Townsend's Hypothesis, Coherent Structures And Monin–Obukhov Similarity

Townsend's hypothesis states that turbulence near a wall can be divided into an activepart that transports momentum, and an inactive part that does not, and that these twokinds of turbulence do not interact. Active turbulence is generated by wind shear and has properties that scale on local parameters of the flow, while inactive turbulence isthe product of energetic processes remote from the surface and scales on outer-layerparameters. Both kinds of motion can be observed in the atmospheric surface layer, soMonin–Obukhov similarity theory, which is framed in terms of local parameters only,can apply only to active motions. If Townsend's hypothesis were wrong, so that activeand inactive motions do interact in some significant way, then transport processes nearthe ground would be sensitive to outer-layer parameters such as boundary-layer depth,and Monin–Obukhov theory would fail.Experimental results have shown that heat transport near the ground does depend onprocesses in the outer layer. We propose a mechanism for this whereby inactive motionsinitiate active, coherent ejection/sweep structures that carry much of the momentum andheat. We give evidence that the inactive motions take the form of streak patterns of fasterand slower air, and argue that these are induced by the pressure effects of large eddiespassing overhead. The streak pattern includes regions where faster streams of air overtakeand engulf slower-moving streaks. Transverse vortices form across the spines of the streaksat these places and some of them develop into horseshoe vortices. These horseshoe vorticesgrow rapidly and are rotated forward in the sheared flow so they soon contact the ground,squirting the air confined between the legs of the horseshoe vortex outwards as a forcefulejection. This model is consistent with a wide range of results from the field and laboratoryexperiments. Heat transport is significantly affected, so undermining the dimensionalassumptions of Monin–Obukhov similarity theory.     

动态相似方法在长江上游逐日降水预报中的应用

在考虑环流的动态演变特征在降水预报中重要性的基础上,设计了一种环流演变动态相似预报方法,在１０００ｈＰａ气压场、８５０ｈＰａ温度场、５００ｈＰａ高度场分别提取３个物理意义清晰、又具有立体性和多元性的相似因子,采用本文设计的二级相似标准,以ＥＣＭＷＦ数值预报产品作为预报资料与历史资料库进行滚动映射,寻找最优相似个例,制作长江上游降水面雨量的逐日滚动预报,效果较好。     

递归相似和线性多步法

在递归相似的基础上提出数值求解初值问题的一种新方案，与传统方法的区别，在于求解归结为演化系数的计算。这里给出常微（组）初值问题的算法；并指出新方法与传统方法的关系。     

黄、渤海沿海大风变化特征及影响系统

利用1981—2010年黄、渤海沿海44个气象站大风资料,根据中央气象台对近海海区的划分,分析了近30 a黄、渤海近海5海区大风的气候特征,以及通过天气分型对2008—2012年黄、渤海沿海大风的影响系统进行了统计,结果表明:近30 a黄、渤海沿海5海区日最大风速≥6级和≥8级日数呈递减趋势,1980s大风日数较多,各海区≥6级大风在1981年和1987年前后均有两个峰值。≥6级大风日数随季节变化的峰值,渤海海区出现在春季,黄海南部海区是春季、夏季8月和秋季11月,渤海海峡、黄海北部和中部海区则主要是春季和冬季。渤海海区以偏北风和南南西风为主导风向,与其他海区以北或西北风为主的特征明显不同。冷锋是黄、渤海沿海大风最主要的影响系统,其次是气旋型和高低压型大风。另外以850 h Pa温度平流的强度、冷/暖中心的强度、等温线密集带梯度、地面高/低压强度、地面大风前3 h/24 h最强变压中心强度和地面气压梯度等要素为着眼点,对不同类型的大风指标进行了分析。     

动力相似法在一次大暴雨过程中的应用

利用NCEP再分析资料、ECWMF预报风场和历史降水量资料,分别采用前人提出的相似量和本文改进的相似量进行动力相似选择试验。结果表明:改进后的相似量的相似选择效果最好。对于南充2012年7月4日区域大暴雨过程,用改进相似量筛选出与此次过程最相似的历史个例,进行对比分析后,发现最相似个例风场与预报风场在形状、强度和影响系统空间配置都很相似,降水实况接近。表明最相似个例的风场和降水资料对该次大暴雨过程的降水量级、落区预报有较高的参考和指示意义。     

城市近地层湍流特征分析

利用中国科学院大气物理研究所在北京的325 m铁塔观测资料,本文分析了47、140和280 m三个高度的湍流统计特征.结果表明,城市近地层的湍流速度方差和湍流温度方差都较好地满足局地相似关系,140 m和280 m的湍流特征非常接近,而47 m的湍流特征与之相比表现出明显的差异,说明由于城市冠层动力和热力非均匀性的影响...     

