温度层结对建筑风环境定量影响的大涡模拟

基于局地气候区分类,选取了北京门头沟地区4种局地气候区(高层开阔、高层密集、中层密集、稀疏建筑)作为研究对象,利用高分辨率大涡模拟方法,数值研究温度层结效应对不同局地气候区风和湍流特性的影响。2019年11月7日晴天小风个例模拟结果表明:1)温度层结对湍涡的形状和范围有显著影响。在近地面水平剖面上,稳定层结下涡旋数量较中性层结情况减少,但涡旋的纵向延伸范围可增大67%;不稳定层结下涡旋数量较中性层结增加,涡旋的纵向范围可缩小60%。在垂直剖面上,相较于中性层结,稳定层结下环流结构减弱且涡旋的纵向范围可缩小40%,不稳定层结下环流结构增强且涡旋的纵向范围可增大20%,该现象在高层密集型地块最为明显。2)4种局地气候区的风速的高值区主要位于平行于盛行风方向的建筑物两侧及屋顶附近,热力作用对总风速有增益作用,近地面风速较入流风速可增加1.27~2.18倍。3)4种局地气候区湍动能的高值区主要位于建筑物底部拐角处和屋顶,不稳定层结下近地面的湍动能是中性层结的1.2~1.5倍,而稳定层结下是中性层结的0.5~0.8倍,即不稳定层结条件下浮力引起的热力湍流增强混合效率,而稳定层结条件下湍流运动受到抑制。4)相较于其他局地气候区,高层密集区域的建筑物底部风速较大,在不稳定层结下易形成较强的狭管效应,其街区峡谷最大风速是中层密集的1.5倍。

层结稳定性“豁口”与北太平洋副热带中部模态水形成机制

本文首先指出北太平洋副热带中部模态水(简称中部模态水)的形成具有显著的"局地"特征,其形成海区在(165°E^160°W,38°N^42°N)区间.海气通量分析表明单纯的外部大气强迫场(太阳短波辐射、净热通量和风应力旋度)不能解释中部模态水形成海区的"局地"性;进一步对上层海洋层结季节变化特征的分析发现秋季(9~10月)在北太平洋中部上层海洋(<75m)(165°E^160°W,38°N^42°N)区间存在特殊的浮力频率低值区——层结稳定性"豁口".该层结稳定性"豁口"作为"预条件(Precondition Mechanism)"机制对中部模态水形成的"局地"特征给出了合理的解释.在上述研究的基础上,基于一个上层海洋混合层热平衡方程,通过诊断分析揭示该层结稳定性"豁口"是由海表热力强迫、垂向挟卷、Ekman平流和地转平流效应共同导致的,"豁口"东、西边界的确定直接或间接地取决于海表热力强迫、Ekman冷平流和地转暖平流的纬向分布差异.

南海季风爆发前后大气层结和混合层的演变特征

根据南海季风试验期间“科学１号”和“实验３号”在加密观测期间所得到的１天４次的探空观测资料，分析了南海季风爆发前后大气层结和混合层的演变特征。结果表明：（１）南海北部季风爆发的日期是５月１７日，而南海南部季风爆发的日期是５月月～２２日左右，季风爆发在南海北部表现出与南部明显不同的特征，其突然的爆发性更为显著。（２）南海季风爆发前后，混合层高度的变化在南海南部与南海北部有明显的不同。在季风爆发前，都存在着明显的混合层，但其厚度不同。南海南部混合层的高度变化在 ９３０～９７０ ｈＰａ范围内，而南海北部偏高，约为 ９００～９８０ ｈＰａ。随着季风的爆发，混合层厚度减小，甚至消失。（３）南海季风爆发前后对流层中低层表现出明显不同的层结结构。季风爆发前，空气比湿较小，大气稳定，混合层顶高度较高，在对流层中存在一个明显的干层。随着季风的爆发，干层逐渐减弱，或趋于消失。这主要是由于季风爆发后，西南季风把大量暖湿空气输送到南海地区，对流活动增强，大气呈现不稳定层结并伴有降水发生的结果。

兰州市区低空大气温度层结特征及其与空气污染的关系

利用 1988～ 1992年兰州市气象站逐日 0 8h(北京时 ,下同 )常规气象探空观测资料及同期兰州市环境监测站空气污染物浓度监测资料 ,统计分析了市区低空大气温度层结变化特征及其与3种主要空气污染物 (SO2 ,CO和 NOx)浓度之间的关系 .结果表明 :兰州市区低空大气温度层结全年以弱稳定为主 ,一年四季皆有逆温层存在 ;在冬季 ,逆温层发生频率最高 (95 .8% ) ,贴地逆温层厚度最厚 (平均 74 0 m)、强度最强 (平均 0 .5 3℃ / 10 0 m) ,脱地逆温层底相对高度最低 (平均 935m) ;同时 ,贴地大气层结温度递减率与空气污染物浓度呈显著反相关 .由此表明 ,兰州市区低空大气温度层结状况是影响该市空气污染程度的重要因素之一 .

