关于大气层結对于近地面层中湍流交換的影响問題

本文第一部分运用相似理論和因次分析对层結大气近地面层中湍流交換的問題作了分析,获得了与作者过去根据湍流能量平衡方程所得到的結果一致.第二部分根据新近国外发表的直接測量资料确定了普遍函数中的經驗系数D的大小;还确立了强迫对流向自由对流状态的过渡,与Priestley所指出的不同,它具有极平緩的性貭,計算結果与观測事实符合.在稳定情况下則沒有类似过渡发生.第三部分根据因次分析构成了特征尺度L_(R_i),并建立了以L_(R_i)为特征尺度的湍流交換的模式.討論結果表明,采用这一模式比前一模式合理一些,而且实用上更为方便。     

概率論基本定理在气候統計中的应用

作者在本文中討論条件概率、一般概率与复合概率的計算方法,并且指出M.Wurtele計算各种风向时候雾的概率,所用的方法是不必要的。作者也計算了各种风向时的降水概率,并且根据总概率定理計算降水的一般概率,根据Bayes定理計算在降水出現的条件下风的概率. 其次,作者推导計算各台站同时为雨日的概率,并且推导校对公式,以便检查計算結果。     

个体积云发展演变特性的一些研究

本文先根据我国的观測事实,分析了个体积云发展演变的一些特性,并在理論上考虑了水滴对空气的拖带作用和水分相变(包括云外未飽和空气混合进云所引起的蒸发)的影响,假定个体积云为結构均匀的云块,由此計算了个体积云发展的层結条件和发展演变过程中的一些特性.計算結果指出,水滴拖带和水分相变作用对积云的发展条件很有影响;計算所得的个体积云发展演变特性与观測所得的結果也比較符合,可以对某些实际現象給以初步的理論解释.     

边界层对流对示踪物抬升和传输影响的大涡模拟研究

利用"西北干旱区陆气相互作用野外观测实验"加密观测期间敦煌站的实测资料以及大涡模式, 通过一系列改变地表热通量和风切变的敏感性数值试验, 分析了地表热通量和风切变对边界层对流的强度、形式, 以及对对流边界层结构和发展的影响。模拟结果显示风切变一定, 增大地表热通量时, 由于近地层湍流运动增强, 向上输送的热量也较多, 使对流边界层变暖增厚, 而且边界层对流的强度明显增强, 对流泡发展的高度也较高。当地表热通量一定, 增大风切变时, 由于风切变使夹卷作用增强, 将逆温层中的暖空气向下卷入混合层中, 使对流边界层增暖增厚, 但是对流泡容易破碎, 对流的强度也较弱。另外通过在模式近地层释放绝对浓度为100的被动示踪物方法, 用最小二乘法定量地分析了地表热通量和风切变分别与示踪物抬升效率和传输高度的关系。分析结果表明, 风切变小于10.5×10-3 s-1时, 增大地表热通量加强了上层动量的下传, 使示踪物的抬升效率也线性增大;地表热通量小于462.5 W m-2时, 增大风切变减弱了边界层对流的强度, 从而使示踪物的抬升效率减弱。当风切变一定时, 示踪物的平均传输高度随地表热通量增加而增大, 而地表热通量一定, 只有风切变大于临界值时, 示踪物平均传输高度才随风切变的增加而增大, 而临界风速的大小由地表热通量决定。     

論有鉛直向平流輸送时連續点源的乱流扩散

本文考虑有鉛直向气流的影响、扩散貭点的沉降作用以及网效应(或称地面的吸收作用)时,討論了非定常态連續点源在乱流大气中的扩散問題.求得了計算扩散貭点浓度场的理論公式,并計算了若干例子,与观測結果得到很好的吻合。     

变分方法估算西北半干旱区地表热通量的适用性研究

利用2009年6-8月兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的地表辐射观测资料,近地层大气温度、湿度和水平风速的三层梯度观测资料,以及热通量的涡动相关观测,比较了变分法估算的地表热通量与涡动相关观测值间差异,评估了不同相似函数对变分法估算地表热通量的影响.结果表明,变分法估算的地表热通量在时间变化趋势上与涡动相关观测值一致,但在中午前后时段还存在数值大小差异.不同相似函数对变分法估算热通量的影响不一样:当层结不稳定时,其对热通量估算的影响较大;当层结不稳定变弱时,影响会显著变小;当层结稳定时,影响非常小,与观测误差相比可以忽略.     

