星载SAR海洋内波遥感研究进展

星载SAR已成为海洋内波研究的重要技术手段之一.本文回顾了SAR海洋内波遥感研究进展,特别是有关国内外SAR海洋内波的遥感成像机理研究、遥感成像仿真研究和遥感探测研究的发展,同时针对目前SAR海洋内波遥感研究存在的问题和今后有待研究的方向进行了探讨.     

大气边界层研究进展

大气边界层对云和对流的发展、演变有重要作用.本文回顾了在大气边界层高度计算方法,边界层的时空分布特征、结构和发展机理,以及边界层参数化方案等方面的主要研究进展.大气边界层高度计算方法主要分为基于大气廓线观测数据计算和基于模式参数化方案计算两大类;大气边界层高度频率分布形态具有明显的日变化特征,并且稳定、中性和对流边界层高度的频率分布呈现出不同的Gamma分布特征;地面湿度状况对边界层发展影响明显,对于不同的下垫面热力性质和地形状况,大气边界层高度呈现出明显的空间差异,青藏高原边界层高度明显高于一般平原地区;在强烈的地面加热驱动下,对流边界层与残余层通过正反馈机制循环增长可以形成4000 m以上的超高大气边界层;研制大气边界层、浅对流以及云物理方案的统一参数化框架是未来数值预报模式的发展趋势.

     

北京首都机场的人工消雾及大气边界层特征的演变

在首都机场人工消雾作业过程中进行了大气边界层特征的观测,观测结果表明：用喷洒液氮进行人工消雾可以形成小面积降雪从而提高能见度,达到安全飞行的目的．人工消雾作业过程可影响小面积大气湍流特征,使湍流谱略偏离-5／3规律．人工消雾作业期间潜热通量明显大于作业期后．     

北京首都机场的人工消雾及大气边界层特征的演变

在首都机场人工消雾作业过程中进行了大气边界层特征的观测,观测结果表明：用喷洒液氮进行人工消雾可以形成小面积降雪从而提高能见度,达到安全飞行的目的．人工消雾作业过程可影响小面积大气湍流特征,使湍流谱略偏离-5／3规律．人工消雾作业期间潜热通量明显大于作业期后．     

民航气象观测的中国中东部大气边界层廓线数据的评估与应用

本文从民航气象报告(AMDAR)数据库中提取了2008—2019年期间我国中东部18个机场飞机起飞和降落期间的大气边界层(ABL)廓线数据,并利用常规探空数据评估了不同季节和高度范围的AMDAR数据准确性及其随探空站与机场距离和飞行状态的变化.与常规探空数据相比,低层(P>850 hPa)的AMDAR温度和风分量的均方根误差(RMSE)均比较高层(850~500 hPa)小,且各高度层上的温度和风分量的RMSE都随间隔距离的增加而增大.相对而言,飞行状态对AMDAR数据准确性的影响很小.在间隔距离小于50 km且P>850 hPa高度层范围内,温度、纬向风和经向风的平均RMSE分别为0.68~0.83 K、1.48~1.62 m·s^-1和1.73~1.81 m·s^-1.相比于RMSE,对应的平均偏差都显著更小,且随间隔距离无明显变化.数据应用示例表明,AMDAR廓线数据由于其较高的时间分辨率,不仅可以反映ABL结构的日变化特征,还可用于研究ABL局地环流特征.基于18个机场AMDAR廓线数据分析发现,我国远内陆、干燥地区大气边界层高度(ABLH)具有较强的日变化,尤其是在春夏两季,而沿海和近内陆地区ABLH的日变化强度和季节差异都较小.

     

大气边界层湍流速度场的层次结构分析

对大气边界层的速度脉动时间序列进行了统计分析,发现在大气边界层湍流场中存在She-Leveque(SL)层次相似律,以及在水平速度场、垂直速度场和不同条件下垂直速度场的层次相似律所满足的情况不同,并给出了对应的可能解释.结果指出大气边界层自组织结构的复杂性以及层次相似律对大气边界层湍流脉动描述的有效性.     

一个大气边界层非线性三维数值模式及其在太湖流域的应用

本模式用以K半经验理论为基础的闭合方程组求解,引进了地形作用、动量、热量和水汽的侧向扩散和垂直湍流交换以及凝结加热等物理过程,其中湍流交换系数K是地表粗糙度、几何高度、大气稳定度及风速切变等因子的函数。本模式还考虑了山地、平原和水面在地形高度、地表粗糙度、辐射、蒸发及热交换等方面的差异,在下垫面上建立热平衡方程与边界层内控制方程耦合。将模式应用于太湖流域,计算得到的该流域边界层内温、压、湿、风的分布特征与实际情况相似,模式具有一定的实用性。     

