L波段探空高分辨率廓线中近地层信息分析及相关模型

L波段高空气象探测系统的更新换代,提高了大气探测精度,L波段＂秒级＂数据为垂直高分辨率廓线探测信息的获取提供了气象要素再分析的基础平台。为了探讨L波段探空垂直高分辨数据应用的可行性,考虑到用于对比分析的其他观测系统获取＂秒级＂＂高时间密度＂同步观测数据的设备条件,本文重点选用了JICA（中日气象灾害合作研究中心项目）PBL（行星边界层）通量铁塔梯度观测系统来进行对比分析,并构造L波段探空再分析与通量铁塔近地层气象信息相关模型。研究结果表明,L波段探空垂直高分辨率廓线近地层数据能够较好地描述大气边界层内近地层温、湿、压;所建立的温、湿、压模型具有推算PBL铁塔近地层的温、湿、压的可行性。研究结论可为L波段高分辨率垂直廓线再分析平台及其对大气结构描述可行性提供具有应用价值的技术基础。基于L波段高分辨率垂直廓线再分析信息平台的构造,将有助于开发全国L波段探空在数值模式应用方面的潜力,推进探空垂直高分辨信息在数值模式同化系统中新技术的发展。     

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Ｇ（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。     

BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估

以北京市观象台2010年8月、2011年8月每日3次 (08:00, 14:00, 20:00,北京时,下同) L波段探空秒间隔数据为实况,对BJ-RUC系统 (rapid updated cycle system for the Beijing area) 分析和预报边界层性能进行了初步评估。结果表明:BJ-RUC系统对北京地区夏季白天边界层的细致特征具有较好的预报能力,但也存在明显的系统性误差。08:00边界层偏冷; 14:00和20:00 1 km以下的边界层则显著偏暖, 边界层内明显偏湿。整体上模式对边界层内温度、湿度的预报误差均高于自由大气。该系统对北京地区边界层内早晨 (08:00) 从夜间山风向白天谷风环流过渡、午后 (14:00) 到日落后 (20:00)1500 m以下盛行西南偏南气流的日变化特征具有较强的预报能力。系统预报的14:00边界层顶高度与评估时段内实际对流边界层高度的变化趋势一致。但预报的对流边界层顶偏高,这与BJ-RUC系统采用YSU边界层参数化方案的垂直混合更强有关。     

大理地区晚霜冻灾害前后大气边界层特征分析

研究晚霜冻灾害的成因不仅能提高灾害性天气预测能力,而且可为此类灾害性天气的准确预报以及做好大、小春农作物的防灾减灾工作提供依据。对2009年3月14日云南省大理地区发生晚霜冻灾害期间大气边界层探测资料变化特征的分析结果表明：①此次晚霜冻是在降雨过程后以及前期偏暖的背景下发生的,由高空冷平流和夜间辐射降温形成的混合型霜冻;②晚霜冻发生前,近地层受冷空气影响,各类气象要素呈现出显著的变化特征,白天大气透明度高、无云、风速小、气压高、湿度小,太阳对地表的辐射较强,地表储存的热量较多,气温升高且达到最高值的时间较晚,地面以湍流方式向大气输送的能量以潜热通量为主,傍晚日落后,地表释放的热量开始增多而且远远超过白天吸收的热量,加之水汽放射的长波辐射稳定,获得大气逆辐射补偿的热量相对较少,气温迅速下降,从而近地面空气中的水汽发生凝结现象。     

Study On Development And Application Of A Regional Pbl Numerical Model

A regional scale (a few km to a few hundred km, minutes to days)planetary boundary layer (PBL) numerical model (RPBLM) has been successfully developed to simulateprecisely the boundary-layer three-dimensional characteristics. The RPBLM model with a high-resolutionnon-hydrostatic E - turbulence closure scheme has been applied to diagnose and prognosticate the PBL characteristicsover a complex underlying surface in the Hong Kong area of 60 km × 48 km. It is shown that the RPBLMmodel can be used to simulate the PBL characteristics including wind, temperature, water vapour andturbulence over such a complex underlying surface and that the simulated result is reasonably in agreementwith observations.     

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

边界层特征参数对边界层顶垂直速度的影响

本文从正斜压及有层结时的边界层相似理论及阻力定律出发，由边界层顶垂直速度与地面湍应力的关系求出了层结、粗糙度、它们的水平梯度及地转风的水平梯度、斜压性对w的影响的解析式，可用于模式计算。计算结果表明层结影响可使w差1-２个量级，不稳定时粗糙度影响也使w差几倍。除地转涡度决定w外，地转风、层结稳定度和粗糙度及其水平梯度也起了重要作用，还讨论了斜压性的影响。     

WRF中三种边界层参数化方案对新疆2.28大风过程模拟的对比分析

许多研究调查了模式预报对边界层方案的敏感性,但是这些研究基本上针对的是热力驱动的混合边界层。对于动力驱动的边界层,不同边界层方案的不同性能以及所带来的不同边界层气象要素的预报还不清楚。运用WRF3.4.1中三种边界参数化方案（YSU、MYJ、ACM2）对新疆2.28大风过程进行数值模拟分析,结果显示：三种边界参数化方案基本能模拟出发生大风的区域及大风过程中10m风速、2m温度和比湿的变化趋势;三种方案模拟的边界层内大气的温度、湿度出现差异与它们对边界层顶的夹卷过程、边界层内垂直混合的处理有关;YSU方案的模拟结果使得更多的高空动量下传,同时更多的有效位能转化为动能,MYJ方案模拟的20m/s的风场区域更大,受地形影响更明显,边界层内湍流更强。