北京地区一次典型大雾天气过程的边界层特征分析

利用中国科学院大气物理研究所325 m铁塔15层风、温、湿梯度观测资料和3层超声资料,对2002年12月1~4日发生在北京地区的持续大雾天气过程进行近地面层大气边界层特征分析。结果表明,近地面大气边界层较大的相对湿度(70%)、较小的风速(3.0 m.s-1)和风速垂直切变(0.02 s-1)、稳定的层结结构以及较低的气温是北京持续大雾天气形成的主要原因。冷空气的侵入使得边界层相对湿度迅速减小,风速和风速垂直切变增大,破坏近地面大气边界层的结构,导致大雾的消散。分析还发现,大雾的维持与消散主要受风场等动力因素的影响,热力层结是大雾维持和消散的必要条件。冷空气的侵入自上而下影响平均风场,而对湍流风场的影响则是自下而上的。尺度分析结果表明,大雾期间,近地面边界层内中尺度动量通量和感热通量都大于湍流尺度的,中尺度动量通量与平均风速基本呈反相关;冷空气的侵入使得湍流通量显著加强,是导致大雾天气消失的主要原因。     

北京海淀地区大气边界层的数值模拟研究

采用北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式,利用Landsat-TM卫星影像图得到的地表状况计算陆气之间的能量平衡过程,模拟了北京海淀地区大气边界层的风、温场结构以及污染物浓度分布,进而模拟了由于汽车尾气的排放而转化成的气溶胶的浓度分布.模拟表明城郊之间存在热岛效应,边界层风场受到热岛的热力作用以及地形的动力作用影响.污染物及气溶胶浓度也存在城乡差别,最大浓度出现在城区的下风方向.     

一次持续性大雾边界层结构特征及诊断分析

2010年11月30日至12月2日,冀中南部及天津地区出现了一次大范围的大雾天气,持续时间长达3 d,其中石家庄浓雾持续时间长达34 h,强浓雾持续时间7 h。利用加密自动站、天津市250 m气象铁塔梯度观测资料,结合常规气象资料和NCEP/NCAR再分析资料,对连续性大雾边界层结构特征以及大雾的形成、发展维持和消散进行了诊断分析。研究得到:大雾形成前期地面持续东风,有利水汽的聚积;当地面风向转为偏北风时促进水汽凝结,致使大雾形成,大雾形成后再次转为长时间偏东风有利大雾的维持和加强;850 hPa以下西南暖湿气流和近地面层逆温的长时间维持,是平流大雾持续的主要原因;低层3支水汽的输送及850 hPa的西南急流重建直接导致了强浓雾形成。大雾维持加强期间,边界层风速为1~2 m·s~(-1),尤其是强浓雾期间,风速仅为1 m·s~(-1);当边界层4 m·s~(-1)以上西北风速从250 m逐渐下传至地面时,逆温层破坏,大雾天气结束。     

华北平原一次大雾天气过程的数值模拟

应用非静力平衡中尺度模式MM5V3,模拟分析了2005年11月19-21日发生在华北平原的一次大雾天气过程.结果表明,本次大雾是发生在相对稳定的大气环流背景下的辐射雾.模拟的天气形势与实况基本一致,模拟雾在范围、强度、生消时间等方面基本反映了实际大雾的生消变化规律.近地层逆温的维持和充沛的水汽条件对雾层长时间维持起着重要作用.诊断分析表明,大雾维持期间,雾区近地面层处在弱的水汽辐合区;900 hPa以上为辐散区和负涡度区,整层大气中下沉运动占主导,大规模的下沉辐散运动有利于中低层大气增温,与近地层的辐射降温相配合,有助于边界层内形成逆温;冷暖平流的作用也有助于逆温形成;地面和大气的长波辐射冷却,是最主要的降温因子;太阳短波辐射是导致大雾减轻及日变化的主要原因.     

海面对流边界层垂直结构的数值模拟

冬季冷空气爆发进入暖海面时,海面边界层属与典型的对流边界层。此情况下,一般而言梯度输送理论(即一阶K闭合方法)是无能为力的。Wgnsaard(1984)提出了被动保守标量场的底直向上(bottom-up)和顶直向下(top-down)湍流交换模型。本文将它推广应用到风场相温度场,并用它模拟了冷气团入海期间海面边界层的结构。与实测资料比较,两者能吻合较好。     

盆地绿洲边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．5非静力平衡模式,通过三重嵌套的降尺度方法,没计理想化的圆形盆地地形和绿洲,模拟研究了盆地绿洲环流及边界层特征。发现盆地感热随地形高度而变化潜热随地形高度没有变化,仅与下垫面特征有关。盆地绿洲感热小,潜热大,绿洲气候效应明显。盆地绿洲形成的环流与地形环流一致,这有利于加强地形环流。但地形形成的环流强度比绿洲环流要弱得多。盆地绿洲对大气边界层的湿度影响很明显。绿洲的水汽输送通过地形下沉气流加强,使山谷绿洲的气候效应得到加强。结果表明,盆地绿洲由于其地形环流与绿洲环流一致,故使绿洲效应加强。     

