Vertical dynamic and thermodynamic characteristics of urban lower boundary layer and its relationship with aerosol concentration over Beijing

By utilizing observational data from a 325 m tower of the Institute of Atmospheric Physics (IAP), Chinese Academy of Sciences (CAS) on March 19-29, 2001 and August 11-25, 2003, a comprehensive study was conducted on the vertical dynamical and thermodynamic characteristics of the urban lower boundary layer (ULBL) and its relationship with aerosol concentration over Beijing. Firstly, a comparative analysis was made on the gradient data (wind, temperature and humidity), ultrasonic data (atmospheric turbulences) and air-quality observations at different tower heights (47, 120 and 280 m). Secondly, a diagnosis was made to reveal the major features of normalized variances of velocity and temperature, turbulence kinetic energy as well as their relationship with aerosol concentrations. Furthermore, the characteristics of the ULBL vertical structure and the TSP concentration/distribution variations during a sand/dust weather process were also analyzed. The outcome of the study showed that under unstable stratification, the normalized variances of velocity (σu/u*, σv/u*, σw/u*) and temperature (σT/T*) at 47 and 120 m heights fit the Monin-Obukhov similarity (MOS) framework and the fitting formulas were given out accordingly. According to the stratification parameter (z′/L), the stable ULBL could be divided into 2 zones. With z′/L<0.1, it was a weakly stable zone and MOS framework was applicable. The other was a highly stable zone with z′/L>0.1 and the normalized velocity variances tended to increase along with higher stability, but it remained constant for normalized temperature variances. At daytime, the near-surface layer includes two heights of 47 and 120 m, while 280 m has been above it. The ULBL analysis in conjunction with a sand/dust weather process in Beijing in March 2001 indicated that the maximum concentration of Total Suspended Particulates (TSP) at 320 m reached 913.3 μg/m3 and the particles were transported from the upper to lower ULBL, which was apparently related to the development process of a low-level jet and its concomitant strong sinking motion.     

强台风海鸥登陆期间近地层风特性分析

利用位于海南文昌市的90 m测风塔观测的强台风海鸥多层测风数据,分析了台风海鸥登陆期间近地层风场时空特征、湍流强度、垂直风切变及阵风因子等风场特性,分析结果表明:台风海鸥登陆期间,近地层各高度风速呈现"M"型双峰特征,最大风速出现在台风后风圈;台风过境前后,风向旋转了180°;近地层风速随高度升高而增大,各高度风速垂直切变符合对数和指数规律;粗糙度长度、风廓线幂指数、湍流强度、阵风系数等风场特性与风速呈负相关关系,随着风速的增加而降低;从台风外围至台风眼,粗糙度长度随风速呈现"增大-减小-增大"特征;台风眼内部风速垂直切变剧烈,前后风圈的风速垂直切变较弱;强风区湍流强度较弱,弱风区湍流强度较强;台风风圈的湍流强度随高度增加而减小,台风眼内湍流强度随高度先减小再增加;台风影响各阶段阵风系数随高度升高而减小,各高度层阵风系数遵循指数定律;阵风系数随风速的增大而减小,当风速达到一定强度时,阵风系数随风速变化不明显。     

IEC的风机选型参数估算方法在中国的适用性研究

国际电工委员会编制的《风力发电机组设计要求》(IEC 61400-1)推荐了针对风电机组安全等级评估的极端风速和湍流强度特征值估算方法,因其简单便捷,在风电领域被广泛采用。利用全国风能资源专业观测网的193座测风塔观测数据,对IEC推荐的极端风速计算方法与我国规范推荐的基于极值I型概率分布方法进行比较,发现两种方法计算的193座塔70 m高度层50年一遇10 min平均最大风速,仅有7座测风塔较为一致,差异在±1%;IEC推荐方法的计算结果多数偏小,其中偏小10%以上的测风塔有121座,偏小30%以上的有44座测风塔,而偏大10%以上的只有9座测风塔;IEC方法计算的极值风速大幅度偏小的测风塔主要分布在台风影响的东南沿海地区,偏差较小的测风塔主要分布在西北和华北地形平缓区域,但同时偏大10%以上的测风塔也多分布在这一地区。以目前行业领域普遍采用的以15 m·s~(-1)风速的平均湍流强度作为风电机组选型指标,与严格按照规范,以15 m·s~(-1)风速段所有样本湍流强度的90%分位数处的值作为指标进行风电机组等级确定作对比,发现193座塔中有46座塔的选型是不安全的,甚至相差两个等级。     

