基于“黑格比”和“灿都”台风期间湍流数据的曳力系数和动力粗糙度长度参数化研究*

海面的曳力系数和空气动力学粗糙度长度是计算海气动量、感热和水汽通量交换必需的参数。基于在“黑格比”和“灿都”台风期间收集的涡动相关系统观测数据, 文章研究了10m风速和摩擦速度之间、10m风速和曳力系数之间、以及10m风速和动力粗糙度长度之间的参数化关系。结果表明: 曳力系数和摩擦速度及10m风速之间存在抛物线关系, 动力粗糙度长度与摩擦速度及10m风速之间存在自然指数关系; 临界摩擦速度为0.83m·s^-1, 临界10m级风速为23.69m·s^-1。     

广州地区旱季一次典型灰霾过程的特征及成因分析

通过研究2009年11月广州市气溶胶颗粒物质量浓度(PM10、PM2.5、PM1)、黑碳浓度、散射系数(Scatter)等大气成分要素,以及微波辐射计、激光雷达及风廓线雷达所探测的风、温、湿等边界层结构,统计分析广州旱季一次典型灰霾过程(2009年11月23—29日)中气溶胶颗粒物及其光学特性的时空变化特征,并配合天气形势背景、边界层结构对其形成原因进行详细分析。在典型灰霾过程中,黑碳浓度高达58.7μg/m3,散射系数高达1 902.7 Mm-1,PM10浓度高达423.5μg/m3,PM2.5浓度高达355.7μg/m3,PM1浓度高达286.5μg/m3。通过对同期的气象条件分析表明在广州地区旱季,区域性污染过程,特别是灰霾天气的形成具有以下三种气象条件:大气边界层高度较低;高压变性出海的天气形势与之密切相关;在偏东和偏南气流带来的高湿度环境下,气溶胶吸湿增长效应显著,导致出现严重灰霾天气。     

Model 6000型前向散射能见度仪性能评估及数据订正

介绍了器测能见度测量仪器的分类与测量原理。通过对目前珠江三角洲布网观测的前向散射式能见度仪的原始信号进行分析,探讨影响能见度测量性能的主要因素。结果显示:发射能量与气温呈反相关,在数据处理中可以通过归一化处理去掉其影响;背景噪声的波动具有明显的日变化,主要受光辐射的影响,安装能见度仪时应注意方向和位置,尽量减少背景噪声,提高仪器信噪比。通过能见度仪测值和人工观测值的比较分析表明:两者的变化趋势基本一致;在能见度小于15 km时,量值比较吻合;在能见度大于15 km时,器测值明显大于人工观测值;利用统计方法对器测值作数据订正,能有效减少高能见度的测量误差。利用激光雷达反演能见度,将其反演值与能见度仪测值进行比较,表明两种探测方法具有较高的相关性。     

EVALUATION OF CORRECTIONS ON TURBULENT FLUXES OBTAINED BY EDDY COVARIANCE METHOD IN HIGH WINDS

This paper investigates processing of fast-response data and corrections of turbulent fluxes obtained by using eddy covariance method based on data collected at an offshore observation tower during three Cold-intrusion(CI)events in the South China Sea in 2010. This study presents the data processing procedure in detail and compares frictional velocities(u*), sensible heat fluxes(H) and latent heat fluxes(LE) yielded by using different averaging periods and different coordinate rotation methods; evaluates the sonic temperature correction for sensible heat flux and the Webb correction for latent heat flux as a function of 10 m wind speed(u10) during the CIs. The results show(1) that the different averaging periods of 30 min and 10 min cause biases of u*(H, LE) within 5%(15%, 62%). The values of u*(H,LE) averaged from 30 mins are mostly larger than those averaged from 10 mins. We suggest that the averaging period of 10 min is not sufficiently long to capture all scale eddies and recommend 30 min averaging period in calculating turbulent fluxes using eddy covariance method during CIs;(2) that the values of u*(H, LE) obtained from double rotation(DR2) and those obtained from planar fit rotation(PF) have good agreements and correlation coefficients between them are larger than 0.99. Because PF method requires unchanged environment and it is easier to apply DR2 method, we suggest DR2 coordinate rotation method in processing fast-response data; and(3) that the median values of frictional velocity(sensible heat flux and latent heat flux) binned according to 2 m s~(-1) intervals of u_(10) increase(decrease,increase) by less than 9%(4%, 10%) by Coriolis corrections(sonic temperature corrections, Webb corrections), which decreases(decreases, increases) with increasing u10 when u10 are 5-17 m s~(-1).     

