大气流场的拓扑结构

用简化的大气运动方程 ,定性分析了大气中几种常见天气系统流场的拓扑结构 .研究表明 ,气旋反气旋流场与中心点附近的流形相对应 ;长波演化形成阻塞高压流场 ,与鞍点和中心点从合并到分离的流形相对应 ;台风和龙卷风的流场与三维空间中鞍 -焦点附近的流形相对应 .研究大气流场的拓扑结构 ,可以直观清晰地揭示大气运动的形态和形成机理 ,有助于认识大气运动的规律 .文中讨论基于一定假设 ,结果与实际大气有差异 ,因而具有局限性 .

在EBEX-2000实验资料中湍流谱和局地各向同性特征

采用 2 0 0 0年 8月在美国加州棉花地两个高度上应用超声三分量仪、快速响应温度和湿度仪进行的EBEX 2 0 0 0(InternationalEnergyBalanceExperiment,2 0 0 0 ,EBEX 2 0 0 0 )风速三分量、温度和湿度湍流实验观测数据 ,计算分析了湍流速度、温度和湿度谱在不同稳定度下的特征。对湍流的局地各向同性进行了讨论并与Kansas和长白山原始森林湍流实验得到的结果进行了比较 ,得到了一些湍流特征量在不同下垫面情况下的一些有意义的特征。

天气和气候的时间序列特征分析

本文从天气和气候资料出发,提出气候的q阶(0≤q≤1)微商是天气,而天气可以近似为白噪声.在此基础上,利用描述自相似非马尔可夫随机过程的时间分数维扩散方程的分析成果,并结合时间序列的相关性分析,从理论上进一步指出气候信号的记忆性好于天气信号,且其概率密度分布的尾巴比较长.

龙卷风的漏斗结构理论

龙卷风是大气中风速和垂直速度极大的小尺度系统 .本文用气压梯度力、惯性离心力、黏性力三力平衡的柱坐标 (r ,θ,z)下的大气动力和热力学方程组 ,求龙卷风的三维速度场 (vr,vθ,vz) ,从理论上绘制出龙卷风的三维漏斗型结构 .充分说明龙卷风由涡旋流和急流这两种流叠加而成 ,涡旋流是由惯性离心力造成的 ,急流是由水平辐合辐散而引起的强对流 .

不同下垫面湍流通量计算方法的比较研究

本文利用1990～1994年在中国内蒙古奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,采用变分法、波文比能量平衡方法和空气动力学方法计算了7种下垫面(沙丘、草原、四种放牧强度的草地、玉米田)的湍流通量并进行了比较.结果表明:除沙丘和重度放牧草地外,三种方法计算的湍流通量在大多数时刻是比较一致的,相关性较高,能量闭合程度也较好.在用于计算植被相对茂盛下垫面的湍流通量时,变分法得到的结果更好一些.随着放牧强度的增大,地表生物量、覆盖率和植被高度相应减少,潜热和动量通量相应减小,而感热通量增大.草地等植被茂盛的下垫面能够增加垂直方向的动量输送,增加空气动力学粗糙度,减小风速,阻止地表沙粒的运动和沙丘的起伏,对防止沙漠化能起到较大作用.

沙漠-绿洲陆-气相互作用和绿洲效应的数值模拟

本文利用一个已发展的陆面过程参数化方案与大气边界层模式耦合,模拟了半干旱区绿洲戈壁非均匀下垫面的陆面过程及其与大气边界层的相互作用,给出了“绿洲效应”这一自然现象垂直剖面上更为清晰、准确和细致的结构特征.数值模拟的结果与早前的许多观测实验结论相吻合,即“绿洲效应”具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”;它表现为在绿洲区域比戈壁沙漠区域环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱,具有下沉气流而导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流.而更加细致地研究这些现象对于深入了解绿洲气候的形成和绿洲的维持机理具有重要的意义.

不同生态系统CO_2通量和浓度特征分析研究

本文利用1993～1994年日本国家农业环境研究所与中国科学院沙漠研究所合作在内蒙古奈曼地区实测的7种不同生态系统（沙丘、轻度放牧草原、中度放牧草原、重度放牧草原、无放牧草原、玉米田和大豆田）的净辐射、土壤热通量、两个高度的CO2浓度、温度、湿度和风速等资料，采用空气动力学方法，计算了CO2通量及其与环境和人为干扰因子的关系，并分析了不同下垫面的光合作用特征．结果表明：各种下垫面CO2通量的共同特点是：在白天，CO2通量和梯度的输送方向是从大气向植被，在中午（11-13时）输送达到负的最大值；在夜间，CO2通量和梯度输送方向与白天相反，是从植被向大气，在早晨（3～5时）达到正的最大值．植被覆盖率及生物量不同的下垫面光合作用强度有明显差异，天气状况对光合作用也有一定影响．

