林网下垫面稳定大气近地面层温、湿和风速廓线相似性及通量特征

本文根据在林网下垫面测量的温、湿和风速梯度资料,分析了温、湿和风速廓线的相似性及通量特征。结果表明:在林网下垫面弱稳定大气近地面层中(0.1<Ri<0.25),温、湿和风速廓线符合Monin—Obukhov相似理论所予期的对数线性分布规律。相似函数P值在1附近,在Ri<0.25,P值变化不明显,Ri>0.25时,随Ri增大而增大。廓线参数β_u,β_?和β_w不是常数,而是稳定度参数Ri和L的函数。在Ri=0.25和L=20米附近廓线参数出现间断,两边遵循不同的变化规律。当Ri>0.25时,湍流交换减弱,感热和潜热通量的变化趋于稳定。

对称不稳定大气中的孤立行波精确解

通过对二维准动量无辐散、无摩擦、密度非均匀分布的层结大气中基本气流切变对非线性方程组行波解的影响问题的研究，证明：（ａ）在对称稳定（ｑ＝Ｎ２Ｆ２－Ｓ４＞０）的大气中：非线性行波解为周期解，且其周期与相应的线性周期解的周期相等；（ｂ）在对称非稳定（ｑ＝Ｎ２Ｆ２－Ｓ４≤０）的大气中：存在两类非线性行波解，其性质是由参数Ｂ决定的。Ｂ＝（Ｎ２ｓｉｎ２φ－２Ｓ２ｓｉｎφｃｏｓφ＋Ｆ２ｃｏｓ２φ）／σ２。（１）当Ｂ＞０时为周期解，且其周期与相应的线性周期解的周期相等；（２）当Ｂ≤０时为孤立波解。

稳定大气环境边界层微波折射率结构常数建模

大气湍流对电波传播有着重要影响。结合M-O近地层相似性原理以及Tatarski和Bulk方法估算方法推导出一种计算温度结构函数,湿度结构函数和混掺结构函数的新方法。运用适当的参数建立了一种利用常规气象要素估算稳定大气条件下微波波段折射率结构常数的模型。该模型只需要测量下垫面温湿度及所测量处高度的温度、湿度、风速就能估算出当前大气环境中的折射率结构常数。分析模型可以知道:湿度对微波波段折射率结构常数影响较大,风速变化无明显影响。混掺结构函数和湿度结构函数所占的作用比较明显,在计算时不可忽略。该模型为研究微波在湍流环境中的传播提供了理论参考。

稳定大气边界层的湍流结构和相似律

本文从包括辐射影响在内的大气边界层模式出发,求解了稳定层结条件下湍流热通量和湍流应力的垂直廓线。另外,引入湍流的局地尺度L(z)、u_＊(z)和θ_＊(z),各湍流量的局地尺度可以表示成z/L(z)的函数,由此可将相似理论推广到全边界层应用,相似律的预告和观测资料很一致。

稳定大气中烟流抬升高度的确定

本文通过Boussinesq近似的非线性动力方程组,得到了烟流抬升高度的解析表达式,讨论了地形、大气稳定度等物理因子对烟流抬升高度的影响。结果表明:地形的分布对烟流抬升高度的确定有一定影响,大气稳定度对高度的影响尤为明显。本文还讨论了理论公式的实用条件。

考虑非稳定大气边界层的风力机输出特性研究

本文基于CFD方法,从不同性质大气边界层中风力机的输出特性进行研究,对中性和非中性大气边界层环境下风力机的输出特性如功率、尾流速度等进行分析。针对所预选风力机的基本参数,在保证轮毂处风速为额定风速的基础上,通过改变速度分布及温度来构建入口边界函数,而后进行风力机CFD分析。结果表明中性大气边界层条件下在距风力机下游15D处恢复到了来流速度的89%,而不稳定大气边界层条件下的尾流速度已完全恢复。此外,不同性质大气边界层的整体尾流恢复有所差异,在近尾流区及过渡区尾流恢复程度基本相同,在远尾流区非中性大气边界层条件下的速度分布高于中性大气边界层。

