北京稳定天气条件下城市边界层环流特征数值研究

采用科罗拉多大学和MRC／ASTER共同开发的区域大气模拟系统（RAMS）对北京地区稳定天气条件下的个例进行数值模拟,通过对数值模拟结果与观测事实的比较以及敏感性试验,分析了北京城市边界层环流特征和环流影响因子在环流发展过程中的作用。结果表明：①在山谷风环流和热岛环流相互作用下形成了北京城市边界层流场特有的局地环流。②热岛中心在决定边界层环流的辐合区位置上起相对较大的作用,边界层环流的强度和发展高度由山谷风强度和热岛强度共同决定。     

昆明城市庭院气温垂直分布特征及不同下垫面对其影响的研究

以低纬度高原城市昆明市为对象,利用城市庭院内1月（冬季）和7月（夏季）不同高度气温实测资料和不同下垫面（球场、草地和屋顶）气温的实测资料,分析了城市庭院气温垂直分布特征及不同下垫面对其的影响。得出：城市庭院气温垂直分布在不同时间（季节、昼夜）具有不同特征;在后半夜和下午,庭院气温垂直变化程度大于时间变化;而上午和前半夜时间变化程度大于垂直变化;在冬季屋顶面对屋顶高度附近的庭院气温具有较强的加热作用,使得庭院气温在屋顶高度附近形成逆温,导致垂直分布曲线发生改变;混凝土结构的下垫面,对庭院近地层大气具有加热作用,而草地则具有冷却作用,其效应在冬季明显。     

九华山区下垫面对局地降水的影响分析

利用安徽中尺度自动气象站的探测数据和多年统计数据,对九华山区下垫面影响降水的地理分布及强度进行讨论,分析下垫面物理过程在降水天气中的作用。结果表明:山区的湿热条件及不稳定能量均强于周边地区,非均匀下垫面的热力作用和山区地形作用形成地面中尺度风场辐合线及其所造成的上升运动对低空急流起加强作用,这些均影响强对流天气的形成和发展。山区降水地理分布受地形影响很大,山区的降水量、降水日数及降水强度均明显多于周边丘陵地区,并有迎风坡降水明显及在一定高度内山体越高降水量越大的特点。逐小时地面自动站资料分析对山区强降水的形成、发展和消散具有很好的临近预报指示作用。     

青藏高原下垫面对中国夏季环流影响的研究

发展了一个CCM3－RegCM2单向嵌套模式，用以研究青藏高原中西部地区下垫面特征对我国夏季环流和降水的影响。结果表明：若青藏高原中西部植被破坏，变为沙漠，则该地区地面返照率增加，热容量减少，气温升高。从而导致高原北侧的温度梯度增大，西风槽则被削弱；西风急流被推至更西更北的地区，使得北方冷空气难以到达我国长江、黄河流域；由于高原上空气温增高，导致该地区上空的反气旋环流增强，使原来位于槽前西南气流的长江中下游地区处在平直西风气流当中，不利于降水的产生。与此同时，副热带高压西伸北抬，使得长江、黄河中下游地区处在副热同压控制之下，造成我国大部分地区夏季降水减少。     

城市下垫面对河谷城市兰州冬季热岛效应及边界层结构的影响

利用中尺度数值模式WRF耦合单层城市冠层模块UCM,引入2005年MODIS土地利用类型资料,在对2005年1月25—28日兰州市热岛现象进行高分辨率数值模拟的基础上,设计了去除城市下垫面敏感性试验,探讨了城市下垫面对城市边界层的影响程度。结果表明,城市下垫面能使近地层大气温度升高而风速减小,并且,在夜间表现更明显。由城市热岛强度日变化分析可知,城市下垫面对兰州市热岛强度的贡献率为44%。夜间,城市上空200 m以下的近地层大气保持了白天的混合层特征,热岛环流的上升运动促进了山风环流,使得上升气流到达地面以上600 m左右;白天,由于山峰加热效应,城市上空400—600 m存在一个脱地逆温层,城市热岛环流使得11—15时（北京时）市区近地层出现弱上升气流,抑制了谷风环流的形成及发展。城市下垫面的低反照率特性和建筑物的多次反射作用导致城市下垫面的净辐射通量大于非城市下垫面;城市下垫面由于建筑材料的不透水性,导致潜热通量远小于感热通量,而储热项所占比重明显增大。     