沙漠绿洲地区夏季地表能量收支的数值模拟

本文在MSPAS(Modified Soil-Plant-Atmosphere Scheme)的基础上,引入了一个有效的晴天大气辐射传输方案,建立了一个能在物理上真实地模拟陆气相互作用及其反馈机制的二维模式MLAIM(Modified LandAtmosphere Interaction Model).本文利用HEIFE实验的观测资料对MIAIM的模拟结果进行了检验,对其中不合理的部分进行了分析,指出了在干旱半干旱区陆面过程参数修正的必要性,对干旱半干旱区土壤水分传输以及大气近地面层湍流输送的参数化方案进行了改进.改进后的模式能够较好地模拟夏季连续晴天条件下沙漠的地表能量收支,因此,本文利用MIAIM研究了绿洲对其周围沙漠地表能量收支的影响,并对地表能量收支各分量之间的相互作用进行了分析.结果表明,绿洲向其下风向沙漠的水汽输送是导致其上下风向沙漠间地表能量收支差异的最重要的因子.

北京区域近地边界层特征数值模拟

用非静力平衡的中尺度模式MM5.V3模拟了北京地区2000年夏季7月10日—11日的风速和温度场等边界层特征。模式所采用的水平分辨率为1km,以天安门为中心,选取东西80km南北100km的区域进行模拟。模拟结果表明城郊之间存在明显夏季热岛效应,市区和郊区的温差最大可达6～8℃;边界层风场受西北特殊地形的影响,白天盛行由南往北的上坡风,夜间转为由北向南的下坡风。并用气象观测站实测资料对模拟结果进行了验证,验证表明模拟是准确的。模拟结果有助于了解北京地区区域气候的形成、污染物扩散及制定相关城市规划。

干旱、半干旱地区蒸散过程的模拟研究

利用建立的土壤-植被-大气系统水分散失耦合模式,研究了一定植被覆盖下区域近地面层的水分蒸散过程。模式对土壤水分传导和恢复过程的参数化引入了一些改进。利用此模式模拟了黑河实验(HEIFE)中1991-08-13—17日张掖观测站所在位置的能量通量和近地面温湿度的变化,得到了与观测值相一致的结果,合理地再现了此阶段内蒸散过程的变化趋势。此模式能比较有效地模拟区域复杂下垫面与大气边界层的相互作用,对于区域气候和生态效应的研究有一定的帮助。

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。

在EBEX-2000实验资料中的湍流宏观量特征

采用2000年8月在美国加州棉花地两个高度上应用超声三分量仪、快速响应温度和湿度仪进行的EBEX2000(InternationalEnergyBalanceExperiment,2000)风速三分量、温度和湿度湍流实验观测数据,计算分析了湍流宏观量(即u,T,σu/u,σv/u,σw/u和σT/T等),湍流动能和感热通量等的特征,并与其他湍流实验得到的结果进行了比较。

湍流通量计算方法和误差的比较研究

近地层的风、温、湿梯度以及辐射和土壤热通量资料在过去的几十年间被广泛地用于计算陆-气感热、潜热通量。然而,不同的计算方法之间存在一些差异,随意的选用可能会造成计算结果存在较大的误差。文中利用绿洲系统能量与水分循环过程观测试验的2005年6月甘肃金塔绿洲中部观测资料,在分析了观测期间近地层微气象特征的基础上,对鲍恩比法、空气动力学法(包含两种不同计算方案)和变分法计算的绿洲农田下垫面的湍流通量进行了比较,并通过敏感性实验和理论分析探讨了不同方法间计算结果的差异和误差的来源。结果表明:不同方法计算的湍流通量特征存在明显差异。鲍恩比法从理论上满足能量平衡关系,但在昼夜交替和夜晚时出现了计算不稳定现象,因此在这些时段不适用。变分法避免了鲍恩比法计算夜间湍流通量的不稳定性,而且二者计算的白天湍流通量有较好的相关性;同时变分法由于加入了辐射和土壤热通量信息,明显改善了空气动力学法白天的能量平衡状况;变分法计算得到的潜热通量对辐射和微气象条件有较为合理的响应;对数据误差的敏感性试验表明,鲍恩比法和空气动力学法应用于绿洲下垫面上对观测误差较为敏感,而变分法相对比较稳定。进一步的分析表明,鲍恩比法在-2<β<0的范围内由于方法本身局限而适用性较差;而空气动力学方法计算结果的差异和误差来源于所应用的相似性函数。因而与鲍恩比法和空气动力学法计算的湍流通量值相比较,变分法的计算结果更加合理和稳定,在绿洲下垫面有较好的适用性。该文研究方法和结果可为这些方法的使用提供参考。

