大气边界层和大气环境研究进展

大气边界层物理和大气环境是大气科学的重要领域,中国科学院大气物理研究所自成立以来在这一研究领域取导了丰硕的成果.作者重点介绍最近十多年来在大气边界层探测、大气边界层结构特征、大气湍流理论、城市和区域大气污染预测预报模式研究等方面取得的重要进展,并对大气边界层和大气环境研究的未来发展作了展望.     

兰州市冬季大气边界层结构特征的观测和数值模拟研究

本文利用甘肃省政府和中国科学院的科技合作项目"兰州市大气污染及对策研究"所获得的系留气球探空资料,并且结合数值模拟方法,对兰州市冬季大气边界层温度场特征进行了对比分析,结果表明:在没有特殊天气过程的典型冬季代表性时段,山谷城市兰州逆温边界层结构无论白天或夜间都存在,而且经常出现多层逆温和白天的脱地逆温情况,只有当冷空气过境时,逆温现象才减弱或消失;与观测结果相比较可以看出,数值模拟结果基本上反应了温度场的主要特征。     

南京市冬季市区和郊区晴天大气边界层结构对比分析

应用２００８年１２月２４—３１日南京市区和郊区同步大气边界层观测资料,对晴天大气边界层结构进行对比分析．结果表明：南京地区冬季晴天,市区近地面层气温高于江北郊区近地面层的气温,市区热岛效应明显,且热岛强度夜间大于白天;市区逆温出现的时间滞后于郊区,逆温层高度也大于郊区．夜间,市、郊区风速随高度不断增大,并在一定的高度出现一个８ｍ／ｓ的极值中心．市区空气相对干燥．通过典型日分析,市区１４：００干岛效应显著,相同高度上相对湿度一直低于郊区．在市、郊区近地面层中,愈近地面风速愈小;近地面层中白天风速最大,夜间最小;白天,大气层不 稳定,湍流混合作用强,上下层风速的差别趋于减小．市区风速在低层受建筑物影响,相同高度上小于郊区风速．     

大气边界层中沙粒悬移运动的数值模拟

将双时间法和k-ε湍流闭合模型应用于求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟了沙地、沙丘流场.在此基础上,应用梯度输送理论求解平流扩散方程,模拟了平坦沙地、单个沙丘和连续沙丘周围沙粒的悬移.结果表明:1)来流的风速度足够大,使得地面摩擦速度大于起沙的临界速度,这是沙粒发生悬移的必要条件.但是光有足够的风速还是不够的,要使卷入空中的沙粒能在较大的高度范围内扩散,流场中必须存在一定强度的抬升气流.比较剧烈的地形起伏容易造成流动的不稳定;2)只有流场中存在抬升气流,才会使沙粒扩散到较高的高度;3)平坦地形时气流偏折主要是压力梯度的作用;而在沙丘起伏的表面,气流偏折受沙丘地形的影响很大.     

临沂市市区与郊区气象要素变化的对比分析

利用方差分析等统计方法，分析了临沂市迁站前后的对比观测气象资料。发现：城区与郊区两测站的日最高气温和日平均水汽压的测值非常一致，日最低气温和日平均气温1月份的测值在各月中差别显著，在降温过程中，郊区的日最低气温比市区低2～4℃；城区与郊区日平均风速方面的差别在各要素中是最大的，1月份郊区的日平均风速明显大于市区，7月份市区的日平均风速明显大于郊区。城区与郊区两站对同一种气象要素的测值在的统计分布上往往有不同的偏度特征。     

夜间城市大气边界层和气溶胶的相互作用

本文利用能量闭合的二维非线性、非定常模式,结合地面热量平衡方程,研究了夜间城市边界层和气溶胶的相互作用问题。结果表明：气溶胶在夜间对大气低层起保温作用,对大气上层起冷却作用;使大气低层稳定度减小,上层稳定度增加;此外,气溶胶还能够削弱贴地逆温强度。在正常城市气溶胶污染情况下,气溶胶对城市热岛强度影响不大,但可使城市热岛环流稍有增加。夜间城市边界层对气溶胶的反馈作用使大气下层气溶胶浓度减小,上层气溶胶浓度增加。上述部分结论得到了在天津取得的城市热岛观测资料的直接验证。     

利用WRF对兰州冬季大气边界层的数值模拟

本文介绍了WRF中尺度模式的有关概况,分析了模式的物理结构,并利用WRF中尺度模式对河谷城市兰州冬季大气边界层的风场和温度场进行了数值模拟研究。模拟结果与观测事实基本一致,表明WRF模式具有良好的稳定性能。     