考虑大气稳定度的典型复杂地形风场CFD模式

为评估中国典型复杂山地风资源,实现风资源的高效利用,结合雷诺时均的k-ε两方程模型、大气粗糙度壁面函数和热浮力作用,提出能模拟不稳定、中性和稳定状态复杂地形风场特性的大气CFD模式,并针对湍流参数、大气粗糙度对风速廓线的影响进行参数化研究。采用两种方式驱动CFD模式:一种是通过来流上游的实测风速廓线驱动CFD模式,一种是通过WRF模式输出风速廓线和温度廓线驱动CFD模式。利用山西神池南桦山丘陵山地测风数据进行大气CFD模式验证,通过WRF-CFD耦合仿真研究山地公里级范围热浮力作用对风场的影响,详细对比不同热浮力作用下的大气CFD模式仿真精度。结果表明大气CFD模式能准确地模拟不同稳定度状态下的山区大气风环境,但对于不稳定状态下山后风场的模拟能力稍差。

大气稳定度对边界层垂直风切变的影响

大气边界层垂直风切变是高层建筑、航空和风能利用等领域影响安全的重要因素,对大气垂直分布的研究具有重要实际价值。选用位于河北张家口地区的激光雷达测试场地的140 m测风塔数据,通过测风塔和激光雷达的同期外场测量,验证激光雷达与测风塔对垂直风切变的测量精度,研究大气稳定度对于垂直风切变的影响。结果表明:1)大气稳定度对风切变影响显著,风速切变、风向切变与大气稳定度的相关系数分别为0.48和0.54;2)风速切变随位温梯度的增加而增加,当位温梯度达到0.08 K·m^(-1)后,风速切变保持在0.35~0.40;3)位温梯度大于0时,风向随高度增加顺时偏转;位温梯度小于0时,风向随高度增加逆时针偏转;中性大气风向的垂直分布较为一致。通过测风塔和激光雷达的垂直观测建立了风速切变、风向切变与大气稳定度的关系模型,对风场垂直分布相关的研究与应用具有较好的参考价值。

不同稳定度下大气边界层模拟及实测数据验证研究

大气边界层的模拟是风电场风能资源评估的核心环节。然而,现有大气边界层模拟研究中广泛存在对实际气象因素考虑欠缺,从而导致模拟准确性不足的问题。为此,该文结合实际测风数据与开源计算流体力学软件开发了一套风电场大气边界层模拟方法。该方法通过对测风数据的分析处理,将地表粗糙度以及大气稳定度这两种关键因素纳入大气边界层的模拟之中,使其能更加贴近实际地模拟边界层内的流场状态。使用该方法在一个真实案例下进行模拟,并与测风塔实测数据进行对比以验证开发方法的可靠性。结果表明,开发方法在不同的大气稳定度下的模拟结果与实测数据吻合程度较高,相比于现有商业软件WT的计算精度有较大幅度的提升,具有一定的工程实用价值。

典型风电场地形大气稳定度对风机出力的影响

[目的]分析了大气稳定度对风机出力的影响,为提高计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)风能资源模拟精度提供技术参考。[方法]选取立于平坦和复杂山地两类典型地形上的两座测风塔不同高度的风速、气温、气压等观测数据,使用莫宁-奥布霍夫长度法分别计算两座测风塔所在区域的大气稳定度,参照Irwin大气稳定分类标准对稳定度计算结果分类,再根据分类结果进行两座测风塔轮毂高度处出力分析。[结果]结果表明:在近地面层,复杂山地大气热效应造成的表层垂直混合作用更为明显,造成的大气不稳定性较为强烈,但垂直混合作用不充分;复杂山地大气稳定度对风机出力的影响大于平坦地形,其不确定性更强。[结论]在进行CFD风电场流体建模时需要考虑大气稳定度的影响,特别是超低风速复杂山地场址条件下,大气稳定度的评估对风机选型及发电量仿真精度尤为重要。