MicrotopsⅡ型太阳光度计的使用、计算及定标

通过研究文献和在使用仪器过程中积累的一些经验,介绍MicrotopsⅡ型5通道手持式太阳光度计的特征、仪器使用前的参数设置、使用中应该注意的问题以及大气气溶胶光学厚度(AOD)的计算原理和仪器定标方法,以便为仪器的使用者提供借鉴。对广州热带海洋气象研究所2004年9月19日在国家南岭森林公园的一次对比试验观测数据进行分析,结果显示,两台仪器大气气溶胶光学厚度值非常接近,500 nm通道的AOD值相差小于0.01,说明两台仪器的厂家定标常数仍然适用。     

都市霾与雾的区分及粤港澳的灰霾天气观测预报预警标准

都市霾与雾的区分是迫切需要解决的问题。霾的出现有重要的空气质量指示意义,而雾的记录,有明确的天气指示意义。通常在平面时已达到饱和的水汽压,对相当于球面的云雾滴来讲就是未饱和的,云雾滴就会蒸发;在水汽条件不变时,云雾滴由于蒸发而变小,导致它的平衡水汽压升高,就更易蒸发掉。在不饱和大气中小于数μm的云雾滴必然蒸发,而且伴随着蒸发云雾滴尺度会进一步变小,导致曲率越来越大,蒸发速率越来越快。过去错误认为凝结核可以在低相对湿度(RH)情况下产生凝结生成雾滴的观点,是忽视了粒子曲率作用的结果,将实验室大颗粒(常常达mm量级)的吸湿性特征,延用至次μm粒子造成的。降温是达到饱和形成雾滴的重要物理过程,云雾是低温下饱和气块的可见标志。在云雾中必然存在凝结或凝华过程,因而必然伴随着潜热释放,这就使云雾内的温度高于环境,在云雾内必然盛行微弱的上升气流,不可能是下沉气流,这些宏观过程在霾层内是不存在的,因而成为识别雾与霾的重要的宏观动力条件。在对历史资料进行统计时,在排除降水、吹雪、雪暴、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕等视程障碍现象的情况下,通过调试RH,使雾与轻雾反映自然的年际与年代际气候波动,而霾反映由于人类活动而引起的趋势性变化,其限值大体在90%左右,与美国和英国在讨论霾影响能见度(vis)的长期变化趋势中使用的限值RH<90%相同。20世纪80年代以来大幅增加的霾日,绝大部分是由于人类活动影响的气溶胶细粒子污染造成的。依据上述结果和以前的研究,给出了霾与雾区分的概念模型、霾与雾观测的标准和灰霾天气预警信号发布的标准,并介绍了相关的业务产品。     

南岭大瑶山高速公路浓雾的宏微观结构与能见度研究

南岭山地地处南亚热带湿润型季风气候区,每年9月至次年5月有华南准静止锋活动时均会有浓雾发生,每月浓雾日可高达15—18 d,尤其是中国目前最长的京珠高速公路通过南岭主脉大瑶山的乐昌—乳源段,路面海拔高度从200 m增至800多米,山地的抬升使雾害更加严重。在南岭大瑶山高速公路开展的两次多学科综合野外观测,内容包括目测能见度、器测能见度、雾滴谱、雾含水量、系留探空、双参数低空探空、雾层湍流扩散、气溶胶粒子谱、气溶胶成分谱、雾水样品成分、雨水样品成分。对典型个例进行了天气学分析,雾的宏观结构特征分析,雾的微物理特征分析。认识到南岭山地浓雾发生频率高,雾害十分严重,是典型的平流雾和上坡雾,实质上是出现在相对较高海拔高度上的低云,与华南锋面活动尤其是华南准静止峰的活动密切相关,局地地形的作用也非常重要。其特点是浓雾持续时间长、能见度极其恶劣、团块结构明显、雾滴尺度大、浓度不高、含水量较大、雾层内的湍流扩散能力比晴空区强,与中国过去研究较多的辐射雾差别较大。发现雾含水量与能见度呈明显的反相关关系,含水量较大时能见度较小;南岭山地雾含水量等微结构特征量的起伏变化,除与雾体本身的结构不均匀有关外,一个重要的原因是平流因素的影响,南岭山地下垫面的不均匀性,雾体随环境风的平移过程中,不规则的爬坡、翻越山坡的运动是造成雾体结构不均匀、振荡起伏变化的另一个重要原因。该地气溶胶粒子谱是呈单调下降的幂函数谱,次微米粒子浓度甚高,南岭山地气溶胶中含有高浓度的硫酸盐粒子,是优质凝结核,有利于雾的形成。雾的存在可以清除大气中的微量成分,雾滴可以包含浓度很高的污染物成分。同时,较之云滴而言,雾滴也很容易被地表物体(如植被、建筑物等)的垂直表面所截获,构成另一类清除过程。在南岭这样的大面积森林地区,这类清除过程可能是很重要的。研究本地区雾的特征变化,对建立本地区雾的预警预报系统有很大的现实意义,并为开展消雾试验提供了基本资料。     

Macro-and Micro-Structures of Heavy Fogs and Visibility in the Dayaoshan Expressway