青藏高原雷暴天气层结特征分析

青藏高原那曲地区夏季雷暴活动相当频繁,这种雷暴主要是受地形的影响,在地形的热力和动力作用下形成雷暴,但强度不大,最大反射率一般不超过 40 dBz,相对云顶高度可伸展到10.0～ 13.0 km,强弱雷暴差别不大.雷暴持续时间大约为30 min左右,主要发生在13:00～19:00(北京时,下同)之间,峰值出现在16:00左右.此外,在晚上也有弱对流,最大反射率约为20 dBz.高原雷暴天气层结具有与平原雷暴完全不同的特征,一般为整层弱不稳定,高度可以伸展到100 hPa,整层不稳定能量不大,强雷暴CAPE值平均为782 J·kg-1,弱雷暴约为406 J·kg-1,分布较均匀,不出现能量特别大的不稳定层次.近地层相对湿度有'逆湿'现象,厚度约1～2 km,平均为60%～80%(雨季后).无论是强雷暴天气还是弱雷暴天气都具有上述相似层结.这种层结可触发对流,发展高度很高,但强度不大,能量较小.这种特殊层结揭示了高原雷暴的特殊结构.雷暴的闪电频数可以表征雷暴发展强度,通常可以建立闪电频数与雷暴单一参量(云顶高度)之间的统计关系式,从而可以利用测量闪电频数来预报雷暴的强弱,但上述关系对于高原雷暴并不适用,必须建立闪电频数与多参量之间的综合关系.

平凉地区对流风暴地闪活动与环境层结因子相关性分析

利用 1997年和 1998年 6～ 8月间在甘肃平凉地区的 3站闪电定位系统所取得的地闪资料与当天早晨探空资料进行了初步的统计分析。分析表明 ,对流风暴中地闪活动与环境层结因子之间有较好的相关性 ,不稳定度、余额不稳定度 5℃处的环境温度、温度层结中 (中层 )平均相对湿度是影响对流风暴中地闪活动的重要因子 ,对流风暴的地闪活动可通过这些因子进行预报。

2008年1月南方一次冰冻天气中冻雨区的层结和云物理特征

2008年1月中下旬,我国南方经历了四次历史罕见的冰冻雨雪天气。本文针对2008年1月25～29日的一次典型冻雨天气过程,在实测资料、NCEP再分析资料综合分析的基础上,利用中国气象科学研究院(CAMS)中尺度云分辨模式对1月28日～29日的冻雨天气过程进行了数值模拟,研究了冰冻天气形成的大气层结及云系冻雨区云的宏微观结构特征,初步分析了冻雨形成的云微物理过程及云物理成因。结果表明,深厚而稳定的逆温层和低空冷层的存在是大范围冻雨出现的直接原因。此次南方冰冻过程中,湖南和贵州两地冻雨形成的云物理机理不同,不同冻雨区上空为两种不同类型的云,对应两种不同的云微物理结构和大气层结结构。湖南冻雨区云层较厚,云顶温度较低,属于混合相云,云中高层存在丰富的冰相粒子(雪的比含水量最大)。湖南冻雨在"冷—暖—冷"层结下,通过"冰相融化过程"形成,即在锋面之上的对流层中层水汽辐合中心内形成的雪,从高空落入暖层,雪融化形成雨,再下落到冷层后,形成过冷雨滴,最后接触到温度低于0℃的物体或降落到地面上,迅速冻结形成冻雨。而贵州冻雨区云层较薄,云顶温度较高,属于暖云,中高层基本无冰相粒子,低层为云水和雨水(云水的比含水量最大)。贵州冻雨是在"暖—冷"层结下通过"过冷暖雨过程"形成的。即水汽沿锋面抬升,在对流层中低层的水汽辐合中心内,经过冷却凝结成云滴,通过碰并云滴增长的雨滴下落到低空冷层,形成的过冷却雨滴直接冻结形成冻雨。

环境温湿层结对雷暴云空间电荷结构的影响

非感应起电机制中决定雷暴云电荷结构的反转温度是液态水含量的函数,而液态水含量的空间分布又取决于环境初始场中气团平均相对湿度和对流不稳定性的配置情况。本文通过不断改变初始场中层平均相对湿度和对流有效位能(CAPE)的值,同时不稳定度因子K和SI也随之发生相应的改变,利用三维强风暴动力电耦合数值模式,来研究初始场温湿层结的不同配置对液态水含量进而对电荷结构的影响。结果表明,CAPE较小时,电荷结构与中层平均相对湿度的大小无关,均为准反极性,且起电活动较弱;CAPE很大时,较大和较小的中层平均相对湿度更易引起强的起电活动和偶极性电荷结构,当霰和冰晶共存的区域中心落在上升气流的外围时,会形成反极性电荷结构。当对流有效位能相同时,增加中层平均相对湿度,气层的不稳定性提高,更有利于对流的发展和偶极性电荷结构的形成,减小中层平均相对湿度,对流减弱,有利于准反极性电荷结构的形成。