中国东部高空颠簸时空分布特征及其与热带中东太平洋海温的关系

本文利用1979～2014年NCEP-DOE日平均再分析资料和中国区域2375份航空器空中颠簸报告资料,研究中国东部区域高空颠簸的时空分布特征及其与热带中东太平洋海温异常（简称“海温异常”;空间范围:5°S～5°N,120°～170°W）的关系以及产生这种关系的可能原因。结果表明:中国东部地区高空颠簸与东亚副热带西风急流之间存在显著时空相关关系,其原因是高空纬向风引起的垂直风切变是构成高空颠簸时空分布的主导因素。中国东部夏季高空颠簸与海温异常存在正相关关系;冬季呈现南北两个正负相关区:以30°N为界,北部区域存在显著的负相关,南部区存在显著的正相关,在30°N急流轴附近区域无显著相关关系。海温异常影响中国高空颠簸时空分布的可能原因是海温变化引起对流层高层温度出现异常,进而影响温度的经向梯度,导致东亚副热带西风急流强度和位置出现异常（夏季,急流轴南侧出现西风异常;冬季,急流轴北侧出现东风异常,南侧出现西风异常）。高空纬向风的变化导致纬向风的垂直梯度和经向梯度出现异常,最终影响高空颠簸的时空分布特征。对流层高层温度的异常变化可能是由与热带海温异常相关的平流层水汽变化所引起。     

横向振动格栅紊流紊动特性试验

建立了一套大尺度格栅紊流试验系统,格栅进行有别于传统垂向模式的横向振动,采用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)测量流速。对瞬时流速的检验表明,该系统产生的紊流场具有较强的随机性和统计规律性。均方根流速在格栅片附近变化较大,在两片格栅中间处趋于稳定,纵向均方根流速明显大于垂向均方根流速,二者比值在1.5~2.0之间,接近天然明渠紊流。雷诺应力在距格栅越近处波动越大,随着距格栅距离的增加而减小,至两片格栅中间处雷诺应力基本为0。时间和长度积分尺度在格栅片处最小,随着距格栅距离的增加而线性增加,至两片格栅中间处达到最大值。流速能谱呈现Kolmogorov理论的-5/3次方规律。本系统生成的紊流场的统计规律与传统的垂向振动格栅紊流较为一致,但纵向和垂向的紊动强度更接近实际,为后续紊流中泥沙和污染物等运动机理的研究奠定了基础。     

不同刚度植物杆群对规则波传播及紊动特性影响研究

以不同刚度硅胶圆杆群为概化植物模型,测定其抗弯弹性模量,通过波浪水槽实验,研究规则波在不同刚度植物杆群内的流速分布、紊动特征及不同刚度杆群的消浪效果。实验结果表明,当波浪通过柔性杆群时,受其摆动的影响,流速周期变化从单峰型逐渐转变成双峰型,杆群刚度越小形成的二次波峰越明显;不同刚度杆群内水体紊动强度变化显示,杆群刚度越大,造成杆群内水体的紊动强度越大;随着杆群抗弯弹性模量的增大,其消浪系数也增大,消浪系数的增长与材料的抗弯弹性模量值非线性关系,而是在某一弹性模量范围内,对消浪系数的影响较为敏感。     

辽宁绥中地区海陆风的多普勒测风激光雷达观测与特征提取

2019年3月,利用相干多普勒测风激光雷达首次在辽东湾西部绥中地区进行了风廓线测量试验。根据研究区域海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风,分析和提取海陆风特征验证了多普勒测风激光雷达在春季季风间断期间观测海陆风的可行性,并计算和分析了大气边界层湍流能量的变化以及回流水平变化等特性。结果表明：1）绥中地区春季存在明显的海陆风环流特征,测风激光雷达观测海陆风出现的时间与地面自动气象站观测的数据较为一致,符合海陆风日的定义。2）海陆风日发生时,水平局地回流指数（RF）较小,1.2 km以下的RF值小于0.5,使得污染物循环累积,较易形成雾霾天气;但是海风时大气边界层的高度可达1 km以上,有利于低层大气污染物向高层扩散,减轻低层大气污染。研究结果为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供了参考依据。     

南海台风边界层湍流小波分析

利用小波变换（WT）对香港天文台飞机观测台风“妮妲”（1604）资料进行分析,研究在不稳定、不均匀的台风边界层中湍流涡旋的垂直传输作用。在0.1～5 Hz惯性子区内横风和顺风分量功率谱密度能较好符合-5/3幂律。小波分析显示：横风的小波功率谱峰值集中在1 km之下,顺风分量的小波功率谱峰值集中在1～6km之间;眼区动量通量的主要贡献尺度为2.3 km,眼区外主要贡献尺度在1～2 km,中低层为较小尺度（<1.0km）;湍流功能(TKE)的生成尺度主要集中在4 km之下。这项研究定量描述了南海北部台风边界层各个区域湍流结构的差异特征,讨论了对台风边界层通量参数化的可能影响。     

