深海海底边界层原位观测系统研发与应用

为进一步研究南海北部陆坡海洋动力过程对深海海底边界层的影响,研发了“深海海底边界层原位观测系统(In-situ Observation System for Bottom Boundary Layer in Abyssal Sea)”,ABBLOS。观测系统主体为坐底式深海运载平台,最大工作水深可达6 700 m(实际工作水深取决于搭载设备的耐压水深),是研究深海海底边界层问题的重要技术创新。观测平台由上下两部分框架结构组成,上部框架用于搭载和回收观测设备,下部支撑架为配重,并且用于提供距离海底1 m的观测空间;同时创新性地设计了“卡槽定位-螺栓紧固”的连接方式连接上下两部分,连接方式简单可靠,保证了平台回收成功率。ABBLOS集成了75 k-ADCP、高频ADCP、ADV、高精度压力计、海底摄像机等设备,以及甲烷、温盐深、浊度、溶解氧、氧化还原电位等传感器,首次实现了内波、中尺度涡等海洋动力过程与海底边界层物理化学参数的动态变化同步观测,特别是可以观测距离海底1 m高度范围的水体流速剖面,并且达到7 mm一层的垂向空间分辨率。研制完成后,2020年在南海北部陆坡神狐海域655 m和1 405 m水深处分别成功布放并回收,观测时间共计34天,采集到观测站位上覆海水的流速剖面结构,捕捉到了平均周期为1天1次的内波作用过程,以及海底边界层的多种物理化学参数。初步分析655 m水深处的观测数据后,发现深海海底边界层的温度、压力、溶解氧、密度和盐度等参数受控于海洋潮汐过程,尤其是温度和压力的变化基本与潮汐周期同步。海底边界层氧化环境较为稳定,甲烷浓度由高变低,但是基本在海洋溶解甲烷平均浓度范围内。与潮汐相比,内孤立波对深海海底边界层水体的影响程度较小,但是明显可以引起沉积物的再悬浮,引起的海底边界层的海水浊度从背景值的0.01 NTU增大到48 NTU,海底摄像机也记录到了内孤立波期间深海底层海水突然变浑浊的过程,说明南海内孤立波可以影响海底沉积物的输运。     

陆域蒸散的测算理论方法:回顾与展望

蒸散是地球水分循环与能量转换的关键环节.陆域蒸散的精准测算是地球物理、生物乃至环境过程研究的共同科学难题.以英国Dalton和Penman等人为代表的开创性工作,以及大气边界层湍流交换理论与实验的不断发展,奠基了现代主流的蒸散测算方法.20世纪90年代以来技术趋于成熟的涡动相关系统和卫星遥感等观测手段,跨越寒带到热带、干旱区到湿润地区,涵盖水体、湿地、森林、农田、草地、裸地、城市等不同下垫面类型,极大地拓展了对蒸散过程认知的深度和广度;捕捉了诸如地表夜间蒸散、蒸散迟滞现象、非均匀下垫面的湍流间歇、平流关联的岛屿效应、下垫面转捩效应等新的现象和事实,对经典相似性理论和蒸散测算理论等提出了新的挑战;最大熵增蒸散模型和非参数化蒸散模型等新方法和新理论的萌芽已经出现.与此同时,点位高频观测和航空航天遥感技术构筑了从植物气孔到叶片、植株、冠层、景观、流域等跨尺度测算手段,在地表蒸散过程观测及机理解析上,形成纵向深化及横向综合的新进展.陆域蒸散新理念、新模型、新技术的综合性发展,成为突破蒸散精准测算难题的基础条件,这将为揭示地球系统的水-热-碳循环机理等全球性重大基础理论问题,为满足农业灌溉与粮食安全、水资源精细化管理与生态环境保护、城市热环境调控与全球升温适应对策等国家重大需求,提供更为严谨坚实的科学理论依据和实验支撑.     

旋翼无人机盐城试验观测资料分析及其在一次浓雾天气观测中的应用

2018年3月28—30日、6月20—26日和9月5—13日在江苏省盐城市射阳站开展了旋翼无人机大气边界层垂直结构观测试验,并与L波段雷达探空资料进行对比,验证无人机观测资料精度。结果表明无人机观测的温度、相对湿度、风向、风速廓线与探空观测资料具有较好的一致性。二者温度、相对湿度的相关系数均为0.98,温度绝对偏差为0.57℃,相对湿度绝对偏差为4.25%,风向相关系数为0.98,绝对偏差为11.5°,二者风速的相关系数为0.91,绝对偏差为1.88 m·s~(-1),且无人机探测的风速为对应高度上的瞬时风速,可以更好地反映出边界层内风速细节变化特征。试验期间,无人机观测到一次夏季浓雾过程边界层结构细致变化特征,其观测的雾的边界层结构特征和宏观特征与探空观测基本一致。验证结果表明无人机在边界层气象观测中具有很好的应用前景。     

