大气混合层的数值模拟

本文主要进行了两部分工作；１．利用一套描述混合对流层平均状况的控制方程模拟混合层要素随时间的演变过程。对混合层高度的模拟，采用能量学方法，通过把在混合层顶的能量损耗五混合层内对流和机械湍流动能的产生联系起来，和到混合层顶热通量的参数化表达式，从而使模式方程产合。考虑了影响混合层演浮力，风切变及下沉等因子，并探索一种适合于数值天气预报模式的边界参数化方案。     

一个混合层高度发展的数值模拟试验

本文利用在ＨＥＩＦＥ期间戈壁地区采集的资料，并用一个考虑由地表热力及动力强的害和高空下沉等因子控制的零阶跳跃模式，对该地区白天混层高度增长的机制进行了数值模拟分析，结果表明：白天混合层高的增长受来自祁连山强烈的下沉冷空气的影响较大，使其高度的增长受到抑制，且最大值出现的时间超前，其结果与声雷达回波强度确定的混合层高度吻合较好。     

成都大气混合层厚度的计算和分析

用国家标准ＧＢ／Ｔ１３２０１中规定的方法计算了成都１９８０￣１９９１年的大气混合层厚度，并用干绝热法和罗氏法计算了成都１９８８年的大气混合层厚度，结果表明：成都大气混合层厚度逐年变化不大，有明显的季节变化和日变化，大气稳定度是决定混合层厚度的主要因子。３种方法的对比表明：罗氏法比国家标准法更接近干绝热法的结果，因此在有常规地面观测资料的地方用罗氏法更准确些。     

浙江省大气混合层高度变化特征分析

利用2000—2013年浙江4个站点(杭州、舟山、衢州和大陈)每日8个时次的气象数据,采用罗氏法计算分析了混合层高度总体变化特征。结果表明,浙江大气混合层总体呈现北部低、南部高,海岛最高的空间分布特征,舟山最低954m,其次杭州1073m、衢州1181m,大陈最高1631m,具有混合层高度越低,起伏变化越小的特征。混合层高度具有较明显时间特征,杭州、舟山、衢州表现为双峰双谷型,即春季(3—4月)和夏季(7—8月)较高、初夏(6月)和秋冬季(11月至次年2月)较低,大陈为单峰单谷型,即秋冬季较高(12月至次年1月)、春末夏初(5月)较低的季节(月)特征,以及白天高、夜间低的日变化特征。2002年杭州混合层高度明显上升的主要与风速加大、1月和6月日照雨日减少、以及9月雨日偏少和2月日照时数偏多密切相关。风速和大气稳定度是影响混合层高度主要因子,风速3m/s以上时,大气即呈不稳定状态,有利混合层高度抬升。大风速决定大陈最高混合层高度,舟山气温较衢州明显偏低导致其混合层高度偏低,杭州混合层高度高于舟山得益于较高的气温。混合层高度越低,雨日、雨量越明显,(轻)雾越多、能见度越低,反之亦然,另外,轻雾、霾共存频率最高的杭州,混合层高度降低除利于出现雾外,更需警惕中度霾以上天气。研究结果对于认知浙江大气质量评估、污染物扩散能力分布现状具有参考价值,为区域内污染源合理分布提供科学依据。     

激光雷达和探空反演的混合层高度对比分析

本文利用2016年12月至2017年11月期间晴朗少云天气下的成都微脉冲激光雷达观测数据反演的混合层高度,与温江探空资料确定的混合层高度进行了对比和误差分析,结果表明:基于探空资料和激光雷达数据反演的混合层高度具有较好的一致性,两者相关系数达0.75,激光雷达反演的混合层高度略低于基于探空资料确定的值,在混合层高度为1000～2000m时,两种方法计算所得的值偏差幅度最小,约为20%;在1000m以内和2000m以上,偏差幅度略有增大,为26%;两种方法反演的混合层高度变化趋势较为一致,均呈现出12月、1月较低,4月、5月较高的特点;混合层高度具有明显的日变化特征:上午混合层高度迅速增高,午后增长速度减慢并发展到最大高度,日落后迅速降低;混合层内相对湿度的增加、残留层的存在是导致激光雷达反演混合层高度时产生较大误差的原因之一。     

