稻麦轮作农田近地层湍流通量计算方案对比研究

稻麦轮作农田是我国典型农田类型,其模拟效果对我国农田气候模拟具有重要参考价值。气候中尺度模拟结果对近地层通量极为敏感,选择合适的通量计算方案对模拟效果至关重要。因此,对比分析稻麦轮作农田下不同的通量计算方案具有重要意义。本文选取了8种具有代表性的近地层湍流通量计算方案,采用寿县国家气候观象台实测资料对比分析了各方案在稻麦轮作农田的计算特征和差异。结果表明,在不同稳定度和不同风速情况下,各方案的误差特征各异。本文基于归一化标准差综合评价了各方案的准确度,总体而言,所有方案的动量通量总体平均归一化平均差为0.536,其中SS14(Sharan和Srivastava, 2014年)方案最大为0.575,SS20(Sharan和Srivastava等,2020年)方案最小为0.517;所有方案的感热通量总体平均归一化标准差为0.638,其中GLGS20(Gryanik等,2020年)方案最大为0.871,SS14方案最小为0.476。此外,本研究还给出了稻麦轮作农田不同稳定层结和不同风速情况下各通量计算方案的误差特征。本文的研究结论,可为准确计算近地层湍流通量提供支撑。

气象要素对近地层臭氧污染形成的影响研究

近地层臭氧(O_(3))是对人体健康和植被生长有害的重要污染物,O_(3)的形成受气象条件(扩散、稀释等物理过程)、化学反应生成/去除速率和源排放强度的共同影响。以山东省临沂市为研究区,根据2019—2022年的O_(3)历史监测数据及气象资料,深入分析温度、相对湿度、风速、降水量和风向等气象要素的不同区间下近地层O_(3)的变化特征,明确气象要素对O_(3)前体物挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)浓度的影响。研究结果表明,O_(3)浓度与温度呈正相关,与相对湿度、降水和风速呈负相关。平均温度介于25~30℃,日最大温度大于35℃,温差大于8℃时,O_(3)浓度最容易超标,平均温度、日最大温度和温差均能指示O_(3)超标现象,但温差与日最大温度的影响比较明显。当温度为25~35℃,相对湿度为40%~60%时,临沂市O_(3)浓度易出现高值。温度和相对湿度对VOCs存在相反的影响。当风速小于2 m/s时,VOCs浓度最高。随着风速的逐渐增加,VOCs浓度逐渐减小。当临沂市盛行偏南风且风速为6~8 m/s时,要格外注意O_(3)的污染动向。研究成果有助于理解O_(3)在大气中的传输扩散、化学反应过程,并可以用来初步判断O_(3)来源,为城市O_(3)来源解析提供支撑。

重庆市山地地区近地层风切变研究

为分析重庆山地地区近地层风切变指数的特征,利用重庆市7座80~90m完整年测风塔实测数据,研究7座测风塔风切变指数时间和空间的变化特征。结果表明7座测风塔实测风切变指数差异较大,变化范围为0.04~0.34,相比1/7(约0.143)的参考值,实测风切变指数误差幅度最高达137%。该结论可用于重庆山地地区近地层风切变指数的模拟及风速推算,以提高该地区分散式风电项目开发选址和风能资源评估的科学性。

中尺度天气预报模式边界层参数化方案以及近地层方案对苏州东山冬季近地层气象要素模拟的影响

运用WRF3.9模式并选取四种常用的边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和BL)和两种近地层方案(Eta和MM5)模拟了2015年1月16~25日苏州东山的近地层气象要素,并与东山气象站观测实验数据进行对比,评估了四种边界层参数化方案对近地层气象要素的模拟能力。同时设置了边界层参数化方案与近地层方案耦合的敏感性试验,分析两类方案的耦合对近地层气象要素模拟的影响。结果表明:①白天四种边界层方案对2m温度的模拟差异较小,两种近地层方案的模拟结果有差异,对流混合较弱时Eta方案模拟较好,对流混合较强时MM5方案较好;夜间四种边界层方案和近地层方案均有影响,但是整个观测期间四种方案的模拟结果统计量差异较小;②无论白天还是夜间,四种边界层参数化方案模拟的2m相对湿度均高于观测值,BL方案的模拟效果最佳,MYJ方案的模拟偏差最大;③无论白天还是夜间,四种边界层参数化方案对10m风速的模拟均存在一定程度的高估,MYJ方案的模拟效果最好,四种方案对风向的模拟均优于对风速的模拟,白天的模拟效果整体优于夜间;④选择不同的近地层方案对风速和风向的模拟结果没有明显影响,对2m气温模拟结果的影响小于对2m相对湿度模拟结果的影响,BL边界层方案与MM5近地层方案耦合对近地层气象要素2m气温和2m相对湿度的模拟效果最好。