气溶胶辐射效应对边界层结构及夹卷特征影响的观测分析

2017年12月22日至2018年1月18日利用无人机携带温、湿和颗粒物浓度探测仪对南京地区灰霾污染条件下大气边界层垂直结构开展加密观测。通过比较不同灰霾污染条件下温度、湿度和PM_2.5（直径小于2.5微米的颗粒物）浓度的垂直结构差异,结合地面热通量、2米空气温度、相对湿度、风速、风向及主要大气污染物（如臭氧和PM_2.5）浓度,定量评估了气溶胶辐射效应对边界层和夹卷过程的影响。分析表明,灰霾或气溶胶削弱到达地表太阳辐射,减小地表感热通量,延迟边界层发展,增加近地层大气稳定度,降低边界层高度,并加重灰霾污染。灰霾污染物在混合层顶处累积,导致PM_2.5浓度最大变化出现在边界层顶部而不是近地层。气溶胶辐射效应对夹卷特征及其特征参数有重要影响。灰霾浓度升高时,夹卷区厚度增加;无量纲化夹卷速度随对流理查逊数的变化不再符合负1次方幂函数关系,与大涡模拟结果一致。本研究进一步指出,为提高重霾污染条件下天气和空气质量数值预报水平,必须考虑气溶胶辐射效应对边界层和夹卷参数化的影响。     

黄土高原复杂地形受中尺度运动影响的稳定边界层湍流特征

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,简称SACOL)2008年12月观测资料,研究了稳定边界层湍流特征.使用涡动相关资料研究湍流通量时,定义湍流的平均时间τ内的中尺度运动是造成湍流统计量变化范围大的主要原因,稳定情形? τ取几十秒至几分钟.对梯度理查森数大于0.3的强稳定情形的湍流尺度分解(MRD)谱分析表明,感热通量在112.4～449.9 s存在谱隙,尺度大于谱隙的中尺度运动造成了通量观测资料离散性大,甚至有支配性影响.动量通量的谱隙在112.4～224.9 s之间.弱风时,中尺度运动的影响更大,垂直风速标准差以0.1的比率随中尺度风速变化;垂直风速标准差同广义风速表现出很好的相关性,并随着广义风速消失而消失.三维风速标准差与摩擦速度呈很好的线性关系,垂直、水平、横风风速的无量纲标准差分别为1.35、2.54、2.21.对湍流动能的研究发现,在梯度理查森数大于0.3的条件下,仍然存在连续的湍流.以湍动能为依据,分析了湍流的平稳时间长度,其长度随稳定度变化而变化,2008年12月7～11日从133.5 s变化到856.2 s,湍流平稳时间长度反映了中尺度运动的发生频率.     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义, 湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一。选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统, 离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA 相似理论迭代方案B), 并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析。在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下, 根据边界层铁塔4层高度风速拟合, 发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显。将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算。结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素, 在不稳定条件下方案B低估了动量通量, 方案A优于方案B, 而在稳定条件下方案A低估了动量通量, 方案B优于方案A, 两种方案总体来看误差不大。对于大理边界层通量观测场地农田植被交替的环境条件, 不同季节下垫面植被类型的差异, 以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显著影响。方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异, 不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A。针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象, 在使用了(Zeng, et al, 1998)提出的对于使用辐射地表温度在裸土下垫面时的订正方法后, 计算结果也有明显改善。     

我国城市气候学研究进展

中国地理学会和中国气象学会1986年4月22—27日,在广西桂林市召开了第二届全国城市气候会议。本文以这次论文为基础,概述了1982年在厦门召开的城市气候会议     

城市热岛效应的研究进展与展望

随着世界各国城市化的进展,城市热岛效应已经成为一个跨学科领域的问题,受到包括大气环境、区域气候、水文和生态等多学科科学家的关注。在过去半个多世纪中,城市热岛问题的研究获得了相当丰富的研究成果,通过对这些成果的综合分析,归纳出城市热岛研究中采用的3类主要方法——观测(外场试验和遥感技术)、数值模拟以及实验室仿真法。系统地回顾了城市热岛效应的研究历史,重点对与城市热岛关系最密切的城市边界层、热岛环流与复杂地形的相互作用以及能量平衡研究所取得的成果进行了总结和评述。最后对城市热岛问题未来8个可能的研究方向进行了探讨,其中,包括沿海和复杂地形附近的城市热岛问题、城市群间热岛环流的相互作用、城市化与空气污染问题、城市热岛效应对平均降水的影响、城市化对雾和闪电的影响、城市天气预报的精细化、城市气候变化预测以及城市热岛效应减缓方案的制定,并对其发展前景进行了粗略的展望。     

边界层风廓线雷达在降水时段中的在线分析应用研究

本研究提出了一种在边界层风廓线雷达连续运行的降水探测时段中对降水频谱进行在线分析的新的应用方式。详细介绍了边界层风廓线雷达在线分析原理和方法。同时结合典型降水频谱个例,分析了可获得的多个潜在的气象参数和信息。并指出,该在线分析方式的实施可以使风廓线雷达的应用领域从晴空探测向降水测量拓展;有效缓解当前风廓线雷达应用存在的瓶颈问题;间接证明边界层风廓线雷达组网间距不固定的观点。文章分析说明,随着在线分析方式的推广应用,边界层风廓线雷达将成为单站精细化气象探测和预报/服务的重要工具。