中国地区城市热岛环流研究进展

城市热岛环流是由城市热岛激发的、存在于边界层的局地环流。这一环流常影响城市区域污染物的扩散及城市降水,是城市气象学的重点研究对象。在过去30多年间,中国城市热岛环流的研究不断取得突破,研究成果丰富。为了今后更有效地开展相关研究,本文从观测分析、理论与数值模拟研究两方面,回顾并总结了我国在热岛环流研究方面取得的成果,包括热岛环流的时空特征、产生机制,以及热岛环流与其他局地环流的相互作用。此外,本文总结了热岛环流对城市及其周边地区污染物水平和垂直分布的影响。     

2017年漳州海陆风特征与冬春季污染物浓度关系

利用2017年福建漳州和南部海岛气象观测资料,通过统计分析和人工订正判识海陆风日,再结合天气形势和污染物浓度资料分析海陆风日的天气特征及其与污染物浓度的关系。结果表明：漳州海陆风日是海岛站的2.2倍,春夏季是海陆风的高发季节,秋冬季相对较少。冬季海陆风日主导天气形势为变性冷高压、高压后部、锋前暖区等,气象要素场配置为气压梯度小、气温高、风速小、日照时间长、湿度低、云量少,气象条件不利于污染物的稀释、扩散;海陆风影响下除了O₃,其他5种污染物浓度均高于系统风日2—3倍,其中颗粒物浓度明显偏高。与冬季不同,春季海陆风不仅对颗粒物浓度升高有利,对O₃浓度升高贡献更加明显,主导天气形势、气象要素场配置与冬季类似;海陆风影响下所有污染浓度均高于系统风日1—2倍,且易出现O₃超标现象。研究显示,漳州的海陆风全年发生频率虽然不到30%,但其特有的日变化规律和局地环流结构对污染物累积、输送具有重要的影响。     

海陆风及沿海风速廓线在风电场风速预报中的应用

为了建立沿海风功率预报系统,本文探讨了中国沿海风电场风速预报问题,并利用数值模式RAMS对海陆风进行了模拟研究.发现海陆风发生时,海风和陆风阶段风速廓线存在较大差异,海风阶段风速的垂直切变明显小于陆风阶段.海陆风发生时,风速会呈现有规律的变化,即海风和陆风分别有两个时段：风速增加时段和风速减少时段.在为沿海风电场提供风速预报时,当模式预报到海陆风发生时,可以利用海陆风的这种特点,使用统计方法对预报出的风速进行有效的订正.并发现即使没有海陆风发生,当风向为海洋吹向陆地时,风速随高度的垂直切变同样小于陆地吹向海洋的时段.利用统计方法根据不同风向时风速廓线的特性,把数值模式计算高度上的预报结果,精确地插值到风机涡轮高度,会很大程度上减少风速预报的误差及风功率预报环节的误差.     

夏季青海湖局地环流及大气边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.6非静力模式,采用两重嵌套方法,模拟了青海湖区域的局地环流及大气边界层特征,并且与无湖试验进行了比较。结果表明:白天由于青海湖的存在有很好的降温作用,夜晚则有保温效应,表现出明显的冷(暖)湖效应;青海湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热都小,夜间情况相反,这使得白天青海湖是冷干岛,夜间是暖湿岛;青海湖使得白天湖面边界层顶低,陆面边界层顶高,夜间相反。这样的边界层顶高度和温度、地面能量通量相配合,形成了一个很好的保护机制,对青海湖的水土保持和生态环境的维持有正效应;青海湖使得湖面上空大气下沉,陆面上空大气上升,从而产生了湖面上空大气冷干,陆面上空大气暖湿的边界层特征;青海湖边缘的陆面形成的较大的湿气柱围绕着湖面,起到了保护湖面的作用;青海湖低空白天有明显的湖面向四周的辐散气流,而夜间则为从北偏东方向来的陆风。     

辽宁葫芦岛地区海陆风及热内边界层研究

根据2007年辽宁葫芦岛气象站资料分析了葫芦岛地区海陆风变化特征,并用MM5v3模式模拟了典型日的海陆风风场变化和热内边界层位温场结构变化。结果表明:海风和陆风出现的频率有明显的季节性变化。冬季陆风较多,春夏海风较多,春季、秋季易形成海陆风;海风起止时间夏季长冬季短,陆风起止时间秋冬季较夏季长;典型海陆风日中,海风造成陆地湿度变大,海风风速大于陆风风速;通过海风的数值模拟,海风由生成到成熟海岸吹向内陆其厚度可增厚到2 000 m以上,伸向内陆距离可到40 km;热内边界层向内陆呈舌状分布,海岸边界层高度在200-300 m之间,抛物面高度随着向内陆延伸的距离增加而升高。热内边界层最高达1 800 m。     

青海湖湖陆风的数值研究

用一个含植被参数化的二维中尺度模式研究青海湖夏季的湖陆风,模拟结果再次表明该模式具有重现局地中尺度环境特征,如冷（热）岛环境和湿岛等。同时表明,模式对植被覆盖度是敏感的,即有稀疏植被覆盖（σ＝３０％）情况的湖陆风白天比裸地情况要小,夜间则大,湖岸水平温度（或湿度）梯度随植被覆盖度增加而减小。     

