夏季青藏高原及其周边地区卫星MLS水汽、臭氧产品的探空检验分析

根据Aura卫星微波临边探测(MLS)2.2,3.3版水汽和臭氧廓线,采用线性内插方法,将夏季在青藏高原(西藏的那曲和拉萨)及其周边地区(云南腾冲)通过冷冻霜点仪(CFH)和电化学反应池型(ECC)探空仪分别测得的水汽和臭氧数据插值到与卫星产品规定的气压高度进行比较分析,以检验MLS水汽和臭氧廓线产品.结果表明:MLS 2.2和3.3版水汽相对误差在100 h Pa的对流层顶附近分别为(9.8±46.0)%(n=18),(23.0±45.8)%(n=17);在小于并包含82.5h Pa在内的下平流层则分别为(-2.2±15.7)%(n=74),(0.3±14.9)%(n=75);而在对流层316~121h Pa高度则分别为(21.5±90.6)%(n=104),(6.0±83.4)%(n=99).相应MLS 2.2,3.3版臭氧的误差分别为:(-3.5±54.4)%(n=27),(-8.7±41.6)%(n=38)(100 h Pa);(-11.7±16.3)%(n=135),(15.6±24.2)%(n=305)(下平流层);(18.0±79.1)%(n=47),(34.2±76.6)%(n=160)(对流层上层).MLS水汽和臭氧的误差垂直分布在对流层上层-平流层低层振荡和离散分布明显,部分误差可能由于此高度层水汽和臭氧浓度梯度大和比较用线性插值探空数据引起."臭氧低谷"期间,拉萨地区70 h Pa高度以下MLS卫星臭氧浓度误差明显增加;腾冲、那曲与拉萨三地的MLS臭氧误差的垂直分布特征较一致.卫星产品与探空测值的初步关系表明,MLS廓线的灵敏度与水汽和臭氧在大气中垂直分布有密切联系,3.3版水汽产品的灵敏度在82.5 h Pa以上高度略有提高,臭氧产品灵敏度没有明显变化.文中还讨论了导致MLS水汽和臭氧廓线产品误差的可能因素.     

北京城区河湖水质分析

调研结果显示,2003年北京城区河湖(11个监测水体)总磷、总氮含量分别为0．142mg/L、1．481mg/L,已达到比较 严重的富营养状态．北京城市河湖属于藻型水体,初级生产力主要决定于浮游藻类的群落结构与密度．河湖水体中浮游 藻类密度为37867．82×10~4cells/L,其群落由蓝藻(Cyanophyta)、绿藻(Chlorophyta)、硅藻(Bcillariophyta)、甲藻(Pyrrophy— ta)、隐藻(Cryptophyta)、黄藻(Xanthophyta)、金藻(Chrysophyta)和裸藻(Eugleniphyta)构成．群落中蓝藻占绝对优势 (89．54%)．在近几年的夏秋季连续发生程度不同的微囊藻(microcystis)水华,对水体功能和城市景观造成了不良影响． 主要原因是：(1)氮磷和有机物的污染,(2)给城市河湖补给的水量少,(3)河湖生态系统被损害,水体自净能力差．本文 对如何改善北京城市河湖水质提出了建议．     

北京城区二氧化碳浓度和通量的梯度变化特征——I浓度与虚温

根据北京塔7层涡动系统2012年5月至2013年12月的湍流观测数据,分析了北京城区二氧化碳浓度在不同高度层次的日变化和月变化特征,并初步给出不同季节和日变化时间段内二氧化碳的浓度垂直廓线.结果表明:二氧化碳浓度整体随高度而下降;各观测层均有浓度的明显日变化,夏季最为明显,冬季相对平缓;近地层浓度直接受城市供暖、地表植被、交通运输等碳源影响,更高观测层浓度则受对流输送和天气过程影响较大;垂直方向上,冬季浓度变化范围最大,夏季层间浓度变化最明显;在一天中的任何时刻,近地面层二氧化碳浓度的日变化最低值一般出现在夏季,50m以上则出现在春季,浓度最高值总是出现在冬季;根据对二氧化碳浓度四季垂直廓线变化的分析可以看出,边界层二氧化碳浓度强烈受到碳源、下垫面植被、大气稳定度、环境温度和天气过程等因素的影响.     

