强台风海鸥登陆期间近地层风特性分析

利用位于海南文昌市的90 m测风塔观测的强台风海鸥多层测风数据,分析了台风海鸥登陆期间近地层风场时空特征、湍流强度、垂直风切变及阵风因子等风场特性,分析结果表明:台风海鸥登陆期间,近地层各高度风速呈现"M"型双峰特征,最大风速出现在台风后风圈;台风过境前后,风向旋转了180°;近地层风速随高度升高而增大,各高度风速垂直切变符合对数和指数规律;粗糙度长度、风廓线幂指数、湍流强度、阵风系数等风场特性与风速呈负相关关系,随着风速的增加而降低;从台风外围至台风眼,粗糙度长度随风速呈现"增大-减小-增大"特征;台风眼内部风速垂直切变剧烈,前后风圈的风速垂直切变较弱;强风区湍流强度较弱,弱风区湍流强度较强;台风风圈的湍流强度随高度增加而减小,台风眼内湍流强度随高度先减小再增加;台风影响各阶段阵风系数随高度升高而减小,各高度层阵风系数遵循指数定律;阵风系数随风速的增大而减小,当风速达到一定强度时,阵风系数随风速变化不明显。     

琼州海峡南岸近地面层大风观测分析

利用2009年7月—2011年6月琼州海峡南岸东西两侧2部梯度测风塔2年实测资料,分析了海峡区域近地面层风向风速、阵风系数、风随高度变化的特征。结果表明:海峡东西两侧风参数大小有较大差异。在地面10 m高度风速＜10 m/s时,海峡风向风速有明显日变化,体现了以海陆风为主导的局地环流特征;海峡西侧的日最大风速及风速日较差分别比东侧大0.6 m/s和1.1 m/s;地面10 m高度的阵风系数及风随高度变化的幂指数α分别比东侧小0.03和0.02;阵风系数与α值随地面风速的增大而减小。当海峡地面10 m高度风速≥10 m/s时,阵风系数与α值并未随地面风速增大而减小。天气系统对海峡大风的阵风系数、风向风速演变趋势有一定影响,但对α影响较小。热带气旋大风过程的平均阵风系数比冷空气过程大。中心经过型、近距离经过型和外围影响型热带气旋大风过程的风速演变特征分别为双峰型、单峰型和平台型。过境型、锋消型以及冷暖系统共同影响型的冷空气大风过程的风速演变特征分别为平台型、单峰型和多峰型。      

"派比安"在阳江不同地区的风场特征及防风问题

利用阳江海岸线上不同下垫面梯度风观测塔在“派比安”过程中所取得的资料,探讨登陆热带气旋在不同下垫面的垂直风场特点以及防台措施。分析发现,平原地区各层风速较稳定,随“派比安”的移近而增大,远离而减小,风随高度成指数增长,在v<20 m/s时,80 m的10 m in平均风速与10 m的最大风速相当;背风面风速扰动大,很有可能在热带气旋靠近时出现风速减小现象;迎风坡出现大风时间长,最大风速比背风面和平原地区都大。迎风坡和背风面在台风环状下沉运动带影响时,高层和地面10 m in平均风速相差较小,而平原地区并没有这一特征。根据弗洛斯特(Frost)风速随高度变化的经验公式,近地层风速垂直切变指数n在平原地区稳定,风随高度的对应关系好。台风登陆前所有下垫面的n都出现突增现象。阵风系数受下垫面和周围环境影响大。     

台风“山竹”登陆前后广东沿海珠三角机场阵风预报方法研究

利用WRF模式对1822号台风"山竹"的登陆过程进行数值模拟试验,分析台风产生的大风特征,比较不同的阵风参数化方法在机场大风预报中的效果,结果表明:(1)试验基本模拟出了台风的路径和强度变化过程,模拟的珠三角机场平均风速大小和变化趋势与观测非常接近。(2)地面最大风速区出现在距离台风中心大约50-100km的位置上,垂直方向上风速从低层到高层逐渐减小,湍流动能的大值区集中在1.5km以下的边界层内。(3)台风登陆过程中广州、深圳和珠海机场的平均阵风因子分别为1.45、1.51和1.46,且随着平均风速的增大,阵风因子有减小的趋势。(4)基于湍流动能的阵风参数化方案在珠三角机场阵风预报中效果最好,平均预报误差只有3.9m/s,可以考虑应用到台风天气过程中机场阵风的业务预报。     

