基于风廓线雷达的对流边界层高度的确定

大气边界层高度对于天气、气候和大气污染研究是一个至关重要的参量。对流边界层(Convective Boundary Layer,CBL)顶部的夹卷过程造成温度和湿度垂直梯度增强,导致这一层的折射率结构常数C■变高。C■的这种垂直分布特征经常被用来定位出CBL高度Z_i。本文利用2010年7—8月天津大港的风廓线雷达数据推断出CBL高度Z_i,对于多重C■峰值或不明确的C■峰值,本文改进了对Z_i的测定,分别讨论了C■最大后向散射法与C■和垂直速度方差(σ■)相结合的新方法的适用性。研究显示:(1)C■廓线具有单峰时,最大后向散射强度法能正确估计CBL高度,这种情况往往对应的是晴天。CBL上存在的残留层或云层引起的温湿起伏变化导致C■廓线具有双峰甚至多峰时,最大后向散射强度法可能会错误估计CBL高度;(2)C■和σ■结合的方法不仅与晴天时C■最大后向散射法有较好的一致性,而且可以将CBL造成的C■峰值从云层造成的C■峰值中区分出来,从而正确估计CBL高度;(3)一般而言,对流边界层中存在有明显的、破碎或者分散不明显的云时,C■和σ■结合的方法都能较好地识别出CBL对应的C■峰值。但由于边界层中的情况极为复杂,C■和σ■结合法也会因不同的原因而错误估计CBL高度。     

湍流频散对边界层风廓线的影响

应用包括湍流粘性和频散的新的Reynolds平均动量方程，分析了边界层的垂直风速廓线，发现包含湍流频散的地面层的风速廓线对经典的风廓线指数规律有一个对数规律的修改；而且在不稳定层结下比在稳定层结下，湍流的频散效应更为显；在中性条件下，指数规律退化为对数规律并且Karman常数被另外一个常数所代替，而这个新常数也可以通过相似理论来获得。     

Comparing mixing-length models of the diabatic wind profile over homogeneous terrain

Models of the diabatic wind profile over homogeneous terrain for the entire atmospheric boundary layer are developed using mixing-length theory and are compared to wind speed observations up to 300 m at the National Test Station for Wind Turbines at Høvsøre, Denmark. The measurements are performed within a wide range of atmospheric stability conditions, which allows a comparison of the models with the average wind profile computed in seven stability classes, showing a better agreement than compared to the traditional surface-layer wind profile. The wind profile is measured by combining cup anemometer and lidar observations, showing good agreement at the overlapping heights. The height of the boundary layer, a parameter required for the wind profile models, is estimated under neutral and stable conditions using surface-layer turbulence measurements, and under unstable conditions based on the aerosol backscatter profile from ceilometer observations.     

Measurements and Modelling of the Wind Speed Profile in the Marine Atmospheric Boundary Layer

We present measurements from 2006 of the marine wind speed profile at a site located 18 km from the west coast of Denmark in the North Sea. Measurements from mast-mounted cup anemometers up to a height of 45 m are extended to 161 m using LiDAR observations. Atmospheric turbulent flux measurements performed in 2004 with a sonic anemometer are compared to a bulk Richardson number formulation of the atmospheric stability. This is used to classify the LiDAR/cup wind speed profiles into atmospheric stability classes. The observations are compared to a simplified model for the wind speed profile that accounts for the effect of the boundary-layer height. For unstable and neutral atmospheric conditions the boundary-layer height could be neglected, whereas for stable conditions it is comparable to the measuring heights and therefore essential to include. It is interesting to note that, although it is derived from a different physical approach, the simplified wind speed profile conforms to the traditional expressions of the surface layer when the effect of the boundary-layer height is neglected.     