黑河下游绿洲近地层湍流输送特征研究

分析2003年9月5-27日在黑河下游额济纳绿洲取得的近地面层湍流观测资料,讨论无量纲湍流方差与稳定度参数Z/L的关系.无量纲风速分量σu/u*、σv/u*和σw/u*在不稳定层结与稳定度Z/L满足1/3次方时,符合Monin-Obkuhov相似理论.在近中性时,σu/u*、σw/u*值比平坦下垫面的略小些,σv/u*值比平坦下垫面的略大.无量纲温度脉动方差和湿度脉动方差在对流状态下与Z/L满足-1/3次方,在稳定和不稳定层结下,随|Z/L|减小而增大.地面热量以感热输送为主,感热通量峰值约为250 W/m2,潜热通量的峰值为170 W/m2;夜间潜热通量较小,感热通量则出现负值.动量通量日间平均在0.2-0.3 N/m2,峰值为0.31 N/m2.黑河下游绿洲柽柳林动力学粗糙度比HEIFE戈壁及其他绿洲下垫面的大,中性时z0m=0.47551 m.中性状态下动量整体输送系数CD=22.2×10-3,不稳定层结时平均值CD=10.3×10-3,稳定层结时平均值CD=7.2 × 10-3.热量整体输送系数CH,中性状态下CH=3.2 × 10-3,不稳定层结时平均值为CH=3.3×10-3,稳定层结时平均值为CH=2.7×10-3.     

近地面层中湍流热通量和长波辐射通量相互作用的数值研究

本文详细讨论了在稳定层结条件下,近地面层内有各种典型的气象要素分布及下垫面状况时,长波辐射通量与湍流热通量之间的相互关系问题.结果表明:长波辐射通量对近地面层的热力结构有相当大的影响,它常常减弱了常值湍流热通量层的厚度.在弱风和层结稳定度较大的情况下,“常值湍流热通量层”将很薄,有时甚至难以存在.     

北半球大气中角動量的年变化和它的輸送机構

把30°N以北大气角動量平衡方程由七月積分到一月,則其中各項都可計算:此緯度以北大气相对西風角動量的改变可用Mintz平均西風冬夏分佈圖算出;地轉角動量的改变可用冬夏地面平均气压圖算出;通过30°N緯度的角動量的渦動輸送已为Starr和White算出,因此利用積分結果可求得30°N以北地面应力和山脈东西兩側气压差所引起的角動量消耗,結果与别的作者用别的方法所得數值極为符合。 作者更指出: 1.从夏到冬大型天气系統的角动量輸送勝过地面摩擦的消耗,从夏到冬西風环流增强的主要部分(約85％)即由於二者之差,西風环流增强的其餘一小部分則由於大气的質量平流,而引起地轉角動量的傳送。 2.角動量的输送,角動量的消耗以及西風环流强度都有年变化。但这种年变化並非正餘弦型,即从夏到冬的变化並不正是从冬到夏变化的反面,此种非对称性可由加熱过程和减熱过程的不可逆性解釋。在北半球从冬到夏对大气來说是加熱的,而从夏到冬大气失去熱量,因为加熟过程和減熱过程都不是可逆的,故从夏到冬的变化也不与从冬到夏的变化对称。 3.东風帶向西風帶的角動量輸送,主要發生於西風环流破坏的時候;主要發生於“引伸槽”和“引伸脊”的經度帶;同時也主要發生於大气的高層。     

重力波对青藏高原东侧一次暴雨过程的影响

采用WRF（weather research and forecasting）模式输出资料、NCEP/NCAR1°×1°再分析资料以及地面站降水资料,对2009年7月31日至8月1日四川省一次暴雨过程进行了分析。结果表明：水汽辐合区与降水区基本一致;散度场、水汽通量和水汽通量散度对降水具有较好的指示作用。在降水之前的6h中,降水中心上空的大气层结基本稳定,这种层结条件并不利于对流运动发生和发展;但是通过对散度场、非线性平衡方程和理查森数的分析,发现在暴雨开始前存在着中尺度重力波,它激发了对流运动的发展,而对流运动对暴雨的发展起到了主要作用。这说明,在整个暴雨过程中,只有同时考虑中尺度重力波与对流运动的相互作用,才能较完整地解释雨带的强度和特征得以发展和维持的原因。     