台风“山竹”期间深圳近地面水平风的垂直特征

基于深圳356 m气象梯度塔风速观测资料,采用统计分析的方法,以台风"山竹"为例分析了台风过程中深圳近地面水平风阵风因子、风廓线指数和湍流强度的垂直变化特征。结果表明:台风"山竹"影响期间,受城市下垫面影响近地面风湍流强度大于高层,阵风因子和湍流强度随高度变化符合指数规律,风速大于6级后逐渐趋于稳定;风廓线指数随高度增加、风速增大逐渐减小。此外,利用全部样本计算得到风廓线指数平均值约为0.23,符合《建筑结构荷载规范》的推荐范围,但利用该值推算近地面不同高度的风速值略大于实测值。     

雷暴系统影响下的黄土高原塬区微气象特征研究

利用2012年5—9月中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站的观测资料,对比分析了黄土高原塬区夏季发生的阵风雷暴、大风干雷暴和冰雹强降水雷暴过境期间近地层微气象特征。结果表明:雷暴系统过境前几小时近地层便出现较强上升气流,14 m高度30 min平均垂直速度可达0.25 m·s~(-1),这几乎比该区域无雷暴影响时的垂直速度大1~2个数量级。在雷暴系统过境期间,近地层气压迅速升高,气温急剧下降,上升气流变为下沉气流,14 m高度30 min平均垂直速度可达到-0.18 m·s~(-1)。同时,由于雷暴区与周围环境间存在极强的风速切变和温度切变,造成近地层湍流运动迅速发展,摩擦速度急剧增大,尤其大风和冰雹雷暴期间其值是中午摩擦速度的2倍以上。对湍流谱分析发现,雷暴影响期间湍流涡旋中大尺度涡旋能量显著增大,且此时大尺度涡旋对感热通量输送的贡献起到主导作用,这可能对雷暴系统的加强具有一定促进作用。     

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。     

2009～2010年河西走廊大风日低空垂直切变和湍流统计特征

为了给河西走廊风电场建设提供科学依据,利用河西走廊14 座风能观测塔2009 年9 月至2010 年8 月的资料,分析了大风日低空垂直切变和湍流的演变和分布.结果表明：大风日风速垂直切变指数年平均在0. 092 ～0. 158 之间,较国标有些偏低;10 ～ 30 m、10 ～ 50 m 和10 ～ 70 m 的大风日风速垂直切变指数比非大风日偏小;低层风速垂直切变大,高层风速垂直切变小;大风日10 m、30 m、50 m 和100 m 4 层的年平均湍流强度为0. 11,比非大风日偏小一半左右;在大风日,随风速增大,风速不均一性减小,风向趋于稳定.     

强台风纳沙 (1117) 近地层风特性观测分析

根据琼州海峡两岸2个梯度塔和1部车载风廓线雷达共同获取的强台风纳沙 (1117) 实测风速资料,分析强台风纳沙影响期间大风特性,发现以下观测事实和变化规律:位于台风移动路径右侧的测风站,其风向呈顺时针方向旋转,台风眼区经过的测风站,其最大风速接近35 m·s-1,且风向旋转超过180°,台风外围大风区经过的测风站其最大风速达到30 m·s-1,风向旋转73°;大风风切变过程可用对数函数和指数函数拟合,对数函数和指数函数对光滑下垫面的拟合效果更好,且对数函数拟合效果要略优于指数函数;阵风系数随风速增大而减小,但风速达到6级以后,阵风系数不随风速大小产生趋势变化,阵风系数与下垫面粗糙度有关,在粗糙下垫面上阵风系数会偏大;大风阵风系数随高度变化可用指数函数来描述,且对来自光滑下垫面的近地层大风阵风系数拟合效果更好。该观测个例的大风风切变指数与GB/T 18710—2002的推荐值存在差异——粗糙下垫面的大风风切变指数大于标准推荐值,而来自光滑下垫面的大风风切变指数则小于GB/T 18710—2002的推荐值。     