有霾和无霾时宁波市大气混合层高度的日变化特征

根据2007—2013年宁波市每日8次地面观测气象资料,运用罗氏法和统计分析法计算大气混合层高度,分析其在霾日和非霾日的不同日变化特征。结果表明宁波市霾日与非霾日混合层高度均呈白天高,夜晚低的日变化特征,夏季两者差值的日变化波动最明显,波峰时间比其他季节晚3 h。混合层高度日变化趋势与风速、气温、能见度趋于一致,霾等级越重,混合层高度越低。霾日与非霾日的气温差值除冬季呈正变温外,其他季节呈负变温,冬季14时差值最小,夜间加大,春夏季凌晨差值最小,14时最大,秋季波动不明显;风速差值除冬季夜间为正值外,其余季节为负值,秋冬季差值最小、夏季最大。大气处于不稳定状态时,混合层高度随着稳定度增加而逐渐处于稳定状态时,随着稳定度增加而降低,中性大气是宁波易致霾的大气层结。霾日与非霾日大气稳定度表现不一致,中午霾日中性大气占多数,非霾日则是不稳定大气;夜间霾日稳定—弱稳定大气和中性大气所占比例相当,非霾日稳定—弱稳定大气占多数。另外,PM_(2.5)浓度在霾日和非霾日均为白天低、夜间高的日变化特征,但霾日波动大,波峰时间晚于非霾日2 h,峰值浓度也高于非霾日2.7倍;早晨或下午到上半夜是霾日的PM_(2.5)浓度两个上升时段,上午为下降时段;非霾日的两个浓度缓升(降)时段分别出现凌晨和下午(上午和前半夜)。研究成果有助于预报员了解大气混合层高度及其对霾的可能影响,从而提高霾预报预警能力。     

银川市大气混合层高度变化特征及其与空气污染的关系

基于银川高空站2008～2017年的L波段秒级数据和地面观测数据,利用干绝热法计算银川2008～2017年逐时大气混合层高度,分析其变化特征,同时利用银川6种污染物的质量浓度和AQI指数,分析大气混合层高度与空气污染物的关系。结果表明：银川市的大气混合层高度（MLH）大部时间在600 m以下,占比为68%;银川MLH具有明显的单峰型日变化特征,07:00（北京时间,下同）最低,16:00最高;各月MLH值在282～936 m,4～6月MLH值最高,12月MLH值最低;季节变化方面,春季最高,夏季次之,冬季最低;年变化方面,2012年MLH平均值最高为621 m,2015年最低为566 m;银川市6种污染物除O3外,其余5种污染物的质量浓度与MLH值都为负相关,O3与MLH值的相关性最好;四季中,冬季污染物浓度与MLH值的相关性最好,夏季最差,秋季好于春季;银川MLH值与AQI指数呈负相关。     

海洋混合层厚度对热带气旋结构和强度变化影响的数值试验

利用高分辨率大气模式WRF（Weather Research Forecast）耦合了简单的海洋混合层模式,设计了不同海洋初始混合层厚度条件下的数值试验,研究了不同混合层厚度对热带气旋（TC）结构和强度的影响。结果表明,当TC经过海洋混合层厚度较浅海域时,TC对应的海洋底层的冷水更易上翻,最冷中心区出现在TC大风中心右...     

兰州冬季气溶胶的短波加热效应及其对混合层发展的影响

综合考虑无云天气条件下，气溶胶和大气中各种吸收气体对太阳辐射的影响，建立了一个气溶胶大气的短波加热率模式，研究了兰州冬季气溶胶的短波加热效应。计算结果表明:气溶胶吸收太阳辐射而加热大气的作用是显著的。在上述工作的基础上，建立了一个完全闭合的混合层发展模式，利用数值方法探讨了气溶胶的辐射效应对混合层发展的影响。计算发现大气中气溶胶的增加会抑制混合层的发展，使混合层内的平均位温减小。     

An Evaluation Of Local Similarity At The Top Of The Mixed Layer Based On Large-Eddy Simulations

Local similarity, referred to as type II similarity,in the interfacial, stably-stratified layer at thetop of the atmospheric (or oceanic) mixed layer isdiscussed. Type II scales for scalars are based onthe local values of scalar gradients. Similaritypredictions are derived from the second-orderclosure model of Yamada and Mellor, and also fromsimilarity arguments. The obtainedformulation is verified for active and passive scalarsbased on the large-eddy simulation model.     

编程求解混合层高度的方法

在t-lnp图上利用08时、14时气压和最低气温、最高气温，经过坐标转换求解早晨、中午混合层的气压和温度，然后根据等温大气压高公式计算混合层高度。该计算方法用VB6．0编程，可自动从当日报文中读取数据，计算出混合层高度值，也可根据数值预报结果计算次日混合层高度。     

大气对流边界层发展的模拟研究

室内水槽模拟是大气边界层研究的一种重要手段。利用室内模拟水槽对大气边界层的发展进行了模拟,通过处理平均温度廓线和光斑图像得到了对流边界层顶部位置h2和边界层高度zi。结果表明,不同测量方法得到的结果一致性很好,与实际大气的边界层发展情况也较为接近。同时,根据试验情况确定初始条件和边界条件,使用边界层参数化模型进行了数值模拟,其结果与室内模拟的结果也较吻合。     

