大气边界层研究进展

大气边界层对云和对流的发展、演变有重要作用.本文回顾了在大气边界层高度计算方法,边界层的时空分布特征、结构和发展机理,以及边界层参数化方案等方面的主要研究进展.大气边界层高度计算方法主要分为基于大气廓线观测数据计算和基于模式参数化方案计算两大类;大气边界层高度频率分布形态具有明显的日变化特征,并且稳定、中性和对流边界层高度的频率分布呈现出不同的Gamma分布特征;地面湿度状况对边界层发展影响明显,对于不同的下垫面热力性质和地形状况,大气边界层高度呈现出明显的空间差异,青藏高原边界层高度明显高于一般平原地区;在强烈的地面加热驱动下,对流边界层与残余层通过正反馈机制循环增长可以形成4000 m以上的超高大气边界层;研制大气边界层、浅对流以及云物理方案的统一参数化框架是未来数值预报模式的发展趋势.

     

大气边界层湍流的动力非平稳性的验证

首次用验证时间序列中是否存在动力非平稳性的一种简单图示方法——space time-index法来分析大气边界层湍流的动力平稳性特征.本文以取自淮河流域和威斯康星森林下垫面条件下的三维高精度风速和温度、湿度湍流脉动资料对大气边界层湍流的平稳性特征进行了分析.结果表明space time-index方法能有效地检验大气边界层湍流信号中是否存在动力平稳性.另外,均匀下垫面条件（水稻田）及复杂下垫面条件（森林）下的大气边界层湍流信号中几乎都存在动力非平稳性,大气湍流动力学非平稳性可能是边界层湍流信号相当普遍具有的一种特性.大气边界层湍流中的间歇性和相干结构使得其非平稳性图形的特征不同于一般时间序列非平稳性图形的“V”型特征;森林下垫面条件下的湍流信号比相对均匀下垫面（水稻田）下的湍流信号更有组织性,相干结构更强.     

日本琵琶湖流域大气边界层的三维数值模拟

本文在地形坐标下引入一种水平导数差分近似方法,建立一个适合日本琵琶湖复杂地形、满足静力平衡条件的三维非定常大气边界层数值模式。在弱的背景风场下,模式加入了琵琶湖流域的实际地形,计算结果表明:模式运行十分稳定,且占机内存小,节省计算时间,同时模式还做了流域地形、湖泊本身存在与否等因子对边界层风场影响的数值试验。在强的背景风场下,模式加入了经过适当平滑的琵琶湖流域地形,得出了一些有益的看法。     

北京首都机场的人工消雾及大气边界层特征的演变

在首都机场人工消雾作业过程中进行了大气边界层特征的观测,观测结果表明：用喷洒液氮进行人工消雾可以形成小面积降雪从而提高能见度,达到安全飞行的目的．人工消雾作业过程可影响小面积大气湍流特征,使湍流谱略偏离-5／3规律．人工消雾作业期间潜热通量明显大于作业期后．     

MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响

研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感.     

大气湍流能谱的精细结构及能量级串

利用小波变换和傅里叶分析对近地层大气湍流脉动资料进行了分析,发现波数空间能谱著名 的“-5/3”标度律成立的区间中存在突变点;还发现对应于小波变换时间尺度2j,j=1, 2,…,j0,高频分量按照2(j-2)-1(j>1)的方式级串,这符合同步级串的物理图象 ;在标度区间内高频分量作用于幂律局部特征的效果是平均的,不存在影响标度指数的特征 频谱. 利用不同高度大气湍流资料和不同小波基函数作变换,结果是一致的. 我们还对H= 1/3的分形布朗运动产生的随机序列进行了对比实验,发现从能谱角度,实际发达大气湍流 偏离高斯分布的程度很小,二者的差别只在高阶标度律时明显.      

北京首都机场的人工消雾及大气边界层特征的演变

在首都机场人工消雾作业过程中进行了大气边界层特征的观测,观测结果表明：用喷洒液氮进行人工消雾可以形成小面积降雪从而提高能见度,达到安全飞行的目的．人工消雾作业过程可影响小面积大气湍流特征,使湍流谱略偏离-5／3规律．人工消雾作业期间潜热通量明显大于作业期后．     

MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响

研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感.     

民航气象观测的中国中东部大气边界层廓线数据的评估与应用

本文从民航气象报告(AMDAR)数据库中提取了2008—2019年期间我国中东部18个机场飞机起飞和降落期间的大气边界层(ABL)廓线数据,并利用常规探空数据评估了不同季节和高度范围的AMDAR数据准确性及其随探空站与机场距离和飞行状态的变化.与常规探空数据相比,低层(P>850 hPa)的AMDAR温度和风分量的均方根误差(RMSE)均比较高层(850~500 hPa)小,且各高度层上的温度和风分量的RMSE都随间隔距离的增加而增大.相对而言,飞行状态对AMDAR数据准确性的影响很小.在间隔距离小于50 km且P>850 hPa高度层范围内,温度、纬向风和经向风的平均RMSE分别为0.68~0.83 K、1.48~1.62 m·s^-1和1.73~1.81 m·s^-1.相比于RMSE,对应的平均偏差都显著更小,且随间隔距离无明显变化.数据应用示例表明,AMDAR廓线数据由于其较高的时间分辨率,不仅可以反映ABL结构的日变化特征,还可用于研究ABL局地环流特征.基于18个机场AMDAR廓线数据分析发现,我国远内陆、干燥地区大气边界层高度(ABLH)具有较强的日变化,尤其是在春夏两季,而沿海和近内陆地区ABLH的日变化强度和季节差异都较小.

