青藏高原珠峰绒布河谷地区大气近地层观测研究

利用“珠峰环境监测2001”期间获得的绒布河谷近地层观测资料,分析研究了珠峰地区近地层大气温度、湿度、风向风速、地表温度和辐射等气象要素的日间平均分布规律,并探讨了它们之间的相互关系,指出诸如下垫面性质、地形特征、水陆分布差异等造成珠峰地区气象要素特殊分布的原因,为全面认识青藏高原大气边界层结构,考察珠峰环境,研究该地区地-气之间物质和能量交换提供科学的事实依据。     

大气有机氮沉降及其对海洋生态系统的影响

有机氮是大气中含氮物质的重要组成部分。大气中有机氮化合物的种类繁多,按其存在的形态可分为：氧化型、还原型以及生物/颗粒型有机氮,这些有机氮可来自自然源和人为源的直接释放,也可来自于无机氮与碳氢化合物间的大气化学反应。大气有机氮对海洋的输入不仅可以促进海洋初级生产力的增长、进而增加二氧化碳的吸收速率,还可能影响海洋生态系统的结构和功能。分析了海洋大气有机氮沉降的最新研究进展,结果表明：气溶胶中的有机氮在总氮中所占的比例为39.6%±14.7%;陆地雨水中以有机形式存在的溶解氮为30.2%±15.0%,而海洋上,溶解有机氮可达到雨水中总氮的62.8%±3.3%。可见,目前仅包括无机氮沉降的入海通量可能低估了1/3。因此,开展大气有机氮沉降的研究,有助于评价有机氮在全球氮循环中的作用,以及对海洋生态系统的短期和长期的影响。     

Review of the Global Monsoon and Monsoon Marginal Zones

全球卫星探测和观测资料的积累,使以南海季风、亚洲季风为代表的季风研究兴起了一波研究热潮。区域季风认识的深入,推动了全球季风认识的发展,全球季风概念在20世纪末被提出来,并在21世纪初成为热点研究方向。季风边缘是与全球季风密切相关的概念,东亚夏季风北边缘的近期演变与全球季风过去几十年的减弱有关。全球季风的演变表现为分布全球的大气活动中心和季风槽的活动,这些成员组成了一个完整的全球季风系统。按照上述季风研究的发展脉络,系统地总结全球季风和季风边缘研究的进展,并提出未来季风研究的方向会把全球大气活动中心与全球气候槽,包括全球季风槽联系起来,即从季风系统着手研究全球季风的年代际和世纪尺度变率。     

Numerical integration errors in calculated tropospheric photodissociation rate coefficients

Tropospheric photodissociation rate coefficients (J values) were calculated for NO₂, O₃, HNO₂, CH₂O, and CH₃CHO using high spectral resolution (0.1 mm wavelength increments), and compared to the J values obtained with numerically degraded resolution (=1, 2, 4, 6, 8, and 10 nm, and several commonly used nonuniform grids). Depending on the molecule, substantial errors can be introduced by the larger increments. Thus for =10 nm, errors are less than 1% for NO₂, less than 2% for HNO₂, +6.5% to -16% for CH₂O, -6.9% to +24% for CH₃CHO, and -24% to +110% for O₃. The errors for CH₂O arise from the fine structure of its absorption spectrum, and are prevalently negative (underestimate of J). The errors for O₃, and to a lesser extent for CH₃CHO, arise mainly from under-resolving the overlap of the molecular action spectrum and the tropospheric actinic flux in the wavelength region of stratospheric ozone attenuation. The sign of those errors depends on whether the actinic flux is averaged onto the grid before or after the radiative transfer calculation. In all cases studied, grids with 2 nm produced errors no larger than 5%.     

大气科学的世纪进展与未来展望

今天的大气科学已从20世纪初经验的阐述转变为既有理论基础又有客观定量化的一门数理学科,其发展步伐在近50年来不断加快。文章回顾了近百年来大气科学在探测、数值天气预报和气候研究3方面所取得的主要成就,并对大气科学在21世纪的潜在发展作一展望。大气探测、计算能力和信息输送方面的技术进步无疑是近代和未来大气科学迅速发展的巨大动力。这些技术进步促使数值模式分辨率在不断提高,越来越多的实测和卫星等遥感资料在通过反演和同化进入模式初始条件和全球气象分析场,模式物理过程和参数化逐步趋向现实,从而使全球和区域数值预报水平持续提高。同时对大量观测资料的统计分析和许多气候子系统耦合模式的若干试验,大大提高了对造成气候变化和影响的物理、动力机制的认识;特别是对全球气温变暖,其中人类活动的影响,以及ENSO的发生、发展和消亡的机制和过程的认识。近期数值天气预报则趋向于模式发展的统一、预报时效的增加和对有足够成员且有代表性的集合预报的日益重视。气候研究将致力于减少各物理和化学过程参数化、分辨率等因素在模式中的不确定性,逐步达到跨月、季节直至年代际气候变化的合理预测。可以预言在不久的将来,地球-空间系统各变量的观测和预报将逐步数字化、自动化,人们可提前3~5 d得知灾害性天气发生时间和地点的概率,人工影响天气等学科在21世纪将会有突破。同时,可以看到世界各国共同协作建立地球-空间综合观测系统,发展能“包罗万象”的地球-空间-减灾的统一模式。然后综合利用大量观测和模式资料,及时掌握地球-空间系统中的各尺度变化规律,以确保人类社会的持续发展。     

