内蒙古草原近地层垂直风速廓线的观测研究

利用中国国家气候中心2009-2010年在内蒙古锡林浩特开展的100 m铁塔大气湍流观测数据,分析了不同稳定度条件下的垂直风廓线变化特征,并在局地相似理论基础上建立了垂直风廓线表达式。结果表明:(1)内蒙古草原近地层大气中,不稳定层结和稳定层结条件发生的概率远高于中性和弱不稳定、弱稳定层结的发生概率。(2)稳定层结时,大气特性在垂直方向上变化较明显,需要按照不同的高度层分别研究其风速的变化规律。根据内蒙古锡林浩特草原大气湍流观测资料得到,稳定层结时的无因次风速梯度随稳定度ξ的变化关系可以表达为1+β_mξ,其中β_m的取值与距地面高度有关:30 m高度及以下,β_m取4.3-5.4;高度在(30 m,50 m],β_m取2.9-3.4;50 m及以上高度,β_m取2.0-2.9。     

风沙流中风速廓线的数值模拟与实验验证

如何描述风沙流中被风沙运动改变了的风速廓线是风沙相互作用研究中的关键问题之一.该文中将跃移风沙流视为一种颗粒拟流体,将跃移颗粒对气流产生的阻力用颗粒流的阻力系数来表达,建立了描写两场相互作用的数学模型.颗粒流的阻力系数采用了前人在液态流化床研究中得出的阻力系数表达形式,通过引入一个修正系数,使其适用于风沙流(气-固两相流).将风沙边界层划分为跃移颗粒所产生的阻力不可忽略的内边界层和跃移颗粒阻力可以忽略但受内边界层影响的外边界层,分别建立了内边界层和外边界层的风速廓线表达式.应用所建立的数学模型,根据由风洞实验测定的跃移风沙流的浓度分布和速度分布资料,计算了跃移风沙流中的风速廓线,并与风洞实测结果进行了对比.结果表明,计算风速廓线与实测风速廓线吻合得比较好,在半对数图上均为上凸的曲线,有别于无风沙运动时的直线.跃移边界层外风速分布可较好地用对数函数来描述.对风沙流中风速廓线的进一步分析证实了风沙物理学奠基人Bagnold在其早期观测风沙流中的风速廓线时提出的"结点现象"(Bagnold结),该结点的高度随风速的增大而升高,随颗粒粒径的增大而降低.根据数值模拟和模拟实验,可以认为有风沙运动的动床剪切风速是综合反映风场与跃移层以及地表之间相互作用的物理量.     

频散效应对近地面层风速廓线的影响

应用含湍流频散效应的近地面层的运动方程求解了不同层结下的风速廓线，着重分析了湍流频散效应对近地面层平稳运动的影响。分析指出：湍流的频散效应对经典的幂律廓线一对数修正，该修正在不稳定层结时比稳定层时明显；利用相似理论也得到了该常数。     

海面与海岸陆面风速廓线特征

利用位于江苏海岸陆地的两座测风塔以及福建海面的一座测风塔气象要素资料,分析了这两种下垫面风速、湍流等要素的日变化规律及廓线特征,探讨了这两种不同下垫面特征导致的风力特征差异。结果表明:海岸陆面日最大风速出现时间较内陆滞后,最小风速出现时间与内陆相差不大,风速日变化位相随高度滞后,日振幅随高度减小,冬季70 m高度风速日变化特征与10 m高度风速日变化特征相反,夜间大于白天,说明冬季的过渡层转换高度低于夏季;海面风速的日变化位相、日振幅等特征随高度变化很小。两种下垫面的风廓线用对数律、指数律拟合的效果相当,海岸陆面的风廓线指数呈现的规律为离岸风组大于向岸风组,冬季大于夏季;海面风廓线指数呈现的规律则是向岸风组大于离岸风组,夏季大于冬季。     

