边界层数值模拟研究所面临的5个亟待解决的关键科学问题:云与边界层相互作用、边界层参数化、模式分辨率、边界层资料同化以及边界层发展机制。并明确了该领域未来需要在加强不同类型大气边界层过程的认识、边界层底和顶界面交换过程的理解、特殊地区边界层发展机制的解释、边界层参数化方案的改进、大涡模拟在边界层模拟中优势的充分发挥等5个方面开展重点研究,以期能为今后更系统地开展大气边界层数值模拟及相关研究提供参考依据。     

会议简讯

混沌理论及其在天气分析和预报中的应用研讨会于1991年10月18日～23日在江西省庐山举行,研讨会邀请四位同志作了专题报告: (])混沌与气象;(2)几种以混沌理论为基础的预报方法;(3)用动力—统计方法研究非线性大气系统;(4)长期预报的相空间模式。 报告系统地介绍了包括混沌在内的非线性动力系统理论及其在研究大气运动方面的应用;用气象时间序列重构相空间,估算Yapunov指数、维数、天气气候预报时间尺度的方法和结果;分维数及其在气候层次分析中     

青藏高原大气边界层结构及其发展机制研究

研究青藏高原大气边界层对于我们认识其地面的热量与水分收支状况,了解高原及其周边地区的天气和气候变化具有重要意义。然而,高原大气边界层观测资料的匮乏制约着青藏高原的天气与气候研究。首先,梳理了针对青藏高原大气边界层的大气科学试验情况;其次,归纳了青藏高原大气边界层的高度与风场结构、温度与湿度场结构的研究进展,并从热力学和大气动力学角度介绍了大气边界层的发展机制,在此基础上,对目前研究中存在的不足进行了探讨,指出青藏高原大气边界层的研究还处于揭示现象阶段,对发展机制的研究不够深入,对整个高原面上不同区域同一时间的联动研究较少。针对上述不足之处对未来的研究方向进行了展望。     

对流边界层灰区尺度数值模拟研究进展

随着计算能力的不断提高,数值天气预报模式的水平网格分辨率已经达到公里—次公里量级,这一网格尺度与对流边界层中的湍流特征尺度相当,数值模式可以对有组织对流结构进行解析计算。传统的一维边界层参数化方案（适用于几公里或更粗水平分辨率）和大涡模拟三维湍流闭合方案（适用于几十米以下水平分辨率）的假设条件在这一尺度上均不成立,称为对流边界层的灰区尺度。在讨论传统参数化方法的适用性和局限性的基础上,从理论、方案方法和影响3个方面介绍了对流边界层灰区尺度的研究进展,总结了近20年来国内外发展的各对流边界层灰区尺度模拟方法的特点,探讨了该尺度上边界层过程对数值模式中其他物理过程（如浅/深对流等）的影响,最后展望了未来可能的研究方向和思路。     

大气边界层物理学的研究进展和面临的科学问题

回顾了大气边界层物理学的发展历史，总结了该领域国际上目前所取得的主要研究进展，提出国内外在未来大气边界层物理学研究方面可能面临的一些主要科学问题，还对未来大气边界层物理学的发展方向提出若干建议，同时也指出了大气边界层物理学研究在思想和方法上应该注意的一些相关问题。     

非均匀下垫面边界层研究现状与展望

评述了非均匀下垫面大气边界层研究的现状和当前发展所面临的一些问题,就近年来非均匀下垫面边界层这一大气边界层研究中的难点和热点问题的由来,所使用的研究方法和手段的发展以及目前面临和亟待解决的问题做了系统的归纳,并对未来非均匀边界层研究发展的趋势和研究方法做了展望。     

中距离湍流扩散特征的数值研究及污染模式

该成果反映了我国近十年来在中尺度(中β和γ尺度)湍流扩散和模式研究方面的一些重大进展,系统地发展了中尺度湍流扩散理论。将经典的三大湍流扩散理论体系延伸到整个行星边界层(PBL)和中尺度范围:利用PBL局地湍流相似理论代替近地面层相似理论;用简化的二阶闭合技巧导出的由拉氏时间尺度和湍流脉动量标准差组成的有效扩散系数代替经典的K理论;用Monte—Carlo法和PBL非均匀、非平稳的湍流统计特征量代替均匀湍流统计理论。应用发展了理论,导出了到目前为止国内外最完善的中尺度水平和垂直扩散型(包     

河套干旱地区夏季边界层结构特征观测分析

利用2013年夏季7月爱尔达K/LLX802J型机动式边界层风廓线雷达获取的三维风场资料和银川站高空气象探测资料,对河套干旱地区夏季边界层日变化特征进行了分析.结果表明:爱尔达K/LLX802J型机动式风廓线雷达能较好的反映并分辨出夏季河套干旱地区边界层内大气湍流和风场的演变过程.夏季7月河套干旱地区边界层高度白天平均为2127.2 m,夜间平均为1760.7 m,白天边界层高度比夜间平均高366.5 m.河套干旱区夏季地表非绝热加热对边界层的影响主要集中在800 m以下,800~2000 m高度边界层则主要受昼夜交替和大尺度天气系统的影响.夏季7月河套干旱地区边界层风速在300 m以下随高度增加而增大,离地500 m以下边界层易在北京时间07:00-11:00和18:00-21:00时段发生风速切变;300 m以下边界层白天盛行西南偏南风、夜间盛行南风,300~2000 m高度边界层白天和夜间均盛行东南风;离地300 m以下边界层易在夜间21:00-23:00时出现风向切变.夏季7月白天河套干旱地区边界层大气垂直速度在300 m高度以下随高度增加而增大,由0.3 m·s^-1增大到0.6 m·s^-1,夜间边界层大气垂直速度在200 m高度以下随高度增大而增大;300 m高度以上边界层大气垂直速度无论昼夜随高度变化均较小.     