台风莫拉克 (0908) 影响期间近地层风特性

通过对台风莫拉克 (0908) 影响范围内的33座测风塔观测资料的分析可知:台风莫拉克越靠近陆地,风场的非对称性越明显,其行进方向的左侧测风塔风向呈逆时针旋转,右侧测风塔风向顺时针旋转。在远离台风莫拉克的地方风向稳定,湍流强度变化较平稳;在台风莫拉克登陆点附近,风向、风速和湍流强度均会出现突变。台风莫拉克影响期间,湍流强度与风速的关系未出现IEC标准曲线那样随风速增大稳定减小,其I₁₅达B级和A级及以上的平均湍流强度会在风速7~17 m·s-1形成一个峰值;无论南风或北风,风速越大,各层湍流强度差异趋于减小,同等风速、高度的湍流强度偏南大风均大于偏北大风。位于台风莫拉克登陆点北侧测风塔湍流强度随风速的增加先减小后增大,最终各高度全部超过IEC标准A级曲线,而位于南侧测风塔湍流强度随风速的变化比北侧小,并随风速增大趋于标准A级曲线;另外北侧测风塔湍流强度大于南侧,且各高度偏北大风湍流强度之间的差异比南侧相应风向明显,表明北侧垂直方向的扰动更强。台风莫拉克阵风系数为1.2~1.7,其随高度变化与地形有关,一般情况下随高度升高而减小,在复杂地形条件下不符合随高度升高减小的规律。     

北京北郊冬季大风过程湍流通量演变特征的分析研究

利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔1993年12月～1994年1月大气边界层实验资料, 计算分析了大风过境过程中47 m和120 m高度湍流通量演变特征及其影响因子, 以及与风速、 稳定度等参数的关系。结果表明: 大风过程对近地面层的物质能量输送有着重要影响, 大风之前出现短时间动量上传和热量下传; 大风过程中的湍流通量数值明显高于过境后, 水平方向湍流通量数值和能量增加幅度大于垂直方向; 当风速大于临界值5 m/s时, 湍流通量与风速、 湍流动能的相关迅速增大; 湍流谱特征表现为湍流能量的低频部分增加、 湍流谱曲线变宽; 大风能强烈影响近地面层的能量收支。     

2013年1月持续性霾天气中影响污染程度的气象条件分析

利用南京本站气象观测记录、环保局监测数据以及NCEP/NCAR再分析资料,分析2013年1月持续性污染天气过程的大气环流背景,并结合南京地区探空资料、风廓线雷达资料以及激光雷达资料,分析这次持续性污染过程中空气质量属良好、轻度污染、中度污染、重度污染典型个例的大气垂直特征和边界层内气象条件的差异。得到如下结论:2013年1月份北方冷空气活动较弱,南京地区大气层结稳定,近地层风速小,污染物气象扩散条件差。加之近地层以弱偏东风为主,水汽较多,有利于污染物颗粒直径增大。大气垂直结构以及边界层内水平风速均对大气污染程度起到一定影响。AQI与逆温层高度存在显著负相关关系;大气污染时,1000 m以下出现逆温结构,且逆温层越低、越厚,污染程度越大;重度污染时,近地层出现贴地逆温层,厚度为700m左右。逆温层高度下降,PM₁₀颗粒物高浓度区高度也明显下降,近地层污染物浓度对垂直方向上污染物浓度正响应的高度降低。在空气质量良好时, 150~1500m存在风速大值区,且风无空,湍流作用明显,有利于污染物和周围的洁净空气相混合而得到稀释,加速污染物的垂直扩散进程。当中度污染日和典型重度污染日时,150~1500 m之间并不存在大风速区。此外, PM₁₀的300μg·m^-3高浓度垂直高度延伸至300 m附近时,近地层PM_2.5明显上升至100μg·m^-3以上,高浓度区数值越大,近地层PM_2.5越大。     

