Improvement and Application of the Similarity Saltation Model: Wind-Tunnel Experimental Investigation and Numerical Simulation of the Vertical Sand Mass Flux Distribution in the Saltation Layer

Based upon comparisons between published experimental data and simulated results on the vertical sand flux distribution in the saltation layer, Shao’s similarity saltation model has been greatly improved by correcting the average vertical particle lift-off velocity and using a more suitable universal roughness length. By the improved model, the vertical sand flux profile over the bare, dry and loose uniform sandy surface, which is quite representative of real desert surfaces, can be reproduced very well. Meanwhile, the surface transport rate and the characteristic and average saltation heights have been simulated and analyzed in detail, disclosing their relationships with friction velocity, particle size and roughness length, and the possible underlying mechanisms. Besides, the average particle lift-off velocity and the average mean vertical aerodynamic action upon the ascending particle, which determine the saltation process, are explicitly expressed by parameters involved in the similarity model, and their relationships with friction velocity, particle size and roughness length are also described concisely. The corrected average particle lift-off velocity makes it possible to investigate the characteristic particle trajectory, whose initial velocity equals the average lift-off velocity, so as to estimate the average particle against surface impacting velocity and the average aerodynamic action upon the saltation process.     

A Hybrid Spectral/Finite-Volume Algorithm for Large-Eddy Simulation of Scalars in the Atmospheric Boundary Layer

Pseudospectral methods are frequently used in the horizontal directions in large-eddy simulation of atmospheric flows. However, the same approach often creates unphysical oscillations for scalar fields if there are horizontal heterogeneities in the sources and/or sinks, as is usual in air pollution problems. A hybrid approach is developed to combine the use of pseudospectral representation of the velocity field and bounded finite-volumes for the scalar concentration. An interpolation scheme that yields a divergence-free interpolated velocity field is derived and implemented, and its importance is illustrated by two sample applications.     

FY-2C云迹风资料在中尺度数值模式中的应用研究

利用探空观测资料对FY-2C云迹风资料进行统计检验和误差分析,并针对其误差特征进行偏差订正和热成风原理两种方法的质量控制.然后通过GRAPES-3Dvar同化到GRAPES-Meso模式中,对2005年7月1日00时至7月2日00时发生在中国西北部的一次暴雨过程进行了数值对比试验.结果表明:云迹风数量在垂直方向上主要集中分布于500 hPa以上的对流层中高层,在250 hPa附近数量分布概率最大;高度在500 hPa以下云迹风存在明显的风向误差和很大的风速误差,而且误差分布发散,可用性较差.500 hPa以上层次的云迹风误差较小,且误差分布呈高斯分布具有一定的系统特性,可用性较好;通过质量控制后,可以把风向错误或风速偏差太大的云迹风予以剔除,进一步提高云迹风的精度;同化云迹风资料后,在暴雨区附近初始风场低层的西南气流明显加强,有利于暴雨区水汽输送和水汽辐合,最终能很好地改善24 h暴雨预报的强度和落区.     

华北回流天气多普勒雷达径向速度分布特征

使用多普勒雷达资料对四次华北回流天气过程进行了分析,结果表明:(1)回波具有较大水平范围的、连绵成片的均匀幕状特征.回波顶较平整,回流降雨过程中还存在零度层亮带.属层状云降水回波.(2)速度图上,在零速度线两侧常分布范围较大数值不等的正负径向速度中心,低空零速度线呈"S"型,风随高度顺时针旋转,有暖平流存在.在强降水时段出现前常伴有区域性的冷平流层.(3)风廓线图上,从低层到高层由东北风转为西南风,风向发生了近180度的顺时针旋转,存在强垂直切变.降水开始与结束时分别表现为低层偏东风与中高层西南气流叠加、低层偏东风与中高层西南气流任何一者消失.边界层顶部出现浅薄的冷平流层是降水强度加强的信号.     

京津塘高速公路雾气候特征与气象条件分析

利用1954-2002年的北京、天津和塘沽3站的雾日、雾发生时间以及气象观测资料,对京津塘高速公路沿线雾的气候特征以及气象条件进行了分析.结果发现,京津塘沿线多年平均雾日在15～19天.北京、天津两站的雾日年际变化一致.但在多年雾日变化上北京雾日数略呈逐年下降趋势,而天津、塘沽则略呈上升趋势.京津塘公路沿线雾多在凌晨到日出前后生成,在日出后逐渐消失.雾持续时间随时间变化呈指数递减.地面温度、相对湿度、风速等气象要素对京津塘高速公路沿线雾的预报具有较好的指示意义.地面温度在-5～5℃范围内、风速在0～4m·s-1和相对湿度在90%～100%范围里,雾极易发生.     