Belonging to the southern subtropical moist type of monsoon climate,the Nanling mountainous area experiences heavy fogs whenever quasi-stationary fronts appear there from September to May.There can be as many as 15-18 days of heavy fogs per month.Fogs have more serious consequences in the Lechang-Ruyuan section of the Beijing-Zhuhai Expressway(the longest expressway in China)that passes through the main part of the Nanling Mts.,where the road rises from 200m to more than 800m above sea level(ASL).For a major motorway in the mountainous areas of Nanling Mts.,two multidisciplinary integrated field observations were carried out,which measured visibility by the naked eyes,visibility by instrument,spectrum of fog- drops,liquid water content(LWC)of fog,tethered sounding,dual-parameter low-level sounding,turbulence diffusion within fog layers,aerosol spectra of size and composition,sampled fog water compositions,and sampled rainwater compositions.Typical cases were probed for their analyses of synoptics,micro- and macro-structures and microphysics.It is understood that heavy fogs take place with high frequency in the area and bring about serious consequences.Being typical advection and upslope fogs,they are in essence low-lying clouds appearing at high altitudes,which are closely related with the activity of South China frontal processes,especially the South China quasi-stationary fronts,and reflect on the role of local terrain as well.The heavy fogs are characteristic of long duration,extremely low visibility,well-organized lump- shaped structure,large-size fog-drops,moderate concentration,high LWC,and stronger turbulent diffusion within the fog layers than in fine sky.They differ much from radiation fogs,which are better documented in previous study in China.It is found that fog LWC is in significant anti-correlation with visibility so that large LWC is associated with small visual range.It is also noted that one of the reasons for the fluctuation of characteristic quantities of micro-structure such as the LWC of fog in the area is,in addition to the inhomogeneous structure of the fog itself,the effect of advection and inhomogeneous underlying surface; during the translation of fog with the ambient wind,irregular upslope and cross-over movement is another reason for the inhomogeneous structure and fluctuation of fog.The spectrum of the aerosol size displays itself as the power function of monotonous descent.The concentration of submicrometer particles is even higher.The high-concentration sulfate particles found in the aerosols of Nanling Mts.are actually good nuclei for condensation,which are favorable for the formation of fog.The presence of fog can help cleanse the trace compositions in the atmosphere so that fog droplets contain high levels of polluting elements.In the meantime,compared to cloud droplets,fog droplets are easier to be captured by the vertical surfaces of objects on the land surface,such as vegetation and buildings to constitute another kird of cleansing process. In vast stretches of forest like the Nanling Mts.,this kind of cleansing may be quite important.Studying the characteristic variation of fogs in the area realistically assists in setting up a forecast and warning system for local fogs and provides basic information for fog dispersal experiments.     

珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降问题研究

大气气溶胶的气候效应和环境效应研究是当今国际科技界的热门话题。近年来珠江三角洲地区的气溶胶污染日趋严重,一年四季长期稳定存在气溶胶云,重污染区偏于珠江口以西的珠江三角洲西侧。灰霾天气主要出现在10月至次年4月。大气灰霾导致能见度恶化。自20世纪80年代初开始,该地区的能见度急剧恶化,灰霾天气显著增加,其中有3次大的波动,分别代表与珠江三角洲经济发展相伴随的气溶胶污染、硫酸盐加气溶胶污染、光化学过程的细粒子加硫酸盐加气溶胶的复合污染时期。雾和轻雾造成的低能见度的长期变化趋势,没有由于人类活动影响或经济发展影响带来的趋势性变化,其波动主要反映了气候波动固有的年际和年代际变化。珠江三角洲能见度的恶化主要与细粒子关系比较大,PM10有一半月均值超过国家二级标准的日均值浓度限值(150μg/m3),而PM2.5月均值全部超过美国国家标准的日均值浓度限值(65μg/m3),尤其是10月至次年1月的月均值浓度几乎超过标准限值的1倍,细粒子浓度甚高。另外PM2.5占PM10的比重非常高(58%—77%),尤其是旱季比雨季更高。与15a前的资料相比较,细粒子在气溶胶中的比重有明显增加,因而在目前珠江三角洲的气溶胶污染中,主要是细粒子的污染。     

广州番禺地区草地陆气相互作用观测研究

介绍了2004年在广州番禺进行的陆气相互作用观测试验。观测研究表明:新型的超声风温仪虽然带有雨滴防护沙网, 但雨滴对超声观测的误差影响显著, 尤其是对u, w方向。雨天情况下与z/L相关系数很低, 湍流强度与稳定度不存在1/3次方关系。涡动相关法和能量平衡法计算的感热通量及潜热通量比较接近, 感热、潜热通量相关系数分别达到0.8699和0.8633, 两种方法带来的误差主要发生在近地层稳定度发生明显变化的时刻, 即在午间热通量的峰值或傍晚或晚间热通量的低值, 其中能量平衡法计算的感热、潜热普遍具有较大的正负峰值。涡动相关法计算的Q_h+Q_e普遍偏小, 与可用能量R_n-Q_g多数情况下存在能量不平衡, 说明了忽略热存储项的地表能量平衡方程的局限性。番禺夏、秋季近地层各能量具有与太阳辐射相似的日变化特征, 但夏季的潜热大于感热, 而秋季则相反。近地面二氧化碳从5—8月是一个减低过程, 尔后上升到12月份浓度最高, 总体浓度值在350×10-6~400×10-6之间变化。