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。     

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。     

大气边界层剪切湍流统计特性的风洞实验及其层次相似律

对风洞模拟的大气边界层的剪切湍流场的速度脉动时间序列信号以及某一高度位置上的小波变换分解重构的信号进行了系统的统计分析.结果表明, 在非均匀下垫面大气边界层的不同垂直高度上的信号, She-Leveque湍流层次相似律都成立, 层次相似指数β和最高激发态的奇异标度指数γ随垂直高度的变化而变化, 并给出不同尺度的分解重构信号的一些层次结构特点.     

湍流通量计算方法和误差的比较研究

近地层的风、温、湿梯度以及辐射和土壤热通量资料在过去的几十年间被广泛地用于计算陆-气感热、潜热通量.然而,不同的计算方法之间存在一些差异,随意的选用可能会造成计算结果存在较大的误差.文中利用绿洲系统能量与水分循环过程观测试验的2005年6月甘肃金塔绿洲中部观测资料,在分析了观测期间近地层微气象特征的基础上,对鲍恩比法、空气动力学法(包含两种不同计算方案)和变分法计算的绿洲农田下垫面的湍流通量进行了比较,并通过敏感性实验和理论分析探讨了不同方法间计算结果的差异和误差的来源.结果表明:不同方法计算的湍流通量特征存在明显差异.鲍恩比法从理论上满足能量平衡关系,但在昼夜交替和夜晚时出现了计算不稳定现象,因此在这些时段不适用.变分法避免了鲍恩比法计算夜间湍流通量的不稳定性,而且二者计算的白天湍流通量有较好的相关性;同时变分法由于加入了辐射和土壤热通量信息,明显改善了空气动力学法白天的能量平衡状况;变分法计算得到的潜热通量对辐射和微气象条件有较为合理的响应;对数据误差的敏感性试验表明,鲍恩比法和空气动力学法应用于绿洲下垫面上对观测误差较为敏感,而变分法相对比较稳定.进一步的分析表明,鲍恩比法在-2<β<0的范围内由于方法本身局限而适用性较差;而空气动力学方法计算结果的差异和误差来源于所应用的相似性函数.因而与鲍恩比法和空气动力学法计算的湍流通量值相比较,变分法的计算结果更加合理和稳定,在绿洲下垫面有较好的适用性.该文研究方法和结果可为这些方法的使用提供参考.     

在EBEX-2000实验资料中湍流谱和局地各向同性特征

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050206 温度和湿度仪进行的EBEX-2000 (International Energy Balance Experiment,2000,EBEX-2000)风速三分量、温度和湿度湍流实验观测数据,计算分析了湍流速度、温度和湿度谱在不同稳定度下的特征.对湍流的局地各向同性进行了讨论并与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.     

绿洲效应的模拟及内外因子的敏感性实验

利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合,模拟了半干旱区绿洲戈壁非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用,成功地描绘了绿洲戈壁局地气候效应,并进行了绿洲戈壁局地气候效应对于降水、绿洲水平尺度和植被结构等若干内外因子的敏感性实验.结果表明:绿洲的最小临界尺度为5～10 km之间,最大临界尺度为55～65 km之间,而最利于绿洲维持的尺度范围为20 km左右,这一结论与我国西部地区现存的绿洲尺度统计结果十分一致;绿洲植被覆盖率为0.6左右时,最利于绿洲发展.另外对植被空间分布方式和绿洲植被组成比例上也进行了数值实验,并对影响绿洲生存和持续发展的内、外因子气候效应的影响力量级进行了分级.这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义.     

边界层内大气排放物形成重污染背景解析

我国大气中的粒子浓度普遍较高,特别是可吸入颗粒物PM10.在区域特定的大气环境过程的影响下,能形成大范围的严重污染情景.利用大气环境过程的概念,分析引起大气重污染的中尺度天气系统、近地层小尺度局地系统和稳定的大气边界层结构,发现大范围均压场条件下易出现近地层小尺度局地环流群体,大范围均压场持续演变和移动常形成大气污染汇聚带,从而形成局地严重污染的重要大气条件.     

白洋淀水陆不均匀地区能量平衡特征分析

应用2005年9月在河北白洋淀地区进行的大气边界层综合观测实验资料, 对水陆不均匀地表条件下的白洋淀地区陆地的能量平衡特征进行了分析。结果表明: (1) 该地区存在能量不闭合现象。涡动相关法得到的感热、 潜热之和仅为有效能的75%, 其中涡动相关法得到的潜热通量为Bowen比法得到的潜热通量的70%, 而涡动相关法得到的感热通量为Bowen比法得到的感热通量的77% 。 (2) 地表潜热通量和感热通量随着净辐射的变化而变化。但潜热通量明显比感热通量大, 净辐射主要消耗于地表的水汽蒸发。 (3) 该地区白天的Bowen比平均在-0.4~0.4之间, 总体平均为0.131。受天气条件影响较大, 有明显的日变化, 午后15:00以后近地面层会出现逆温, Bowen比变为负值。 (4) 能量闭合程度有一定的日变化, 随着太阳高度角的增大而增大。     

用格子Boltzmann方法构建大气动力学模式的初步研究

文中建立了一个格子Boltzmann模型 ,经过Chapman Enskog展开得到的方程组能完整描述正压大气的动力过程 ,成功地模拟了正压地转适应过程 ,对Obukhov的经典例子进行了数值检验。结果表明 ,Obukhov的结果只体现了科氏力和气压梯度力的平衡 ,而本模型可以精确地描述科氏力、惯性力和气压梯度力三者的完整平衡 ,与Obukhov线性理论相比 ,气压变化量的数值相差 2 8% ,说明了线性适应理论只在定性方面正确 ,在定量方面还不准确。数值结果还表明粘性力在地转适应过程中基本不起作用。同时 ,还模拟了一个更大尺度的适应问题 ,验证了气压场与风场适应过程取决于尺度大小这一论断数值试验表明 ,格子Boltzmann方法用于模拟大气运动是可行的 ,而且因其编程简洁方便 ,天然具有极好的并行性能 ,对于建立模拟大气和海洋这样涉及复杂动力热力过程的多相大规模数值模式很有发展潜力     

MODEL STUDY OF THE EFFECT OF SOIL NO EMISSIONS ON SURFACE OZONE

The effect of soil NO emissions on surface ozone in autumn in East China has been studied byusing TCTM(Troposphere Chemical Transport Model)with the input of meteorological variablesfrom RAMS.The chemical mechanism for ozone variation caused by soil emissions has also beeninvestigated.The model results reveal that soil NO emissions are important to regional ozoneformation and distribution and the effect of soil NO emissions shows spatial inhomogeneity.Ozoneover most areas in northern China decreases with maximum average decrement reaching 5 ppbwhile it increases over most areas of central and southern China with maximum average incrementreaching 7 ppb caused by soil NO emissions.This situation of ozone variation is mainly determinedby nonlinear photochemical mechanism.For the low NOx areas(≤3 ppb),ozone increases as NOxincreases;for the high NOx areas(>3 ppb),ozone decreases as NOx increases.The effect of soilNO emissions on ozone depends on the transition value and NOx concentrations.