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。     

冬季昌吉热电厂大气边界层风和温度的观测分析

运用2001年12月20-29日在昌吉热电厂区进行的低空探测资料，重点分析了该地区大气边界层风和温度层结的垂直分布特征，获得了该地区污染气象特征的初步结果。     

城市下垫面对西安地区一次强降水的影响

针对2015年8月3日发生在西安地区的一次强降水,首先利用WRF-3DVAR同化系统循环同化雷达反射率和径向风资料来减小模式初始场误差,以此增加基于模式预报结果分析研究的可信度,然后采用敏感试验手段探究有无城市下垫面对西安地区强对流性天气的影响。结果表明,同化雷达资料可以改善降水预报,其中10～25 mm降水TS (True Shooting)和ETS (Effective True Shooting)评分较未同化结果分别提高0. 188和0. 187,降水落区和强度与观测接近。有无城市下垫面的对比试验发现,有城市时,城区平均对流有效位能增大而对流抑制能减小,低层风速减小,城区上空假相当位温的垂直梯度变大,大气更加不稳定。城市下垫面使城区降水增强,若用农田代替城市下垫面会使降水落区向南漂移约0. 2个纬距。     

青藏高原中西部下垫面对东亚大气环流季节转换影响的数值模拟

在NCAR的CCM3全球模式与RegCM2区域气候模式的基础上,发展了一个CCM3—RegCM2嵌套模式系统,并应用于研究改变青藏高原中西部地区下垫面特征对东亚地区大气环流季节转换的影响。结果表明:当青藏高原中西部地区植被遭到破坏,退化为沙漠时,使得该地区地面反照率增加,感热输送加强,气温升高,并在西风气流的作用下,30°N以北的东亚大部分地区气温增高,东亚大陆沿海的高度增加。同时,中纬度地区纬向气流减弱,经向气流增强,东亚大槽亦被削弱,整个东亚地区的季节转换将提前。     

边界层风场调整的分析

分析任意气压场在中性、非线性正压边界层中风场的调整问题。结果表明：任意初始风场，将向给定的气压调整。具体调整过程是通过绝对涡度振荡及粘性系数的耗散，其调整的时间尺度为［Ｏ（ｔ＾－３／２）］，比自由大气地转适应时间尺度［Ｏ（ｔ＾－１）］快。     

Dynamic Impact of the Vertical Shear of Gradient Wind on the Tropical Cyclone Boundary Layer Wind Field

This work studies the impact of the vertical shear of gradient wind （VSGW） in the free atmosphere on the tropical cyclone boundary layer （TCBL）. A new TCBL model is established, which relies on five- force balance including the pressure gradient force, Coriolis force, centrifugal force, turbulent friction, and inertial deviation force. This model is then employed to idealize tropical cyclones （TCs） produced by DeMaria＇s model, under different VSGW conditions （non-VSGW, positive VSGW, negative VSGW, and VSGW increase/decrease along the radial direction）. The results show that the free-atmosphere VSGW is particularly important to the intensity of TC. For negative VSGW, the total horizontal velocity in the TCBL is somewhat suppressed. However, with the maximum radial inflow displaced upward and outward, the radial velocity notably intensifies. Consequently, the convergence is enhanced throughout the TCBL, giving rise to a stronger vertical pumping at the TCBL top. In contrast, for positive VSGW, the radial inflow is significantly suppressed, even with divergent outflow in the middle-upper TCBL. For varying VSGW along the radial direction, the results indicate that the sign and value of VSGW is more important than its radial distribution, and the negative VSGW induces stronger convergence and Ekman pumping in the TCBL. which favors the formation and intensification of TC.     

一次华北暴雨过程中边界层东风活动及作用

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h分析资料、微波辐射计资料及FY-2E气象卫星及雷达探测资料,针对2013年6月4日发生在北京及周边地区的一次暴雨过程中边界层东风活动及作用进行了天气学诊断分析,结果表明:对流性暴雨过程伴随有源自东北平原的边界层东风活动,东风活动具有尺度小、降温明显和湿度大等特点。暴雨过程是边界层东风和中低空暖式切变线、偏南风急流和500 hPa短波槽共同作用的结果;东风湿冷空气的锋面抬升和地形抬升作用共同加强了中低层暖湿气流的辐合上升运动,同时东风冷垫和地形抬升作用触发了雷暴的再次发生,相应雷暴具有高架对流特点。东风气流起到了边界层水汽输送作用,中低层偏南暖湿气流为暴雨的产生提供了充足的水汽和不稳定层结条件。     

城市大气边界层的数值研究

本文利用能量闭合的二维非线性、非定常模式,结合地面热量平衡方程,研究了城市热岛和城市热岛环流以及其它相关的城市边界层参量的发展演变规律;同时探讨了在城市污染面源的情况下,污染物的扩散、输送问题.模拟结果得到了天津市城市热岛观测资料的证实.     