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。     

一次短时暴雨WP-3000边界层风廓线雷达回波分析

运用风廓线雷达产品等对2010年7月20日南京浦口区短时暴雨过程进行分析。结果表明：根据风廓线雷达产品和多普勒雷达产品在暴雨过程中的表现特征,发现在整个降水过程的不同时间段,风廓线雷达产品的水平风廓线、信号噪声比、垂直气流和折射率结构常数,以及多普勒雷达产品的基本反射率、风廓线等均表现出非常明显的特征,并且两者产品有着较好的对应关系。利用雷达回波图像可以直观反映降水过程中大气的变化情况,证明了风廓线雷达产品对暴雨等强对流天气预测作用显著。     

一次短时暴雨WP-3000边界层风廓线雷达回波与多普勒雷达回波分析

运用风廓线雷达产品等对2010年7月20日出现在南京浦口区短时暴雨过程进行分析。结果表明：根据风廓线雷达产品和多普勒雷达产品在暴雨过程中的表现特征,发现在整个降水过程的不同时间段,风廓线雷达产品的水平风廓线、信号噪声比、垂直气流和折射率结构常数,以及多普勒雷达产品的基本反射率、风廓线等都表现出非常明显的特征,并且两者产品有着较好的对应关系。利用雷达回波图像可以直观地反映降水过程中大气的变化情况,证明了风廓线雷达产品对暴雨等强对流天气预测起着重要作用。     

Simulation of three-dimensional wind flow over complex terrain in the atmospheric boundary layer

A three-dimensional model for wind prediction over rough terrain has been developed for practical use. It is a compromise between hydrodynamic and objective wind models. The proposed model includes: (1) a statistical model to predict the wind velocity and potential temperature at anemometer height at observing stations, (2) the drainage wind model expressed by Prandtl's analytic solution for the slope wind, (3) the Businger-Dyer surface-layer formulation which considers the surface energy budget and (4) the model for three-dimensional boundary-layer solutions to the stationary flow. In this model, mass consistency is guaranteed by using flow fields that satisfy the continuity equation. Model predictions show good agreement with the observations.     

济南边界层风廓线雷达与L波段雷达探空测风资料对比研究

采用统计、相关分析等方法,对2014年济南站边界层风廓线雷达观测资料和L波段雷达探空资料进行了长期时空变化规律的对比,进而研究了地面无降雨、有降雨时段两者的风向、风速数据的相关关系及差值。结果得出全年有降雨、无降雨时段两者的风向、风速总体一致性较好,相关性较高,并具有较好可比性和互补性的结论,对了解固定式边界层风廓线雷达探测的准确性,改进观测资料质量控制方法等具有很好的参考价值。     

The influence of the geostrophic wind advection approximation on a well-mixed layer

Numerical results indicate that advection of momentum in the boundary layer may significantly alter both the structure of the planetary boundary layer and its influence on the overlying free atmosphere. However, due to the nonlinearity of the inertial terms, it is always difficult to obtain the analytical solution of the boundary-layer model that retains the flow acceleration. In order to overcome this difficulty, the geostrophic momentum (hereafter GM) approximation has been introduced into boundary-layer models. By replacing the advected momentum with the geostrophic wind, the effect of the flow acceleration is partially considered and the original nonlinear partial differential equation set is converted to ordinary differential equations, the solutions of which can be obtained easily with standard techniques. However, the model employing GM fails to capture the features of the boundary layer when the spatio-temporal variation of the boundary-layer flow cannot be properly approximated by the geostrophic wind. In the present work, a modified boundary-layer model with the inertial acceleration in a different approximate form is proposed, in which the advecting wind instead of the advected momentum is approximated by the geostrophic wind (hereafter GAM).Comparing the horizontal velocity and boundary-layer pumping obtained from the classical Ekman theory, and the model incorporating (i) GM and (ii) GAM, it is found that the model with GAM describes most facets of the steady well-mixed layer beneath a north-westerly flow with embedded mesoscale perturbations that is considered in the present work. Inspection of the solution of the model with GAM shows that, within the limit of the validation of the model (i.e., the Rossby number R_O is not very large and the drag coefficient C_D is not too small), the horizontal convergence (divergence) is strengthened by the effect of the inertial acceleration in the region of maximum positive (negative) geostrophic vorticity. Consequently, the boundary-layer pumping there is intensified. It is found that the intensification is firstly strengthened and then weakened as R_O or C_D increases.     