測量大气臭氧垂直分布的逆轉方法——对逆轉方法的改进

本文给出了1个新的测量大气臭氧垂直分布的逆转方法,该方法将臭氧层分为6层,各层的臭氧含量,前后两次用图解法由联立方程定量的解出。使用这个方法,我们对在北京观测的10条逆转曲线作了计算,并将这些计算结果作了讨论及初步的误差估计。     

南极大气臭氧和温度垂直结构及其季节变化的研究

利用南极中山站2008年2月至2009年2月臭氧和温度探空等资料,对中山站上空大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征进行了研究.结果表明,在中山站上空热对流层顶和臭氧对流层顶的高度相近,年平均高度分别为7.9和7.4km.对流层顶的气压和温度都存在位相相反一波型季节变化.春季和冬季对流层顶的温度转折没有夏季和秋季明显,而依据臭氧变化恰能更好地确定对流层顶高度.在对流层臭氧垂直分布的季节变化不显著;而平流层却十分明显.春季下平流层臭氧严重耗损,14km处的臭氧最小分压仅为1.57MPa,最大分压出现在上平流层,其他季节下平流层臭氧随高度增加而升高.春季下平流层臭氧的严重损耗,与极夜过后低温条件和平流层冰晶云表面消耗臭氧的光化学过程有密切关系.大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征,对春季南极臭氧洞的形成和发展具有重要意义.     

北京城区的气象效应

近十几年来,世界各国的科学工作者越来越重视人类活动对天气、气候影响的研究,其中尤以大工业城市引起的气象效应和人类的关系更为密切。城市的兴起改变了下垫面的状况,使城市和郊区的地面辐射平衡产生明显的差异;城市建筑物林立,不透水地面面积的增多,使下垫面的粗糙度、蒸发和热量平衡不同于郊区。此外,城市工业和人类活动释放大量的热量、二氧化碳和飘尘都会影响城区近地层大气的辐射平衡和热量平衡过程。上述种种原因使得城区上空的气象要素值和大气物理量与郊区明显地不同,见表1。     

北京城区的气象效应

近十几年来,世界各国的科学工作者越来越重视人类活动对天气、气候影响的研究,其中尤以大工业城市引起的气象效应和人类的关系更为密切。城市的兴起改变了下垫面的状况,使城市和郊区的地面辐射平衡产生明显的差异;城市建筑物林立,不透水地面面积的增多,使下垫面的粗糙度、蒸发和热量平衡不同于郊区。此外,城市工业和人类活动释放大量的热量、二氧化碳和飘尘都会影响城区近地层大气的辐射平衡和热量平衡过程。上述种种原因使得城区上空的气象要素值和大气物理量与郊区明显地不同,见表1。     

东南亚地区生物体燃烧影响华南地区对流层臭氧垂直分布的个例分析

2001年3月7日与8日在香港与昆明用电化学臭氧探空仪探测到了对流层低层异常的高浓度臭氧分布. 本文使用NCEP（美国环境预报中心）分析资料、中尺度数值模式MM5模拟的大气环流数据、卫星观测的东南亚地区的生物体燃烧状况、气溶胶指数等资料,分析了这段时间的天气形势、大气环流、空气的后向轨迹以及生物体燃烧产生的烟尘的轨迹,结果发现高浓度的臭氧空气来源于有生物体燃烧的中南半岛地区. 燃烧烟尘的轨迹还表明生物体燃烧地区的下风方的对流层低层臭氧的分布会受到上游地区生物体燃烧产物的影响.     

北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污染物浓度关系的研究

利用2001年3月19~29日和2003年8月11~25日中国科学院大气物理研究所325m大气边界层观测塔资料,分析研讨了北京城市大气边界层低层的垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系.对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料,综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征及其与污染物浓度空间分布的关系,同时分析了北京地区沙尘天气过程中城市边界层低层垂直结构特征及其污染物浓度的分布与变化特征.分析结果表明,在不稳定层结条件下,47和120m高度上无因次速度湍流方差和温度湍流方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,并给出相应的拟合公式.稳定大气边界层可按层结参数z′/L分成二分区,z′/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z′/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大的趋势,而无因次温度方差则保持不变.白天近地层包含了47和120m,而280m已在近地层之上.对2001年3月北京地区一次沙尘天气过程的城市边界层资料分析发现,320m高度上总悬浮颗粒物浓度最高达到913.3μg/m3,在边界层内大气颗粒物从上层向低层输送,这与锋面过境时低空急流从上层向下发展过程并伴随的强下沉运动有关.     