渤海湾北岸海陆风及湍流强度特征分析

利用渤海湾北岸祥云岛岸基站2017—2018年观测数据和两座梯度测风塔2011—2013年观测资料分别分析了当地海陆风和湍流强度特征,并重点对不同天气系统所致大风条件下的湍流强度特点做了剖析。结果表明:渤海湾北岸海陆风特征明显,昼夜风向主要由SSW向ENE转变,夏季昼夜风向转换尤为显著。整体而言,风速和湍流强度随高度增大分别呈增大、减小趋势,且近海面层湍流强度小于近地层湍流强度。湍流强度具有显著的季节性特征,夏季大、冬季小、春秋季变化不明显,且近海面层湍流强度相对近地层变化平缓。近海面层70 m及以下湍流强度在偏东大风条件下反而比近地层湍流强度大,雷雨大风期间近海面层和近地层均出现湍流强度随高度增大而增大、风速随高度增大而减小的特殊情况,台风靠近风塔时各层风速显著增大、湍流强度变化不明显,但台风中心到达时湍流强度迅速增至峰值,二者时间一致并早于风速最小值出现时间约1 h。近海面层和近地层有8%～10%样本的湍流强度超出了IEC-61400设计标准,建议渤海湾北岸风力发电风机抗湍流参数调整至0. 43～0. 49。     

复杂地形局地环流的数值模拟研究

采用一个三维中尺度动力学诊断模式,对重庆地区气象场进行了实例模拟,研究了复杂地形和不同下垫面型对流场的动力和热力作用,揭示了中尺度局地环流（山谷风、河陆风）的基本特征和变化规律,模拟结果与实测资料有好的一致性,表明该模式能够成功地模拟复杂地形局地环流。     

城市热岛与海风锋叠加作用对一次局地强降水的影响

利用常规观测资料、天津255 m气象塔资料、多普勒雷达资料和VDRAS反演资料及中尺度TJ WRF模式输出资料,对2010年8月16日天津城区出现的一次局地强降水过程进行分析,重点分析了城市热岛与海风锋叠加作用对此次局地强降水的触发机制。结果表明：此次局地强降水发生在低层槽后弱的反环流条件下,具有明显的γ中尺度对流降水特征;城市热岛效应能造成局地的热力不均匀,这对形成地面中尺度辐合线非常有利。海风锋由岸边向市区移动中与中尺度辐合线相遇,能激发局地不稳定能量的释放,从而产生强对流天气。城市热岛对海风锋的移动有明显阻挡作用;当海风锋移到城市热岛效应明显区域附近时,其后侧气流会出现明显分支绕流和爬升现象,而且两者相遇处的辐合上升运动会迅速加强,这为该地不稳定能量的释放及雷暴的发生发展提供了有利的动力热力条件。中尺度TJ WRF模式可以很好地模拟出这一现象。     

山东半岛海风锋在一次飑线系统演变过程中的作用

2016年6月30日生成于华北南部的一次长生命期的强飑线过程,造成了山东地区大范围风雹天气。文中利用常规观测资料、区域自动气象站观测数据及雷达监测产品,分析了山东半岛复杂的海风锋特征在这次飑线系统的断裂、再组织化以及极端大风、冰雹灾害形成过程中的重要作用。结果表明:（1）初始对流是在地面冷锋辐合线上触发的弱对流,在对流系统向更不稳定区域移动时与水平对流卷相交,对流迅速发展,并组织成东西走向的直线型飑线。（2）飑线系统在平原地区继续向前移动的过程中发生断裂,这一过程与渤海湾在黄河三角洲形成的两条移动方向不同的海风锋以及飑线系统的阵风锋有关:向内陆推进的两条海风锋与阵风锋在飑线系统中段的前部相交,诱发新生单体,造成该处对流系统更快地向前传播,最终导致飑线系统断裂;与此同时,断裂后的西段风暴因低层暖湿入流被切断而逐渐减弱。（3）断裂后西段残留风暴系统出流阵风产生的新生风暴向东北方向发展,与断裂后的东段风暴的后向传播（向西南方向发展）机制相互作用,完成了飑线的再次组织化,形成了具有典型弓状特征、水平尺度更大、近似于东北—西南走向的飑线系统。（4）长生命期飑线系统造成的极端雷暴大风和最大冰雹出现在飑线再组织化初期,位于飑线系统“弓部”位置,地面极端雷暴大风是冷池密度流、后侧入流急流和水成物对应的前侧下沉气流共同作用的结果,其中与后侧入流急流几乎完全分离的、与水成物对应的前侧下沉气流在这次极端地面大风发生时可能起到了重要作用。（5）山东半岛东侧的黄海海风锋向内陆推进（东南向西北）过程中与自西北向东南移动的飑线相遇,加强了风暴前侧的抬升、水汽供给和组织化程度,为飑线的长时间维持提供了有利条件。