系留气艇探测风速的误差订正及其应用评估

使用系留气艇探空系统在常州、苏州、南京市区对边界层风速、温度、湿度廓线进行了观测,原始数据表明探测结果存在明显的系统误差。本文主要讨论风速订正问题,分析发现风速误差与高度和风速有关,据此提出了依据高度和依据风速的两种订正方案。对比结果表明:两种方案都能有效修正系留气艇测量风速的系统误差,高度订正方案表现更好。本文还用订正后的系留气艇探测结果与苏州市气象局的风廓线雷达资料进行对比,结果显示风廓线雷达探测结果在500 m以下系统偏小。     

偏离度法确定济南夏季对流边界层高度研究

利用济南站边界层风廓线雷达（简称WPR）观测资料,对大气折射率结构常数（简称C_n²）确定对流边界层高度（简称CBLH）的技术难点进行了研究,通过对实测C_n²数据廓线进行求导变换突出其变量特征,提出了一种确定CBLH的方法,即e指数拟合曲线的偏离度法。结果表明：经案例分析和与实测对比,证实其判断的结果与L探空实测虚位温梯度法、湿度梯度法等的判断结果总体一致,平均值分别与后两者结果相差+10.4 m、-21.8 m,最小值差-70 m、-120 m,最大值差+50 m、+80 m,与后两者的相关系数分别达0.988、0.980。不同方法对比表明,31组样本中有7组的极大值法判断结果与偏离度法、虚位温梯度法存在较大差异,在CBLH判别时偏离度法总体优于极大值法。偏离度法能够将夏季CBLH确定结果的绝对误差降至近似WPR垂直分辨率水平。     

复杂山地近地层强风特性分析

利用在贵州省西南部复杂山地上获取的近地层梯度风观测资料和三维超声测风仪观测资料,从中筛选出具有该地气候特征的强风样本,利用数量统计和谱分析等方法,计算分析了由于复杂地形影响而导致的局地低层强风的平均和脉动特征.平均风场主要表现在受当地主要特征地形(西北-东南走向的深切峡谷)影响,其全年的主导风向和最大风速出现的方向几乎完全转为沿峡谷走向,即使在符合中性大气层结条件下,风的垂直廓线也完全不满足幂指数分布,风攻角远远大于规范推荐的值,并且不同风向的强风攻角因地形影响其差异可达20°;强风条件下脉动风场的主要特征是:不同风向强风的湍流强度有所不同,在纵、横和垂直方向的湍流强度比值与现行设计规范给出的三维湍流强度比值有明显差异,其中垂直方向的湍流强度显著偏大是突出特征;湍流积分尺度偏大,其中纵向值偏大20%-60%,横向值在某些风向上可偏大3倍以上,垂直方向则普遍较平坦地形偏大一个量级左右;在桥梁结构较为敏感的频域范围内,各风向的湍流谱密度值有显著差异,其中不同风向在纵向上最大差值可达8倍,横向和垂直向可相差6倍,但无论哪个方向的湍流谱密度值均比台风中心要小1-2个量级.     

南京风廓线雷达测量性能评估及应用初探

对2012年以来南京市江宁区边界层风廓线雷达每6 min的风场资料质量进行了评估,并对其在暴雨、大雾以及风切变等灾害性天气监测的应用进行了探讨。研究表明:南京风廓线雷达自投入使用以来,能够连续、稳定地获取边界层风场,四季的大部分资料获取率达80%以上,但是自2013年秋季—2014年春季的580~1 130 m层次出现获取率相对较低区,并在2014年春、夏季在770 m高度以下获取出现隔层不连续的现象(获取率50%)。通过对比每日两次的探空资料发现,边界层风廓线雷达探测得到的水平风速与常规探空资料观测基本一致,两者的偏差标准差基本在2.5 m·s~(-1)附近。夏季两种资料的匹配度最高,而冬季匹配度最差,其中大风事件与低匹配度事件有一定的联系,有必要进一步进行质量控制以提升资料质量。进一步利用雷达风廓线资料计算了南京地区垂直风切变事件的季节变化,发现冬半年中度以上等级的垂直风切变事件发生频率明显大于夏半年,其中冬季严重事件发生频率能达3%。     

非均匀地面近地层风速廓线的实验研究

本文以Monin-Obukhov(1954)相似理论为基础,分析研究了北京西郊八角村地区80米高的铁塔上观测的风速和温度资料。 指出在均匀粗糙地面条件下,中性平均风速廓线在77米高度内很好地满足对数规律;稳定层结下,对数一线性规律在(0.03 ≤R_i≤0.69)一个很宽的稳定范围内都是适用的,但是必须十分注意其线性项常数β是随稳定度R_i而变的。本文给出了β-R_i之间的经验关系为β=0.35R(-0.9)对于不稳定层结描写风速切变函数φ_m,我们得到:弱不稳定范围使用|z/L| ~((-1)/4)规律     

Investigation of the planetary boundary layer height variations over complex terrain

The effects of sea-breeze interactions with synoptic forcing on the PBL height over complex terrain are investigated through the use of a 3-D mesoscale numerical model. Two of the results are as follows. First, steep PBL height gradients—order of 1500 m over a grid interval of 10 km — are associated with the sea-breeze front and are enhanced by the topography. Second, a significant horizontal shift in the maximum PBL height relative to the mountains, is induced by a corresponding displacement of the thermal ridge due to the mountains, in the presence of large scale flow.     

