HUBEX试验区近地面层的湍流输送

1998年淮河流域能量和水循环试验(HUBEX)期间曾进行了1个月的近地面层湍流观测.分析不稳定条件下湍流的统计特性和谱特征,并与Monin-Obukhov相似理论进行了比较.结果表明,不稳定的时候各湍流量的统计特征与相似理论的预期相符.虽然不稳定条件下温度和湿度涨落的相关系数很高,谱的式样也相近,但湿度谱的峰值频率高于温度谱.协谱曲线的形状显示感热通量的谱峰较宽,表现出w和T在较宽范围的强相关性,而水汽通量谱在高频段下降很快,说明水汽的输送更多地出现在低频部分.从谱相关系数可见,在近中性的时候,各尺度湍流涡的热量输送效率普遍较低,随着不稳定性增强而显著提高.分析还发现,不论不稳定性的程度如何,小尺度湍流的水汽输送效率都较低.水汽通量谱的相关系数随稳定度的变化不如热通量的谱相关系数大,表明近中性时除小尺度湍流外其他湍流涡的水汽输送效率高于热量输送.     

城市气象与边界层数值模拟研究

综合评述关于城市气象与边界层数值模拟的近期研究进展,主要就城市气候研究、城市能量平衡、城市热岛研究以及城市陆面过程与城市地表能量平衡模式等方面国内外主要研究工作,结合作者近期的研究工作和认识作一评述.从中提出一些现实与观点方面的问题,给出一些看法和讨论.最后,就当今比较流行并显示十分有效的城市气象和城市边界层数值模拟作一些讨论,着重对这一领域面临的现行研究和未来的挑战,提出一些思考.评述结果表明:①今后需针对我国不同气候区、不同城市特点和建筑物形态特征,开展城市气候、城市地表能量平衡、城市热岛等方面的观测与模拟研究;②在城市气象观测方法与技术导则、观测站网布局、新型观测手段的综合使用等方面的深入研究需进一步展开;③需建立基于时间、天气条件、建筑特征的简单的城市热岛强度预报方法;④可探索采用计算流体力学(CFD)模式作为"桥梁",检验并改进中尺度模式对城市地区的模拟效果.     

北京地区一次PM2.5重污染过程的边界层特征分析

利用北京市环境保护监测中心和美国大使馆的细颗粒物（PM2.5）逐时监测数据,中国科学院大气物理研究所325 m气象梯度塔资料以及实况天气图和探空资料,对2015年11月27日至12月1日北京的PM2.5重污染过程的边界层特征进行了分析。研究发现:这次重污染过程持续时间长、强度大,其中PM2.5浓度超过75 μg/m3的时次共计126 h,超过150 μg/m3共计116 h,小时最高PM2.5浓度为522 μg/m3。在高低空环流场配置的影响下,近地面静风和多层逆温结构抑制了污染物在水平和垂直方向上的输送,加上边界层内的深厚湿层,使得其中气溶胶不断吸湿增长,高PM2.5浓度得以维持。在重污染期间,湍流动能较低,不利于污染物的水平和垂直扩散。垂直方向的湍流动能一直占水平方向的15%~20%左右,水平湍流动能占主要贡献。摩擦速度与湍流动能呈现出相似的变化趋势,不同高度之间的摩擦速度差别不大。超出前后时次一个数量级的湍流强度尖峰的出现是湍流场发生调整的一个信号,是PM2.5浓度发生剧烈转变的前兆,预示着污染状况更加糟糕。重污染过程中感热通量的输送方向为从地面向大气输送,感热通量和潜热通量都大幅减少,并且表现出明显的日变化特征。对湍流功率谱计算和分析表明,在重污染过程期间,时间尺度为5 min至6 h的中尺度过程对从地面到大气方向的动量和热量通量输送做出了重要贡献。     

黑河地区近地面层辐射和温度的适用性模拟研究

为了检验中尺度区域大气模式在中国高原复杂下垫面区域气候模拟中的适用性,文中采用该模式在40余种不同的初始参数条件下模拟了1991年6月20日至7月20日黑河区域的近地面辐射收支平衡和空气温度。并分析了中尺度区域大气模式应用于中国西北部大起伏地形和高原地区复杂下垫面(HEIFE)的模拟能力。结果表明,在仅使用NCEP再分析资料、探空资料和常规地面观测资料(RAMS标准输入),而不根据当地特征调整区域大气模式初始参数的情况下,对近地面层的辐射收支和空气温度具有一定的模拟能力,但可能引发较大的误差;特别是地面向上长波辐射通量和2 m空气温度,其模拟结果与实测结果相差甚远。只有合理地调整模式的初始参数,主要是初始土壤层的温度和湿度,才能得到与实测资料符合良好的结果;而要进一步地模拟出这些物理量在复杂天气情况下的细致变化,则需要把土壤深度扩大到4 m左右,并使用较为可靠的数据初始化垂直非均匀的土壤湿度。     

