一类线性方程组的特征边界层分析

本文主要研究的是一维线性粘性抛物方程与无粘双曲方程之间的解的渐近极限。我们假定相应的无粘方程的边界是特征的,去研究粘性解与无粘解之间的关系。我们用渐近展开的方法讨论不同区域内粘性方程的近似解,并利用加权能量估计的方法讨论Prandtl 型的边界层方程解的存在性, 以证明边界层的稳定性。通过对近似解与粘性问题真实解之间的误差进行估计,我们最终得到粘性方程的解与无粘解的渐近等价关系。

黄渤海一次持续性大雾过程的边界层特征及生消机理分析

利用常规气象观测资料、NCEP的FNL客观再分析资料和L波段雷达探测资料以及采用国家卫星气象中心多通道气象卫星监测数据和定性分析海雾的方法来处理卫星监测的海雾信息,探讨了2010年2月22—25日黄渤海大雾过程的边界层海气要素的特征、大雾成因及生消机理,结果表明:(1)这次大雾是产生在欧亚中高纬平直环流、大气层结稳定的气象条件下。南支槽前的西南气流与副热带高压西北侧及沿海高压脊后部的偏南气流汇合,形成一支跨越中低纬的偏南气流为海雾形成提供有利的水汽条件。(2)大雾的生消与海表温度、气海温差、空气稳定度和风场等气象、水文要素有密切关系;大雾期间,黄渤海气海温差在0~2℃;大气边界层至对流层下部均有逆温层和等温层,逆温层内的温差为6~8℃,垂直温度的变化是上层温度随时间增大高于低层,使逆温层加强并不断抬升,抑制空气垂直对流发展。近地层空气湿度较大,在200 m附近出现一个液态水含量达0.6 g·kg^(-1)大值区;850 hPa以下层均由2~4 m·s^(-1)的东北风随高度顺转成6~8 m·s^(-1)的西南风,为大雾形成和持续发展提供了有利条件。(3)大雾的湍流最大发展高度达到240 m,湍流混合作用可将中上层湿区水汽和雾滴带到近海面层,同时也有利于空气的降温,易达到饱和凝结而形成大雾。中低层持续弱暖平流把暖湿气流输送至冷海面上有利于近海面逆温层的建立和维持,海面辐射冷却作用激发平流形成大雾。

夏季金塔绿洲及邻近戈壁的冷湿舌及边界层特征分析

利用2004年7月金塔'绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究'重点项目加强期系留梯度探测资料, 对该绿洲边缘的冷湿舌现象及边界层特征进行了分析.结果表明, 戈壁绿洲边缘的确存在冷湿舌;白天从09时至18时都有冷湿舌出现, 高度一般维持在0～600 m之间;冷湿舌受风速、风向、太阳对地面加热强度等因素的影响很大, 也与午后绿洲辐散风有密切关系.这一发现对深入研究戈壁绿洲能量与水分循环, 尤其是对绿洲与周围沙漠戈壁的水热交换研究具有重要意义, 也为进一步研究绿洲的维持和发展提供了很好的基础.

珠江三角洲地区边界层气象特征研究

根据珠江三角洲地区9个气象台站1995-2000年地面气象资料和部分地区的探空资料,分析研究区域气候与天气背景,风、温、混合层厚度、大气稳定度等大气边界层特征。结果表明:珠江三角洲地区受季风影响显著,还受海陆风、城市热岛环流、越南岭下沉气流等的复合影响;逆温频率很高,混合层高度较低,大气层结比较稳定;复杂的下垫面对珠江三角洲地区大气边界层有重要影响。

不同尺度绿洲环流和边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.4非静力平衡模式,通过三重嵌套,模拟研究了西北地区不同尺度绿洲环流及边界层特征,发现不同绿洲系统地面能量和水分的输送是不同的,尺度较小的绿洲其地面潜热大,感热相对小。尺度在15km以上的绿洲可以形成绿洲—沙漠环流和绿洲的小气候,有较低的边界层,同时在绿洲边缘的沙漠形成湿气柱。尺度在几公里的绿洲不能形成绿洲—沙漠环流和绿洲边缘的湿气柱。尺度较大的绿洲形成的温度和湿度边界层结构和环流配合,使绿洲形成具有自我保护的绿洲小气候环境,有利于绿洲生态的发展。