线性层结盐水中的羽流运动特性

采用线性层结盐水发生装置以及喷嘴向下以重盐水注入盐水层结的方法,模拟线性层结盐水中羽流的发展过程;应用时间分辨粒子图像测速技术(PIV),研究线性层结盐水中羽流内部流场结构。羽流的发展过程可以定性地归纳为3个阶段:入射阶段、中性浮力层出现阶段和中性浮力层稳定阶段。实验结果显示:羽流流速从中心区域向边缘逐步递减;羽流在下沉到最大深度后回升到中性浮力层,并向四周扩散;在羽流内部及边界存在大量复杂的涡旋结构,说明在羽流发展的过程中,始终伴随着羽流与周围环境水体之间的掺混作用。重新拟合确定了羽流最大穿透距离公式中的量纲一常数C,取值为4.03。

2008年初南方雨雪冰冻灾害天气静止锋与层结结构分析

对2008年我国南方持续性雨雪、冰冻灾害天气的影响系统及层结特征做了研究,集中对第3次过程,即1月25~29日期间的天气形势、水汽条件、高原对流系统东移的影响以及地面和大气层结条件进行了分析。研究表明:位于长江或江南地区的准静止锋(或切变线)是雨雪冰冻天气的重要影响系统,锋面西段的逆温层和暖层强,有利于冻雨的形成;水汽在锋前的对流层低层辐合,沿锋面爬升凝结,锋面的东段低层辐合比西段强,造成锋面东段的降水强度大于西段;高原对流系统活跃,且频繁东移影响我国东部,在第3次过程共有3次高原对流的东移过程;最有利于冻雨产生的层结条件应有中层冻结层、暖层、逆温层,且这些层结的强度和厚度要适当;最有利于冻雨出现的地面温度在-1^-3℃,变化非常小,温度、露点差都在1~3℃,接近饱和,风速较弱。最后,提出了适合于我国南方雨雪、冰冻天气的锋面结构与大气层结的物理模型。

莱州湾口弱层结水体中沉积物再悬浮特征及其水平、沉降通量研究

近海悬浮物在海水中的运移受诸多因素影响,其中由于径流输入导致的水体层化是不可忽视的因素之一,研究层结水体中沉积物受潮流、波浪影响的再悬浮特征有重要意义。2005年5月15日在黄河口西侧18海里处的莱州湾口设立了一个周日连续观测站,试图揭示弱层结水体中悬浮物的再悬浮特征及其水平、沉降通量。利用ADCP回声强度反演得到了高分辨率的悬浮物时空分布,在详细分析潮流、波浪以及密度层结变化的基础上,指出以上诸因素是影响沉积物再悬浮的主要机制。潮流和波浪联合作用于底床使沉积物起动进入水体,而层结强度与位置的变化则是起动的沉积物能否有效再悬浮(进入水体中、上层)的调控机制。在波浪和层结的影响下,涨潮时更多沉积物再悬浮进入水体,使得一个半日潮周期内出现指向湾内的悬浮物水平净通量。由于密度层结抑制水体湍流扩散强度,阻碍层结界面处物质交换,导致悬浮物浓度垂向梯度增大,进而增大悬浮物沉降通量。

2008年初南方雨雪冰冻灾害天气的大气层结和地面特征的数值模拟

冬季的雨雪预报,尤其是冻雨的预报涉及多种尺度系统与复杂物理因素的影响。为了探讨这方面的问题,作者采用中尺度数值模式MM5对2008年初我国南方持续性雨雪、冰冻灾害天气中的1月26～29日过程做了模拟试验研究,并根据模拟结果对1月26～29日期间的水汽条件、地面特征和大气层结条件等重要环境条件进行了分析。分析指出,模拟结果能基本再现冬季这种持续性过程的降水带分布;长江或江南地区的准静止锋的存在,水汽在锋前对流层低层辐合,并沿锋面向上爬升凝结,爬升到达的高度和强水汽带的宽度与观测基本一致。模式还能再现有利于冻雨产生的层结条件,包括中层冻结层、暖层、逆温层和地面温度0℃线的位置;研究指出,利用模式输出的层结、地面条件以及降水状况可以大致得到冻雨可能发生的范围。

重庆主城区大气层结特征及与空气质量关系分析

利用L波段探空雷达数据和地面气象观测资料,统计分析了重庆市主城区大气层结特征及其与空气质量的关系,结果表明重庆主城逆温比例很高,各月均有逆温存在,而且有明显的日、月和季节变化;近地层的相对湿度较大,冬季高于夏季,在近地层到2 000m间存在有逆湿现象;近地层盛行偏东风,风速较小;大气以中性层结占主导地位,而且冬季的混合层厚度较薄;高逆温逆湿频率、低风速、多中性层结和较薄的混合层是造成重庆主城冬季空气质量较差的主要气象因素.