北京秋冬季近地层PM_(2.5)质量浓度垂直分布特征

选取秋冬两季各14d对北京地区近地层ρ(PM2 5)垂直分布进行监测,获得ρ(PM2.5)垂直廓线;结合同步测得的气象数据,就气象因素对垂直分布的影响进行了分析;最终拟合了ρ(PM2.5)垂直廓线方程。研究表明:秋冬两季ρ(PM2 5)的垂直分布随高度增加而呈对数递减的规律;风速随高度的变化遵循对数规律;发生逆温时,大气层结稳定,垂直方向上的湍流受到抑制,风速与PM2 5逐时质量浓度在垂直方向的分布呈较好的线性关系,ρ(PM2 5)随高度改变呈显著的对数相关关系;而在非逆温的情况下,PM2 5逐时质量浓度垂直分布与风速线性相关的概率较小,质量浓度的垂直分布与高度的对数关系不显著。

乌兰布和沙漠东北缘近地层风速和降尘量特征

选择乌兰布和沙漠东北缘荒漠-绿洲过渡带和绿洲为定位监测点,基于磴口生态站近地层（0~50 m）风沙监测塔2013年全年的风速和降尘数据,分析了沙漠东北缘近地层风沙时空变化规律。研究结果如下：1）过渡带和绿洲内近地层的风速均随着高度增加而增大,风速廓线特征可用幂函数表示;过渡带风速显著高于绿洲内风速。2）过渡带和绿洲内近地层沙尘水平通量和降尘量均随着高度增加而减少,其分布特征遵循幂函数关系;过渡带沙尘水平通量显著高于绿洲内,说明绿洲防护体系对沙尘具有明显的削弱作用;过渡带沙尘水平通量与降尘量之间为线性关系,而绿洲内二者之间为指数函数关系。3）在春、夏、秋、冬季,过渡带和绿洲内近地层沙尘水平通量和降尘量均随着高度增加而减小;春季是沙尘水平通量和降尘量集中的季节,其次为夏季,秋季和冬季相对较低;一年四季中,过渡带沙尘水平通量和降尘量均高于绿洲内。

青藏高原改则地区近地层通量观测研究

本研究利用首次对西藏西部改则地区大气边界层的湍流观测资料，分析了近地层动量、感热、潜热通量的变化情况，并对该地区能量收支进行了计算。最后，利用脉动资料计算了ＣＤ和ＣＨ值。

珠峰地区大气边界层结构及近地层能量交换分析

利用2005年中国科学院珠穆朗玛峰地区科学考察期间的无线电高空探测资料和超声风温仪观测资料,分析了珠穆朗玛峰地区边界层高度、风速、风向和比湿的日变化以及两个海拔高度不同的观测站（珠峰站和曲宗站）的近地层能量交换特征,得到珠穆朗玛峰地区5月份边界层高度日变化比较明显,因冰川风的存在影响了大气边界层,边界层高度最高为3888 m;白天珠穆朗玛峰地区低层都存在逆湿现象.因珠峰站和曲宗站海拔高度、下垫面状况不同,能量交换特征也不同：4～5月份白天珠峰站感热大于潜热,而曲宗站潜热大于感热;珠峰站土壤热通量转为正、负值的时间早于曲宗站.

登陆台风近地层湍流特征观测分析

在对多个登陆台风实地观测的基础上,选取出较有代表性的实验观测个例:'黄蜂'、'杜鹃'和'黑格比'3个登陆台风,分析探讨在登陆台风的中心、靠近中心位置的强烈影响区域和台风外围环流影响地区近地层湍流特征,以期对登陆台风的边界层湍流过程有所认识.观测资料分析显示,在登陆台风的中心及其强烈影响的区域:(1)风速和湍流强度均有强烈的变化;(2)水平湍流积分尺度明显增大,越靠近中心位置,增大越明显,而垂直方向没有明显变化;(3)在湍流谱的低频和高频区,湍能均可增大1～2个量级,其中垂直方向湍能增大的幅度略小于水平方向;(4)湍谱在惯性子区u,v,w3个方向的分布均不满足-5/3次方律,存在较大偏移,而在台风外围环流影响区和无台风影响时,则无上述的4个特征.

