基于局地相似理论的蒸发波导计算方案及敏感性试验

蒸发波导是海洋环境中最常出现的异常大气折射结构,具有很高的利用价值。利用局地相似理论代替Monin-Obukhov相似理论来确定近地层温度、湿度垂直分布廓线,并借助热带海洋全球大气—海气耦合响应试验(TOGA COARE)中提出的总体通量算法,对Local模式和New的推导过程和算法设计进行了详细的阐述和说明。通过比较不同模式的计算结果和敏感性试验发现,在较强逆温和低风速(强稳定层结)条件下,除P-J模式外,基于Monin-Obukhov相似理论的蒸发波导模式计算的高度值均出现异常突变;而基于局地相似理论的Local模式能够有效抑制这种异常突变的现象,且与加入人为修正的P-J模式结果比较接近。New模式集Babin模式与Local模式的优点于一身,应该说是目前理论上最为完善的模式。

边界层局地相似理论在草原下垫面的适用性检验

利用锡林浩特草原平坦下垫面塔层湍流资料,对常值通量层的高度进行了估计,检验了局地相似理论在均匀草原下垫面的适用性,对Monin-Obukhov相似理论和局地相似理论在常值通量层以上的大气边界层的适用性进行了比较。结果表明:(1)对于锡林浩特草原来说,常值通量层厚度在50m左右;(2)通过分析无量纲风速和温度梯度、无量纲风速方差、无量纲标量(温度T、水汽q、CO2浓度C)方差与稳定度z/L之间的关系,验证了局地相似理论在均匀草原下垫面70m以下大气边界层的适用性;(3)感热通量尺度与浮力长度尺度之间存在线性关系;(4)从经典Monin-Obukhov长度、局地Monin-Obukhov尺度和浮力长度尺度的对比分析来看,局地尺度更适用于50m以上的大气边界层,而浮力长度尺度不适用于50m以上的大气边界层。

论大气边界层的局地相似性

本文利用日本气象厅研究所在筑波市213m气象塔1983年观测的湍流资料验证了大气边界层的局地相似性,求出了相似性函数的经验常数.进一步建立了局地湍流统计量同近地面层和边界层顶湍流通量之间的关系.

局地相似性关系在城市边界层中的适用性验证

利用中国科学院大气物理研究所325m铁塔在2003年8月期间47和120m高度上的湍流观测资料,对局地相似性关系在城市边界层的适用性进行了检验。结果表明:47m高度仍属于城市冠层之上的近地面常通量层,莫宁-奥布霍夫相似性关系基本适用。但120m高度则基本属于近地面层与自由对流层之间的过渡高度,在该处,相似性关系部分适用。同时,给出了不同的层结稳定度条件下47和120m高度上的无量纲速度和温度标准差与稳定度之间的局地相关表达式。

局地相似性在近地面层大气中的一个应用

利用Ｕ．Ｈｏｇｓｔｒｏｍ教授提供的瑞典Ｕｐｐｓａｌａ大学气象系于１９８６年夏季在Ｕｐｐｓａｌａ市郊农田中观察到的近地面层大气资料，对近地面层大气的局地相似性进行了论证，并给出了一套相似性函数的经验常数。结果表明，局地相似性比Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ相似性更适合于描述复杂下垫面近地面层大气。