Micrometeorological Observations of a Microburst in Southern Finland

On the afternoon of 3 July 2004 in Hyytiälä (Juupajoki, Finland), convective cells produced a strong downburst causing forest damage. The SMEAR II field station, situated near the damage site, enabled a unique micrometeorological analysis of a microburst with differences above and inside the canopy. At the time of the event, a squall line associated with a cold front was crossing Hyytiälä with a reflectivity maximum in the middle of the squall line. A bow echo, rear-inflow notch, and probable mesovortex were observed in radar data. The bow echo moved west-north-west, and its apex travelled just north of Hyytiälä. The turbulence data were analysed at two locations above the forest canopy and at one location at sub-canopy. At 1412 EET (Eastern European Time, UTC+2), the horizontal and vertical wind speed increased and the wind veered, reflecting the arrival of a gust front. At the same time, the carbon dioxide concentration increased due to turbulent mixing, the temperature decreased due to cold air flow from aloft and aerosol particle concentration decreased due to rain scavenging. An increase in the number concentration of ultra-fine particles (< 10 nm) was detected, supporting the new particle formation either from cloud outflow or due to rain. Five minutes after the gust front (1417 EET), strong horizontal and downward vertical wind speed gusts occurred with maxima of 22 and 15 m s^?1, respectively, reflecting the microburst. The turbulence spectra before, during and after the event were consistent with traditional turbulence spectral theory.     

Some Characteristics of the Surface Boundary Layer of a Strong Cold Air Process over Southern China

In southern China,cold air is a common weather process during the winter season;it can cause strong wind,sharp temperature decreases,and even the snow or freezing rain events.However,the features of the atmospheric boundary layer during cold air passage are not clearly understood due to the lack of comprehensive observation data,especially regarding turbulence.In this study,four-layer gradient meteorological observation data and one-layer,10-Hz ultrasonic anemometer-thermometer monitoring data from the northern side of Poyang Lake were employed to study the main features of the surface boundary layer during a strong cold-air passage over southern China.The results show that,with the passage of a cold air front,the wind speed exhibits low-frequency variations and that the wind systematically descends.During the strong wind period,the wind speed increases with height in the surface layer.Regular gust packets are superimposed on the basic strong wind flow.Before the passage of cold air,the wind gusts exhibit a coherent structure.The wind and turbulent momentum fluxes are small,although the gusty wind momentum flux is slightly larger than the turbulent momentum flux.However,during the invasion of cold air,both the gusty wind and turbulent momentum fluxes increase rapidly with wind speed,and the turbulent momentum flux is larger than the gusty wind momentum flux during the strong wind period.After the cold air invasion,this structure almost disappears.     

Cross‐shore variations of near‐surface wind velocity and atmospheric turbulence at the land‐sea boundary during CASP

Abstract

Airborne measurements of mean wind velocity and turbulence in the atmospheric boundary layer under wintertime conditions of cold offshore advection suggest that at a height of 50 m the mean wind speed increases with offshore distance by roughly 20% over a horizontal scale of order 10 km. Similarly, the vertical gust velocity and turbulent kinetic energy decay on scales of order 3.5 km by factors of 1.5 and 3.2, respectively. The scale of cross‐shore variations in the vertical fluxes of heat and downwind momentum is also 10 km, and the momentum flux is found to be roughly constant to 300 m, whereas the heat flux decreases with height. The stability parameter, z/L (where z = 50 m and L is the local Monin‐Obukhov length), is generally small over land but may reach order one over the warm ocean. The magnitude and horizontal length scales associated with the offshore variations in wind speed and turbulence are reasonably consistent with model results for a simple roughness change, but a more sophisticated model is required to interpret the combined effects of surface roughness and heat flux contrasts between land and sea.

Comparisons between aircraft and profile‐adjusted surface measurements of wind speed indicate that Doppler biases of 1–2 m s^?1 in the aircraft data caused by surface motions must be accounted for. In addition, the wind direction measurements of the Minimet anemometer buoy deployed in CASP are found to be in error by 25 ± 5°, possibly due to a misalignment of the anemometer vane. The vertical fluxes of heat and momentum show reasonably good agreement with surface estimates based on the Minimet data.     

浙江沿海台风阵风系数的影响因子分析

利用2004—2015年影响浙江海岛的台风及沿海气象站资料,分析台风阵风系数与平均风速、台风强度、测站高度、岛屿位置、台风与测站之间距离、台风象限和月份等因子的关系。结果表明,当平均风速较小时阵风系数的均值和波动幅度较大。在相同风速情况下,台风中心强度较强时的阵风系数会大些且其变化幅度随高度增大;而台风强度较弱时的阵风系数随高度变化不明显。最大阵风系数一般出现在台风与测站距离为150~250 km的区域内。台风第一和第四象限不仅其影响风力明显比第二和第三象限的强,且阵风系数变化幅度也较大。近海岸岛屿测站的阵风系数比远海岸岛屿测站要大。9月阵风系数波动范围比7—8月的小。从台风的自身环流来看,中低层的高度场、垂直速度场和湿度场等因子与阵风系数相关密切。      