珠峰北坡地区近地层大气湍流与地气能量交换特征

利用珠峰北坡曲宗地区连续一年的大气观测资料(2005年4月至2006年3月),分析了珠峰北坡地区近地层大气湍流宏观统计特征和西南季风爆发前后地气能量交换特征。研究表明在珠峰北坡地区Monin-Obukhov相似定律同样适用。拟合得到了珠峰北坡曲宗地区近地层无因次风速分量方差以及温度和湿度归一化标准差和静力学稳定度的函数关系。研究得出曲宗地区能量平衡各分量(净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量)以及地面加热场具有明显的季节变化和日变化规律。尤其是在西南季风的影响下,曲宗地区感热通量和潜热通量在季风爆发前后具有明显相反的变化趋势。其它特征参数(波文比和地表反射率)在西南季风爆发前后的变化规律也十分明显。

复杂山地近地层强风特性分析

利用在贵州省西南部复杂山地上获取的近地层梯度风观测资料和三维超声测风仪观测资料,从中筛选出具有该地气候特征的强风样本,利用数量统计和谱分析等方法,计算分析了由于复杂地形影响而导致的局地低层强风的平均和脉动特征。平均风场主要表现在受当地主要特征地形(西北—东南走向的深切峡谷)影响,其全年的主导风向和最大风速出现的方向几乎完全转为沿峡谷走向,即使在符合中性大气层结条件下,风的垂直廓线也完全不满足幂指数分布,风攻角远远大于规范推荐的值,并且不同风向的强风攻角因地形影响其差异可达20°;强风条件下脉动风场的主要特征是:不同风向强风的湍流强度有所不同,在纵、横和垂直方向的湍流强度比值与现行设计规范给出的三维湍流强度比值有明显差异,其中垂直方向的湍流强度显著偏大是突出特征;湍流积分尺度偏大,其中纵向值偏大20%—60%,横向值在某些风向上可偏大3倍以上,垂直方向则普遍较平坦地形偏大一个量级左右;在桥梁结构较为敏感的频域范围内,各风向的湍流谱密度值有显著差异,其中不同风向在纵向上最大差值可达8倍,横向和垂直向可相差6倍,但无论哪个方向的湍流谱密度值均比台风中心要小1—2个量级。

城市大气边界层的综合观测研究--实验介绍与近地层微气象特征分析

介绍了南京大学大气科学系依托国家自然科学基金重点项目《城市边界层三维结构研究》在南京进行的两次城市边界层综合观测实验(时间分别在2005年夏季与2006年冬季),对实验所获观测资料进行了初步分析,获得了一些城市近地层微气象学的基本特征,并对结果进行了讨论.主要结果为:市区气温明显高于郊区,体现出城市热岛效应的存在,且市区与郊区的气温差异随高度的增加而减小;2006年冬季观测期间,市区的风速比郊区约小1 m/s,反映出城市建筑物对气流的摩擦、阻尼和拖曳等作用,这些作用使得平均风速在城市上空衰减,并使一部分气流平均动能转化为湍流动能;市区白天的感热通量与郊区相当,但潜热通量远小于郊区,因此市区的鲍恩比远大于郊区.市区下垫面储热项在地表能量分配中占有较大份额,成为城市热岛效应的主要成因;夏季观测期间,市区摩擦速度均值比郊区高34%;冬季观测期间,市区摩擦速度均值比郊区高23%.这种夏季大于冬季、市区大于郊区的现象表明,由于冬/夏热力学性质和城/郊下垫面动力学性质的不同而引起湍流活动的差异;为了定量地衡量气流平均场转化为湍流场的效率,表述动量输送的强弱,我们引入了一个新的变量:归一化摩擦速度.对冬/夏两季和城/郊两地的比较发现,归一化摩擦速度具有很好的相似性和一致性,它表现为一个不随季节和时间变化的常数;通过比较水平湍流方差2uσ+2vσ与垂直湍流方差2σw的方法,来更直观地研究湍流能量在水平和垂直两个方向上的分配特征.在2006年冬季观测期间,市区的2σw/(2uσ+2vσ)平均值为0.16,郊区为0.14,市区湍流能量在垂直方向所占份额略高于郊区.

广东沿海近地层大风特性的观测分析

根据广东沿海岸边3个测风梯度塔实测资料及18个沿海气象站历史资料,普查出该地历史上各个8级以上大风个例,并针对各类天气系统造成的大风过程,对比分析其在近地层的阵性特征、演变规律、垂直切变和空间分布等特征。还根据实际观测事实,针对结构工程抗风设计的需求,分析指出了目前我国相关的国家规范中存在的风参数误差,提出了在热带气旋影响的沿海地区,结构工程抗风设计中风参数取值的具体依据。

青藏高原北麓河地区近地层能量输送与微气象特征

利用青藏高原北麓河冻土综合试验站自动气象站2002年5月30日～6月24日观测资料,计算分析了该地区近地层的地表能量平衡、地表加热场、感热、潜热、地表反照率、动量和热量总体输送系数等特征量场的变化特征,首次得到高原北麓河地区近地层能量输送和微气象特征.