北京地区大气稳定度垂直分布特征

基于北京325米气象铁塔观测资料,分析了北京地区大气稳定度垂直分布特征、日变化特征、季节变化特征。

不同下垫面大气稳定度分类方法的对比研究

利用戈壁沙漠、低矮丘陵山地和沿海地区等不同下垫面的气象塔层和地面气象观测资料,分别采用P-T方法、ΔT法、ΔT/U法、ΔT/U2法、辐射法和风向标准差(σθ)法计算大气稳定度,并进行对比分析。结果表明:ΔT/U2法和风向标准差法对周边地形的影响较敏感,辐射法是最适合这3种下垫面大气稳定度分类的方法。

陕西省大气稳定度分布特征研究

根据陕西省97个气象台站2006—2011年逐时气象观测资料进行陕西省大气稳定度分类,统计计算各站四季及年不稳定类、稳定类和中性类稳定度出现的频率,利用GIS系统分别绘制关中区域分布图,分析了四季及年三大类稳定度出现频率的区域分布特征。结果表明稳定类和不稳定类均以秦岭腹地中西部和关中盆地中西部出现的频率为最高,其次是渭北及陕北黄土高原区,宝鸡西南部的凤县和太白,汉中市及安康西南部出现的频率较低;中性类明显以宝鸡西南部秦岭山区的凤县、太白,陕南汉中和安康西南部出现的频率为最高,关中盆地中西部和渭北东部最少;冬季稳定类出现频率最高,秋季次之,夏季最低;夏季不稳定类出现频率最高,春季次之,冬季最低;中性类以秋季为最高,夏季次之,冬、春季最少;不稳定类出现频率高的区域,稳定类出现频率亦高。

上海市近15a大气稳定度和混合层厚度的研究

利用了上海市1990-2004年逐日4个时次的气象资料，运用修正的Pasquill稳定度分类方法和国家标准GB／T13201—91规定的混合层厚度的计算方法计算得出了逐日四个时次的稳定度等级和混合层的厚度，分析了各类稳定度频率和混合层厚度的逐年、逐月和不同时次的变化规律。结果表明：云量对该地区大气稳定度的影响较大；风速对该地区混合层厚度影响较大。

西安市近10年大气稳定度和边界层厚度特征

利用西安市1996～2005年逐日24个时次的气象资料,运用修正的Pasquill稳定度分类方法和国标GB/T3840-91规定的边界层厚度计算方法计算出逐日逐时次的稳定度等级和边界层厚度,分析了各类稳定度频率和不同稳定度条件下大气边界层厚度的逐年、逐月变化规律。结果表明:西安市大气稳定度出现的频率以稳定类为主。近10年来不稳定类和稳定类有缓慢上升的趋势,中性类有缓慢下降的趋势。稳定类和不稳定类随季节变化非常明显。西安市春季大气边界层厚度最高,夏季次之,冬季最低。

乌鲁木齐市低层大气稳定度分布特征的统计分析

利用乌鲁木齐市4座100 m梯度气象塔2013年6月至2014年4月10 min气象资料,对比分析了温差法、温差-风速法、风速比法、理查森数法和总体理查森数法计算的A^F类大气稳定度的适用性,表明温差-风速法更适合乌鲁木齐市大气稳定度的分类,运用该方法计算出的A^F类稳定度进而统计分析乌鲁木齐市城区和郊区稳定度的频率分布特征。结果表明:郊区稳定类所占比例高于城区,城区中性类高于郊区,南郊和城区不稳定类高于北郊。中性类在冬季较大,春季和秋季较低;不稳定类在6月最高、9和1月最低;稳定类在10和1月最高、6和7月最低。白天以不稳定为主(占全天88.3%~96.3%)、夜间以稳定为主(占全天51.3%~60%),夏季最明显。不稳定与中性、稳定的日变化相反,郊区日出时和城区日出后2 h左右稳定类频率最大。中性(D类)在日出和日落后1~3 h分别出现两个峰值。寒潮天气稳定性比高温天气强,静风天气郊区稳定类比大风天气强,扬沙发生前以中性和稳定类稳定度为主、发生时和发生后以不稳定为主,降雨天气不稳定类比暴雪天气强。春季和夏季重污染天气B、C和F类为主,夏季南郊和近北郊C和F类约45%,秋季B和E类为主,约40%~50%;冬季城区D类频率最大,南郊、北郊和近北郊F类频率最大。