切向风速水平廓线对台风路径和强度的影响

用一个β平面的准地转模式和一个高分辨率的f平面准地转模式，实施了6组试验，研究了初始台风切向风速水平廓线对台风路径和强度的影响。结果表明：切向风速峰值区狭窄，最大风速半径较小的廓线，与偏西北方向的路径以及强度维持或增强相对应；峰值区宽平，最大风速半径较大的廓线，与北折转向的路径以及强度衰减相对应。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴过境时近地层风速、温度和湿度廓线特征

利用塔中80m梯度观测塔探测系统采集的资料,详细的分析了2006年4月10日沙尘暴过境时,塔克拉玛干沙漠腹地近地层风速、温度和湿度廓线的演变特征。结果表明:风速廓线满足风速值随高度增高而增大,风速梯度随高度增高而减小的对数律关系;沙尘暴由爆发前到过境时,温度廓线的温度值由随高度增高而增大转变为温度值随高度增高而减小,同时在贴地层2m处存在一微弱拐点;沙尘暴过境时,近地层大气出现微弱逆湿现象,并在不同高度上存在多处拐点,比湿增减在时间上与风速的增减呈负相关性,且整个沙尘暴天气是一个降温增湿的过程。     

湖北省近地层风切变特征

为准确掌握湖北省平原湖区近地层风切变特征,利用27座离地高度为120～150m测风塔各1年的逐时测风数据,研究了70～120m间风切变的时空变化特征。结果表明:(1)风切变指数具有明显的季节、日变化特征,普遍在秋冬季最小、夏季较大,夜间大、白天小;(2)位于平原湖区和山区的测风塔在70～120m间的年平均风切变指数分别为0.27和0.12。各塔风切变指数从70m至150m逐渐减小;(3)6座典型测风塔70～120m风切变指数在较稳定状态下的频率最高,为59%～75%;在不稳定条件下的频率最低,均不超过5%;(4)当70m风速在3.0m/s以下、3.0～10.0m/s及10.0m/s以上3个区段时,风切变指数由小变大,在3.0～10.0m/s风速段与年平均风切变指数最接近,10.0m/s以上风切变指数离散性最强;(5)分别推算出实测和数值模拟的风切变指数,中部平原地区实测值明显高于模拟值,总体偏差范围是-0.06～0.14。该结论可用于近地层低风速地区不同高度的风速推算或订正,以提高这类地区风能资源评价、开发规划、风电场选址的科学性以及风电功率预测的准确性。     

二参数Weibull分布函数对近地层风速的拟合及应用

该文用二参数Weibull分布函数对武汉地区3年近地层5～146 m塔层6个层次的风速进行拟合,主要分析了分布函数中形状参数和尺度参数的获取方法。通过与实际值的对比,表明经验法优于最小二乘法。运用此方法,对近地层风能进行估算,其结果与常规方法的最大相对误差为2.7%,最小仅为0.1%。并在最后讨论了风能和垂直分布规律。     

风廓线与测风塔资料在地面风场预报中的应用研究

运用四维同化方法将风廓线雷达和测风塔资料应用到WRF模式中,通过对比资料同化前后模式对地面风场的预报效果可知,加入风廓线雷达和测风塔资料后模式对风速的预报效果有明显提高,对风向的预报也有一定程度的改善;资料同化结束后,模式预报在49h内对地面风场预报效果仍有明显改善,但随着模式预报时间的增加,在模式积分49h以后,同化资料前后模式对地面风场的预报效果无明显变化。另外,通过对资料同化前后模式对风速预报误差的分析可知,在对模式风场预报的改进中风廓线雷达资料的贡献大于测风塔资料的贡献。     

风廓线雷达资料在暴雨天气过程特征分析中的应用

为了研究风廓线雷达在暴雨天气过程预报中的作用,对2008年6月1日至6月2日云南大理发生的一次暴雨过程进行研究。结果表明,降水前三维风的脉动变化较大,水平风在垂直方向上存在风速切变,最大探测高度明显升高;降水期间可以对降水性质进行判断;降水期间功率谱密度出现双峰谱,能测出垂直气流速度及下降粒子速度,通过这样的分析,便于开展更深层次的降水物理过程研究。     