An Observational Study of Wind Profiles in the Baroclinic Convective Mixed Layer

A comprehensive planetary boundary-layer (PBL) and synoptic data set is used to isolate the mechanisms that determine the vertical shear of the horizontal wind in the convective mixed layer. To do this, we compare a fair-weather convective PBL with no vertical shear through the mixed layer (10 March 1992), with a day with substantial vertical shear in the north-south wind component (27 February). The approach involves evaluating the terms of the budget equations for the two components of the vertical shear of the horizontal wind; namely: the time-rate-of-change or time-tendency term, differential advection, the Coriolis terms (a thermal wind term and a shear term), and the second derivative of the vertical transport of horizontal momentum with respect to height (turbulent-transport term). The data, gathered during the 1992 STorm-scale Operational and Research Meteorology (STORM) Fronts Experiments Systems Test (FEST) field experiment, are from gust-probe aircraft horizontal legs and soundings, 915-MHz wind profilers, a 5-cm Doppler radar, radiosondes, and surface Portable Automated Mesonet (PAM) stations in a roughly 50 × 50 km boundary-layer array in north-eastern Kansas, nested in a mesoscale-to-synoptic array of radiosondes and surface data.We present evidence that the shear on 27 February is related to the rapid growth of the convective boundary layer. Computing the shear budget over a fixed depth (the final depth of the mixed layer), we find that the time-tendency term dominates, reflecting entrainment of high-shear air from above the boundary layer. We suggest that shear within the mixed layer occurs when the time-tendency term is sufficiently large that the shear-reduction terms – namely the turbulent-transport term and differential advection terms – cannot compensate. In contrast, the tendency term is small for the slowly-growing PBL of 10 March, resulting in a balance between the Coriolis terms and the turbulent-transport term. Thus, the thermal wind appears to influence mixed-layer shear only indirectly, through its role in determining the entrained shear.     

基于格点资料的四川大气混合层高度特征及与空气质量的关系

基于2018年1月~2020年12月中国气象局陆面数据同化系统（CLDAS）资料,利用罗氏法计算四川省大气混合层高度,分析其时空分布特征,并结合大气环境空气质量监测数据,讨论大气混合层高度变化与空气质量的关系。结果表明：四川省大气混合层高度呈西高东低分布特征。盆地与攀西地区、川西高原大气混合层高度季节变化有显著性差异,盆地春季最高,秋季最低;川西高原和攀西地区秋季最高,夏季最低。四川省各地区大气混合层高度月、日变化趋势基本一致。四川省大气混合层高度与O₃质量浓度呈显著正相关关系,与PM_2.5质量浓度呈显著负相关关系。     

一个对流边界层大涡模式的建立与调试

本文介绍一个适合于对流边界层的大涡模式的建立及其调试结果。该大涡模式建立过程中注重于计算的节省，同时也强调原理与方法的简单和合理性。模式的调试表明，对于平坦均一地形的情况，模拟可以获得合理的结果。调试同时显示了模式对较低水平分辨率的适用条件，以及模式应用于模拟较大水平范围问题的可能性。     

盆地绿洲边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．5非静力平衡模式,通过三重嵌套的降尺度方法,没计理想化的圆形盆地地形和绿洲,模拟研究了盆地绿洲环流及边界层特征。发现盆地感热随地形高度而变化潜热随地形高度没有变化,仅与下垫面特征有关。盆地绿洲感热小,潜热大,绿洲气候效应明显。盆地绿洲形成的环流与地形环流一致,这有利于加强地形环流。但地形形成的环流强度比绿洲环流要弱得多。盆地绿洲对大气边界层的湿度影响很明显。绿洲的水汽输送通过地形下沉气流加强,使山谷绿洲的气候效应得到加强。结果表明,盆地绿洲由于其地形环流与绿洲环流一致,故使绿洲效应加强。     

Atmospheric Boundary-Layer Dynamics with Constant Bowen Ratio

Motivated by the observation that the diurnal evolution of sensible and latent heat fluxes tends to maintain a constant Bowen ratio, we derive approximate solutions of the ordinary differential equations of a simplified atmospheric boundary-layer (ABL) model. Neglecting the early morning transition, the potential temperature and specific humidity of the mixed layer are found to be linearly related to the ABL height. Similar behaviour is followed by the inversion strengths of temperature and humidity at the top of the ABL. The potential temperature of the mixed layer depends on the entrainment parameter and the free-atmosphere temperature lapse rate, while the specific humidity also depends on the free-atmosphere humidity lapse rate and the Bowen ratio. The temporal dynamics appear only implicitly in the evolution of the height of the boundary layer, which in turn depends on the time-integrated surface sensible heat flux. Studying the limiting behaviour of the Bowen ratio for very low and very large values of net available energy, we also show how the tendency to maintain constant Bowen ratio during midday hours stems from its relative insensitivity to the atmospheric conditions for large values of net available energy. The analytical expression for the diurnal evolution of the ABL obtained with constant Bowen ratio is simple and provides a benchmark for the results of more complex models.     

沙漠-绿洲大气边界层结构的数值模拟

利用美国NCAR新版中尺度MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的模拟方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征。结果表明：在没有西风气流背景的影响下,绿洲沙漠环流和大气边界层结构是对称的。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区环流结构及温、湿场的分布,绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气冷干,沙漠上空大气暖湿的边界层特征。绿洲边缘形成了由干到湿的强湿度梯度带围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。在有西风背景气流的影响下,绿洲沙漠环流和大气边界层结构是非对称的。但是,西风背景气流的存在可以破坏绿洲系统对称的环流结构,不利于绿洲系统的稳定发展。