非平稳风沙运动研究进展

风蚀输沙起动条件与输沙率预测是风蚀预报、沙尘数值预报与风沙地貌演化以及防沙治沙工程研究所需的关键参数,因而一直是风沙物理学研究的重点课题。早期的研究主要关注稳态输沙过程,对野外实际输沙过程的预测存在相当大的误差。近年高频的实时同步输沙、风速测量显示:大气边界层近地表风速脉动强烈,因而导致野外实际输沙具有高度的时空变化。研究发现:风沙输运的非平稳特性与边界层湍流结构密切相关,因而会对沙粒起动条件判断、输沙率预测等产生影响。回顾了近20年中非平稳输沙研究在实验、理论以及数值模拟方面的进展,并提出了目前存在的问题和今后发展的趋势。     

岩性储集层的混沌识别技术研究

本文从动力学系统原理出发,论述了混沌理论中的李指数法,并从地震剖面上提取李指数,并应用李指数来区分和识别储集层的岩性变化特征和含油气性。计算和应用研究表明,李指数随着相空间维数的增加容易趋于稳定值,这就使它预测地震序列横向变化的可靠性增大,这正是李指数预测岩性和含油气性的一个优越性。成功地应用实例表明,混沌识别技术是岩性储集层的一种有效识别技术,并具有广阔的应用前景。     

长江径流时间序列混沌特性的定量分析

定量分析了长江径流时间序列的混饨特性,论述了长江径流时间序列的李雅普诺夫指数的计算和实际意义,计算了长江径流时间序列的长程相关性指数,即分数阶差分指数,讨论了这一指数与相关分维的相对值可能存在的关系。这些非线性信息的提取,将进一步揭示径流时间序列的变化规律,并将对提高预测水平产生影响。     

Development of Unsteady Windblown Sand Transport

The threshold condition and mass flux of aeolian sediment transport are the essential quantities for wind erosion prediction, dust storm modeling and geomorphological evolution, as well as the sand control engineering design. As a consequence, they have long been the key issues of windblown sand physics. Early researches on aeolian sediment transport focus mainly on steady transport process. While recently, synchronous, high frequency measurements show that wind field in atmospheric boundary layer is always unsteady, showing up as intense fluctuation of wind speed, which thus results in the intense spatial-temporal variability of aeolian sand transport. It has been proven that unsteady sand/dust transport is closely related with boundary layer turbulence and affects significantly the determination of threshold condition and the prediction of aeolian transport rate. The researches of experiment, theory analysis and numerical simulation on unsteady sand/dust transport in recent two decades are reviewed. Finally, open questions and future developments are suggested.     

Peculiarities of turbulence in a flow with vortices

In the atmospheric boundary layer there exist groups of roll vortices contributing considerably to the momentum transfer, motion properties, etc. There are data pointing to an important role of such vortices in the formation of such a dangerous extreme weather event (EWE) as a tornado. It is known that helical turbulence mode is the cause of the similarity of atmospheric and magnetohydrodynamic turbulence. To clarify the peculiarities of EWE origination, experimental studies of MHD turbulence were carried out under laboratory conditions.     

第四纪研究的非线性科学方法

第四纪研究中最常用的非线性科学方法可能是分形理论、时间序列分析及混沌动力学。振荡在新构造运动和古气候变化中都是普遍存在的,它是介于有规振荡和混沌之间的中间阶段和过渡。分形理论可以描述地貌的状态和演化特征,混沌吸引子的分维又是混沌的一个重要参量。在时间序列分析中计算混沌吸引子的关联维、李雅普诺夫指数、赫斯特指数、柯尔莫果洛夫熵等可以更深入地揭示时间序列的性质,加深对演化过程的认识。     

非线性科学的气象应用研究

根据非根性科学的混沌理论、分形理论和孤立子理论，从科学交叉的角度对目前气象科学中关于非线性问题的研究进展进行综合评述，内容包括大尺度环流突变与多平衡态，非线性波动及波流相互作用、孤立波与阻塞高压海气相互作用、中小尺度天气、大气运动的混沌性及可预报性、时间序列资料的处理及应用、非线性科学与气象科学的关系等。     

热液成矿系统中一维反应扩散过程的混沌边缘

用耦合单峰映象格子模型描述了一维热液成矿系统的反应扩散过程 ,在a×ε =[0 ,2 ]× [0 ,1 ]参数空间内模拟计算了模型的静态斑图熵、斑图动力学熵和最大李雅普洛夫指数等动力系统刻画量 ,结合系统的空间振幅变化图、时空行为发展图和空间功率谱特征 ,对热液成矿过程的动力学行为进行了研究 ,结果表明成矿发生在混沌边缘 ,并且指出了参数空间中的混沌边缘域     

基于混沌时间序列的地下水位多步预测模型

利用相空间重构技术，并借助G—P算法、C-C方法和Wolf方法从宁陵地区地下水位一维时间序列中提取Lyapunov指数，结果表明此时间序列具有混沌特征。计算了宁陵地区地下水位时间序列的关联维数、时间延迟和最大Lyapunov指数，将局域加权一阶多步预测模型应用于地下水位预测。预测表明，此模型可有效应用于地下水位时间序列的多步预测。