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。     

回波悬挂体与桂西北局地大风

回波悬挂体是识别冰雹云的特征之一。经过探测实践,我们发现回波悬挂体与桂西北局地大风相关十分密切,它也是识别桂西北局地大风的一个主要的回波特征。下面我们以三次回波悬挂体简述它与桂西北局地大风的关系。 1.“亚铃状”回波悬挂体 1978年4月29日20时,在测站西北方有一条状回波向东南方移动并与测站东北方向西南移动的一块弱回波单体合并,影响测站时最大风速为25m/s。回波系统移离测站东南方15—20公里处,我们发现有“亚铃状”回波悬挂体(图1),受影响的田阳县头塘公     

洱海盆地一次冬季大风演变特征及其机制模拟分析

利用WRF模式耦合Noah陆面模式和CLM湖泊模式,对2015年1月23日大理地区洱海盆地的大风天气进行模拟,对大风的发展期、强盛期和减弱期的三维动力热力结构特征进行分析,并得出了洱海盆地大风形成机制:在洱海盆地大风发展期,高空以西风为主,盆地中部上空1km高度处出现局地小气旋,地面以偏东风为主,高空偏西气流翻越苍山形成波动扰动,在背风坡侧形成空腔区和二次涡,低层形成了波不稳定区域,波不稳定区域发生波破碎,波破碎区域湍流运动活跃,把上层的能量往下传播。大风强盛期,盆地南北侧高空为两支西风气流控制,中部变为弱的辐散场,造成高空扰动,苍山东侧近地面浅薄逆温层消失,低空逆温层之上温度廓线几乎垂直上升,大气层结处于不稳定状态,有利于高空动量向下输送。大风减弱期,高空西风减弱,扰动消失,湍流动能耗散,地面风速逐渐减小。     

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。     

两次突发性强对流天气的对比分析

为提高强对流天气的预报准确率,对2005年7月31日夜间和2004年6月7日下午衡水地区突发性强对流天气从影响系统、卫星云图、雷达回波及闪电定位资料特征等方面进行了对比分析.发现两次天气过程都属于降水天气结束后,又重新发展的强对流天气过程,预报起来具一定的难度.两次天气过程影响系统不同,造成的天气也不尽相同,"6.07"过程大风天气明显,且移动速度快,影响时间短,"7.31"过程局地短时暴雨天气明显,系统移动速度慢,影响时间长.两次天气过程的红外卫星云图特征不同,"6.07"过程的卫星云图呈带状,"7.31"过程的卫星云图呈团状,具有暴雨云团的特征.两次天气过程中大风和雷达基本反射率中的弓形回波具有非常好的对应关系.垂直积分液态水含量(VIL)的高值区的长时间影响与局地暴雨具有很好的对应关系,其值由高到低的骤减,预示着破坏性大风的发生.两次过程中大风发生前后雷电空间分布均呈扇状分布,对流发展成熟阶段造成雷击灾害的"6.07"过程中地闪所占比例较大,造成局地暴雨天气的"7.31"过程中云闪所占比例较大.在强对流天气的预报中,非常规气象资料起着很重要的作用.     

一次中尺度天气过程中湍流特征分析

对１９９０年８月７日在北京通县地区所发生的一次中尺度天气过程中湍流场的变化进行了分析。结果表明，在中尺度天气发展过程中，近地层的湍流参数有明显的变化，从而证明了局地的输送对强对流天气的发生有促进作用。同时看出，中尺度天气过程的侵入会使局地湍谱发生明显的改变。     

城郊大气近地面层湍流特征的初步研究

本文对北京城郊近地面层的大气湍流特征做了初步的研究.结果表明,以局地稳定度参数z/L代替通常的Monin-Obukhov稳定度参数,对湍流的二阶矩以及谱和协谱的惯性副区特征而言,均匀近地面层湍流的相似理论可以推广到城郊近地面层湍流的情形,但谱和协谱的低频(含能区)特征发生显著的变化:含能区谱密度往往由许多尖峰构成;在某些低频范围上,湍流运动的垂直分量可能比水平分量强得多.在城郊近地面层中,湍流动能的产生与耗散基本上是平衡的.     

