ADJUSTMENT OF WIND AND PRESSURE FIELDS IN THE BOUNDARY LAYER

The vertical transport of mass at the top of the boundary layer is considered as a link between theboundary layer and free atmosphere.The adjustment of the wind and pressure fields in the boundary layeris studied under the consideration of the interaction between the boundary layer and free atmosphere.Thevertical motion at the top of the boundary layer is evaluated.The results show that the distinguished differ-ences of the present results from classical Ekman layer do exist and they are discussed in the paper.     

正压边界层中的风压场相互调整

本文考虑正压边界层顶的垂直质量输送,将边界层与自由大气联系起来,研究这两层之间的风压场的相互作用所得到定常状态下的风压场,并算得了边界层顶的垂直速度。这些结果与经典Ekman边界层是有明显区别的。     

经典Ekman流,Ekman层的平衡风场及其扰动稳定性

本文首先利用变分方法,考察了边界层运动能量的变化,指出经典Ekman流是在不可压缩条件下,能量积分达最小值时的一种平衡运动。这对Ekman层运动的物理本质有了进一步的认识。其次,讨论了Ekman动量近似下的Ekman层的平衡风场特征,研究了该平衡风场附近扰动的稳定性问题,结果表明,在自由大气气压场不发生扰动条件下,Ekman层中存在一类新的与惯性不稳定相类似的动力不稳定,且其不稳定性可与Ekman抽吸相联系,还讨论了一般性条件下的扰动不稳定性问题。     

WIND DISTRIBUTION IN THE NONLINEAR PLANETARY BOUNDARY LAYER OF A CIRCULAR VORTEX

In the PBL of a circular vortex in which the gradient wind is a function of radius,the equations ofmotion are solved under the assumption of K=l~2|(?)V/(?)_z|.The distribution of the wind and someboundary layer parameters are obtained.The vertical velocity at the top of PBL is also computed andcompared with other studies.     

北京低层高空的风速分布

分析北京1954,1955两年气球测风的原始记录,根据500米高度上的风速,这些记录可以分作三类:大风,中风和弱风三种情形。中风情形的记录最多,因此根据中风情形记录所得到的平均风速分布较有代表性,本文对中风情形的实测风分布作了理论的研究。假定900米以下湍流系数 K 随高度改变,而且 K=(a-bz)~2;900米以上 K 为常数,则由湍流平均运动方程的确解所算得之风速分布几乎和实测者完全一致。最后,本文还讨论了所建议的根据实测风决定湍流系数 K 的方法,指出应用这种方法时所须注意之点。     

EFFECTS OF OROGRAPHY AND AIR FLOW IN EKMAN BOUNDARY LAYER

It is convenient to use σ-coordinates to discuss the dynamic effect of orography and the flow inEkman boundary layer.In this paper,the theory of mixing length is generalized to the σ-coordinate system.Then the governing equations,describing the motion in the boundary layer over the mountain regions arederived.The features of flow in the boundary layer,especially the effects of Ekman pumping,are discussed indetails.It is pointed out that there are three factors affecting the vertical motion at the top of the boun-dary layer:(1)vorticity distribution in the boundary layer,which is directly related to the divergence andconvergence of air flow caused by friction,(2)the upslope or downslope motion of flow over the mountainslopes,and(3)the mutual effect of orography and friction induced by the ageostrophic component climbing up-ward or downward in the boundary layer over mountain regions.     

地形与Ekman边界层中的气流

利用σ坐标讨论地形与边界层气流是有很多方便的地方,因为,在此坐标中,下边界条件较为简单.在本工作中,首先将混合长理论加以推广并将它用于σ坐标,于是导得了用以描述地形上空边界层气流的控制方程,对边界层气流的特征,特别是对于Ekman抽吸作用进行了详细分析.指出有三种因子影响边界层顶部的垂直运动,第一种因子是边界层内涡度分布,这是与边界层中由于摩擦作用所引起的辐合辐散有直接联系;第二种因子是由于边界层顶部的气流爬坡运动所引起的;第三种是由于边界层中跨越等压线的分量爬坡所引起的,它出现于当等压线与地形等高线相平行时,或地转风呈现绕流情况时,这一作用最为明显.     