烟雾层的长波辐射效应以及对边界层温度层结的影响

本文利用一个简化的长波辐射方案，计算了兰州城市烟雾层大气的辐射效应．计算表明：烟雾层气溶胶增加了到达地面的大气逆辐射和气层的冷却率，平均污染状况时，增加量分别为15．2％和0．073℃／h．与烟雾层对太阳辐射吸收加热率相比，冷却率量值较小，但对全天边界层能量平衡所起作用不可忽略．对比分析了兰州和郊区夜晚的平均温度廓线演变情况，可以看出烟雾层长波辐射效应增加了低层大气中上部的冷却．

准噶尔盆地表层结构基本类型及特征

地震勘探区内表层及近地表结构的地球物理特征,往往取决于相应的地质体结构的变化.研究不同表层及近地表地质体的地质特征和地球物理特征,对地震勘探中静校正方法的确定以及静校正量的求取至关重要,准噶尔盆地就其表层地质结构可分为山前冲积扇、戈壁、农田、沙漠等类型,不同类型的地质结构体具有各自独特的地球物理特征。

非均匀大气层结中大气惯性重力波的发展

本文用WKB近似方法导出了非静力平衡下惯性重力波的能量增长与大气层结在时间和空间上不均匀性的关系,并定义了一种新的重力惯性波的广义波作用量。

冬季兰州城市上空层结特征的分析研究

依据１９８９年１２月１日～１５日在兰州地区进行的边界层探测资料，详细分析了兰州市区与皋兰县上空大气温度层结时空变化的差异，进一步分析了城市热岛和城市烟雾层的影响，得出冬季兰州市区上空层结主要特征为：低层大气近中性层结持续时间长；贴地逆温强度小，多层逆温和高层逆温出现几率大：混合层上午发展迅速，午后层顶常下降；城市热岛效应在夜间０～２００ｍ气层影响显著，烟雾层辐射效应使低层大气中上部３００～４００ｍ日间加热和夜间冷却均较强．

兰州城市污染大气温度层结特征

本文对兰州市区和郊区大气温度廓线进行了比较分析,结果说明城市热岛效应使低层大气中上部(200—600m)增温大于郊区,200m以下因污染物削弱了到达地面的太阳辐射,增温小于郊区。用白天兰州低层大气中部的增温和大气混浊度资料做相关统计,证实两者具有正相关关系。

中尺度对流系统中的湿中性层结结构特征

基于CloudSat卫星获得的高分辨率中尺度对流系统垂直剖面结构,结合大气参量相对湿度和相当位温的诊断分析,在低纬度、中高纬度地区、陆地或海洋以及不同天气形势下,发现了多个非常典型的中尺度对流系统(MCS)内部具有湿中性层结特征的个例。进一步利用静止卫星普查到的东亚地区MCS分布情况,结合NCEP再分析资料诊断MCS重心位置处大气状态廓线,利用大量的例子从统计的角度揭示了湿中性层结结构特征在MCS中存在的普遍性,并且从动力学和热力学的角度探讨了湿中性层结结构在MCS发生和发展中所起到的作用。

江西省冻雨垂直温度层结分析及预报

利用1960—2013年江西省89个气象观测站常规观测资料,采用统计分析和插值处理方法,对江西省106次冻雨过程垂直温度层结进行分析,并建立冻雨预报思路。结果表明:江西省冻雨发生通常伴随1000—850 hPa剧烈降温和700 hPa增温,925—700 hPa存在明显逆温。融化层是冻雨发生的必要条件,江西省冻雨87.7%样本融化层位于700 hPa,9.4%样本融化层位于850 hPa;一般以1000 hPa温度<1.0℃、925 hPa和850 hPa温度<-2.0℃及700 hPa温度≥0.0℃作为江西冻雨预报的温度阈值标准,同时也应注意融化层位于850 hPa的情况。地面气温越低,越有利于冻雨形成,冻雨发生时最低气温为0.0℃以下,平均气温为1.0℃以下。冷暖空气持续在27°—28°N交汇,且鄱阳湖以南至抚河流域平均气温<1.0℃和最低气温<0.0℃出现比其他地区多,造成该区域冻雨发生频次比其他地区明显偏多。另外,通过大气逆温层结、地面气温与冻雨的对应关系,建立基于模式资料和常规观测资料的冻雨自动诊断方法。