桂西北一次局地大风成因的探讨

百色地区位于桂西北山区,几乎年年出现局地大风,尤其是夏季。如1978年4月29日17时4分至22时9分的一次局地大风,开始于隆林(隆林西面的兴义未出现大风),经田林、百色、田阳、到田东后消失,跟以往桂西北局地大风的一般路径相似(图二)。本文主要根据百色天气雷达站所拍摄的这次大风的回波资料,对这次大风的成因进行探讨。 一、天气形势概述 4月26日至28日有一次锋面天气过程,桂西北下了小—中雨。4月29日08时,原位于杭州、赣州、信宜到文山的锋面东移消失;     

北京北郊冬季大风过程湍流通量演变特征的分析研究

利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔1993年12月～1994年1月大气边界层实验资料, 计算分析了大风过境过程中47 m和120 m高度湍流通量演变特征及其影响因子, 以及与风速、 稳定度等参数的关系。结果表明: 大风过程对近地面层的物质能量输送有着重要影响, 大风之前出现短时间动量上传和热量下传; 大风过程中的湍流通量数值明显高于过境后, 水平方向湍流通量数值和能量增加幅度大于垂直方向; 当风速大于临界值5 m/s时, 湍流通量与风速、 湍流动能的相关迅速增大; 湍流谱特征表现为湍流能量的低频部分增加、 湍流谱曲线变宽; 大风能强烈影响近地面层的能量收支。     

鄱阳湖地区复杂地表条件下一次强降水过程的近地面边界层特征

使用鄱阳湖北部70 m气象塔湍流和梯度观测数据,分析了2011年6月6日夜间一次暴雨过程中近地面边界层特征.结果表明,此次过程是在高空低槽和西南急流的天气背景下,受鄱阳湖复杂地表影响产生的局地性强降水.强降水发生前受东南暖平流影响,近地面边界层中水汽累积,不稳定性增加;强降水过程中,近地层感热、潜热通量迅速增加,同时,近地面层湍流动量通量下传和水平输送增加,鄱阳湖的水汽输送加强降水强度.另外,强降水过程中,近地面湍流动能迅速增大并达到最大值,而平均动能的增大发生在强降水结束后,表明地表作用明显,近地面边界层的湍流场为暴雨提供动力条件.尺度分析表明,强降水前,中尺度动量通量占主要地位,降水过程中湍流动量通量显著加强.     

桂东南热带气旋大风的统计特征及典型个例研究

利用1981-2000年热带气旋（以下简记1℃）年鉴资料、广西东南部大风实况资料和NCEP／NCAR再分析资料，对桂东南TC大风及TC特征进行统计分析，并通过个例普查和典型个例的研究对造成桂东南严重风灾的原因进行初步探讨。研究表明：造成桂东南大风TC发生在6～10月，主要源地是西北太平洋，但造成严重风灾的TC为登陆后中心经过桂东南的南海台风。桂东南大风以局地瞬时大风为主，大风发生时间与TC距离有关。强度大、移速快造成变压梯度大，与气压梯度共同作用是0307号1℃过程大风的原因；移速慢，登陆后中心在桂东南逗留时间长则是8517号1℃过程严重风灾的原因，并对两个1℃运动特点不同的大尺度环境特征进行了比较分析。     

论大气边界层的局地相似性

本文利用日本气象厅研究所在筑波市213m气象塔1983年观测的湍流资料验证了大气边界层的局地相似性,求出了相似性函数的经验常数.进一步建立了局地湍流统计量同近地面层和边界层顶湍流通量之间的关系.     

一次超级单体冰雹云雷达回波特征分析

1994年7月17日04时至05时左右,产生在成都市新都县及青白江区的大风、冰雹雷达回波特征图为依据,分析得出:这次局地强对流天气过程是一次典型的超级单体冰雹云活动所致.     

一次伴随阵风锋的下击暴流天气分析

利用湖北省区域站资料、Micaps常规观测资料和雷达资料,对2017年盛夏季节一次副高控制下的下击暴流事件进行分析,结果表明:①本次过程是一次典型的由脉冲风暴产生的大风天气,过程中出现明显的阵风锋;②受地形及局地热力条件共同作用,强回波向西南方向移动;③阵风锋形成初期与回波主体距离很近,强回波持续时间长,造成局地的强降水,强下沉气流和强降水导致了大范围的大风天气,此时大风主要分布在强回波移动方向的前沿附近;④后期阵风锋快速移动,远离回波主体,回波迅速减弱,强下沉气流向外流出导致地面出现大风,地面出现两条阵风锋,且两条阵风锋相遇,此时大风主要出现在两条阵风锋交汇处和雷暴冷出流最强处,对临近预报有一定的参考意义。     