天津一次雾过程的边界层特征研究

雾作为边界层内一种特殊的天气现象与边界层结构有着密切联系。本文利用天津边界层梯度观测平台分析2010年11月28日至12月2日一次雾过程的边界层结构特征。结果表明:此次过程雾Ⅰ阶段水汽最先在离地面80～100 m的高度凝结,雾Ⅱ(平流雾)阶段水汽由上往下传输;雾Ⅰ前,大气有明显的逆温,雾Ⅱ前大气处于不稳定状态,雾中大气趋于中性,在雾变薄过程中,边界层气象塔可观测到雾顶的强逆温;雾中长波辐射达到平衡,净长波辐射为0,可用此区分水雾和霾;雾对光化学烟雾有抑制作用,NO_x和小粒子会出现累积,影响人体健康。     

北京及其周边地区一次大雾的数值模拟及诊断分析

利用美国国家大气研究中心研制的第5代中尺度模式系统MM5对2002年12月1~4日北京及其周边地区出现的一次大雾进行了数值模拟研究,模拟的雾出现和消散时间与实况一致。同时对雾形成和维持的机制进行了分析,讨论了雾发生发展阶段的物理过程,并对影响大雾过程的辐射条件做了敏感性试验。结果表明:形成大雾的主要原因是大气层结稳定,水汽充沛,地面的长波辐射冷却;近地面层微物理过程充分发展和雾顶的强烈辐射降温致使雾在垂直空间上出现爆发性发展;而太阳短波辐射对雾的减弱消散有着重要影响;深厚逆温层的维持对雾层长时间维持起着决定性作用。     

一次广东省大雾过程的数值模拟分析

利用美国国家大气研究中心（NCAR）和宾夕法尼亚州立大学联合研制的第5代中尺度气象模式系统MM5,对广东省地区春季出现的一次大雾过程进行了数值模拟研究。模式模拟结果与实际温湿探空的对比表明,模式很好地模拟了大雾过程的流场变化特征及表征大雾的液态水含量分布。对这次大雾生消过程起决定性作用的是925 hPa风场的变化。当925 hPa转为偏南风控制时,暖湿的海洋性空气流经较冷的下垫面从而形成大范围的平流雾;而当925 hPa转为干冷的偏北风控制时,原本形成的大雾很快就消散了。同时模式也很好地模拟了伴随此次平流雾出现的逆温过程。逆温层高度约在900 hPa附近,具有相当的厚度,这对于大雾的形成和维持有一定作用。另外,利用模式模拟的液态水含量值估算的能见度水平分布情况与实况的观测结果也较为一致。     

一次大雾形成过程的数值模拟分析

利用非静力中尺度模式MM5V3对2009年11月30日到12月1日天津武清地区的一次大雾天气过程进行了数值模拟研究,这次大雾过程主要分布在天津、河北、山东地区,天津市武清县位于大雾的边缘位置.此次雾过程可以分为3个阶段.11月30日的17:00(北京时间,下同)至12月1日00:00是雾的形成阶段,12月1日00:00出现雾,00:00至09:00是雾的发展阶段,09:00之后是雾的消散阶段.模拟研究表明长波辐射降温使得温度下降并导致逆温层出现,同时由于暖湿气流输送,观测点处具有充足的水汽供应,促使了大雾的形成;在雾形成之后,逆温层的维持、持续的长波辐射降温有利于雾的不断发展;而后期辐散下沉运动明显,水汽不断向外辐散,使得雾逐渐消散.湍流对雾的影响是向上和向四周传输水汽,使得雾范围扩大,但如果太强,又会使得雾很快消散.     

半干旱区植被覆盖度对边界层气候热力影响的数值模拟

在陆－气相互作用的中小尺度系统研究中，水平非均匀下垫面的强迫作用是主要的物理过程。本文利用能量闭合二维陆面过程与大气边界层耦合模式，研究了我国西北半干旱地区（３８°Ｎ，１０５°Ｅ）夏季下垫面物理特征的变化对区域边界层气候的影响。结果表明：土壤湿度、植被覆盖度对局地环流和区域边界层气候的形成起着决定性的作用。模拟结果揭示了在半干旱地区大面积植树造林、提高植被覆盖度，可涵养土壤水分，改善局地生态环境，是人工持续改造干旱、半干旱荒漠地区局地气候的重要途径。     

北京地区气象环境数值模拟试验

用区域边界层模式RBLM模拟北京地区气象环境特征.数值模拟结果表明(1)北京地区的气象环境很复杂,其主要特点是受昼夜循环的山谷风气流、城市热岛环流以及大尺度系统共同影响.(2)北京市区冬季地面风的日变化较小,主要是偏北气流,城市上游方向在市区的北边,而春夏季地面风的日变化比较明显,市区的进出口气流方向变化很大.(3)北京市城市热岛强度在夏季较强,城市热岛环流明显,城市中心近地面气温比郊区近地面气温高5～6℃左右.(4)数值模拟结果能较好地反映北京地区流场的日变化,与实际观测结果吻合较好.     

