边界层大气水平风速低频谱的垂直分布特征

本文根据320米气象塔上水平风速的观测资料,分析了不同天气条件下边界层大气中湍流的宽谱特性及其垂直分布结构. 结果表明,大气边界层水平风速低频谱的垂直分布是很复杂的,在不同的天气条件下,这种垂直分布特征具有明显的差异.边界层温度和风速的垂直结构也会影响到水平风速低频谱的垂直分布. 在水平风速低频谱中,除了与天气过程有关的4天周期峰值和反映气象要素日变化频率的峰值外,在十几分钟到几十分钟频率范围内还存在着几个峰值,而且有时在不同的高度上,峰值频率有所不同.这可能反映了一些中尺度系统的特征,也可能是这些中尺度系统与局地地形的综合作用所引起的.     

大气气溶胶的粒度谱分布函数及其随高度的变化

本文对用光学粒子计数器在飞机上测量的大气气溶胶数密度-粒度谱分布进行了分析研究.根据对气溶胶谱形成过程的分析,指出大气气溶胶是四种气溶胶体系的混合物,需要用四个正态分布函数的和来描述大气气溶胶的体积-粒度谱分布.用非线性最小二乘法计算了谱分布函数的经验参数;研究了粒子浓度、体积、及粒度谱分布函数随高度的变化.观测资料表明,在大气温度和湿度水平均匀、层结稳定的情况下,气溶胶粒子浓度水平分布不均匀,而且垂直方向上也并不随高度单调递减.     

大气湍流的湍谱及有关大气污染问题

湍流运动是自然界和许多技术领域中出现的普遍现象。大气中所发生的许多现象都与湍流运动有关。但到目前为止,湍谱理论的发展还很不完善。特别是在大气或海洋中存在的大尺度湍流的湍谱理论就更不完善。 本文根据大量实测的湍谱数据(包括在风洞中、大气和宇宙空间中)反应出的湍谱分布规律,提出了一个描述湍流特性的无因次量R_i(R_i=D/v,D为湍流粘性系数, v为动力粘性系数),并用此无因次量对谱区作了划分。从高R_i数到低R_i数共分为三个谱区包括六个谱段。利用无因次量和相似性原理确定了适用于各谱区的能量传输函数的普遍形式,从而求解湍谱方程,得出了湍谱的普遍形式的解,其中包括了过去已有的两个主要结果。我们还求出了大气温度场和与大气污染有关的微粒浓度的湍谱。经与实测数据比较,发现两者符合得较好。     

大气气溶胶浓度及其谱分布的某些特征

本文简要描述了光电仪器测量大气气溶胶粒子的工作原理;根据实测结果对不同大气条件下气溶胶粒子的浓度、谱分布特征进行了分析。结果表明,对于洁净大气和浑浊大气而言,气溶胶粒子的浓度和谱分布都有着明显的差别,相对变化最大的是那些半径处于0.2—1.0微米范围内的粒子;实际大气中粒子谱的演变过程是复杂的,并且具有多峰分布特征;相对湿度对气溶胶粒子物理特征的影响是明显的,并且这种影响主要是改变粒子的谱分布和折射指数。     

山谷城市的近地层大气湍流谱特征

山谷城市地区的大气湍流结构研究至今报道很少.本文根据兰州市一次观测实验,对各风速分量谱、温度谱以及动量和感热通量的协谱进行了分析.结果表明,尽管仪器的安装高度较低(6.45m),湍谱特征仍与平坦均匀下垫面得到的一些典型结果基本一致,从而认为,在类似地区进行湍流通量等的直接观测时,对观测高度和地点的选择,可以不必象一些文献要求的那样高.     

FGGE年大气环流的谱能量学和瞬变波的时间谱

根据GFDL的FGGE观测资料的分析,给出了FGGE整年的大气环流谱能量学。能量变量的年变化很大,南北半球季节特征也有明显的差别。并研究了500和100hPa上瞬变波的时间谱。在气旋尺度扰动中,差不多整个斜压转换是由瞬变波完成的。     

从反射太阳光谱反演大气气溶胶体积谱分布的理论研究

由大气顶射出太阳辐射的形式解出发,结合球形粒子的米散射理论,由反射太阳光谱推导获得了反演整层大气气溶胶粒子体积谱分布的权重函数。在权重函数特征分析的基础上,根据一个简单的线性反演算法,利用大气辐射传输计算模拟的大气顶反射太阳光谱,反演获得了不同气溶胶浓度和复折射率条件下的气溶胶粒子体积谱。结果表明,初步建立了一套自洽的大气气溶胶体积谱分布的反演方法。通过米散射计算获得的反演参数考虑了波长对粒子半径的权重特征,使气溶胶体积谱的反演具有了明确的物理依据;同目前常用的查算表方法相比,简化了反演方案中参数化的复杂程度。     