边界层参数化方案在“灰色区域”尺度下的适用性评估

随着数值预报模式分辨率的提高,当模式网格距与含能湍涡的长度尺度相当时,模式动力过程可解析一部分湍流运动,而剩余的湍流运动仍需参数化,此时便产生了湍流参数化的“灰色区域”问题。对传统的PBL（Planetary Boundary Layer）方案在“灰色区域”下的适用性评估,是改进PBL方案以使其能够适应分辨率变化的前提和基础。本研究基于干对流边界层的大涡模拟试验,比较了WRF（Weather Research and Forecast Model）模式中四种常用的边界层参数化方案[YSU（Yonsei University）、MYJ（Mellor-Yamada-Janjic）、MYNN2.5（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino Level 2.5）、MYNN3）]在“灰色区域”尺度下的表现。研究表明,混合层内总热通量对所使用的参数化方案和水平分辨率均不敏感。不同参数化方案中次网格与网格通量的比例表现出对水平网格距不同的依赖性。局地PBL方案（MYJ、MYNN2.5）在混合层内的平均位温随网格距减小而增大,次网格通量随网格距减小而减小,较参考湍流场对次网格通量有所低估。YSU方案的非局地项几乎不随水平格距改变而变化,对次网格通量的表征并未表现出较强的分辨率依赖性,且过强的非局地次网格输送使混合层内温度层结呈弱稳定,抑制了可分辨湍流输送,不易于激发次级环流。MYNN3方案的非局地次网格通量（负梯度输送项）随网格距减小而减小,使其对次网格通量的表征具有较好的分辨率依赖性。PBL方案在“灰色区域”尺度下的适用性与具体分辨率有关。以分辨率500 m为例,四种PBL方案中不存在一种最佳方案,能对边界层的热力结构和湍流统计特征均有准确的描述。     

北京地区一次强沙尘暴过程的大气边界层结构和湍流通量输送特征

利用中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的风速和温度平均场观测资料和湍流资料,以及北京市气象台地面常规气象资料和逐日08:00和20:00(北京时间)的探空资料,分析了2002年3月18～22日沙尘暴过境前后北京城市边界层结构特征和湍流输送特征,结果表明:1)在沙尘暴爆发前,边界层中水平风速一直较小;气温较高,大气层结稳定,在边界层上部有强大的逆温层.随着冷锋过境,沙尘暴爆发,边界层中水平风速和平均湍流速度急剧增强;温度也突然变化,先迅速增强后又持续下降,逆温层迅速被破坏.2)沙尘暴初期,280 m上为系统性上升气流,而47和120 m则为系统性的下沉气流.随着沙尘暴爆发,湍流动能、向下传输的动量以及向上传输的感热也迅速增大,并且120 m高度的湍能、动量通量以及感热通量明显高于47和280 m,这与北京的局地环流有关.3)本次沙尘暴过程中,120和47 m层的摩擦速度都明显超过了北京的临界摩擦速度,表明局地起沙也是本次沙尘暴过程中北京沙尘的一个重要沙源.     

一次大风天气的中小尺度特征分析

应用深圳新一代多普勒天气雷达、边界层风廓线雷达和区域气象观测站等多种观测资料,对2009年3月5日深圳市一次局地大风天气的中小尺度特征进行了分析。通过分析造成大风天气的颮线过程急流变化、飑线内小尺度强对流系统结构特征,以及受灾地点附近地面风向、风速、气压、气温和降水量等气象要素变化特征,认为飑线内的小尺度强对流系统造成了这次大风灾害。发现飑线在东移发展过程中,有高空急流动量下传特征,飑线内的小尺度强对流系统有移动速度快、生消时间短、中心风速大的特点,其速度中心区具有上大下小的漏斗状及前倾垂直结构特征、具有局地弱龙卷的特征。     

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.     

2009～2010年河西走廊大风日低空垂直切变和湍流统计特征

为了给河西走廊风电场建设提供科学依据,利用河西走廊14 座风能观测塔2009 年9 月至2010 年8 月的资料,分析了大风日低空垂直切变和湍流的演变和分布.结果表明：大风日风速垂直切变指数年平均在0. 092 ～0. 158 之间,较国标有些偏低;10 ～ 30 m、10 ～ 50 m 和10 ～ 70 m 的大风日风速垂直切变指数比非大风日偏小;低层风速垂直切变大,高层风速垂直切变小;大风日10 m、30 m、50 m 和100 m 4 层的年平均湍流强度为0. 11,比非大风日偏小一半左右;在大风日,随风速增大,风速不均一性减小,风向趋于稳定.     

用系留气球进行大气湍流测量

一、大气湍流的探测大气边界层内的湍流运动对地气系统的动量、热量与水汽输送过程,以及对大气中污染物的扩散有着决定性影响.由于大气湍流运动有很宽的尺度谱,其时间、空间分布极为复杂,在探测技术上有很多难题.除正在发