在EBEX-2000实验资料中湍流耗散率、长度尺度和结构参数特征

采用2000年8月在美国加州棉花地两个高度上应用超声三分量仪、快速响应温度和湿度仪进行的EBEX-2000 (International Energy Balance Experiment, 2000, 简称EBEX-2000) 风速三分量、温度和湿度湍流实验观测数据, 计算分析了在不同稳定度下的湍流能量和热量耗散率和湍流结构参数特征.并与Kansas和长白山原始森林湍流实验得到的结果进行了比较, 得到了一些湍流特征量在不同下垫面情况下的一些有意义的特征.     

北京夏季强热岛分析及数值模拟研究

应用北京地区20个常规地面气象站、2个自动气象站和中国科学院大气物理研究所325m气象铁塔的资料,对北京2003年7月热岛状况进行了统计分析,发现北京夏季夜间存在强热岛效应,夏季夜间存在强热岛效应的天数占到了1/3,强弱热岛天数合计占到了大约4/5。进一步分析7月1日强热岛特征及其气象影响因子,结果表明：夜间存在强热岛时,郊区所有测站的地面气温都要低于主城区地面气温,城市强热岛的高温中心在天安门和白家庄连线的主城区;白天日照充足的晴夜,日落后城区320m以下低层大气存在逆温和弱的风速,城区地面气温下降速率和幅度均远小于郊区,城市强热岛因此得以形成和维持。日出后至正午,北京北部郊区日照时间比城区长,郊区地面大气得到来自太阳辐射的能量多于城区,而太阳辐射的加热作用使城区低层大气逆温消失,大气稳定度减弱,并使郊区地面气温上升速率和幅度大于城区,最终导致夜间出现的强热岛减弱、消失。此外,应用MM5模式对强热岛进行了初步数值模拟研究,发现在MM5中考虑城市人为热和热储存,可以改善模式对热岛的数值模拟,表明城市人为热和热储存在夏季强热岛的形成中有重要作用。     

大气边界层湍流标量场的概率分布及其特征分析

利用2004年11月在白洋淀地区和2005年1月在中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的47 m高度由超声风温仪和水汽二氧化碳分析仪观测的湍流脉动资料,分析了大气边界层不同下垫面湍流标量场(温度、水汽和二氧化碳)的概率分布及其特征。标量场的概率分布通常不同于高斯分布,而且还会产生偏斜,可以用指数分布描述。因此,标量的偏斜度通常不为0,陡峭度也往往比3大。非0偏斜度的出现可能是由湍流时间序列中的相干结构和间歇性部分造成的。其中,相干结构的存在使概率分布偏斜,但是,它们对偏斜度的贡献相对较小,而与概率分布的长尾现象有关的间歇性则会使偏斜度大大增加。温度、水汽和二氧化碳的平均偏斜度和陡峭度反应了标量场与稳定度、下垫面、天气条件、源汇等因素之间的关系。在不同下垫面,温度和感热通量的偏斜度随稳定度变化比较一致;水汽通量的偏斜度在稳定和不稳定条件下都为正,而水汽本身在不稳定条件下可能出现负的偏斜度;二氧化碳和二氧化碳通量的偏斜度受下垫面影响很大,在不同下垫面,偏斜度与稳定度之间的关系并不一致;而3个标量的陡峭度随稳定度的变化不显著,它们与相应的偏斜度之间存在平方关系。     

Mosaic方法在非均匀下垫面上的适用性研究

在非均匀下垫面情况下, Mosaic方法是目前国际上广泛运用于模式中计算地表通量的方法.大量的研究表明, 下垫面的非均匀分布会引发局地环流, 非均匀分布的空间尺度较大时, 所引起的环流甚至可以达到海陆风的强度.这种环流的存在直接影响到次网格地表通量的计算.次网格地表非均匀分布, 尤其是大尺度模式中的次网格非均匀分布, 必将影响地表通量的计算.本文针对次网格地表非均匀问题, 设计了高分辨率的Mosaic试验和非均匀试验, 开展了不同背景风情况下的一系列数值试验, 以探讨这种影响的程度.结果表明, 在土壤湿度空间分布不均匀的情况下, 运用Mosaic方法计算得到的地表潜热通量偏小, 背景风较小的时候偏差较大, 背景风增强时偏差减小.     

精细PBL模式及其诊断应用

在已建立的一种三维非静力细网格E-ε湍能闭合的动力学框架基础上,作了一些改进的技术处理和试验,包括:(1)利用GIS提供的地形资料,较精确地计算太阳辐射,进而诊断地面温度;(2)引进位势流概念,处理稳定层结条件下初始内插风场的风向变化;(3)引入动力学调整项(αobs-α).在此基础上,就地理信息系统(GIS)提供的一个60km×48km区域作了边界层结构和湍流特征的数值模拟试验,并与实测作了比较,讨论了精细PBL模式的模拟效果,结果表明,新建的PBL模式能较好地模拟表征出复杂下垫面地域的陡峭地形和不规则海岸线对局地风场和湍流场的动力和热力学作用.     

陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

文中建立了一个研究陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了草原下垫面的土壤 环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征。并对主要的环境物理参数进 行了敏感性实验。结果表明，本模式能合理地模拟地表热量平衡、土壤体积含水量、植被蒸 发阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等。该模式还可 进一步应用于研究城市陆面物理过程与大气边界层相互作用机制，及与中尺度大气模式耦合用于区域气候的研究。     

大气边界层高度确定及应用研究进展

大气边界层高度是表征边界层特征的重要参量,影响边界层内水热、物质、能量的垂直分布,也是数值模拟、环境评估中的重要参数。从湍流运动、热力作用、动力作用以及物质分布等多视角总结了大气边界层高度的定义及确定方法,回顾了采用直接观测手段和遥感手段确定大气边界层高度的不同方法,对比了大气边界层高度不同获取手段的优缺点,梳理了大气边界层高度参数化方案,探讨了大气边界层高度确定中存在的问题,并提出未来相关研究和应用可能突破方向。      

北极斯瓦尔巴德地区近地层大气观测研究II.湍流场特征

利用“中国科学探险协会2002年北极科学探险考察”期间在北极朗伊尔宾地区获得的大气风温微气象脉动资料,讨论了该地区近地层湍流能谱、湍流方差、感热通量、动量通量、温度结构参数以及动量整体输送系数等的分布规律,给出了这一极端环境区夏季近地层微气象场的基本结构,分析了北极地区极昼期间陆地下垫面地-气之间能量交换,丰富了人们对该地区近地层湍流输送过程的深入理解。     

由地基遥感资料确定大气边界层特征

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拥有用于边界层垂直结构探测的相控阵声雷达（PA2）、低层大气廓线仪（LAP-3000）以及无线电声雷达（RASS）。本文研究如何利用这些设备获取的遥感观测资料,确定边界层湍流热通量的垂直分布、地面热通量以及边界层高度等问题。     

大气湍流的混沌吸引子特征

采用时间延迟技术,利用高性能的超声风温仪和红外湿度脉动仪所测得的大气湍流脉动资料,重构相空间中的湍流吸引子,估算了其相关维D2和最大Lyapunov指数λ1。结果表明,在不同地点、不同时间以及不同大气稳定度条件下,大气湍流的最大Lyapunov指数λ1均大于零,说明大气湍流的确具有混沌特征,且存在低维奇怪吸引子,其维数在3～7之间,视变量的不同(动力变量还是非动力变量)而不同,且受大气稳定度影响。首次使用了湍流动能来重建湍流吸引子。