測量大气臭氧垂直分布的逆轉方法<C>——对逆轉方法<A><B>的改进

本文给出了1个新的测量大气臭氧垂直分布的逆转方法,该方法将臭氧层分为6层,各层的臭氧含量,前后两次用图解法由联立方程定量的解出。使用这个方法,我们对在北京观测的10条逆转曲线作了计算,并将这些计算结果作了讨论及初步的误差估计。     

Vertical distribution of ozone in the planetary boundary layer at the Ming Tombs, Beijing

Surface ozone (O3) and vertical O3 distribution in the planetary boundary layer (PBL) at the Ming Tombs (40°17′15″N, 116°12′51″E), Beijing during September 7―12, 2001 were measured by ground based measurements and an in-situ tethersonde system. The results indicated that O3 concentration measured at surface level agreed well with that measured by tethersonde system in daytime when active thermal mixing was dominated. Ozone showed the lowest concentration before the sunrise and then gradually increased in the morning and reached the maximum in the afternoon 14:00―17:00 (lst). After sunset, O3 gradually decreased and resulted in low value below 200―300 m due to surface loss processes and chemical destruction in stable boundary layer characterized by temperature inversions. High O3 was observed whenever there was pollutants transport from the metropolitan areas of Beijing. Our analysis suggested the complex terrain of the Ming Tombs region caused pollutants transported from Beijing to accumulate in the PBL, and resulted in severe O3 pollution, with a maximum over 160×10-9, when the synoptic conditions was favorable for photochemical O3 production.     

边界层参数化方案对边界层热力和动力结构特征影响的比较

本文利用高分辨率中尺度WRF模式,通过改变边界层参数化方案进行多组试验,评估该模式对美国北部森林地区边界层结构的模拟能力,同时比较了五种不同边界层参数化方案模拟得出的边界层热力和动力结构.结果表明：除个别方案外,配合不同边界层方案的WRF模式都能成功模拟出白天对流边界层强湍流混合特征和夜间稳定边界层内强逆温、逆湿和低空急流等热力和动力结构.非局地YSU、ACM2方案在白天表现出强的湍流混合和卷夹,相比于局地MYJ、UW方案,模拟的对流边界层温度更高、湿度更低、混合层高度更高、感热通量更大,更接近实际观测,这表明在不稳定层结下考虑非局地大涡输送更为合理,但局地方案在风速和风向的预报上存在一定优势.TEMF方案得到的白天局地湍流混合强度为所有方案中最弱,混合层难以发展,无法体现对流边界层内气象要素垂直分布均匀的特点.对于夜间稳定边界层的模拟,不同参数化方案之间的差异较小,但是YSU方案在一定程度上高估了机械湍流,导致局地湍流混合偏强,从而影响了其对稳定边界层的模拟能力.     

The vertical distribution characteristics of integral turbulence statistics in the atmospheric boundary layer over an urban area in Beijing

Turbulence data(2008–2012) from a 325 m meteorological tower in Beijing, which consisted of three layers(47,140, and 280 m), was used to analyze the vertical distribution characteristics of turbulent transfer over Beijing city according to similarity theory. The conclusions were as follows.(1) Normalized standard deviations of wind speeds/ui * were plotted as a function only of a local stability parameter. The values under near-neutral conditions were 2.15, 1.61, and 1.19 at 47 m, 2.39, 1.75,and 1.21 at 140 m, and 2.51, 1.77, and 1.30 at 280 m, showing a clear increase with height. The normalized standard deviation of wind components fitted the 1/3 law under unstable stratification conditions and decreased with height under both stable and unstable conditions.(2) The normalized standard deviation of temperature fitted the.1/3 law in the free convection limit, but was quite scattered with different characteristics under near-neutral conditions. The normalized standard deviations of humidity and the CO2 concentration fitted the.1/3 law under unstable conditions, and remained constant under near-neutral and stable stratification. The normalized standard deviation of scalars, i.e., temperature, humidity, and CO2 concentration, all increased with height.(3) Compared with momentum, and the water vapor and CO2 concentrations, the turbulence correlation coefficient for heat was smaller under near-neutral conditions, but larger under both stable and unstable conditions. A dissimilarity between heat, and the water vapor and CO2 concentrations was observed in urban areas. The relative correlation coefficients between heat and each of momentum, humidity, and CO2 concentration(|rwT/ruw|, |rwT/rwc| and |rwT/ruq|) in the lower layers were always larger than in higher layers, except for the relative correlation coefficient between heat and humidity in an unstable stratification. Therefore, the ratio between heat and each of momentum, humidity, and CO2 concentration decreased with height.     