长白山哈尔巴岭气象塔湍流局地相似性研究

利用长白山脉哈尔巴岭气象塔高频率湍流梯度观测数据,分析了2007—2009年间2月和7月2 m、30 m和100 m 3个观测高度湍流统计特征,对复杂下垫面局地相似理论适用性进行了检验,求出了无量纲风速标准差、无量纲温度和湿度标准差与稳定度关系的经验公式,发现了该地域湍流统计特征的新现象。结果表明:(1)冬季和夏季对流条件下2 m、30 m和100 m高度上无量纲风速标准差与稳定度Z/L之间能较好的满足1/3幂律,但夏季能更好地满足1/3幂律,且变化趋势明显,而冬季变化趋势平缓,接近直线。通过和其他学者的研究结果进行比较,发现了一些差异。(2)冬季无量纲温度、湿度标准差观测值随稳定度分布十分离散,但总体变化趋势基本满足-1/3幂律,而夏季观测值分布集中,变化趋势较好地满足-1/3幂律,反映出该地域无量纲温度、湿度标准差与稳定度关系随季节变化十分明显,且夏季对流强于冬季。(3)在30 m和100 m高度上,摩擦速度具有明显的日变化,但2 m高度上摩擦速度的变化比较特异,出现了夜间高于日间的情况,通过研究三维风速的脉动资料,发现夜间的风速脉动资料明显偏大,是导致夜间摩擦速度u*取值较大的直接原因,这种现象的发生可能是由该地域地形效应和下垫面特征引起的。

局地相似性理论在林地及林木湿地下垫面塔层中的应用研究

对局地相似性理论在“粗糙副层”范围的林地及在塔层范围的林木湿地下垫面大气边界层的适用性进行了研究。结果表明 ,对于二阶或更高阶的统计参数 ,局地相似性理论在林地及林木湿地是有效的。无量纲速度、垂直速度三阶矩、温度、湿度仅是无量纲长度 ζ =z-dL1的函数。其中 ,在对 σTT l的分析中发现 ,σTT l按感热通量分层明显 ,感热通量大的数据点能更好地符合相似性关系。类似地 ,潜热通量大的数据点 σTT

局地相似理论在稳定边界层模式参数化中的应用

在一维K模式中引入局地相似性理论构成的稳定边界层模式,其计算结果与二阶矩模式相当接近,此模式可提高稳定边界层结构的研究以及边界层参数化的精度。

城市冠层上下大气湍流特征分析

利用兰州市榆中县城市冠层架设的3台涡动相关仪(EC)观测大气湍流资料,分析了城市冠层上下不同下垫面湍流通量和不同风向范围内湍流动能变化特征,之后对城市冠层上下3台EC观测湍流动能最小、最大分布方向上分别对应的最小最大湍流动能的风速谱进行了研究,进一步检验了局地相似理论在城市冠层上下的适用性。结果表明:(1)城市冠层之上水泥、砖石等构成下垫面和城市冠层之内草坪下垫面观测感热通量、摩擦速度较为接近,观测潜热通量、CO2通量在白天差异明显。(2)城市冠层之上的湍流动能总体上大于冠层之内,冠层之上气流来向的上风向较为开阔时湍流动能较大,而冠层之内气流来向的上风向为街道口时湍流动能较大。(3)城市冠层之上的湍涡尺度大于冠层之内,城市冠层小尺度湍涡风速谱在惯性副区基本符合-2/3次方关系,且准各向同性,大尺度湍涡风速谱在惯性副区不符合-2/3次方关系,且各向异性。(4)不稳定层结下,城市冠层上下无量纲速度方差与稳定度基本满足1/3次方局地相似关系,稳定层结下不满足;城市冠层上下无量纲温度、湿度、CO2浓度方差在所有层结下均不满足-1/3次方局地相似关系。(5)近中性层结下,城市冠层上下u、v、w方向无量纲速度方差分别为3.52,3.03,1.49和2.62,2.22,1.50。

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,粗糙子层和惯性子层的湍流特性不同,其相应的参数化方案也应该不同。

城市近地层动量通量-梯度关系分析

利用南京市委党校和常州大学白云校区的湍流和风速梯度连续观测资料,分析了处于粗糙子层中三个不同高度的动量通量-梯度关系φm(ζ),并与适用于均匀平坦下垫面的经典M-O相似关系进行了比较.结果表明:城市粗糙子层中动量通量不满足常值通量层假设,但无量纲风速梯度满足局地相似关系;在不稳定情况下,三层φm(ζ)的拟合结果均与经典相似函数相差很小;在稳定情况下,三层φm(ζ)的拟合关系仍为线性函数,系数βm均小于经典相似关系中的系数,φm(ζ)的拟合结果随高度增加趋近经典相似关系.临界理查森数Ric与βm关系为Ric=Prt/βm,粗糙子层的Ric大于均匀平坦下垫面上的值,说明越接近冠层顶机械湍流的生成率越大.