中国东部极端降水变化特征及其与大气稳定度的关系

利用100°E以东地区通过5%质量控制的392个站逐日降水资料,对近50 a我国东部极端降水变化特征进行分析,并以1948—1976年和1977—2008年为研究子时段,讨论前后两阶段东部地区的大气湿位涡差异及大气稳定度状况。结果表明:我国东部地区极端降水表现出显著的南北差异;北方尤其是华北东部,极端降水量及其所占降水量比例均有下降趋势,而南方尤其是在长江中下游地区二者均呈增加趋势。湿位涡呈"南减北增"的趋势,对流稳定度和斜压稳定度在南方均出现变弱趋势,在北方则增强。大气性质的南北显著变化是我国东部地区极端降水呈"南增北减"分布型的一个重要原因。进一步研究表明,高纬度地区300 hPa层在1976年之后表现为温度负距平场中心,使东部地区高空热力性质产生差异,进而影响了对流稳定度的变化;同时冷中心北侧高层西风分量减小,南侧高层西风风量增大,斜压稳定度相应出现减弱和增强的变化趋势。

乌鲁木齐近30a大气稳定度和混合层高度变化特征及与空气污染的关系

基于1979-2008年乌鲁木齐1天4个时次的地面常规气象观测资料,运用Pasquill-Turner稳定度分类方法和修正的罗氏法计算得出了乌鲁木齐市近30 a大气稳定度和大气混合层高度随时间序列的变化特征,分析了2001-2008年混合层高度和稳定度与空气污染的关系。结果表明:近30 a乌鲁木齐大气混合层高度随时间基本呈现缓增的趋势。混合层高度在冬季夜间最低,说明此时大气垂向平均稀释能力最差。近30 a大气稳定度以D类频率出现最高,F类次之;其日变化为夜间多稳定层结,傍晚和清晨中性层结占居主导,中午弱不稳定层结出现最多。混合层高度与API相关系数-0.95,表明大气混合层高度是影响空气质量的重要因素,为开展空气污染潜势预报提供了一个很好的预报指标。F类稳定度的出现频率与API相关系数0.80,也是一个比较好的空气污染潜势预报因子。

理查逊数Ri在沿海近地层大气稳定度分类中的应用

根据广东、浙江沿海２个１００ｍ气象铁塔上１０、２５、５０、７５、１６０ｍ五层各１年的逐时温度、风速梯度资料，研究理查逊数（Ｒｉ）在沿海近地层大气稳定度分类中的应用。结果表明：目前常用的理查逊数稳定度分类标准不适用于沿海地区，根据沿海地区的实际资料，本文推荐了一种适用于沿海地区的Ｒｉ数稳定度分类标准。

广东沿海地区大气稳定度的分类方法探讨

利用广东大亚湾沿海1个80 m气象铁塔2003年1月—2004年12月离地面10 m和80 m的逐时风向、风速、温度梯度资料和1.5 m的相对湿度资料,用温度梯度、Ri数、风速比、温度梯度与风速4种不同判据把大气状态分成强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定6种不同稳定度,分析研究不同大气稳定度分类方法在沿海地区的适用性。研究表明,沿海地区以理查逊数(Ri)法对6类大气稳定度的区分能力最好,温度梯度和风速比法最差。