北京夏季晴天边界层特征及城市下垫面对海风影响的数值模拟

对耦合了Noah陆面模式和单层城市冠层模式的WRF(Weather Research and Forecasting)模式系统进行了改进和优化,通过对2010年8月6－7日北京地区晴天个例的模拟试验,检验了优化前后模式系统的模拟能力,分析研究了该个例中城市边界层的特征及日变化.另外,使用优化后的模拟系统通过两组敏感性试验研究了京津城市下垫面对海风的影响.结果表明,优化方案能够显著提高模式系统对该个例的模拟性能,模式系统基本能够模拟出北京夏季边界层的日变化特征,精确的地表使用类型分类等地理信息数据对提高模式预报的准确度有着至关重要的作用,京津城市对海风的发展和推进过程有明显影响,能够阻碍海风的推进、加强风场的水平辐合和垂直上升气流,北京城市下垫面还能在海风到达前增加其强度和推进速度,并在海风经过后延缓其消亡、增加其推进距离.     

大气污染对北京冬季城市和郊区辐射收支影响的观测分析

近年来城市化和大气污染对辐射收支的影响日益显著.本研究利用2013-2014年中国科学院大气物理研究所325m铁塔、南郊观象台、密云气象塔、上甸子区域大气本底站四个观测站点的辐射及自动站气象要素数据,采用南郊观象台的能见度资料将观测数据分为清洁天和污染天,并进行类比分析,以1月份为例,研究了北京地区大气污染和城郊差异对辐射收支的影响.结果表明：（1）从月平均值来看,各站污染天入射短波辐射均小于清洁天,衰减最大可达55.8 W·m-2,直接辐射亦然,衰减最大可达161.1 W·m-2,散射辐射相反,增加最大值为72.2 W·m-2;长波辐射污染天大于清洁天,向下向上长波辐射增加最大值分别为85.0 W·m2和70.0 W·m-2,且长波辐射的衰减与污染物浓度和大气温度相关;净辐射白天污染天小于清洁天,夜间相反.（2）从各站的对比可知,大气污染对入射短波辐射的衰减,南部郊区（13.2%）大于北部城区（7.4%）,与北京地区“南北两重天”的污染物分布特征一致;且污染物对长短波辐射的影响呈现了从城区到郊区衰减率依次减小的现象.本研究为大气污染与气象条件的相互作用研究提供了观测基础.     

南京城市化进程对大气边界层的影响研究

为了研究城市化进程对城市边界层结构的影响,通过高分辨率的卫星遥感资料获得土地利用类型,以及地表反照率、植被指数等地表参数,以南京为例,运用数值模拟手段进行了研究,结果显示这是一种可行的手段.数值模拟结果表明,随着城市的发展,城市反照率减小、植被减少、地表湿度减小,蒸发耗热减少,感热通量增加140 W/m2,城市波恩比增加.地表和大气之间热量交换加强,湍流热量通量增大了一倍,湍流交换发展加剧,14：00混合层高度抬高了500 m.地表湍流水汽通量和空气中水汽含量都减小,这也使更多的热量用于加热地表和大气,使地温、气温的日变化幅度增加.     