利用风廓线雷达资料对广州地区边界层日变化特征的分析研究

利用2010年11—12月亚运会期间设在广州五山站的车载式边界层风廓线雷达资料,对广州地区晴天条件下的边界层日变化特征进行分析。结论表明:(1)折射率结构常数具有明显的日变化特征。夜间,受大气层结的抑制作用,湍流强度较弱,折射率结构常数的观测值约为10-17～10-18m-2/3;白天,湍流在热力作用和动力作用的共同影响下,从底层大气向自由大气发展,观测值比夜间可增大两个量级,且在边界层顶部有较大阶跃。(2)利用风廓线雷达谱宽资料可算出湍流耗散率,作为一种新的风廓线雷达二次产品,该参数对湍流的描述更为准确和细致。在晴天条件下,广州地区边界层顶从08时开始迅速上升,11时前后达到1 300 m左右,在日落前基本维持这个高度不变。

青藏高原安多地区干、湿季的转换及其边界层特征

利用“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原实验(GAME/Tibet)”1998年加强期(IOP)安多的观测资料,尤其是GPS探空仪观测的资料,综合分析了安多的干、湿季的转换及边界层特征.分析结果表明,安多湿季的形成与大气环流密切相关,西风带北移和东南气流对水汽的输送是湿季形成的必要条件.干季里,安多空气干燥、温度高、大气边界层高度发展,最高可达3550 m左右,地-气能量交换以感热通量为主,并有逆湿现象;湿季里,空气潮湿、温度较低、大气边界层高度很少能发展到2300 m左右,地-气能量交换中潜热通量明显增加.

敦煌绿洲夏季边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.6非静力平衡模式,采用三重嵌套方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征,并且与无绿洲试验进行了比较。结果表明:沙漠中的绿洲在夏季是一个冷源,地面感热通量和潜热通量与周围的沙漠地区存在较大差异。在绿洲区,感热通量小,潜热通量大;在沙漠区,感热通量大,潜热通量小。绿洲边界层顶低,沙漠边界层顶高。绿洲可以改变沙漠地区的大气稳定度,使得原来大气层结不稳定的沙漠地区出现较稳定的大气层结。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区的环流结构及温、湿场的分布,使得在绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气干冷,沙漠上空大气暖湿的边界层特征。绿洲边缘的沙漠形成的较大的湿气柱围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。沙漠绿洲低空呈现辐散气流,使得绿洲上风方的沙漠地区风速减小,绿洲下风方的沙漠地区风速增大。

河套干旱地区夏季边界层结构特征观测分析

利用2013年夏季7月爱尔达K/LLX802J型机动式边界层风廓线雷达获取的三维风场资料和银川站高空气象探测资料,对河套干旱地区夏季边界层日变化特征进行了分析.结果表明：爱尔达K/LLX802J型机动式风廓线雷达能较好的反映并分辨出夏季河套干旱地区边界层内大气湍流和风场的演变过程.夏季7月河套干旱地区边界层高度白天平均为2 127.2 m,夜间平均为1 760.7 m,白天边界层高度比夜间平均高366.5 m.河套干旱区夏季地表非绝热加热对边界层的影响主要集中在800 m以下,800～2 000 m高度边界层则主要受昼夜交替和大尺度天气系统的影响.夏季7月河套干旱地区边界层风速在300 m以下随高度增加而增大,离地500 m以下边界层易在北京时间07：00-11：00和18：00-21：00时段发生风速切变;300 m以下边界层白天盛行西南偏南风、夜间盛行南风,300～2 000 m高度边界层白天和夜间均盛行东南风;离地300 m以下边界层易在夜间21：00-23：00时出现风向切变.夏季7月白天河套干旱地区边界层大气垂直速度在300 m高度以下随高度增加而增大,由0.3 m·s-1增大到0.6 m·s-1,夜间边界层大气垂直速度在200 m高度以下随高度增大而增大;300 m高度以上边界层大气垂直速度无论昼夜随高度变化均较小.