一个大气边界层非线性三维数值模式及其在太湖流域的应用

本模式用以K半经验理论为基础的闭合方程组求解,引进了地形作用、动量、热量和水汽的侧向扩散和垂直湍流交换以及凝结加热等物理过程,其中湍流交换系数K是地表粗糙度、几何高度、大气稳定度及风速切变等因子的函数。本模式还考虑了山地、平原和水面在地形高度、地表粗糙度、辐射、蒸发及热交换等方面的差异,在下垫面上建立热平衡方程与边界层内控制方程耦合。将模式应用于太湖流域,计算得到的该流域边界层内温、压、湿、风的分布特征与实际情况相似,模式具有一定的实用性。     

北冰洋中心区夏季大气边界层结构特征及其与海冰范围变化的关系

利用中国第4~6次北极考察获得的北冰洋中心区(80°~88°N))GPS探空资料和NCEP再分析资料,分析了大气垂直结构、边界层参数的变化特征及其与海冰和温度变化的关系.结果表明,2010、2012和2014年夏季北冰洋中心区的对流层顶、边界层高度、逆温强度及风速和风向的垂直结构均存在明显差异.通过分析1979~2014年9月温度与海冰范围变化的关系,解释了其差异的原因.2012年9月北极海冰范围最小,减少了44%,具有明显的增温过程.2010年和2014海冰分别减少了22.6%和17%,出现的是降温过程.对比2种过程反映出海冰变化对大气边界层结构有重要影响.近30年北冰洋中心区(80°~90°N)1000和850hPa的温度变化呈显著的升温趋势,并与海冰范围呈显著的负相关.表明北极海冰的持续减少,会使地表至对流层中层持续增温.     

ERS-2 SAR反演海洋风矢量的研究

SAR(Synthetic Aperture Radar)反演海洋风矢量是当今微波遥感领域非常有意义的前沿课题. 本文首先介绍了星载SAR估算海面风向、风速的基本原理和三种主流反演算法,接着给出反演的流程图以及重要步骤. 然后,以2002年5月7日香港地区ERS-2 SAR海洋图像为例,对经典的SWDA (SAR Wind Direction Algorithm)－谱分析方法加以改进,求得具有180°模糊度的风向,并用香港天文台气象浮标实测数据消除了风向不确定性. 最后,利用CMOD4 GMF（Geophysical Model Function,地球物理模式函数）计算得到海面上10m高的风速. 与气象浮标站实测资料相比,利用ERS-2 SAR图像获取的海面风向、风速的精度均较高. 这一结果表明：如果对SAR预先进行ADC(Analog to Digital Converter)改正以及精确校准,结合改进的SWDA和CMOD4,可以获得高精度的风矢量.     

Gradient-based similarity in the atmospheric boundary layer

The “flux-based” and “gradient-based” similarity in the stable boundary layer and also in the interfacial part of the convective boundary layer is discussed. The stable case is examined on the basis of data collected during the CASES-99 experiment. Its interfacial counterpart is considered in both the quasi-steady (mid-day) and non-steady states, utilizing the results of large-eddy simulations. In the stable regime, the “gradient-based” approach is not unique and can be based on various master length scales. Three local master length scales are considered: the local Monin-Obukhov scale, the buoyancy scale, and the Ellison scale. In the convective “quasi-steady” (mid-day) case, the “mixed layer” scaling is shown to be valid in the mixed layer and invalid in the interfacial layer. The temperature variance profile in non-steady conditions can be expressed in terms of the convective temperature scale in the mixed layer. The analogous prediction for velocity variances is not valid under non-steady conditions.     

Wake effects on turbulent transport in the convective boundary layer

The effect of the downstream propagation of a wake on the transport of momentum, energy and scalars (such as humidity) in the convective boundary layer (CBL) is studied using a direct numerical simulation. The incompressible Navier–Stokes and energy equations are integrated under neutral and unstable thermal stratification conditions in a rotating coordinate frame with the Ekman layer approximation. Wake effects are introduced by modifying the mean velocity field as an initial condition on a converged turbulent Ekman layer flow. With this initial velocity distribution, the governing equations are integrated in time to determine how turbulent transport in the CBL is affected by the wake. Through the use of Taylor’s hypothesis, temporal evolution of the flow field in a doubly periodic computational domain is transformed into a spatial evolution. The results clearly indicate an increase in the scalar flux at the surface for the neutrally stratified case. An increase in wall scalar and heat flux is also noted for the CBL under unstable stratification, though the effects are diminished given the enhanced buoyant mixing associated with the hot wall.     

Turbulent measurements in the stable atmospheric boundary layer during SHEBA: ten years after

This paper surveys results of the comprehensive turbulent measurements in the stable boundary layer (SBL) made over the Arctic pack ice during the Surface Heat Budget of the Arctic Ocean experiment (SHEBA) in the Beaufort Gyre from October 1997 through September 1998. Turbulent fluxes and mean meteorological data were continuously measured and reported hourly at five levels on a 20-m main SHEBA tower. Eleven months of measurements during SHEBA cover a wide range of stability conditions, from the weakly unstable regime to very stable stratification, and allow studying the SBL in detail. A brief overview of the SBL regimes, the flux-profile relationships, the turbulent Prandtl number, and other parameters obtained during SHEBA is given. The traditional Monin—Obukhov approach, z-less scaling, and gradient-based scaling are evaluated and discussed based on the data from SHEBA.     