大气气溶胶折射率虚部的宽谱反演方法 I. 理论

提出了从宽谱太阳漫射辐射信息反演大气气溶胶折射率虚部的新方法。通过敏感性分析发现:宽谱太阳漫射辐射对大气气溶胶折射率虚部的变化非常敏感,而对粒子谱分布、气溶胶折射率实部、地表反射率、大气中水汽和臭氧含量的变化不很敏感或弱敏感,因此可以从中较好地提取大气气溶胶折射率虚部。数值试验表明该方法具有较高的精度。     

大气气溶胶折射率虚部的宽谱反演方法I.理论

提出了从宽谱太阳漫射辐射信息反演大气气溶胶折射率虚部的新方法。通过敏感性分析发现：宽谱太阳漫射辐射对大气气溶胶折射率虚部的变化非常敏感,而对粒子谱分布、气溶胶折射率实部、地表反射率、大气中水汽和臭氧含量的变化不很敏感或弱敏感,因此可以从中较好地提取大气气溶胶折射率虚部。数值试验表明该方法具有较高的精度。     

风廓线雷达探测降水云体中雨滴谱的试验研究

对风廓线雷达探测降水时出现的双峰型功率谱密度分布的回波,进行大气返回信号和降水返回信号的剥离,由大气返回信号求出环境大气的垂直运动,导出降水质点下降末速度的功率谱密度分布,进而求出云体中的雨滴谱分布。对两次降水进行了雨滴谱反演试验,提取了不同高度上30多份雨滴谱分布,雨滴谱分布基本上呈现出指数分布形式。指数拟合后求出雨滴谱的浓度参数N0由几百到几千m-3mm-1,尺度参数λ为3.8～4.5 mm-1。试验中,还由反演的雨滴谱估算出云中含水量,得出降水云体中含水量随高度的分布,与附近多普勒天气雷达观测进行了比较。风廓线雷达与多普勒天气雷达探测到的回波强度随高度分布基本一致,云中含水量估算的均值基本相同,而风廓线雷达由雨滴谱估算出的含水量随高度分布可以反映出雨滴谱变化的影响,随高度分布更为精细。     

风廓线雷达探测大气返回信号谱的仿真模拟

利用2008年1—9月北京延庆地区对流层CFL-08风廓线雷达和2009年7—12月广东东莞地区边界层CFL-03风廓线雷达晴空大气探测资料,对大气返回信号功率谱密度分布及雷达系统噪声幅度统计特征进行分析。基于大气返回信号的谱分布符合高斯分布的统计结果,采用高斯模型对大气返回信号谱进行模拟;雷达系统噪声是白噪声,其谱线幅度的统计特征呈高斯分布,在此基础上,通过生成高斯分布随机函数对雷达探测输出信号进行信号谱分布的仿真模拟,并采用雷达探测信号的谱参数对仿真模拟进行检验,效果较好。该文应用仿真模拟的数据,对风廓线雷达信息处理方法及其处理精度进行了初步试验和分析。     

大气中动能的双向转化和单向转化

根据绝热无耗散大气总动能和总位涡拟能守恒的特性，本文讨论了二维平面上动能谱分布随时间变化的规律。结果表明，大气谱动能变化必然涉及至少三种不同的空间尺度；或遵从双向转化原则，或遵从单向转化原则。在讨论能量的双向转化和单向转化条件的基础上，本文还分别研究斜压大气和正压大气中能量转化的一般状况。     

边界层大气湍流特征的声雷达探测

声雷达可以直接测量温度脉动谱Φ_T(K_0)或温度结构系数C_T~2值。由于大气中谱的尺度很宽,在边界层大气中,用声雷达测得的Φ_T(K_0)或C_T~2是一个随机量,具有正偏态分布的特性,并满足对数正态分布。 从Φ_T(K_0)的频谱分析中得到,在频率为10~(-3)—3×10~(-3)秒~(-1)的范围内,存在着一个能量的峰值区,峰值和高频之间,能量的过渡带很陡。过去一般认为中尺度范围是大气谱段中能量的低值区。本文的分析发现,在中尺度范围内,无论在稳定或不稳定层结,经常存在着几分钟到十几分钟的周期活动,并对能量产生较大的贡献。这对今后大气湍流理论的研究,是一个值得注意的问题。此外,由于大气中谱尺度很宽,必须正确地选取气象要素或其它物理量的平均时间,才能获得稳定的气象要素的平均值。     