多普勒雷达资料在中尺度模式短时预报中的应用

将国内新一代多普勒雷达基数据Lev-Ⅱ的9个仰角的原始反射率和径向风资料应用于中尺度模式ARPS(the Advanced Regional Prediction System),通过对2007年7月18日济南短时特大暴雨过程的个例研究,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响。结果表明,同时利用雷达反射率和径向风资料改进过的初始场能明显改善中尺度数值模式短时定量降水预报。对比风场发现,雷达径向风调整后在初始场中出现明显的中小尺度特征,能减少模式的spin-up时间。随着积分的进行,对水汽场的调节也有一定作用,但相对于风场调节不够显著。雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等含量。积分开始后,对风场调整也很显著。此次模拟,控制试验较好地预报出雷达回波的分布和水汽中心,对应的降水落区与实况也较为接近,但对雷达回波中心强度的预报略大,相应地降水量的预报也偏大。     

北京北郊冬季大风过程湍流通量演变特征的分析研究

利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔1993年12月～1994年1月大气边界层实验资料, 计算分析了大风过境过程中47 m和120 m高度湍流通量演变特征及其影响因子, 以及与风速、 稳定度等参数的关系。结果表明: 大风过程对近地面层的物质能量输送有着重要影响, 大风之前出现短时间动量上传和热量下传; 大风过程中的湍流通量数值明显高于过境后, 水平方向湍流通量数值和能量增加幅度大于垂直方向; 当风速大于临界值5 m/s时, 湍流通量与风速、 湍流动能的相关迅速增大; 湍流谱特征表现为湍流能量的低频部分增加、 湍流谱曲线变宽; 大风能强烈影响近地面层的能量收支。     

风切变对飞行的影响及其预报时效分析

利用NCEP再分析资料和AMDAR资料,对2008年11月1日首都机场冷锋过境前后风切变现象及其可预报时效进行分析。分析认为:在冷锋过境前后,首都机场存在多种形式的风切变,有高空槽前后的水平风切变、高层和中层急流轴引起的水平风切变、冷锋前逆温层顶上下的水平风切变和地面锋面过境时跑道面上的水平和侧风切变。对各种风切变的可预报时效进行了分析。     

大连地区辐射雾与平流雾边界层温度场及风场对比

选取2008年3月和6月出现在大连及其沿海地区的辐射雾和平流雾过程,采用GTS1型数字式探空仪探测资料、能见度仪自动观测资料和常规观测资料,对其边界层温度场及风场结构特征进行了对比分析。结果表明,两种性质不同的大雾(辐射雾和平流雾)具有共同特征:都产生于纬向环流背景,中层东南暖湿气流为大雾的形成提供了充沛的水汽和热力条件。但两者存在明显的差异:底层东北风平流降温是辐射雾生成的重要条件,却造成了平流雾的消亡,底层东南风是平流雾生成的条件,却对应于辐射雾的消亡;辐射雾逆温厚而强,平流雾则为弱的逆温或无逆温;辐射雾生消演变对应于大气层结由稳定发展为不稳定,平流雾则对应于由不稳定趋于稳定。     

一次台风大暴雨成因及落区分析

对2007年9月19日到20日一次台风暴雨过程进行了数值模拟,利用模式输出资料具体分析了本次台风登陆减弱后的低压结构特征和大暴雨落区。结果表明:流场上高空辐散低空辐合特征明显,台风右侧来自海洋的低空潮湿偏南气流向中纬度槽前和台风倒槽前部输送的大量水汽在鲁东南东部和山东半岛南部辐合,形成强降水区;台风中心风速较小,和东部海上强风速中心形成明显"风速偶",降水区主要发生在中、低层"风速偶"之间的强风速梯度中。由于下垫面分为海上和陆上两部分,台风低压物理量场结构存在东西不对称性质,上升运动更加强烈,降水强度更大。降水的增幅与高空东南急流及高空正涡度中心和负散度中心的明显脉动下传有关系。