北京冬季城市边界层结构形成机制的初步数值研究

利用耦合了城市冠层参数化方案的MM5模式对2001年冬季北京地区一次典型的城市边界层过程进行成功模拟的基础上,对北京城市化作用、周边地形以及城市化进程发展对城市边界层结构的影响等问题进行了一系列的数值模拟试验。城市化作用的因子分离试验发现,城市化的总体作用即城市下垫面结构对大气热力及动力的综合影响导致了北京冬季城市边界层结构主要特征的形成。此外,揭示了城市结构的不同影响因子———动力因子、热力因子和热动力因子间的相互作用在北京冬季城市边界层结构形成和演变过程中的不同作用。在夜间,城市结构的动力因子对于城市边界层主要特征如市区悬浮逆温、近地层中小的风速及较强的湍流动能等的形成起着主导作用;在白天,城市结构的热力因子则成为影响市区混合层强度以及湍流运动特征等边界层结构的主导因素;热、动力因子间的相互作用对城市边界层结构的形成和演变也有着重要作用,但其影响特征比较复杂。北京周边地形作用的敏感性试验的结果表明,北京周边的特殊地形条件对城市边界层热力结构特征如悬浮逆温层及城市热岛等的结构及分布特征的形成也有着明显的影响,使其具有特殊的局地化特征,同时,它也是北京地区近地层主要气流特征的强迫源。不同城市化程度的敏感性试验结果揭示,随着北京城市建筑高度和密度的增加,市区风速将减小、湍流动能将加强,夜间城市悬浮逆温层底的高度会有所提高,城市热岛的强度也将加强,并可能在白天出现比较明显的城市热岛效应。     

干旱地区中尺度非均匀边界层气候的数值研究

为了用中尺度模式研究干旱地区非均匀下垫面与大气的相互作用及其对边界层气候的影响，本对Nickerson等提出的β-中尺度模式进行了某些修改．在此基础上我们着重对模式进行了敏感性试验．结果表明：模式对植被覆盖度和背景风速十分敏感。其次我们用此模式研究了我国北方(40°N，100°E)夏季非均匀下垫面对边界层气候的影响．     

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。     

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。     

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。     

THE PHYSICAL STRUCTURE OF THE WINTER FOG IN CHONGQING METROPOLITAN AREA AND ITS FORMATION PROCESS

Chongqing is a very famous foggy metropolitan in China.The Chongqing Fog Experiment Group carried out com-prehensive experiments on a large and extensive scale in the Chongqing urban area from 15 December 1989 to 15 Janua-ry 1990.And several items were further observed from 7 December 1990 to 7 January 1991.Based on the analysis of theobservational data,some important characteristics of the Chongqing winter fog and the boundary layer structure havebeen revealed.It is found that such factors as topography,mountain wind,rivers,the urban heat island and airpollution,all contribute to the formation of the Chongqing fog in addition to the radiation conditions.     

采用不同参数化方案对沪宁高速公路浓雾过程的模拟试验

以2006年12月24—27日沪宁高速公路及其周边地区出现的一次罕见持续性大雾为例,采用模式验证方法,研究了采用不同微物理过程和陆面过程参数化方案对浓雾模拟效果的影响。结果表明,对相对湿度等常规气象要素的模拟,各个参数化方案的模拟效果都较好,与实况都有很好的一致性。对直接表征能见度的变量———液态水含量的模拟,各个参数化方案中以微物理过程采用Lin方案,陆面过程采用SLAB方案模拟效果最好,其他方案的模拟效果与实况相比偏差较大。     

成熟台风边界层作用的数值研究

利用ＴＬ６模式，在对一次台风过程成熟阶段进行成功模拟的基础上，通过各种对比试验，研究了成熟台风边界层的作用。结果表明：在２４小时内，台风边界层内各种通量的垂直输送对其路径影响很小而对成熟台风的维持却有非常重要的作用。其中，潜热输送成为成熟台风的主要能源，其影响最为重要。感热输送对成熟台风几乎无影响。边界层的动量垂直输送具有双重作用，摩擦辐合使上升运动增大，但明显对下层涡旋有削弱作用，这近似于在台风