盆地绿洲边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.5非静力平衡模式,通过三重嵌套的降尺度方法,设计理想化的圆形盆地地形和绿洲,模拟研究了盆地绿洲环流及边界层特征。发现盆地感热随地形高度而变化,潜热随地形高度没有变化,仅与下垫面特征有关。盆地绿洲感热小,潜热大,绿洲气候效应明显。盆地绿洲形成的环流与地形环流一致,这有利于加强地形环流。但地形形成的环流强度比绿洲环流要弱得多。盆地绿洲对大气边界层的湿度影响很明显。绿洲的水汽输送通过地形下沉气流加强,使山谷绿洲的气候效应得到加强。结果表明,盆地绿洲由于其地形环流与绿洲环流一致,故使绿洲效应加强。

山丘地形的陆面过程及边界层特征的模拟

将模式NP 89的陆面过程参数化方法应用到北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式中 ,得到了一个较理想的三维陆面过程及边界层模式 ,利用这个改进的三维模式对 2 0km× 2 0km范围的山丘地形的陆面过程及边界层特征进行了数值模拟。模拟结果表明 ,由于地形阻挡所造成山后的湍流较山前强 ,进而造成近地面温度梯度和感热支出小 ,最终造成山后的温度比山前的温度明显偏高 ;而且随着山高的增加 ,这种现象更加明显 ,即该模式对山丘地形条件下的陆面过程和大气边界层特征具有较强的模拟能力 ;模拟结果合理 ,对研究过山气流形成机制、起伏地形大气边界层物理特征和污染物的扩散具有理论和应用价值。

乌鲁木齐市边界层日变化特征

利用乌鲁木齐市晴天CFL-03型风廓线雷达观测资料,分析了边界层日变化特征。得出结论如下:边界层结构季节变化明显。冬、春季300~600m以下风速较小,小于3m/s,且愈近地面风速愈小;以上风速大、风向恒定,基本为东南大风。夏季和秋季风速比冬季和春季小,流场特征较复杂,水平风速和风向变化较活跃,存在明显的风切变。折射率结构常数春、秋和冬季比夏季分别小1个、3个和1~3个量级;夏季最大,集中在10^(-16)~10^(-13) m^(-2/3)之间。春、夏和秋季晴天湍流动能耗散率量级分别在10^(-6)~10^(-2) m^2·s^(-3)、10^(-4)~10^(-3) m^2·s^(-3)、10^(-6)~10^(-3) m^2·s^(-3)之间;白天比夜间约大1个量级。晴天折射率结构常数和湍流动能耗散率日变化特征与风场日变化特征有较好地对应关系,即湍流发展旺盛的区域与风速较大的区域相一致。风廓线雷达资料反演的湍流动能耗散率对春季和夏季边界层结构日变化演变特征的监测较好。夏季夜间稳定边界层约400~500m,残余层可达到约1800m,对流边界层可发展到约2500m,混合层约2200m,夹卷层约300~400m。

机动航态下水中航行器边界层特征参数计算建模研究

文章基于边界层积分求解理论,进行了机动航态下水中航行器厚边界层计算建模,发展了求解动量积分方程组的数值计算方法。编写了相关计算程序。针对SUBOFF潜艇,利用编写的程序,计算得到了边界层特征参数沿艇体分布的曲线,分析研究了机动航态下边界层特征参数变化规律。结果表明,编制的计算程序可用于机动航态下水中航行器边界层特征参数计算分析,为水中航行器水动力性能评估提供技术支持。

利用风廓线雷达资料对北京地区边界层日变化特征的分析研究

利用2015年全年AQI和风廓线雷达资料,对北京地区严重污染天气条件下的边界层日变化特征进行分析。结论表明:(1)严重污染天气水平风速很小,尤其在近地面风速接近0 m/s,全天垂直风速分布平均,各层过渡平缓,边界层非常稳定,几乎没有起伏。(2)高浓度污染物的存在阻挡了太阳辐射对地面的传输,同时地表的长波辐射也难以向上扩散,积累到一定程度才会向上发展。缺少热动力使得边界层更加稳定,不利于污染物扩散,形成稳定边界层利于污染天气维持。这一过程形成了污染物与稳定边界层互相促进的恶性循环。(3)风场的动力作用不足,热力湍流起主导作用,湍流强度相比晴空天气要小很多。