利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究

利用中国气象科学研究院2016年华南云降水试验中Ka波段毫米波雷达探测一次层状云降水过程,开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究,并与地面激光雨滴谱仪和微降水雷达的测量雨滴谱结果进行对比分析。首先,采用小粒子示踪法从功率谱密度中反演大气垂直速度以得到静止空气条件下的功率谱密度,进而利用粒子下落末速度-粒子直径关系反演出雨滴谱,最后进行标准化的Gamma分布拟合。研究表明:(1)云降水从零度层到地面1 km,主要由下沉气流主导,近地面大气浮游粒子和直流干扰造成的晴空杂波会影响雷达的功率谱分布;受动态范围限制,回波强度过饱和现象会影响近地面大气垂直速度的反演结果;(2)毫米波雷达CR、微雨雷达MRR和地面雨滴谱仪测量回波强度存在一定差异,MRR相较于CR与地面雨滴谱仪测量偏差较小;在稳定降水时CR和MRR功率谱密度对比较为一致;(3) CR和MRR反演雨滴谱对比实验中,雨滴谱反演对大气垂直速度十分敏感,大气垂直速度的变化,会使CR反演雨滴谱随着高度增加数浓度量级变大、粒子平均半径变小。CR反演的雨滴谱与M RR反演结果基本一致,验证了CR功率谱反演雨滴谱方法的可靠性;(4) CR与地面雨滴谱仪雨滴谱拟合参数的对比表明,CR大气垂直反演的雨滴谱与地面雨滴谱相比粒子平均直径Dm较小,数浓度则较为一致。     

风速垂直切变下非均匀层结大气中重力惯性内波的稳定性

本文应用WKB方法研究了在弱非均匀层结大气中,当基本气流具有弱垂直切变时,重力惯性内波的稳定性问题.由导得的波能量方程出发,分析了风速垂直切变及非均匀大气层结对重力惯性内波波能变化率的影响.     

消光—小角散射法遥感气溶胶谱分布的实验研究

本文主要论述了采用一台多波长光度计进行消光—小角前向散射的综合探测,并从实验数据反演了北京大气柱气溶胶谱分布,结合天气条件,初步讨论了谱分布的特点。     

天津市郊大气边界层湍谱特征分析

用１９９０年７月在天津市郊的观测资料，计算了风速谱、温度谱及动量和热量通量的协谱。结果表明，市郊下垫面上的大气湍流谱特征与平坦地形上得到的典型结果基本一致，但满足各向同性的湍流尺度似乎比在平坦地形上的略大，谱的峰值频率区域略窄，谱的低频区（含能区）特征与平坦地形上的情况也不同。     

青藏高原大气光学特性的测量与分析

本文在1986年6月西藏拉萨市十通道太阳光度计六天观测工作基础上，计算了高原地区的整层大气垂直光学厚度，与北京西郊1981年6月的资料对比表明，在可见和近红外波段，拉萨市的大气光学厚度只有北京的一半，甚至更小。分析了在高原地区利用臭氧的Chappuis吸收带反演大气臭氧总量的可行性、方法、结果及其合理性。接着，本文讨论了双通道法和多通道法计算水汽光学厚度的差别，并简要分析了影响水汽总量变化的原因。本文还讨论了拉萨地区六月份大气浑浊度的时变规律及其变化机制。大气浑浊度不仅与地面大气状况（对流、地面风速等）有关，而且取决于大气的湍流结构。最后，本文利用Philips—Twomey方法反演了气溶胶的谱分布，结果表明，高原六月份气溶胶谱形大多接近Junge分布形式。另外，文中还简单讨论了折射率对反演气溶胶谱的影响。     

黄山大气气溶胶浓度和尺宽谱分布特征

1988年9月与1989年5月,我们用DL-8318型多道光学粒子计数器在黄山光明顶气象站进行了大气气溶胶的观测。初步得出:黄山大气气溶胶粒子浓度较低,其谱分布模式符合Junge提出的幂指数律谱分布函数,平均相对误差为19%,相关系数为0.99。     

边界层大气的声雷达探测

声雷达可用于遥感探测边界层大气(1—2公里以下),能够实时地获得风速、风向、温度梯度以及风速脉动和温度脉动谱的空间分布和随时间的连续变化。由于边界层大气对人类活动有着最密切的、直接的联系,因而,遥感探测边界层大气气象要素的方法也得到了迅速发展。从1968年声雷达开始出现以来,已得到不少国家的重视和应用。