2007年8月登陆台风帕布、圣帕暴雨过程诊断分析

采用T213L31模式大气分析资料,诊断计算天气学中的凝结函数降水、水汽通量散度降水,并理想设计与诊断计算气层对流不稳定降水和层结不稳定降水,用于对2007年8月间西太平洋登陆台风帕布和圣帕降水运动进行诊断计算与分析。结果表明:热带扰动中凝结函数降水场呈弱态,但有较强水汽通量散度降水场,且水汽辐合降水运动组织对流不稳定降水和层结不稳定降水。在热带扰动发展与台风形成时,其低层风场水汽辐合与积云对流相互作用的过程,同时是气层对流不稳定能量与气块(团)湿不稳定能量的积聚过程,前者可带来暴雨,后者可带来大暴雨。相关天气学分析表明:台风暴雨是大尺度风场及中尺度水汽辐合降水运动组织起中、小尺度气层、气块(团)对流降水运动,对流性降水是由风场支配故变化较大、较快。     

夏季金塔绿洲近地层通量足迹及源区分布特征分析

选取2005年5月24日～6月18日在金塔开展的"绿洲系统能量与水分循环过程的观测实验"中的3层CSAT3的实验数据,应用Schmid的FsAM(The Flux-Source Area Model)模型,分析了不同观测高度的通量贡献源区分布以及观测高度对通量贡献源区分布的影响,同时分析了不同大气层结条件下源区的分布以及稳定度对通量贡献源区分布的影响.结果表明,稳定条件下的通量贡献源区大于不稳定条件下的通量贡献源区,并且随着观测高度的增加通量贡献源区会显著增大.     

2003年8月“巴蜀夜雨”过程的模拟和分析研究

结合中尺度数值预报模式AREM的数值试验和观测资料分析,对2003年8月川西地区的9次夜雨过程进行了模拟研究和综合分析.结果表明,在一定环流背景下,川西地区特殊地形引起的沿坡地的辐合上升运动和下垫面提供给低层大气的热通量所导致的大气层结不稳定,对川西夜雨的形成和发展有重要影响.白天,随着陆-气通量交换的增加,低层大气的温度和湿度逐步升高,并在午后达到极值.与此同时,低层偏南暖湿气流在盆地西部由于气旋性弯曲而形成的东北风在午后逐渐加强,这支气流在盆地西部被地形阻挡,产生爬升运动.辐合上升将低层高温高湿的大气向上输送,使得大气不稳定层结的厚度以及强度都增加;日落以后,低层大气的相对湿度随着气温的降低而增大,容易饱和而形成凝结,同时大气中积累了相当可观的对流有效位能,低层辐合抬升等因素容易触发不稳定能量释放,造成对流性夜雨天气.强烈的对流辐合运动需要周围大气的入流补偿,促使偏东风气流增强且向高空伸展,这令辐合抬升作用进一步增强.     

森林冠层边界层湍流传输的观测和数值模拟

文中分析和模拟了森林冠层上下动量、热量和水汽传输的特征。结果表明：冠层对动量的吸收十分明显,非局地扩散通量在冠层上下的动量传输中起着很大的作用;白天在冠层下层结稳定,但冠层下观测的感热通量向上传输;夜晚冠层下层结不稳定,但冠层下观测的感热通量向下传输,白天和晚上都出现了热量的反梯度传输现象,从而证明在热量输送中,非局地扩散通量不可忽视。同时对冠层上下的水汽交换特征的分析表明：非局地扩散通量是冠层内水汽向冠层上传输的主要机制。     

小尺度对流的发展和环境间相互作用的一个近似分析

本文应用一个近似的模式,分析了大气中小尺度对流发展时和环境(平均运动)间的非线性相互作用。分析结果指出,对流除在不稳定和中性稳定层结条件下可以发展外,在稳定层结条件下也可以得到发展,并且扰动的振幅最后均趋于有限值。同时,由于扰动的发展,大气的平均状态也要发生改变,不论开始时大气的层结如何,最后均趋向于中性,而大气的平均风速最后一般都要减小。     

华北地区平流雾过程湍流输送及演变特征

利用2006年2月在天津市南部地区开展的大气湍流观测资料, 分析了平流雾生消过程中湍流输送及演变特征。结果表明: 平流雾生消过程中, 大气稳定度参数数值主要集中在弱不稳定到弱稳定范围内, 且多呈现弱不稳定状态。雾前, 大气呈弱不稳定状态, 热量的垂直和水平输送短时加强, 且水平输送较垂直输送更显著; 雾生成初期, 大气呈弱稳定层结, 湍流动量和热量的垂直及水平输送均很弱; 雾中, 大气多呈弱不稳定状态, 稳定度参数、 动量、 热量及水平与垂直热通量之比值随时间均呈多峰形振荡, 随着雾的消散, 大气由弱不稳定逐渐演变为稳定状态; 雾后, 低层大气再次呈现弱不稳定层结特征, 动量和热量输送呈单峰形日变化特征。平流雾生消过程中, 热量的水平输送随不稳定度增强而迅速减小; 大气呈稳定层结时, 热量的水平输送显著大于垂直输送, 其比值约为2。同时, 摩擦速度、 水平与垂直热通量之比值呈多峰形振荡, 振幅分别可达1.2 m/s及50。     