风廓线雷达组网资料初步对比分析

以L波段探空雷达探测到的水平风为标准对全国风廓线雷达探测到的水平风的可信度进行评估,得到:风廓线雷达探测到的水平风在700 hPa高度以下与L波段探空雷达测风有较好的一致性;并且将风廓线雷达探测到的垂直速度与同址地面自动气象站观测到的1 h雨量进行相关性分析,得出垂直速度大小能很清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度;最后将全国风廓线雷达探测到的水平风进行组网对比分析,得出全国风廓线雷达探测得到的水平风在700 hPa高度下是可信的,风向可信度随探测高度的增加而增大。风速可信度随探测高度的增加而降低。     

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。     

近地层风能参数随高度分布的推算方法研究

应用江苏和吉林的12个测风塔资料,对两个地区的风能参数进行了统计和分析,探讨了一种用10m高度风速资料推算近地层内任意高度上平均风功率密度的新方法.结果表明:应用该方法交互拟合不同高度的平均风功率密度,平均误差4.4%,最大误差13.3%,优于指数律的平均误差7.8%,最大误差22.0%,效果较为理想.     

Roll Vortices in the Boundary Layer Caused by a Concave Wind Profile: A Theoretical Study

The present study solves a two-layer atmospheric wave equation model with a lower atmosphere concave wind profile and cold-air outbreak over sea, while simultaneously proving that such a wind shear may cause neutral boundary layer roll vortices in the presence of disturbing sources upstream. Without thermal effects, the wind shear-induced waves have band structures at the top of the boundary layer that are similar to cloud street patterns observed over sea. This study proves that dynamic and thermal effects can act independently to initiate the roll vortices in the lower atmosphere. At the same time, a quantitative comparison shows that dynamic effects play a large role in the formation of roll vortices in the initial stage of cold-air outbreak and will be surpassed by thermal effects soon after surface heating commences.     

我国不同下垫面的近地层风切变指数研究

利用国家气候中心2009-2011年在内蒙古锡林浩特市、河北黄骅市、江西湖口县和星子县开展的100 m铁塔大气湍流观测试验数据,分析不同下垫面、不同稳定度条件下地面到100 m的风切变指数变化情况,得到了一些有意义的结论:(1)内陆简单地形整体风切变指数α0.3的情况出现在稳定和非常稳定层结状态下,分层风切变指数α0.4的频率为2.95%;(2)沿海平坦地形大气层结越稳定,整体风切变指数α的高值出现频率越高,分层风切变指数α0.4的频率略高,为4.2%;(3)对于内陆湖复杂地形,星子地形更为复杂,大于0.3的整体风切变指数出现频率高,分层风切变指数α0.4的频率高达10%,而湖口大于0.3的整体风切变指数值出现频率略低,分层风切变指数α0.4的频率为3.37%。(4)按照风力发电机组设计要求中假设风切变指数α为0.2,一般会过高的估计轮毂高度的风速。     

基于风廓线雷达资料的暴雪天气过程分析

利用常规观测资料和风廓线雷达产品对平顶山市2014年2月5—6日的暴雪天气过程进行诊断分析,结果表明:欧亚地区"两槽一脊"的环流背景下,700 h Pa西南急流、850 h Pa切变线和地面中尺度辐合线是这次暴雪的影响系统。风廓线雷达水平风资料可以清楚地展示暴雪过程风场"天南地北"的垂直结构及其变化特点。2500 m以上出现西南急流,同时720 m以下出现东北风,降雪开始。2500 m以上西南急流最大风速达到20m·s~(-1),近地面出现12 m·s~(-1)的东北风,降雪开始加大;近地面东北风减弱,降雪减弱;西南急流消失,近地面层出现偏北风,降雪停止。垂直速度的大小与降雪的强弱一致,降雪越强,速度越大;垂直速度小于0.5 m·s~(-1),降雪停止。大气折射率常数C2n在-144~-120 d B且接地,为降雪时段。降雪越强,C2n越大;C2n小于-144 d B时,降雪停止。垂直速度、折射率结构常数等指标的变化能够反映降雪的开始、发展和结束及降雪的强度,为精细化预报提供参考。