白天混合层顶部夹卷层厚度的特征研究

本文首先对Deardorff的一阶模型给予解释,在此基础上分析对流边界层湍流动能方程,分析机械湍流和对流湍流对边界层发展的贡献,提出一个新的速度尺度,混合层顶速度尺度,定义了全理查森数,给出夹卷层厚度的参数化方案,并用Boers和Elotanta的雷达观测数据进行验证。参数化方案与实验数据符合得很好。当夹卷层厚度表示为夹卷速度或夹卷理查森数的函数时,该函数曲线随边界层发展通常表现为磁滞回线形状现象,利用本文的理论进行了解释。     

大气边界层湍流的动力非平稳性的验证

首次用验证时间序列中是否存在动力非平稳性的一种简单图示方法——space time-index法来分析大气边界层湍流的动力平稳性特征.本文以取自淮河流域和威斯康星森林下垫面条件下的三维高精度风速和温度、湿度湍流脉动资料对大气边界层湍流的平稳性特征进行了分析.结果表明space time-index方法能有效地检验大气边界层湍流信号中是否存在动力平稳性.另外,均匀下垫面条件（水稻田）及复杂下垫面条件（森林）下的大气边界层湍流信号中几乎都存在动力非平稳性,大气湍流动力学非平稳性可能是边界层湍流信号相当普遍具有的一种特性.大气边界层湍流中的间歇性和相干结构使得其非平稳性图形的特征不同于一般时间序列非平稳性图形的“V”型特征;森林下垫面条件下的湍流信号比相对均匀下垫面（水稻田）下的湍流信号更有组织性,相干结构更强.     

Space-time distribution of temperature inversions in the Arctic atmospheric boundary layer

An increase in the amplitude and frequency of temperature inversions in the boundary layer (1.5 km above the Earth’s surface) in the Arctic was detected using aerological data from the Russian ice stations during the interval 1954-1987.     

Upward flux of RaB and RaC in the planetary boundary layer as controlled by atmospheric microstructure

Summary Vertical mixing and transport processes are studied, and their variation as influenced by atmospheric fine-structure conditions investigated, using data gathered from simultaneous measurements of RaB and RaC concentration in the ambient air at three mountain stations located close to each other horizontally, but at markedly differing levels (730, 1780 and 2960 m). RaB was used as a tracer on account of the high sensitivity to variations of vertical-mixing activity evidenced by RaB abundance figures. Strong inversions between 700 and 2500 m a.s.l. create a zero condition at the higher level, where only 0.1% of the low-level RaB reading obtains; active turbulent mixing, on the other hand, leads to nearly equal RaB readings at the two levels. The vertical gradient of concentration of RaB is used to compute mean vertical-mass-exchange coefficients; the latter are studied in their relation to atmospheric structure characteristics. Statistical studies indicate that the barring effect of inversions is related solely to the magnitude of the inverse temperature gradient. Problems of radioactive equilibrium RaB-RaC are discussed, and the significance of aerosol particle size taken into consideration.

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Zusammenfassung Simultane Messungen der RaB- und RaC-Konzentration der Luft an 3 Bergstationen von geringem horizontalem Abstand aber mit relativ grossen Höhenunterschieden (Stationsniveau rund: 700, 1800 und 3000 m a.s.l.) werden benutzt um die vertikalen Mischungs-und Transportvorgänge und ihre Abhängigkeit von der atmosphärischen Feinstruktur zu studieren. Die RaB-Konzentration der Luft reagiert nämlich sehr empfindlich auf Schwankungen der Austauschintensität. Im Falle einer kräftigen Inversion zwischen 700 und 2500 m a.s.l. fällt die RaB-Konzentration über dieses Höhenintervall hinweg auf 0,1% des Basiswertes ab, bei turbulentem Austausch herrscht fast Konzentrationsgleichheit. Aus den vertikalen RaB-Konzentrationsgradienten werden mittlere vertikale Austauschkoeffizienten berechnet und diese zur atmosphärischen Struktur in Beziehung gesetzt. Es zeigte sich dabei, dass die Sperrwirkung einer Inversion nur durch die Steilheit der Temperaturänderung im Inversionsbereich bedingt ist. Probleme des radioaktiven Gleichgewichts zwischen RaB und RaC werden diskutiert. Auch die Bedeutung der Aerosolpartikelgrösse wird mit in Betracht gezogen.

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Paper presented at the XIVth General Assembly of the IUGG, meeting of the ICACR, Luzern, October 1967. The work has been sponsored by European Research Office, US Army, and Department of Defence of FRG