人工植被和流动沙丘近地面层湍流通量的计算

提出了由Ｂｕｓｉｎｇｅｒ建议的无量纲廓线通用函数形式的近地面层稳定度参数ζ的相似方程分析解。代替了以往采用数值迭代法求ζ，并应用于沙漠人工植被和裸露流动沙丘上的实例资料分析。采用目前广泛应用的空气动力学方法，分别计算了动量和热量交换系数，感热和潜热通量，并由波文比－能量平衡方法进行了验证。结果表明：采用Ｂｕｓｉｎｇｅｒ无量纲通量廓线关系形式的近地面层稳定度参数ζ的相似方程分析解，代替以往惯用的数值     

全边界层选用相似理论对O3、NOx浓度及沉降的影响

将广泛应用于东亚地区的LLA(Lurmann Lloyd Atkinson)化学机制耦合到欧拉型区域空气质量模式(RAQM),并考虑区域污染物长期模拟研究中降水随时间变化的非均匀性,讨论了湍流参数化过程中相似理论在近地层和全边界层的应用对湍流垂直扩散系数(Kz)与干沉降速度(V),O3与NOx浓度的影响。结果表明,全边界层应用相似理论明显低估了Kz值,近地层50m处Kz值被低估20%以上,750m处其值被低估约70%;O3、NOx的干沉降速度在日本东部与南部海域被低估了10%以上,在朝鲜半岛东部和西部海域模拟值普遍偏高。Kz和干沉降速度的不同直接影响污染物的浓度和沉降量分布。Kz值的被低估对NOx浓度有明显影响,在近地层50m处NOx浓度最大可增加约30%,整个边界层中NOx平均浓度除台湾省东北海域外普遍增加5%~20%。O3浓度则受干沉降作用的影响较大。虽然近地层、全边界层分别应用相似理论都较好地模拟了O3与NOx峰值浓度出现的时间,但相似理论应用于全边界层会引起较大的误差。即使是大区域、长期空气质量模拟研究,也建议相似理论仅应用于近地层,且模式第一层高度应设置在常通量层内。     

ATMOSPHERIC TURBULENCE STRUCTURE AND SPECTRAL CHARACTERISTICS AT NEAR SURFACE LAYER ON TROPICAL COASTS

By use of an observational experiment at the village of Tianwei, Haikou, Hainan province in 1990,characteristic turbulence values such as velocity component spectra and turbulence intensity are studied.The data were mostly obtained in cloudy condition, so that the stability parameter (L) and thermal flux (wt) did not vary diurnally while the turbulent energy and mean-temperature did. The basic characteristics of turbulence spectra are similar to those with fine weather, hems close to local isotropy in the inertial subrange. The velocity spectra agree with the law of "-2/3 th power"in Kolmogrov's similarity theory. The relationship between turbulent intensity of components δ_i/U (i=u,v,w) and stability Z/L is studied follow ins the Monim-Obukhov(M-O) similarity theory. It is shown that the two observe the law of "1/3 th power", though the turbulent intensity and energy are generally larger than those on the flat underlying topography.     

集合预报产品在台风麦莎预报中的应用

为了提高集合预报效果,利用T106L19全球谱模式和增长模繁殖法对台风麦莎制作了13个成员的集合预报,并对其结果进行集合预报产品解释应用研究。首先在离散距离分簇法中,引入方差分析的方法确定分簇基础,然后对集合预报的形势场进行了分簇,相对于以往采用96小时样本为分簇基础进行分簇的方法,分簇效果提高明显,分簇结果能给出台风移动的几种可能路径及其概率;其次对要素随时间的演变利用系统聚类法进行了分类,根据分簇平均图可以确定几个可能的台风登陆地点,制作了这些特殊点要素分类烟羽图,通过分析要素随时间的演变特征,提高对台风登陆地点和时间的预报精度;最后制作了盒须图,通过盒须图中数据组主体以外的数据点,确认出值得注意的一些特殊集合成员的预报结果,减少了小概率事件的漏报率。研究结果表明,将方差分析引入离散距离分簇法,要素烟羽聚类法以及盒须图的应用有利于提高和改善集合预报效果,集合预报产品解释应用效果得到改进。