长白山哈尔巴岭气象塔湍流局地相似性研究

利用长白山脉哈尔巴岭气象塔高频率湍流梯度观测数据,分析了2007—2009年间2月和7月2 m、30 m和100 m 3个观测高度湍流统计特征,对复杂下垫面局地相似理论适用性进行了检验,求出了无量纲风速标准差、无量纲温度和湿度标准差与稳定度关系的经验公式,发现了该地域湍流统计特征的新现象。结果表明:(1)冬季和夏季对流条件下2 m、30 m和100 m高度上无量纲风速标准差与稳定度Z/L之间能较好的满足1/3幂律,但夏季能更好地满足1/3幂律,且变化趋势明显,而冬季变化趋势平缓,接近直线。通过和其他学者的研究结果进行比较,发现了一些差异。(2)冬季无量纲温度、湿度标准差观测值随稳定度分布十分离散,但总体变化趋势基本满足-1/3幂律,而夏季观测值分布集中,变化趋势较好地满足-1/3幂律,反映出该地域无量纲温度、湿度标准差与稳定度关系随季节变化十分明显,且夏季对流强于冬季。(3)在30 m和100 m高度上,摩擦速度具有明显的日变化,但2 m高度上摩擦速度的变化比较特异,出现了夜间高于日间的情况,通过研究三维风速的脉动资料,发现夜间的风速脉动资料明显偏大,是导致夜间摩擦速度u*取值较大的直接原因,这种现象的发生可能是由该地域地形效应和下垫面特征引起的。     

大气边界层风速脉动的分形模拟

应用曲线分数维计算方法计算大气边界层实际风速观测资料的分数维值,并根据分形理论构造出一个理论模型来模拟真实的大气边界层风速时间序列。将模拟和真实数据的一些重要的统计特征,例如方差、风速概率分布、谱密度函数和自相关函数等,进行了比较,结果表明二者具有很好的一致性。     

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。     

北京325米气象塔上CO2梯度观测数据质量控制与评价

近些年涡度相关系统在城市通量研究中得到了广泛应用,因城市下垫面的特殊性和复杂性,以及系统观测原理和仪器精度存在着局限性,使得结果存在10%以上偏差,故必须对原始观测数据进行质量控制和评价。本文对北京325 m气象塔七层高度上的CO₂(二氧化碳)、能量等通量进行了长期观测,研究了涡度相关技术在城市环境通量观测中的适用性,设计出了一套适合于复杂城市下垫面上的涡度相关系统资料前处理和质量控制方案,并对比了不同修正方案效果。分析结果表明,城市下垫面环境中计算CO₂通量的最优周期为30 min;二次坐标旋转法优于平面拟合法;频率响应修正后的感热通量提高5.21%,潜热通量和CO₂通量均提高9.42%。空气密度脉动修正Liu法(Liu,2005)优于WPL法(Webb et al.,1980);湍流谱在惯性副区满足-2/3次方定律,协方差谱满足-4/3次方定律。经过这套前处理和质量控制方案,原始数据中有79%能够用于基础研究,该质量控制与评价体系可为复杂城市下垫面通量研究提供参考。     

北京城市化进程对边界层风场结构影响的研究

随着近10年来北京城市化步伐的加快,城市规模迅速扩大,北京三环以外的地区已由20世纪七、八十年代的城郊非均匀下垫面发展成现在粗糙复杂的城区下垫面,市区建筑物相应增多、增密和增高,导致城区地面动力学粗糙度明显增大.本文统计分析了北京325 m气象塔1994年和1997～2003年夏季平均场观测资料,结果表明:(1)在受下垫面影响最为剧烈的近地层,风向逐年趋于紊乱,现在气象塔周围近地面的流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征;(2)近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减的趋势,而且距离地表越近,平均风速逐年递减的趋势也越为显著,这种风速逐年递减的趋势直到63 m左右才不明显,说明现在气象塔47 m以下的观测资料反映的是城市冠层的流场特征,城市冠层厚度约在47～63 m之间;(3)随着北京城市化的发展,城区近地面的平均风速存在逐年递减的趋势,但阵风并不存在相似的递减趋势,表明城市冠层的抬升对阵风的影响并不显著.     

大气污染预测的理论和方法研究进展

介绍中国科学院 “九五”重大科研项目 “大气污染预测的理论和方法研究”的研究意义、目标和具体的研究内容, 同时对已取得的重要研究进展和阶段性成果作简要介绍