非线性Ekman层的动力特征

本文研究了由于非线性平流作用所引起的对于Ekman层内风场及顶部垂直速度的影响。结果表明,非线性作用将减弱Charney与Eliassen所得出的垂直速度的强度,非线性的影响也是随着系统特征的改变而改变的。在本工作中,还将非线性解与地转动量假定下的解加以比较与分析。     

INFLUENCES OF NONSTATIONARY PROCESS ON INTERNAL PARAMETERS AND WIND PROFILES IN THE PLANETARY BOUNDARY LAYER

In this paper,under the assumption of neutral and barotropic atmosphere,by means of the analytic solutionof motion equation of PBL,the influences of nonstationary process on the internal parameters u_*/A(A isthe wind speed at the top of PBL)and ■(the angle between winds near the surface and at the top ofPBL)of PBL are investigated in which the wind direction at the top of PBL is a periodic function of timebut the wind speed at the top of PBL does not change.The u_*/A increases and ■ decreases when thewind direction at the top of PBL rotates anticlockwise and vice versa.Hence the parameterization of PBLin the large-scale models derived under the stationary condition should be corrected by accounting for thenonstationary process.The similar results are obtained in the numerical solution of the motion equation ofPBL.The influences of this nonstationary process on the profiles of the wind in PBL are also analyzed.     

Ekman边界层动力学的理论研究

大气边界层及其与自由大气之间的相互作用具有明显的非线性特征,而这些特征是经典Ekman理论所不能描述的,因此,发展中等复杂程度(介于完全模式与经典Ekman模型之间)的大气边界层动力学模式,简称中间模式,对人们从理论上认识大气边界层动力学过程的非线性特征具有重要意义。本文对目前最具代表性的几个中间边界层模型:地转动量近似边界层模型、Ekman动量近似边界层模型以及弱非线性边界层模型进行了总结和分析,阐述了Ekman层主要动力学特征。通过分析上述各模型的理论框架,揭示了各模型的物理意义及其在描述Ekman边界层基本动力特征上的优点和局限性,并指出尽管在细节定量描述上有差异,但各中间模型对Ekman层动力学特征的定性描述具有很好的一致性。对于这些Ekman边界层近似理论模型的进一步应用问题,主要回顾和总结了利用上述模型探讨地形边界层结构、大气锋生过程、低层锋面结构和环流以及边界层日变化、低空急流形成等动力学问题的研究,并对这些研究所揭示的Ekman层动力学特征及其对自由大气低层运动的影响进行了分析,结果表明,这些Ekman边界层近似模型可以较好地揭示大气边界层动力学特征,在大气边界层动力学及其与自由大气相互作用的研究上具有重要价值。另外,还对目前Ekman边界层理论研究中存在的问题进行了一些分析,提出了有待进一步研究的科学问题。     

变化涡动沾性系数的Ekman动量近似模式风场结构

在边界层动力学中，涡动粘性系数是影响边界层风场结构的一个重要参数。本文利用边界层动力学中的Ekman动量近似理论，给出了涡动粘性系数随高度缓变条件下的Ekman动量近似边界层模式解，着重讨论了边界层的风场结构、水平散度、垂直涡度以及边界层顶部的垂直速度。结果分析表明：与常值涡动粘性系数情况相比，在边界层低层随高度增加的涡动粘性系数可以导致低层边界层风速随高度迅速增加，即风速垂直切变增加，同时风速矢与地转风之间的夹角减小。惯性项作用可以导致上述作用在气旋性区域减小、而在反气旋性区域增大。随高度增加的涡动粘性系数导致水平散度绝对值、垂直涡度绝对值以及边界层顶部的垂直速度绝对值在气旋性区域减小，而在反气性旋区域增大。涡动粘性系数与惯性之间的非线性相互作用是边界层动力学中重要过程。     

PLANETARY BOUNDARY LAYER HEIGHT MEASURED BY A WIND PROFILER BASED ON THE WAVELET TRANSFORM

Planetary boundary layer height (PBLH) is an important input parameter for any boundary layer study or model, either climate or atmospheric. The variation of the PBLH is also of great significance to the physical processes of numerical prediction, diagnosis of weather forecasting and monitoring urban pollutants. However, effective ways to monitor the PBLH continuously are lack. Wind profilers are commonly used in monitoring PBLH continuously because of its high temporal and spatial resolution, coupled with capability of continuous detection. In this paper, the covariance wavelet transform (CWT) is used to analyze the range-corrected signal-to-noise ratio (SNR) of the wind profiler to determine the PBLH, which is then compared with the results measured by the gradient method and the radiosonde. The conclusions are as follows: (1) The scaling parameter a and translation parameter b of the wavelet are critical in determination of the PBLH by applying the CWT as different values may get completely different results, which requires to select appropriate values in the calculation carefully. (2) Quality control is crucial in determining the PBLH because good quality control can help remove mutation points, which makes the determined PBLH more consistent with the actual situation. (3) In clear-air, the gradient method is not applicable if the boundary layer turbulence is inhomogeneous and the impact of noise is large for that it is easy to be impacted by the mutation of SNR caused by the atmosphere turbulence instability and other factors, which will cause large errors, while the CWT method as an improvement of the gradient method can determine the PBLH quite well. (4) Through quality control, the PBLHs determined by the CWT are consistent with those of radiosonde, and the correlation coefficient between them is 0.87.     