城市粗糙子层内湍流特性研究——以合肥一站点为例

城市边界层粗糙子层内的平均场和湍流场特征通常利用局地相似理论来描述,但在很多场合仍然适用于Monin-Obukhov相似性理论。在合肥城区开展气象观测,获取粗糙子层内两不同高度的风速温度数据,分析Monin-Obukhov相似性理论与局地相似性理论的差异,同时分析风速、温度的归一化标准差与局地稳定度的关系随高度的变化。结果表明,两高度上的摩擦速度u_(*)相差超过13%,特征温度T_(*)相差小于2%。风速、温度归一化标准差与稳定度之间的关系可以采用平坦下垫面近地层得到的拟合关系式,只是具有不同的拟合系数,且两个高度的拟合系数不同。这说明本实验地点符合一般粗糙子层的特征,与平坦均匀下垫面近地面层有较大的差别。

利用LPAC图分析北半球夏半年环流季节转换及异常

用NCEP/NCAR再分析月平均风、压场资料得到1958—1997年5—10月月际场的局地型相似系数(LPAC)。多年平均LPAC表明了对流层和平流层低层印度夏季风环流的建立、东亚夏季风环流的北进和南亚高压上高原的过程,这些区域LPAC值较同纬度非季风区明显偏低。在平流层中层,夏季型环流表现出纬向对称性和由高纬向低纬的传播特征。对东亚LPAC气候变率时空剖面及3个涝年LPAC异常的分析反映出环流型季节转变异常及其与东亚月降水异常的关系。

环流季节变化及其异常的诊断分析

介绍了局地型相似系数(LPAC)的计算方法。利用NCEP/NCAR850hPa月平均风场41a再分析资料,得出多年平均月际局地型相似系数图,由此分析了环流的季节变化,并结合长江流域洪涝的1998年,分析了东亚环流季节转换的异常特征。结果表明,局地型相似系数图能很好地揭示环流的季节变化,并能反映季节转换的异常。

运城市夏季降水的前期500h Pa环流特征及降水预测

应用局地型相似系数(local pattem analogue coefficient，LPAC)图及较差图分析了运城市夏季(6月～8月)降水量与前期北半球500hPa位势高度场的相关性，并尝试使用LPAC图显示的关键区制作夏季降水预报，效果较好。

北京城市下垫面大气边界层湍流输送垂直分布特征

基于2008年1月1日至2012年12月31日北京325m气象塔47、140和280m三层湍流观测数据,利用局地相似理论分析了北京城市下垫面湍流输送的垂直分布特征.研究表明:(1)无量纲三维风速标准差σ_i/u_*(i=u,v,w)仅是局地稳定度因子的函数,近中性条件下47m高度为2.15、1.61、1.19,140m为2.39、1.75、1.21,280m为2.51、1.77、1.30,近中性条件下σ_i/u_*随高度增大;自由对流条件下符合1/3次方率,不稳定和稳定条件下无量纲三维风速标准差随高度减小.(2)无量纲温度标准差在不稳定条件下满足.1/3次方率,近中性条件下与拟合曲线差异显著.无量纲CO_2和水汽浓度标准差在不稳定条件下呈.1/3次方律,近中性和稳定条件下均与局地稳定度无关而维持常数.无量纲温度、CO_2和水汽浓度的标准差随高度增大.(3)与动量、CO_2和水汽相比,近中性层结下热量的传输系数较小,而在不稳定和稳定条件下热量的传输系数最大,城市下垫面的标量传输具有非相似性.除不稳定条件下的热量/水汽的相对传输系数外,低层的相对传输系数(|r_(wT)/ruw|、|r_(wT)/r_(wc)|、|r_(wT)/r_(uq)|)总是大于高层,即热量相对于水平风速u、CO_2和水汽的传输系数随高度递减.