绿洲效应的模拟及内外因子的敏感性实验

利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合,模拟了半干旱区绿洲戈壁非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用,成功地描绘了绿洲戈壁局地气候效应,并进行了绿洲戈壁局地气候效应对于降水、绿洲水平尺度和植被结构等若干内外因子的敏感性实验。结果表明:绿洲的最小临界尺度为5~10 km之间,最大临界尺度为55~65 km之间,而最利于绿洲维持的尺度范围为20 km左右,这一结论与我国西部地区现存的绿洲尺度统计结果十分一致;绿洲植被覆盖率为0.6左右时,最利于绿洲发展。另外对植被空间分布方式和绿洲植被组成比例上也进行了数值实验,并对影响绿洲生存和持续发展的内、外因子气候效应的影响力量级进行了分级。这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义。

利用区域尺度气象模式模拟黑河地区地表能量通量的研究

应用中尺度区域模式RAMS(the regional atmospheric model system),在40余组不同参数的条件下模拟中国干旱半干旱黑河地区的地表能量通量和土壤温度特征,并以此探索模式在干旱半干旱地区的适用性。为了证明模拟结果的准确性和模式的稳定性,模拟连续运行30天,其中包含晴好和阴雨的天气过程。模拟结果表明:即使使用较为可靠的NECP再分析气压层资料和实地探测资料,进行初始场和参数的输入,RAMS的默认设置也很难较为合理地反演出地表能量通量,只有合理地调整好其土壤特征参数,RAMS才能得到与实测资料符合得较好的结果。土壤特征参数对模拟结果影响较大,影响因子的重要性依次为:土壤含水量、土壤层总厚度、土壤温度。

从二维地转风到三维涡旋运动

给出了大气三维涡旋运动基本态所满足的简洁的偏微分方程 .大气涡旋运动存在低压辐合上升和高压辐散下沉的基本状况 ,基本态的三维速度场可以用流函数和对流速度势分解 ,且具有螺旋结构 .当Reynolds数Re→∞ 时 ,涡旋运动就化为地转风 ,涡旋运动近似就化为地转风近似 .

在EBEX-2000实验资料中湍流耗散率、长度尺度和结构参数特征

采用2000年8月在美国加州棉花地两个高度上应用超声三分量仪、快速响应温度和湿度仪进行的EBEX2000(InternationalEnergyBalanceExperiment,2000,简称EBEX2000)风速三分量、温度和湿度湍流实验观测数据,计算分析了在不同稳定度下的湍流能量和热量耗散率和湍流结构参数特征。并与Kansas和长白山原始森林湍流实验得到的结果进行了比较,得到了一些湍流特征量在不同下垫面情况下的一些有意义的特征。

大气涡旋的螺旋结构

利用速度场的分解,说明大气中常见的斑图。速度场可分为变形场和旋转场。若大气动力学方程中只有气压梯度力和科里奥利力平衡,此时速度场只有旋转场,地面天气图上气旋反气旋斑图是闭合的。若再加上摩擦力,则斑图为实际的气旋反气旋螺旋。对三维有水平辐散辐合的涡旋,其斑图为三维螺旋型式,常见是漏斗状。台风小口朝上,龙卷风大口朝上。

北京区域夏冬季风场、温度场的观测研究(英文)

用北京及市郊地区共14个地面气象观测站的全月数据顺序文件“D文件”提供的风场及温度资料,采用逐时月平均的方法对北京及周边地区的冬夏两季的风场,温度场特征进行了研究。研究结果表明:(1)北京区域夏季边界层风场受西北特殊地形的影响,夜间低层大气流场常表现为由北向南的下坡风,白天逐渐转为由南往北的上坡风。而在冬季,这种山地 平原的局地环流的现象消失。(2 )夏季,城市西部海淀到丰台一带处在一个高温区,构成北京“热岛”的一个主要区域。而在冬季,海淀及海淀以北到丰台南部的地区是夜间的高温中心。

森林生态系统与大气边界层相互作用的数值模拟

基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林生态系统与大气边界层相互作用的数值模式 .应用该模式模拟了森林生态系统的热量平衡、植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ,及森林生态系统下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和廓线的日变化特征 .该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其区域气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础 .