STRUCTURE OF THE PLANETARY BOUNDARY LAYER OVER OASIS COLD ISLAND

The structures of temperature,horizontal wind,eddy coefficient and specific humidity over the oasiscold island have been studied by the steady-state numerical model of the planetary boundary layer (PBL).And the relationship between the oasis cold island and the stratification stability of the background fieldhas been analyzed.     

绿洲冷岛的行星边界层结构

本文利用行星边界层二维定常数值模式研究了绿洲冷岛的温度、水平风速、涡旋系数和比湿的结构。并且分析了背景场层结稳定度与冷岛的关系。     

行星边界层急流结构数值分析

利用行星边界层初值分析方法对行星边界层内急流结构进行数值分析。根据1979年6月10日20时华南地区的地面和850mb观测资料,计算得到边界层内各个层次的风场。计算结果与实况比较一致,并且清楚地显示出急流的细致结构。     

行星边界层内低涡的环流结构

本文研究了常见低涡在行星边界层内的环流结构,指出了在行星边界层内的摩擦作用下,较弱的低涡就可以导致明显的径向流动,产生从四周向低涡中心的辐合,使中心附近垂直运动达到中尺度垂直运动的量级.同时利用多参数摄动法对非定常轴对称减弱低涡进行了环流结构的演变分析.     

黑河地区行星边界层大气的气候分析

分析指出:气温和比湿的季节变化基本上呈峰谷相当波型;各月气温和比湿的直减率分别小于和略大于自由大气的直减率。整层各月为准无辐散和弱有旋的西北气流,风速的季节变化在近地层也呈谷峰相当波型,其振幅随高度迅速增强,但位相恰与温、湿波型相反。张掖单站分时次的月平均资料分析表明,风向、风速和层结稳定度都有明显的气候日变化;当考虑湿度层结时,夏季7月19时的平均层结是真潜不稳定,其余季节和时次仍为稳定层结。扩展域边界层月平均温、湿、风场的分析指出,黑河地区近地层在1、4、10月基本上位在平浅温度槽区,而7月却处在纬向水平温度梯度矢端;该区比湿7月相对最高,而其余各月很低;全域近地层流场仅7月稍复杂点,黑河试验区位于弱辐合流场中,其余月份黑河地区边界层平均基本上为平直西北气流所控制。     

稳定大气边界层中风向脉动的特征

本文对稳定大气边界层中风向脉动的特征进行了讨论。用美国波德大气观测台(BAO)气象塔上超声风速仪的观测资料,计算了三种不同稳定大气结构条件下垂直风向σ_w/U和横截风向σ_v/U随时间的变化。结果表明σ_w/U和σ_v/U随平均时间的变化分别与垂直风速和横向风速的能谱分布有关。σ_w/U和σ_w/U随平均时间变化的峰值与能谱峰值的时间尺度相当。 在重力内波的情况下,边界层大气中往往伴随有风向切变。由于稳定大气边界层的结构十分复杂,通常,风向脉动参数和Ri数及高度之间无简单规律。只有在一层逆温时,在风速和Ri数均随高度增加的情况下才有一定的简单关系。     

山地边界层中场变量的动力学研究

采用与实测较接近的二次函数来表达Ekman层中的湍流粘性系数K,在圆形气压场条件下,求得了山地上空边界层中的风速,进而求得散度、涡度和垂直速度等场变量随高度的分布。并作图分析了这些场变量的一些动力学特征。改进了以往在求解析解时,略去运动方程中湍流粘性力项中的关于高度的一阶导数项,以及取山坡面上风速为零作下边界条件等欠合理欠精确的做法。所求得的风速、散度、涡度和垂直速度均用简单的初等函数表示出来,有助于边界层参数化和深化对边界层动力学的认识。     

HEIFE区边界层某些结构特征

我们于１９９１年８，１０月，在ＨＥＩＦＥ实验区的三种下垫面（农田绿洲、戈壁、沙漠）上进行了边界层探测，分析结果表明，被大片戈壁或沙漠包围的绿洲在整个时次上２００－３００ｍ以下边界层内温度低于周围环境，湿度大于周围环境，绿洲“冷岛效应”明显，其影响高度可达２００ｍ。实验区的风具有明显的日变化特征。