声雷达资料可靠性及近地面边界层风场特征分析

利用2016年5月1日至6月15日在河北省邢台市皇寺气象观测站获得的多普勒声雷达风场资料和探空资料,验证声雷达资料可靠性,并在此基础上,对观测站近地面边界层风场特征进行了分析研究。结果表明,声雷达水平风场资料与探空资料的一致性较好,证明声雷达资料可靠,且声雷达资料与Graw气球探空和台站探空的一致性好于与系留气艇探测的;风场特征分析显示,皇寺站水平风和垂直风日变化特征明显,表现为显著的山谷风特征,白天吹谷风,盛行偏东风,垂直风速相对较大,对流旺盛;夜间吹山风,盛行偏西风,垂直速度较小;在垂直结构上,30~50 m盛行西风或东风,50 m以上逐渐转为偏南风或西北风,且随高度增加,大风速比例和平均风速逐渐增大,说明声雷达探测到的山谷风垂直范围为30~50 m,垂直风速主要集中在-0.1~0.1 m·s-1之间,说明大部分时间对流较弱,以0值为轴,左右比较对称,表明上升气流和下沉气流出现频率相当。

福建一次春季海雾的边界层特征及其成因分析

2018年3月3～4日,福建沿海及台湾海峡出现一次大范围自南向北发展的海雾过程,该文利用沿海自动站、浮标站资料、微波辐射计、风廓线雷达及ERA-Interim再分析资料对海雾成因及生消机理进行分析,着重探讨了海雾过程中的边界层特征及气海温差。结果表明,近地面逆温层、大湿度区维持、中层"干暖盖"、风速适宜、温度露点差小、液态水含量及综合水汽加大,对海雾形成有利;垂直风切变减小,海气界面之间湍流混合强度减弱,致使低层的暖湿空气不易向上输送,有利于海雾的生成发展;在海雾形成过程中,气温高于海温,使得冷海面上空暖湿空气降温冷却达到饱和形成海雾。

半干旱地区河谷盆地与低丘缓坡冬季边界层特征差异的对比研究

利用WRF模式模拟兰州市西固区河谷盆地和兰州新区低丘缓坡地形两种下垫面的冬季边界层特征,从近地面风场、温度场、位温廓线、地面通量和边界层高度等方面对比分析两种不同下垫面边界层特征的差异,探讨下垫面影响边界层特征的机理。结果表明:下垫面特征对边界层特征影响较大;粗糙下垫面动力特征使得兰州市西固区河谷盆地内的近地面风速低于兰州新区,也是兰州市西固区河谷盆地内日间动量通量明显大于兰州新区的主要原因;相比兰州新区低丘缓坡地形特征形成的均匀近地面流场,兰州西固区河谷盆地内的近地面流场十分复杂;日间,更为干燥的兰州新区接收太阳辐射,地面对大气的热力作用强于河谷盆地的兰州市西固区,使得其最大边界层高度高于兰州市西固区河谷盆地。

福建沿海一次持续性海雾过程的边界层特征分析

利用常规地面观测资料和ERA-5逐时大气再分析资料,对2020年5月2—6日福建省沿海地区的一次持续性海雾过程及其边界层特征进行分析,发现持续5天的海雾天气过程可大致分为辐射雾影响阶段、平流雾影响阶段和海雾遇冷消散阶段。在辐射雾影响阶段,地面风向变化无序,风速在1~3m/s之间,温度日较差为6℃,逆温层强度弱,大于90%的高湿区主要在近地层附近。平流雾影响阶段的边界层特征较辐射雾阶段明显不同,地面以南风为主,风速在4~7 m/s之间,气海温差(t2m-SST)和露点海温差(d2m-SST)基本上都为正值,暖湿空气经过冷海面上空冷却达到饱和,形成雾。海雾消散阶段前期,低层的持续偏南风有利于平流雾的维持,后期弱冷空气南下,逆温层被破坏,气海温差和露点海温差都明显减小,不利于平流雾发展,大雾逐渐减弱消散。

2013年1-2月华北雾、霾天气边界层特征对比分析

利用地面观测资料、中国气象局PM_(2.5)质量浓度数据、L波段探空秒数据等,对华北地区三个大城市(北京、石家庄和太原)的雾、霾及晴天天气的地面风场特征及PM_(2.5)浓度分布情况进行了统计分析。同时分析了典型雾、霾天气过程中的边界层气象要素垂直结构及逆温层特征,并与晴天过程做了对比。通过对不同强度雾、霾天气过程的边界层动力、热力学结构差异的讨论,发现逆温强度与雾、霾天气的能见度有负相关关系,并对雾、霾天气的发生有一定的预报指示意义。

边界层特征量在河南省沙尘天气短期预报中的应用

介绍了利用边界层特征量——摩擦速度和梯度Richardson数制作河南省沙尘天气短期预报的方法。结果表明,该动力学方法更能够从本质上反映沙尘天气产生的机制,定性预报准确率为62.5%。