7月青藏高原大气热源空间型及其与东亚大气环流和降水的相关研究

对1958～1999年的7月份NCEP/NCAR再分析资料中青藏高原区域大气热源强度(整层气柱的总非绝热加热率)做旋转经验正交函数分析,结果表明该区域内大气热源强度的空间分布特征复杂,各地差异显著。前4个REOF型的加热中心位于高原东北部、高原西南部、克什米尔地区以及高原东南部地区上空。小波分析还表明各空间型都有2～4a的变化周期。文中计算了前4个RPC与东亚中、低空纬向风(U)、经向风(V)、纬向水汽通量(Q_u)、经向水汽通量(Q_v)的相关系数,并用这些相关系数构造矢量,进而分析其流场和水汽通量散度场,发现高原不同区域的大气加热异常所对应的东亚大气环流形势及降水也大不相同,由此表明,在研究高原加热对中国气候的影响时,应注意加热的空间分布特征。     

Large-Eddy Simulation of the Stable Atmospheric Boundary Layer using Dynamic Models with Different Averaging Schemes

Large-eddy simulation (LES) of a stable atmospheric boundary layer is performed using recently developed dynamic subgrid-scale (SGS) models. These models not only calculate the Smagorinsky coefficient and SGS Prandtl number dynamically based on the smallest resolved motions in the flow, they also allow for scale dependence of those coefficients. This dynamic calculation requires statistical averaging for numerical stability. Here, we evaluate three commonly used averaging schemes in stable atmospheric boundary-layer simulations: averaging over horizontal planes, over adjacent grid points, and following fluid particle trajectories. Particular attention is focused on assessing the effect of the different averaging methods on resolved flow statistics and SGS model coefficients. Our results indicate that averaging schemes that allow the coefficients to fluctuate locally give results that are in better agreement with boundary-layer similarity theory and previous LES studies. Even among models that are local, the averaging method is found to affect model coefficient probability density function distributions and turbulent spectra of the resolved velocity and temperature fields. Overall, averaging along fluid pathlines is found to produce the best combination of self consistent model coefficients, first- and second-order flow statistics and insensitivity to grid resolution.     

辽东湾地区大气边界层扩散特征探讨

利用辽东湾地区近地层三轴风速仪资料,分别计算了不同稳定度下的大气扩散参数及湍流强度。并对不同情况下的大气扩散参数及湍流强度进行了比较。结果表明,在地形相对平坦的辽东湾地区,在不同的稳定度下,σy和σx值均略大于同级Briggs公式的计算值,但小于地形相对复杂的本溪地区。在不稳定条件(C、B类)下,湍强值最大。     

Local Imbalance of Turbulent Kinetic Energy in the Surface Layer

We utilize experimental data collected in 2002 over an open field in Hanford, Washington, USA, to investigate the turbulent kinetic energy (TKE) budget in the atmospheric surface layer. The von Kármán constant was determined from the near-neutral wind profiles to be 0.36 ± 0.02 rather than the classical value of 0.4. The TKE budget was normalized and all terms were parameterized as functions of a stability parameter z/L, where z is the distance from the ground and L is the Obukhov length. The shear production followed the Businger–Dyer relation for −2 < z/L < 1. Contrary to the traditional Monin–Obukhov similarity theory (MOST), the shear, buoyancy and dissipation terms were found to be imbalanced due to a non-zero vertical transport over all stabilities. Motivated by this local imbalance, modified parameterizations of the dissipation and the turbulent transport were attempted and generated good agreement with the experimental data. Assuming stationarity and horizontal homogeneity, the pressure transport was estimated from the residual of the TKE budget.     

大气边界层的研究——从均匀到非均匀

主要从理论、试验角度对大气边界层的研究进行了简要的回顾,尤其对近年来倍受关注的非均匀地表条件下的边界层研究进行了较详细的介绍,并对大气边界层的研究进行了展望。20世纪50年代,Monin和Obukhov提出的Monin-Obukhov相似理论,为现代大气边界层物理学奠定了基础。之后进行的多次大型综合性外场试验,不仅揭示和发现了大气边界层中的许多现象和规律,也验证和发展了Monin-Obukhov相似理论。80年代以后,非均匀地表条件下的大气边界层研究越来越受到关注,一些新的现象被揭示,新的问题被提出,同时也提出了一些新的概念和研究方法。未来10 a,除大气湍流机理等需长期坚持研究外,还应进一步开展非均匀复杂下垫面边界层研究、城市边界层研究和局地边界层气象预报研究。