2009年“莫拉克”台风登陆过程阵风特征分析

利用上海台风研究所移动观测车获取的“莫拉克”台风登陆过程中超声风、温等观测资料对地面阵风特性进行了诊断分析.结果表明,在风速时间序列中叠加有周期为3-7 min的阵风扰动,显现出明显的相干结构,即沿顺风方向阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动的各向异性特征明显,沿顺风方向的阵风扰动能量最大,其次是沿侧向和垂直方向的扰动能量;沿顺风方向的阵风垂直动量通量向下传播,而沿侧风方向阵风扰动动量垂直通量总体贡献接近于0.阵风扰动沿顺风方向的积分空间尺度和时间尺度最大,沿侧风方向和垂直方向其次,均明显大于湍流的积分空间和时间尺度.此外,阵风扰动的其他特征还包括:感热垂直通量极小;当平均风速较大时阵风风向变化幅度较小,而风速较小时阵风风向变化幅度则较大;动力学分析表明,阵风扰动主要表现出重力内波的一些特性.     

高斯过程回归方法在浙江沿海海岛冬春季阵风预报中的应用试验

利用2006—2016年冬春季浙江四个海岛气象站10 m大风观测资料和ERA-interim资料,首先分析了阵风因子和阵风风速的概率分布特征;然后统计阵风与10 m至500 hPa层的气温、风速、散度、涡度、比湿、垂直速度、浮力能等要素的关系,选取高相关的预报因子;最后采用高斯过程回归方法建立阵风概率预报模型,并进行试报。(1)平均风速相同时对应的阵风因子变化较大,导致阵风也出现大的差异,说明阵风数据分布具有混沌性;阵风风速具有正态或准正态分布特点,在自然对数处理后完全符合正态分布,表明采用高斯过程回归方法建立阵风概率预报模型合理可行。(2)阵风与大气低层的动力因子相关较好,而在近中层则与热力因子相关较好。(3)阵风大值样本在大气低层具有更强的下沉速度,有利于上层动量向下输送,且大值样本对应的中层气温和比湿相对大些,说明中层暖湿气流有利于湍流的发展和不稳定能量的交换。(4)试报模型的因子权重尺度分析表明,最佳预报因子绝大多数集中在875 hPa层以下,说明大气低层因子对近地面阵风起主导作用。(5)高斯过程回归模型试报表明,大部分站点阵风预报的50%概率区间上下界跨度约为2.5 m/s,75%概率区间跨度约为4.5 m/s,样本的50%和75%概率区间击中率均符合预期。      

Gustiness and coherent structure under weak wind period in atmospheric boundary layer

Statistical analysis of turbulent and gusty characteristics in the atmospheric boundary layer under weak wind period has been carried out.The data used in the analysis were from the multilevel ultrasonic anemometer-thermometers at 47 m,120 m,and 280 m levels on Beijing 325 m meteorological tower.The time series of 3D atmospheric velocity were analyzed by using conventional Fourier spectral analysis and decompose into three parts:basic mean flow(period 10 min),gusty disturbances(1 min period 10 min)and turbulence fluctuations(period 1 min).The results show that under weak mean wind condition:1)the gusty disturbances are the most strong fluctuations,contribute about 60% kinetic energy of eddy kinetic energy and 80% downward flux of momentum,although both the eddy kinetic energy and momentum transport are small in comparison with those in strong mean wind condition;2)the gusty wind disturbances are anisotropic;3)the gusty wind disturbances have obviously coherent structure,and their horizontal and vertical component are negatively correlated and make downward transport of momentum more effectively;4)the friction velocities related to turbulence and gusty wind are approximately constant with height in the surface layer.     

Structures and characteristics of the windy atmospheric boundary layer in the South China Sea region during cold surges

An observational analysis of the structures and characteristics of a windy atmospheric boundary layer during a cold air outbreak in the South China Sea region is reported in this paper. It is found that the main structures and characteristics are the same as during strong wind episodes with cold air outbreaks on land. The high frequency turbulent fluctuations(period<1 min) are nearly random and isotropic with weak coherency, but the gusty wind disturbances(1 min相似文献