一次降雨过程风廓线雷达回波特征

为应用风廓线雷达监测降水天气,通过对2006年南京地区一次春季降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据与自动站雨量数据进行对比分析和相关性统计,研究降水发生、维持和消亡期间风廓线雷达资料的变化特征,分析风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的相关性。结果表明：当降雨临近时,风廓线雷达水平风廓线上的空洞逐渐消失,当降雨结束时空洞再次出现,且伴随着低空急流的出现降水明显增强。随着降雨的发生,风廓线雷达产品的垂直速度、速度谱宽和折射率结构常数值均明显增大。整个降水期间,550 m高度层以下的垂直速度与降水量存在显著线性负相关,450—950 m高度层之间的速度谱宽与降水量存在显著线性正相关,可见垂直速度、速度谱宽的变化与降水强度关系密切;当垂直负速度变小或速度谱宽变大时,降水增强的可能性增大。研究结果揭示了风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的内在联系,可为风廓线雷达应用于降雨天气监测提供参考。     

一次降雨过程风廓线雷达特征

为应用风廓线雷达监测降水天气,通过对2006年南京地区一次春季降雨过程的边界层风廓线雷达探测数据和自动站雨量数据进行对比分析和相关性统计,研究了降水发生、维持和消亡期间风廓线雷达资料的变化特征,分析风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的相关性。结果表明：当降雨临近时,风廓线雷达水平风廓线上的空洞逐渐消失,当降雨结束时空洞再次出现,且伴随着低空急流的出现降水明显增强。随着降雨的发生,风廓线雷达产品的垂直速度、速度谱宽和折射率结构常数值均明显增大。整个降水期间,550 m高度层以下的垂直速度与降水量存在显著线性负相关,450-950 m高度层之间的速度谱宽与降水量存在显著线性正相关,可见垂直速度、速度谱宽的变化与降水强度关系密切;当垂直负速度变小或速度谱宽变大时,降水增强的可能性增大。研究结果揭示了风廓线雷达垂直速度、速度谱宽与降雨强度之间的内在联系,可为风廓线雷达应用于降雨天气的监测。     

论塔层风 、温廓线

本文改进了Zilitinkevich的工作,得到在塔层内动力学上合理的风廓线.并近似推求了不稳定层结下边界层高度h的表达式,使风、温廓线能用于不同层结.由近地层理论从近地层风、温求出通量后,即可推求塔层风、温分布.325m气象塔资料证明这一廓线达到一定的精度.     

乌鲁木齐市日最大边界层高度变化特征分析及其与空气质量的关系

利用2007—2017年乌鲁木齐市L波段探空雷达和地面常规观测数据,以Holzworth干绝热曲线原理,估算该地逐日最大边界层高度,并计算对应的边界层平均风速和通风量等数据。同时,应用2015—2017年空气污染指数(AQI),探讨空气质量与大气边界层参数的关系。结果表明:乌鲁木齐市日最大边界层年均高度为1415 m,总体上呈下降趋势,平均降幅为5. 9 m·a^-1。时间序列上,日最大边界层高度分布呈明显周期性。逐月数据呈"抛物线"状,1月平均高度最低(336 m),6月平均高度最高(2400 m)。冬季边界层平均风速最小,为2. 6 m·s^-1,春季和夏季最大,均为5. 6 m·s^-1。一年中,1月平均通风量最小,为977. 0 m^2·s^-1,5月平均通风量最大,为14835. 9 m^2·s^-1,4—9月为平均通风量大值期,平均通风量为13282. 3 m^2·s^-1。大气污染物在风速弱、边界层高度低和通风量小条件下的累积,易造成中度以上污染。冬季,乌鲁木齐常处于蒙古高压后部或底部,为造成冬季污染严重的重要原因之一。