非均匀下垫面大气边界层研究进展

总结了水平非均匀下垫面的大气边界层研究,指出干旱区的绿洲具有明显的“冷湿岛效应”,并可形成边缘逆湿和区域环流,而植被和水域的分布则显著改变了大气边界层结构．阐述了复杂地形下垫面对局地风场和小尺度环流产生的影响、城市热岛效应的产生及特点和城市中绿地和水体的微气候效应．比较分析了不同陆面参数化方案以及边界层气候模式,提出未来在热力与动力非均匀的结合、湿地下垫面的数值模拟、城市复杂下垫面参数化以及气候模式的耦合等方面尚需进行深入的研究．     

西安市市区与郊区气象要素对比分析

利用2005-2006年西安国家气象观测站二级站和泾河国家气候观象台的地面气象资料进行了对比分析，两站气象要素有一定的差异，分别反映出了明显的城市气候特点和郊区气候特点。主要表现在西安市市区气温比郊区高，一年中冬、春季温度差异较大，夏、秋季温度差异较小；西安市市区的降水量比郊区多，易产生对流性降水的秋、夏季降水量差异更为明显，冬季降水量基本没有差异；西安市市区的风速比郊区小，郊区的大风出现次数多；西安市郊区的空气相对湿度高于市区，平均高3％～7％；轻雾、大雾日数郊区多于市区。     

大气对流边界层发展的模拟研究

室内水槽模拟是大气边界层研究的一种重要手段。利用室内模拟水槽对大气边界层的发展进行了模拟,通过处理平均温度廓线和光斑图像得到了对流边界层顶部位置h2和边界层高度zi。结果表明,不同测量方法得到的结果一致性很好,与实际大气的边界层发展情况也较为接近。同时,根据试验情况确定初始条件和边界条件,使用边界层参数化模型进行了数值模拟,其结果与室内模拟的结果也较吻合。     

边界层大气大湍涡模拟（LES）方法的研究进展

近年来大湍涡模拟（ＬＥＳ）日渐成为研究边界层大气湍流特征的有效方法，本文介绍了ＬＥＳ技术与“直接”模拟及雷诺平均模拟方法间的关系。ＬＥＳ技术的发展现状以及次滤波尺度模型的研究进展，文中还概括介绍了ＬＥＳ技术在天气预报与气候模型中的应用前景。     

辐射雾的大气边界层特征

利用ＡＤＡＳ对一次连续５天辐射雾进行探测,获得了辐射雾生消过程中的温度、湿度、风场等要素的垂直分布。通过对这些资料的详尽分析,讨论了辐射雾在不同发展阶段的边界层特征。结果表明：逆温层对雾的形成和维持起着重要的作用,而雾又对大气边界层中的温、湿、风结构产生重要影响。     

辐射雾的大气边界层特征

利用ADAS对一次连续5天辐射雾进行探测,获得了辐射雾生消过程中的温度、湿度、风场等要素的垂直分布。通过对这些资料的详尽分析,讨论了辐射雾在不同发展阶段的边界层特征。结果表明：逆温层对雾的形成和维持起着重要的作用,而雾又对大气边界层中的温、湿、风结构产生重要影响。     

大气边界层物理研究进展

本文总结了近4年来(2009～2012)中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室在大气边界层物理理论、观测实验、数值模拟和超声风速温度仪等仪器研制领域的主要研究进展,并对未来几年内大气边界层物理的发展方向提出了一些建议.     

大气边界层数值模式的发展

本文简要介绍了目前较为常用的一些边界层数值模式及其发展概况，同时也介绍了一些常用的模拟方法及各自的优缺点，最后简述了边界层数据模拟的发展趋势。     

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。     

复杂下垫面模拟域大气边界层非局地闭合模拟研究

在非局地闭合大气边界层模拟研究基础上,选取黑河实验研究资料（HEIFE）,利用二维模式对绿洲和沙漠交界地区的内边界层结构进行了模拟研究,模式考虑了两种下垫面条件下动力、热力特性的不同,并加入了湿度及水汽通量的预报。模拟结果表明:二维非局地闭合模式能得到合理的TIBL结构的基本特征,包括平均场、湍流场等,并能模拟给出一些由下垫面特性形成的大气现象,如沙漠地区逆湿现象的生消过程、绿洲的冷岛效应、绿洲与沙漠因热力差异而形成的局部环流形势等细致结构,符合沙漠站白天观测事实的典型特征。     

一维大气边界层二阶闭合的有限元数值模式 I. 对流边界层模拟

利用有限元法用于二阶湍流闭合大气对流边界层模式,并模拟了Wangara试验33天的对流边界层的发展过程,计算结果表明,该模式能真实的模拟出对流边界层的发展过程,并且准确地反映对流边界层中湍流扩散和输送过程。