A study of SAR remote sensing of internal solitary waves in the north of the South China Sea:I.Simulation of internal tide transformation

For settlement of the well-known problem of contemporary radar imaging models,i.e.,the pmblem of a general underestimation of radar signatures of hydrodynamic features over oceanic internal waves and underwater bottom topography in tidal watels at at high radar frequency bands(X-band and C-band),the impact of the ocean surface mixed layer turbulence and the significance of strat-ified oceanic model on SAR remote sensing of internal solitary waves are proposed.In the north of the South China Sea by utilizing seme observed data of background field the nonlinearity coefficient,the dispersion coefficient,the horizontal variability coefficient and the phase speed in the generalized K-dV equation are determined approximately.Through simulations of internal tide transfor-mation the temporal evolution and spatial distribution of the vertical displacement and horizontal velocity of intereal wave field are obtained.The simulation results indicate that the maximum amplitudes of internal solitary waves occur at depth 35 m,but the maximum current speeds take place at depth 20 m in this area of the sea(about 20°30'N,114°E)in August.It was noticed that considering the effects of flood current and ebb current respectively is appropriate to investigate influence of the background shear flow on coefficients of the K-dV equation.The obtained results provide the possibility for the simulation of SAR signatures of inter-nal solitary waves under considering the impact of ocean surface mixed layer turbulence in the companion paper.     

中国物理海洋学研究70年:发展历程、学术成就概览

本文概略评述新中国成立70年来物理海洋学各分支研究领域的发展历程和若干学术成就。中国物理海洋学研究起步于海浪、潮汐、近海环流与水团,以及以风暴潮为主的海洋气象灾害的研究。随着国力的增强,研究领域不断拓展,涌现了大量具有广泛影响力的研究成果,其中包括:提出了被国际广泛采用的“普遍风浪谱”和“涌浪谱”,发展了第三代海浪数值模式;提出了“准调和分析方法”和“潮汐潮流永久预报”等潮汐潮流的分析和预报方法;发现并命名了“棉兰老潜流”,揭示了东海黑潮的多核结构及其多尺度变异机理等,系统描述了太平洋西边界流系;提出了印度尼西亚贯穿流的南海分支(或称南海贯穿流);不断完善了中国近海陆架环流系统,在南海环流、黑潮及其分支、台湾暖流、闽浙沿岸流、黄海冷水团环流、黄海暖流、渤海环流,以及陆架波方面均取得了深刻的认识;从大气桥和海洋桥两个方面对太平洋–印度洋–大西洋洋际相互作用进行了系统的总结;发展了浅海水团的研究方法,基本摸清了中国近海水团的分布和消长特征与机制,在大洋和极地水团分布及运动研究方面也做出了重要贡献;阐明了南海中尺度涡的宏观特征和生成机制,揭示了中尺度涡的三维结构,定量评估了其全球物质与能量输运能力;基本摸清了中国近海海洋锋的空间分布和季节变化特征,提出了地形、正压不稳定和斜压不稳定等锋面动力学机制;构建了“南海内波潜标观测网”,实现了对内波生成–演变–消亡全过程机理的系统认识;发展了湍流的剪切不稳定理论,提出了海流“边缘不稳定”的概念,开发了海洋湍流模式,提出了湍流混合参数化的新方法等;在海洋内部混合机制和能量来源方面取得了新的认识,并阐述了混合对海洋深层环流、营养物质输运等过程的影响;研发了全球浪–潮–流耦合模式,推出一系列海洋与气候模式;发展了可同化主要海洋观测数据的海洋数据同化系统和用于ENSO预报的耦合同化系统;建立了达到国际水准的非地转(水槽/水池)和地转(旋转平台)物理模 型实验平台;发展了ENSO预报的误差分析方法,建立了海洋和气候系统年代际变化的理论体系,揭示了中深层海洋对全球气候变化的响应;初步建成了中国近海海洋观测网;持续开展南北极调查研究;建立了台风、风暴潮、巨浪和海啸的业务化预报系统,为中国气象减灾提供保障;突破了国外的海洋技术封锁,研发了万米水深的深水水听器和海洋光学特性系列测量仪器;建立了溢油、危险化学品漂移扩散等预测模型,为伴随海洋资源开发所带来的风险事故的应急处理和预警预报提供科学支撑。文中引用的大量学术成果文献(每位第一作者优选不超过3篇)显示,经过70年的发展,中国物理海洋学研究培养了一支实力雄厚的科研队伍,这是最宝贵的成果。这支队伍必将成为中国物理海洋学研究攀登新高峰的主力军。