北京城市下垫面动力学参数的计算与分析

采用北京325 m铁塔2008—2012年的单层超声观测资料,基于莫宁-奥布霍夫相似理论(Monin-Obukhov similarity theory)和前人提出的最小误差分析方法,计算了铁塔周边下垫面的零平面位移高度和动力粗糙度长度。结果表明,由于铁塔位于北京市区,其周边下垫面呈现极其复杂的非均匀性,所以对应铁塔周边不同的扇区,零平面位移高度和动力粗糙度长度各有不同。平均而言,在2008—2012年间,铁塔周边下垫面的零平面位移高度为34.4 m,动力粗糙度长度为1.16 m。此外,综合前人的计算结果发现,铁塔周边的零平面位移高度和动力粗糙度长度在2001年之前呈显著增加的趋势,而在2001年以后并未增长,这一现象与铁塔周边的城市化进程相对应。

海气热通量算法的改进及应用

COARE模型是国际上常用的计算海气热通量的算法,其风速适用范围可达20m/s,但未包含飞沫等高风速下的影响因子,将其直接扩展到20m/s以上风速的海况存在不合理性。本文提出了适合各种风速条件下的包含飞沫影响的海面动力粗糙度长度参数化方案,并利用该方案改进了COARE 3.0模型。利用南海浮标的观测数据,根据改进的COARE 3.0模型计算了海气热通量,分析了飞沫对海气热通量的影响。结果表明,在0～20m/s风速范围内,感热通量与潜热通量主要由海气温差和海气湿差决定,与波龄的相关性很小,飞沫对热通量无显著影响。当风速大于20m/s,感热通量和潜热通量与海气温差和海气湿差的相关性减小,与波龄的相关性增加,潜热通量与波龄呈现负相关。考虑飞沫的效应后,总热通量明显增加,飞沫所增加的感热通量平均可占界面感热通量的38.89%,飞沫所增加的潜热通量平均占界面潜热通量的39.19%。

藻类结皮自然恢复后抗风蚀特性研究

从风沙物理学的角度出发，通过风洞实验研究藻类结皮对起动风速、摩阻风速、空气动力学粗糙度等的影响，探讨未破坏藻类结皮和一定程度破坏后自然恢复藻类结皮抗土壤风蚀特性。实验结果表明：无论是完好结皮还是自然恢复后的结皮，都可以提高结皮的起动风速、摩阻风速和空气动力学粗糙度长度。结皮的起动风速大于17m·s^-1，摩阻风速在0．62～1．21m·s^-1之间，空气动力学粗糙度长度在0．03～0．13cm之间。同时给出了摩阻风速和风速之间以及空气动力学粗糙度长度和摩阻风速之间的经验公式。

基于卫星遥感数据改进区域尺度的显热通量模型

以西北半干旱地区的内蒙古农牧交错地带锡林郭勒盟为研究区,以不同退化程度的草地为研究对象,通过叶面积指数计算各像元的动力传输粗糙度长度,以改进显热通量算法;并结合植被/土壤组分温度分别计算基于亚像元的植被/土壤的显热通量。由敏感性分析和模型验证表明,改进的显热通量算法能够提高区域尺度的能量平衡计算精度。

基于遥感和实测数据对台风LEO和SOULIK期间的飞沫热通量研究

本文应用高风速条件下海面动力粗糙度长度,拓展了COARE3.0块体通量算法,考虑高风速下,海洋飞沫对热通量的贡献。利用GSSTF3(Goddard Satellite-based Surface Turbulent Fluxes Version 3)遥感产品、GSSTF_NCEP(National Centers Environmental Prediction)再分析资料和浮标KEO实测数据,探讨了中国南海台风LEO和西北太平洋台风SOULIK期间湍流热通量的变化。研究结果表明:感热通量与潜热通量相比很小;台风的轨迹与潜热通量的分布密切相关且在台风轨迹的东偏北区域潜热通量数值大;在热带低压之前,原潜热通量与改进后潜热通量的差值即飞沫热通量很小,随着台风等级的增加,飞沫热通量也增加。当台风LEO达到最高即台风级别时原潜热通量达到300W/m2,飞沫热通量与原通量的比值高达12%,而台风SOULIK达到强台风级别时原潜热通量达到1000W/m2,飞沫热通量与原通量的比值达到20%,显著高于台风LEO,飞沫效应更明显。

植被下垫面Z_(0)的估算及其改进影响评估

利用卫星遥感反演数据和多种观测资料,基于形态学-遥感反演的方法,估算我国主要植被下垫面的空气动力学粗糙度长度(Z_(0)),将其应用于区域大气化学模式(WRF-Chem)中改进模式默认Z_(0)值,并结合全国气象和污染物观测数据进行改进效果评估,探究Z_(0)改进对模式气象场和化学场模拟结果的影响.结果表明:(1)Z_(0)高值主要位于森林类下垫面,可超过1m;农田、草地类下垫面Z_(0)值较小,低于0.5m,其余植被下垫面的Z_(0)值基本介于两者之间.(2)Z_(0)改进后,10m风速(WS10)和地表温度(TSK)的改进效果较好,而2m温度(T2)和相对湿度(RH)的改进效果不明显;从空间分布和不同下垫面结果来看,Z_(0)对TSK主要是增温作用,对WS10是减小作用;就改进比(各要素改进后的模拟值与改进前的模拟值之差比上改进前的模拟值,下同)而言,Z_(0)改进对WS10的影响大于TSK.从对污染物浓度效果评估看,Z_(0)对PM_(2.5)和PM_(10)模拟改进效果较好,对其它污染物(SO_(2)、NO_(2)、O_(3))的改进效果不明显.(3)对比气象要素和污染物浓度效果评估可知,Z_(0)改进对气象要素的影响大于污染物浓度,其主要是通过影响气象场来间接影响污染物浓度.总的来看,Z_(0)改进影响最大的是气象场的10m风速,考虑其原因在于改进后的Z_(0)普遍高于改进前模式默认Z_(0)值,而Z_(0)是表征地表粗糙度的变量,由于地表粗糙度的增加,增强了对气流的阻碍作用,使得近地层风速减小.