     

一个大气边界层非线性三维数值模式及其在太湖流域的应用

本模式用以K半经验理论为基础的闭合方程组求解,引进了地形作用、动量、热量和水汽的侧向扩散和垂直湍流交换以及凝结加热等物理过程,其中湍流交换系数K是地表粗糙度、几何高度、大气稳定度及风速切变等因子的函数。本模式还考虑了山地、平原和水面在地形高度、地表粗糙度、辐射、蒸发及热交换等方面的差异,在下垫面上建立热平衡方程与边界层内控制方程耦合。将模式应用于太湖流域,计算得到的该流域边界层内温、压、湿、风的分布特征与实际情况相似,模式具有一定的实用性。     

SOME ASPECTS OF THE INTERACTION OF BLOWING SNOW WITH THE ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER

Several possible effects of blowing snow on the atmospheric boundary layer are investigated, mostly within the general framework of the Prairie Blowing Snow Model (PBSM). The processes of snow saltation and suspension are first described. Variations to the drift density profile are tested and the effects of stratification and density variation calculations are evaluated. Despite high density gradients of blowing snow, stratification effects on turbulence and the velocity profiles can generally be neglected. However, with saltating or suspended snow in a constant shear stress layer, part of the shear stress is carried by the particles. A highly simplified, single-phase approach, based on the density variation of the air–snow mixture coupled to a simple turbulent stress–strain relationship, is used to illustrate this. Sublimation rates in a column of blowing snow are calculated using the PBSM and results are compared with those obtained with a modified formulation which incorporates a spectrum of sublimating particles of varying sizes at each height in a steady-state surface boundary layer and different specifications of the ventilation velocity.     

结构损伤分析的力学方法

本文将损伤力学中的损伤变量概念从材料广到了构件和结构；在此基础上，针对钢筋混凝土结构单调力－变形曲线，给出了其损伤演变过程，并对等位移循环和地震后钢筋混凝土压弯构件的低周疲劳损伤进行了分析。最后，探讨了系统损伤的组合问题。     

西藏高原斜压对流边界层风、温、湿廓线特征

利用1998年夏季第2次青藏高原大气科学试验当雄观测站的边界层观测资料以及拉萨、改则和武汉等地探空资料,分析讨论西藏高原斜压对流边界层风、温、湿廓线的特征. 研究结果表明,高原地区白天对流边界层发展可高达2200m,显著超过中纬度平原地区和海面上对流边界层高度. 高原对流边界层中温度廓线具有较好的混合特征,湿度廓线有时在某一高度上出现湿度极大值. 高原对流边界层内热量和水汽收支分析表明,水平平流作用对边界层结构具有重要作用. 在对流边界层中平均风速垂直分布存在风切变现象. 水平温度梯度形成较强的斜压性是形成边界层风切变的主要原因.     

西藏高原斜压对流边界层风、温、湿廓线特征

利用1998年夏季第2次青藏高原大气科学试验当雄观测站的边界层观测资料以及拉萨、改则和武汉等地探空资料,分析讨论西藏高原斜压对流边界层风、温、湿廓线的特征. 研究结果表明,高原地区白天对流边界层发展可高达2200m,显著超过中纬度平原地区和海面上对流边界层高度. 高原对流边界层中温度廓线具有较好的混合特征,湿度廓线有时在某一高度上出现湿度极大值. 高原对流边界层内热量和水汽收支分析表明,水平平流作用对边界层结构具有重要作用. 在对流边界层中平均风速垂直分布存在风切变现象. 水平温度梯度形成较强的斜压性是形成边界层风切变的主要原因.     

关于磁层边界区Kelvin-Helmholtz不稳定性的研究

本文发展了Lee等人在1981年提出的模型,重点强调可压缩等离子体组成的磁层边界区上的K-H不稳定性。在可压缩的条件下,考虑边界层的厚度,我们推出了磁层边界区K-H不稳定性的色散方程。应用数值分析,我们发现磁层边界区上K-H不稳定性的一些新的性质。     

关于磁层边界区Kelvin-Helmholtz不稳定性的研究

本文发展了Lee等人在1981年提出的模型,重点强调可压缩等离子体组成的磁层边界区上的K-H不稳定性。在可压缩的条件下,考虑边界层的厚度,我们推出了磁层边界区K-H不稳定性的色散方程。应用数值分析,我们发现磁层边界区上K-H不稳定性的一些新的性质。     

EXPERIMENTAL STUDY ON THE COHERENT STRUCTURE OF THE TURBULENT BOUNDARY LAYER IN OPEN-CHANNEL FLOW

1 INTRODUCTION The coherent structure of turbulence is the most important discovery of turbulence studies in the last several decades. The coherent structure is a joint spatial state (Liang, 1999). In this space, there exist all kinds of motions that are organized and related. Namely, strip structures, large vortical structures, and other organizing flows are present. In 1932, researchers found that turbulence wasn抰 a fully random phenomenon and came to realize that the repeated emergen…