一个引入近地层的土壤一植被－大气相互作用模式

本文在国外同类模式基础上，结合自己特点建立了一个土壤一植被－大气近地层的相互作用模式。在这个模式中，土壤和植被与大气之间的各种通量输送是与近地层大气进行的，而不是同较高层大气直接交换，更符合实际情况。以大气几十米高处的风、温度、湿度为输入参数，驱动运行本模式，进行敏感性试验，并用有限的观测数据相比较。结果证明，本模式能合理模拟土壤、植被、大气的温、湿以及各种通量的变化。进一步与中尺度大气模式耦合可以用于气候研究。

近地层能量闭合度对陆面过程模式影响

大量近地层观测试验表明,利用涡动相关法观测的湍流通量小于近地层可利用能量,即近地层能量是不闭合的,这种不闭合度一般为20%甚至更高.而陆面过程模式是基于地气间能量平衡建立,并且模式中的湍流边界层参数化方案通常根据实际观测的湍流通量来确定,因此能量不闭合必将对陆面过程模式造成一定的影响.本文利用2007年春季SACOL站的近地层观测资料,依据能量守恒将能量不闭合中的残余能量通过波文比分配到观测的湍流通量中,即修正涡动相关法观测的湍流通量使得近地层能量达到平衡;之后分别利用观测和修正的湍流通量,建立了能量不闭合和闭合情形下的湍流参数化方案,借助陆面过程模式SHAW,通过数值模拟和对比分析方法考察近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响.研究结果表明近地层能量闭合对陆面过程模式有显著的影响:在陆面过程数值模拟中,当应用近地层能量不闭合的湍流通量形成的湍流参数化方案时,陆面过程模式会明显高估地表长波辐射及土壤温度;但当应用修正湍流通量使得近地层能量达到闭合形成的湍流参数化方案后,在不改变任何地表土壤物理生化属性的情况下,陆面过程模式能较好地模拟地表长波辐射和土壤温度.

近地层大气臭氧对水稻光合作用影响的数值模拟

利用TE 4 9C型臭氧自动观测仪测定了常熟稻田上方O3 浓度 ,并利用OTC 1型开顶式气室测定了O3 浓度对水稻叶片光合速率的影响 .在此基础上建立了O3 对水稻冠层光合影响的数值模式 ,模式具有较高分辨率和准确度 .观测表明 :O3 浓度逐时值变化幅度在 0～ 16 0× 10 -9之间 ,而日平均值变化仅在 5× 10 -9～ 6 0× 10 -9范围内 ;稻田上方O3 存在高浓度单峰型和低浓度平缓型两种典型日变化 .数值分析表明 :全晴天时高浓度单峰型对光合日总量影响较大 ;随日总辐射量加大臭氧浓度增加对光合作用影响程度加强 .全生育期积分表明 :受O3 影响水稻光合作用总损失量约为 11 6 % .

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。

3个全球模式对近地层风场预报能力的对比检验

为了使检验的预报风速具有可比性,首先利用WRF模式对3种常用全球环流预报场(ECMWF、GFS、T639)在中国区域进行4个典型月的10 km水平分辨率的降尺度计算,再利用中国400座测风塔同期观测资料对24 h内70 m高度的风速预报性能进行了对比检验。结果表明:(1)从4个典型月的全风速检验情况来看,ECMWF预报效果略好于GFS,T639稍差,但三者做简单的集合平均可获得最优的预报结果;(2)3种全球预报场降尺度后的预报风速误差平面分布比较相似,整体来看,内蒙古、东北和沿海部分区域误差较小,内陆地区误差较大,尤其在高原和内陆复杂地形下预报效果不佳;(3)从预报风速在4个风速区间的平均检验情况来看,在(0,3]m·s-1和(3,15]m·s-1区间内,ECMWF的TS评分略好一些,在(15,25]m·s-1区间GFS的TS评分最高,在25 m·s-1以上ECMWF具有明显优势;(4)在(3,15]m·s-1区间,3种全球环流预报场的风速预报误差平均在35%左右,ECMWF略好于GFS,GFS略好于T639;(5)从各测风塔点位最优预报效果的全球场统计情况来看,在(3,15]m·s-1区间内,有55.5%的点是ECMWF效果最优,24.8%是GFS最优,19.7%是T639最优。

藏北地区近地层大气和土壤特征量分析

利用"全球协调加强观测期亚澳季风青藏高原试验研究(CAMP/Tibet)"4个台站2003年大气和土壤的观测资料,详细分析了藏北高原不同下垫面上的气温、相对湿度、土壤温度、土壤湿度等的季节变化及年变化特征。近地层大气各气象要素变化剧烈;4个站气温高低的差异显示了纬度和高度的明显影响;各站冻土冻融过程存在地域差别,尤其是春季冻结消融阶段的持续时间相差可达1个月;土壤质地的差别对土壤湿度影响也较大,黏土土壤含水量要高些,粉土和砂土要低些。