北京城市化进程对城市热岛的影响研究

利用1971～2000年北京20个气象观测站逐日４个时次（02:00、08:00、14:00、20:00）的温度资料,选取具有代表性的城区和郊区多个站点的平均值对北京城市化进程对城市热岛效应的影响、城市热岛强度的日变化和长期变化进行了研究.分析结果指出：（1）北京城市热岛强度和总人口对数呈线性相关关系,其长期变化相关系数为0.76;（2）北京城市建成区的范围与城市热岛影响范围呈同步变化趋势;(3)不同时次城市热岛强度的长期变化指出,北京城市热岛强度以平均每10年0.22℃的速率加剧,其中1999年北京热岛强度达1.13℃（夜间,02:00）;(4)夜间热岛强度明显大于日间.就10年平均而言, 20世纪80年代和90年代夜戒热岛强度均超过0.5℃;(5)一天4个时次热岛强度的季节变化趋势基本一致,均表现为冬季强、夏季弱.并且,夜间02:00时热岛最强,中午14:00时热岛最弱.     

北京城市化进程对边界层风场结构影响的研究

随着近10年来北京城市化步伐的加快,城市规模迅速扩大,北京三环以外的地区已由20世纪七、八十年代的城郊非均匀下垫面发展成现在粗糙复杂的城区下垫面,市区建筑物相应增多、增密和增高,导致城区地面动力学粗糙度明显增大.本文统计分析了北京325 m气象塔1994年和1997～2003年夏季平均场观测资料,结果表明:(1)在受下垫面影响最为剧烈的近地层,风向逐年趋于紊乱,现在气象塔周围近地面的流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征;(2)近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减的趋势,而且距离地表越近,平均风速逐年递减的趋势也越为显著,这种风速逐年递减的趋势直到63 m左右才不明显,说明现在气象塔47 m以下的观测资料反映的是城市冠层的流场特征,城市冠层厚度约在47～63 m之间;(3)随着北京城市化的发展,城区近地面的平均风速存在逐年递减的趋势,但阵风并不存在相似的递减趋势,表明城市冠层的抬升对阵风的影响并不显著.     

Three-layer model for vertical velocity distribution in open channel flow with submerged rigid vegetation

Based on the detailed laboratory experiments and theoretical analysis, a new three-layer model is proposed to predict the vertical velocity distribution in an open channel flow with submerged vegetation. The time averaged velocity and turbulence behaviour of a steady uniform flow with fully submerged artificial rigid vegetation was measured using a 3D Micro ADV, and the vertical distribution of velocity and Reynolds shear stress at different vegetation height, vegetation density and measuring positions were obtained. The results show that the velocity profile consists of three hydrodynamic regimes (i.e. the upper non-vegetated layer, the outer and bottom layer within vegetation); accordingly different methods had been adopted to describe the vertical velocity distribution. For the upper non-vegetated layer, a modified mixing length theory combined with the concept of ‘the new vegetation boundary layer’ was adopted, and an analytical model was presented to predict the vertical velocity distribution in this region. For the bottom layer within vegetation, the depth average velocity was obtained by numerically solving the momentum equations. For the upper layer within vegetation, the analytical solution was presented by expressing the shear stress as a formula fitted to the experimental data. Finally, the analytical predictions of the vertical velocity over the whole flow depth were compared with the results obtained by other researchers, and the good agreement proved that the three-layer model can be used to predict the velocity distribution of the open channel flow with submerged rigid vegetation.     

北京地区夏季城市气候趋势和环境效应的分析研究

本文利用1994～2003年北京市11个气象台站的7、8月夏季常规地面观测资料,并结合中国科学院大气物理研究所325m高铁塔观测资料,分析了近10年的城市化进程对北京市夏季城市气候造成的影响. 结果表明,各气象要素变化都突现了城市化进程的影响：(1)城区相对湿度较郊区明显偏小,呈现一“干岛”特征,且相对湿度呈逐年下降趋势;(2)降水方面,近10年来,北京市的夏季降水量逐年下降非常明显;(3)平均日蒸发量和日照时数城区大于郊区;(4)虽然城区能见度明显小于郊区,但总体来讲,1999年以后,北京地区的能见度趋好;(5)地温同样存在城市热岛现象;(6)北京地区35℃以上高温天数基本呈增多趋势,且城区高温天数明显多于郊区;(7)边界层强逆温的存在有利于城市夏季强热岛的出现.