河北地区边界层内不同高度风速变化特征

为了研究城市化进程对风速变化的影响,利用1971-2006年河北省境内邢台、张家口和乐亭3个探空站高空风观测资料和对应地面站风观测资料,统计分析了边界层内距地面10m、300m、600m、900m 4个高度的长期风速变化特征,比较了不同高度风速变化趋势的异同.分析结果表明:3站年和季节平均风速随着距地面高度的增加而变大,但最大的风速垂直递增率出现在从10m到300m之间;各站各高度层月平均风速具有明显的季节变化特征,春季风速最大,夏季较小;在近36年里,3站平均的地面(10m高)年和季节平均风速变化存在显著的减少趋势,300m以上各高度层平均风速一般也降低,但远没有地面明显;不同高度平均风速变化趋势的差异可能主要是由城市化以及台站附近观测环境的改变引起的,这使得地面风速明显减弱;但地面以上各层平均风速同样存在一定减弱现象,说明背景大气环流的变化也是地面风速下降的原因之一.     

强风天气下边界层结构特征

近地层观测的强风运动表明,叠加在平均流动之上的脉动通常有两种,一种是随机的湍流脉动,还有一种具有相干结构的阵风扰动。分析表明,上层强风的剪切运动产生阵风,并向下传递能量,对近地层的通量传输起到重要作用。本文利用北京325 m气象塔、位于海拔1257 m的妙峰山测风塔和位于海拔1688 m的灵山测风塔的资料,分析了强风天气下,边界层上层出现阵风并向下传递的过程,进一步证实无论在近地层还是边界层上层,强风期间,叠加在平均流动上除了高频湍流脉动之外,还有周期为1~10分钟的阵风,即相干结构。阵风峰期有下沉运动,阵风谷期有上升运动。这些相干结构在边界层上层产生,向下运动和传播过程中受到平均气流梯度的切变作用和地面摩擦,破碎为湍流结构。边界层上层的阵风和湍流产生的动量通量向下传递,使得强风期间,边界层中阵风和湍流对通量具有同样的输送能力,对边界层中沙尘、污染物等气溶胶的传输具有重要作用。本研究为模式中进行通量输送参数化方案的修正提供了观测和理论依据。     

基于探空风资料的大气边界层不同高度风速变化研究

利用1981—2014年我国资料齐全的93个高空气象观测站(距离雷达300、600、900 m高度)的探空风资料,按照气象地理区划,借助GIS分析了边界层内不同高度风速及其趋势的时空变化,得到以下结论:300～900 m,东北和华北地区累年平均风速较大,西南和西北地区累年平均风速较小;边界层内各高度同一地区平均风速的月变化趋势基本一致,但各地区季节风速变化不同,同一地区月平均风速的年较差随高度上升而增大;300 m.各地区年平均风速均显著减小:在600和900 m.华北、西北、华中地区年平均风速呈增加趋势,东北地区年平均风速呈减小趋势,但均未通过显著性水平检验;各高度年平均风速空间分布均为东北地区较大,尤其大兴安岭和东北平原地带;从沿海到内陆,由东至西风速逐渐减小;在300 m.全国年平均风速以减小趋势为主;在600 m,全国大部分地区年平均风速呈增加趋势,尤其是中部、西北和华东沿海地区;在900 m高度,全国年平均风速变化趋势呈现由边界向内部的包围态势,中心地区呈增加趋势,边界地区均呈减小趋势,但是通过显著性水平检验的地区不多。     

彭州边界层铁塔风梯度特征研究

利用2018年10月~2020年12月彭州边界层铁塔的风速风向观测资料,分析了彭州地区近地面各季节平均风速日变化、盛行风向及污染系数特征,在此基础上,选取彭州大风天气个例,对按月分类法和风速区间法的反演结果进行了有效性验证。结果表明：除夏季10m高度盛行西风以外,其余三季各高度均盛行东北风,秋冬两季各高度东北风出现频率大于春夏两季,每个季节随着高度增加,东北风出现频率均逐渐增大,对应平均风速均逐渐增大。春夏季10m高度的最大污染系数在偏西方向,其他各高度最大污染系数均在东北方向,各层高度最小污染系数多在东南或偏南方向;秋冬季各高度污染系数均大于春夏季,最大均为东北方向,10~20m最小污染系数多在偏南或偏东南方向,60~90m最小污染系数为偏西北方向;彭州铁塔偏西和东北方向不宜布设污染源。两种风速反演方法均能对近地面风速进行较为有效的反演,风速区间法在大风区间的反演效果优于按月分类法。     

自由对流与稳定层结边界层风廓线的解析表达和边界层顶抽吸速度

基于近年来对自由对流和稳定边界层湍流交换特征的研究,求解边界层运动方程,得到这两种层结下边界层风的解析表达式.所得廓线与边界层特性参数符合观测特征.还求出了这二种层结下边界层顶抽吸速度的解析表达及其与某些参数的关系.结果表明,抽吸速度与层结有关,其特征可从物理上加以解释.