一次典型热低压填塞导致贵州暴雨天气过程能量条件分析

利用天气图资料及NCEP1.0°×1.0°再分析资料,计算了一次典型热低压填塞导致贵州产生暴雨天气过程CAPE值及抬升指数,借以分析热低压天气系统在该次暴雨过程中的作用.结果表明:热低压天气系统的维持为暴雨天气过程的产生积累了足够的不稳定能量,同时在大气层结不稳定性从热低压的南部开始发展,最不稳定区域位于热低压中心偏南的位置,暴雨中心的降压升温过程相当匹配,暴雨过程对应着对流不稳定能量大量释放,暴雨过程结束后大气层结趋于稳定.     

陆气相互作用对中尺度对流系统影响的研究进展

文章回顾了大气对地表性质的敏感性研究,以及陆气相互作用对中尺度天气过程的影响,说明了地表性质与积云对流及对流降水之间的联系。地表性质的改变对行星边界层的热通量、水汽通量、对流有效位能产生影响,并通过湍流的垂直输送,进而影响到其上大气的性质。陆气之间存在着复杂的、非线性的相互作用。性质不均匀的下垫面造成地表向大气感热通量和潜热通量的差异,从而在近地层大气中形成温度和气压梯度,产生局地环流,在条件适合的情况下可以形成对流,并产生降水,而降水的不均匀分布,又维持了下垫面的不均匀性。土壤湿度对对流的影响受到多个因素的制约,其中天气尺度过程的影响是很显著的;由非均匀的下垫面所产生的局地环流能够触发积云对流。     

夏季巴丹吉林沙漠残余层与深厚对流边界层的关系研究

利用2012年7月"巴丹吉林沙漠陆气相互作用及其对区域气候的影响研究"实验所得到的观测资料和中尺度气象模式WRF,对夏季巴丹吉林沙漠对流边界层高度发展的特征及其影响因素进行了研究。结果表明:(1)2012年7月在巴丹吉林沙漠连续观测到厚度超过3500 m的深厚对流边界层,其最大高度可达4000 m以上;当这种深厚对流边界层出现之前,当地中低层大气(1000~4000 m)存在近中性的残余层,而在没有近中性残留层出现时,即便地表感热通量较大,当天最大对流边界层高度却明显偏低;(2)WRF模式模拟结果表明残余层稳定度和对流边界层高度之间的负相关关系在空间区域成立,残余层位温直减率与当地对流边界层高度在时间和空间分布上都呈现显著的负相关关系;残余层位温直减率与对流边界层高度的空间相关系数最大值可达-0.51;(3)观测和模拟结果均表明残余层稳定度会直接影响由感热通量产生的对流边界层的发展效率,进而影响对流边界层的最大高度。通过研究发现,除感热通量外,近中性的残余层是巴丹吉林地区深厚对流边界层出现的关键条件之一。     

南海季风区冰相相变潜热对中尺度对流云和降水影响作用的数值模拟研究

利用可分辨云模式及中国南海北部试验区加密探空的平均水平风场、位温场和水汽场模拟分析了1998年5月15日至6月11日中国南海北部地区中尺度对流系统(Mesoscal Convective System,简称MCS)中冰相相变潜热对云和降水、辐射传输以及大尺度环境场的影响作用。研究表明,冰相相变潜热总体上不会引起明显的大气辐射通量的变化,但会引起较明显的下垫面热通量的变化。凝华潜热释放显著地增加了大气稳定度,造成对流和下垫面热通量的减弱,从而导致地面降水减小10.11%。碰冻潜热释放也使得大气稳定度增加,不利于中尺度对流系统对流的发展,区域累积降水量减小2.2%。融化潜热的冷却效应,使得融化层以下的大气降温,从而增加了低层大气的不稳定性,有利于海面热通量的输送,导致MCS降水增加4.1%。因此,冰相相变潜热对降水的影响主要是通过影响大气环境稳定,进而影响洋面感热通量和潜热通量的垂直输送和对流的发展,导致区域降水改变。