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。     

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.     

天津市郊大气边界层湍谱特征分析

用１９９０年７月在天津市郊的观测资料，计算了风速谱、温度谱及动量和热量通量的协谱。结果表明，市郊下垫面上的大气湍流谱特征与平坦地形上得到的典型结果基本一致，但满足各向同性的湍流尺度似乎比在平坦地形上的略大，谱的峰值频率区域略窄，谱的低频区（含能区）特征与平坦地形上的情况也不同。     

试探大气边界层湍流运动的若干问题

对湍流运动的几个基本理论问题作了一定程度的探讨，并根据湍流动能方程分析了大气边界层湍流产生和发展的能量机制，以此为判据推导了滴运动的凡主范围和物理含意较为清楚的混合长表达式。     

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.     

大气边界层湍流涡旋结构的小波分解

利用离散正交小波在若干物理判别准则下对边界层湍流脉动信号进行去噪和多尺度分解,从而有效地区分出均匀各向同性小涡成份和大尺度含能涡旋成份。能谱分析发现,小涡的谱动力学行为具有非常好的标度不变性,标度关系满足Kolmogorov的“-5／3”律。       

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。     

北京冬季大风过程大气边界层特征分析

利用北京中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔的气象梯度资料和湍流资料,分析了2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程中气象要素和湍流输送特征的变化。第一次大风过程的强度和持续时间均高于第二次大风过程。强烈的风速垂直切变主要集中在距地面100 m高度范围内,最强风速垂直切变达到0.31 s~(-1)。大风过程中,阵风系数呈现随高度减小的趋势,越接近地面,阵风系数愈大。阵风强度的变化与阵风系数相似,100 m以下高度时,阵风强度随高度增大而减小。大风过程自上而下改变边界层结构,平均动能、湍流动能和摩擦速度最先从上层(280 m)发生变化且迅速增加。近地层由于风速垂直梯度的显著差异,近地层垂直方向的湍流强度最大。大风时各功率谱在低频区(0.01 s~(-1))达到峰值,大风过后各高度的能量都有所下降。     

Flux-profile Relationships for Wind Speed and Temperature in the Stable Atmospheric Boundary Layer

Wind and temperature profiles in the stable boundary layer were analyzed in the context of MoninObukhov similarity. The measurements were made on a 60-m tower in Kansas during October 1999 (CASES-99). Fluxprofile relationships, obtained from these measurements in their integral forms, were established for wind speed and temperature. Use of the integral forms eliminates the uncertainty and accuracy issues resulting from gradient computations. The corresponding stability functions, which were nearly the same for momentum and virtual sensible heat, were found to exhibit different features under weakly stable conditions compared to those under strongly stable conditions. The gradient stability functions were found to be linear, namely _m = 1+ 5.8 and _h = 1 + 5.4 up to a limit of the MoninObukhov stability parameter = 0.8; this is consistent with earlier findings. However, for stronger stabilities beyond a transition range, both functions were observed gradually to approach a constant, with a value of approximately 7. To link these two distinct regimes, a general but pliable functional form with only two parameters is proposed for the stability functions, covering the entire stability range from neutral to very stable conditions.     

大气边界层物理与大气环境过程研究进展

总结了近5年来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(LAPC)在第二代超声风速温度仪研制、城市边界层研究、复杂地形大气边界层探测与数值模拟、湍流机理研究、大气污染模式发展与应用等领域的主要进展,其中,第二代超声风速温度仪的野外对比测试结果表明其主要性能完全达到了国际先进水平;北京城市化发展使得北京325 m气象塔周边近地面流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征,近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减趋势;北京沙尘暴大风时期湍流运动主要是小尺度湍涡运动,而大风的概率分布偏离高斯分布,风速较大的一侧概率分布呈指数迅速衰减,大风中风速很大的部分具有分形特征;珠穆朗玛峰北坡地区两次综合强化探测实验是迄今为止在青藏高原大型山地中实施的针对山地环流和物质／能量交换最为全面和连续的大气过程探测实验;白洋淀地区的观测研究表明,非均匀边界层具有一般边界层不具备的特点,无论是边界层结构还是湍流输送方面,水、陆边界层之间存在一定的差异,凸显其地表非均匀性的作用;为了解决不同尺度、不同类型的大气污染问题和实际应用,研制或发展完善了多套大气污染模式系统,包括全球大气化学模式、区域大气污染数值模式、城市大气污染数值模式和微小尺度(如街区尺度)范围内污染物输送扩散模式。     

大气边界层强风的阵性和相干结构

我国北方春季冷锋过境后,常骤发强风,甚至起沙扬尘,持续数小时甚至一二天,通过对边界层超声风温仪的资料分析,可知大风常叠加有周期为3～6 min的阵风,较有规律,且有明显的相干结构:阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动以沿平均流的顺风方向分量为主,横向和垂直方向的分量都较小,其本质是低频次声波和重力波的混合;阵风沿顺风向且向下传播.周期小于1 min的脉动在水平面上基本是各向同性的不规则的湍涡.大风期间,无论是平均流、阵风和湍流脉动,至少在120 m高度以下,主要都有西风和北风动量下传,感热上传.平均流的动量下传强于由脉动下传的量,与一般天气情况不同,而且阵风与湍流的动量下传的量值差不多.平均流和阵风在动量传送上起相当大的作用.     

北京地区一次特大强风过程边界层结构的研究

利用北京325 m气象塔资料对1993年4月9日北京地区出现的一次特大强风过程的边界层结构（风、温、风切变及阵风特征）进行了分析。随着该次大风的过境，边界层内风场出现数个风速高值中心，高度位于200～300 m，时间间隔1～3 h。伴随上层风速垂直切变和阵风特性。湍流能谱的计算结果表明了大尺度涡旋对边界层湍流微结构的影响。     

济南章丘大气边界层风温场特征研究

基于章丘气象站2004—2009年实测资料,研究了当地大气边界层风向、风速、气温的时空分布特征,并利用SPSS 17.0数据统计软件的曲线参数估计法,探讨了符合章丘实际的风速随高度变化的拟合曲线及其数学函数关系。结果显示:研究地区大气边界层盛行风向为SSW,且呈现随高度增加沿顺时针方向偏转的特征;风速变化特征在10—300 m和350—1500 m不同高度层存在显著差异,春、夏、秋季和年平均风速随高度变化的指数曲线拟合结果总体好于幂函数曲线,而冬季则相反;气温变化特征四季基本一致,近地面层存在逆温现象,冬季逆温日数最多;逆温强度冬半年的大于夏半年的。     

非均匀网格的过渡湍流理论及其在大气边界层数值模拟中的应用

本文将Stull提出的均匀网格下的过渡湍流理论推广到非均匀网格情形，推广的非均匀网格的过渡湍流理论满足Stull提出的对过渡矩阵系数的要求并具有清晰的物理意义。然后，将非均匀网格的过渡湍流理论应用于一维大气边界层数值模式中，对Wangara资料进行了模拟，并与均匀网格情形进行了对比。计算表明，非均匀网格的过渡湍流模式能很好地模拟Wangara大气边界层平均量与湍流量的变化；本文非均匀网格的过渡湍流理论的推广是可行的，它可能会在大气边界层数值模拟及其他方面（如：中尺度模式）得到应用。     

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.     

一个中尺度模式中高分辨边界层的参数化

建立一个高分辨大气边界层模式。然后,把该模式与一个中尺度数值预报模式进行耦合并把模式计算结果与实测结果进行了对比。结果表明,该耦合模式能够模拟出大气边界层的流场、温度场和气压场的特征。