北极斯瓦尔巴德地区近地层大气观测研究Ⅱ.湍流场特征

利用"中国科学探险协会2002年北极科学探险考察"期间在北极朗伊尔宾地区获得的大气风温微气象脉动资料,讨论了该地区近地层湍流能谱、湍流方差、感热通量、动量通量、温度结构参数以及动量整体输送系数等的分布规律,给出了这一极端环境区夏季近地层微气象场的基本结构,分析了北极地区极昼期间陆地下垫面地-气之间能量交换,丰富了人们对该地区近地层湍流输送过程的深入理解.     

北极斯瓦尔巴德地区近地层大气观测研究 I.平均场特征

利用“中国科学探险协会2002年北极科学探险考察”期间, 在斯瓦尔巴德地区政府所在地朗伊尔宾城架设的两个自动气象站记录的气象资料, 分析了该地区气象要素平均值的日变化, 给出了这一极端环境区夏季近地层气象要素的基本物理图像: 太阳辐射、大气温度、地表温度和大气湿度等气象要素的日变化都呈单峰分布; 地气温差因地而异, 不同下垫面类型大气能量的源汇不同; 局地环流多种多样, 冰川风、海陆风、山谷风相互叠加, 主导风向各地不一。     

北极斯瓦尔巴德地区近地层大气观测研究Ⅰ.平均场特征

利用"中国科学探险协会2002年北极科学探险考察"期间,在斯瓦尔巴德地区政府所在地朗伊尔宾城架设的两个自动气象站记录的气象资料,分析了该地区气象要素平均值的日变化,给出了这一极端环境区夏季近地层气象要素的基本物理图像:太阳辐射、大气温度、地表温度和大气湿度等气象要素的日变化都呈单峰分布;地气温差因地而异,不同下垫面类型大气能量的源汇不同;局地环流多种多样,冰川风、海陆风、山谷风相互叠加,主导风向各地不一.     

长白山近地层内湍流特征观测研究

通过分析2003年6、7、8月长白山阔叶红松林生态系统站点气象塔2.5m及40m两层每30 min间隔取得的近地层湍流通量观测资料,针对长白山湍流的统计特征量进行了研究,计算分析了各通量每月的日平均值极其变化特征。结果表明:感热、潜热通量随太阳升起逐渐增大,午后达到最大,然后降低;感热通量大于潜热通量占主导地位;动量通量白天大于晚上,最大值均出现在白天午后,夜间较小;湍流强度随高度的增加而明显下降;在日出前后有明显的变化。湍流通量和湍流动能昼夜变化明显。     

登陆台风近地层湍流特征观测分析

在对多个登陆台风实地观测的基础上,选取出较有代表性的实验观测个例:“黄蜂”、“杜鹃”和“黑格比”3个登陆台风,分析探讨在登陆台风的中心、靠近中心位置的强烈影响区域和台风外围环流影响地区近地层湍流特征,以期对登陆台风的边界层湍流过程有所认识。观测资料分析显示,在登陆台风的中心及其强烈影响的区域:(1)风速和湍流强度均有强烈的变化;(2)水平湍流积分尺度明显增大,越靠近中心位置,增大越明显,而垂直方向没有明显变化;(3)在湍流谱的低频和高频区,湍能均可增大1~2个量级,其中垂直方向湍能增大的幅度略小于水平方向;(4)湍谱在惯性子区u,v,w3个方向的分布均不满足-5/3次方律,存在较大偏移,而在台风外围环流影响区和无台风影响时,则无上述的4个特征。     

近地层大气湍流微结构对比分析

利用黑河资料分析了戈壁下垫面上的近地层湍流微结构,并与其他下垫面上的端流微结构进行比较。结果表明：黑河戈壁滩上的湍流微结构满足局地相似理论,且有不同于其他下垫面的湍流结构特征;横向湍强较强,大小与纵向湍强相当。对湍流进行多尺度分析发现,黑河地区湍流结构呈现明显的多尺度分布,湍涡尺度量级从１０＾－２到１０＾２不等; 相比于ｖ方向,ｕ方向上占主要地位的湍涡尺度较大,但是所占比例罗小;随着不稳定度增加,     

大气近地层湍流能谱特征的再分析

根据Kolmogorov局地均匀性湍流假设,大气近地层湍流能谱在惯性副区符合"-5/3律".但是作者通过翻阅大量文献以及实测资料分析发现,大气近地层湍流能谱符合"-5/3律"的频率范围比较狭窄,而用幂函数+指数函数形式"fS(f)∝F-ae-bf"拟合更恰当一些,这种能谱函数形式是连续时间混沌系统所特有的.利用HEIHE实验湍流观测资料分析结果表明,对于径向风分量,a＝0.447,b＝0.228;切向风分量:a＝0.489,b＝0.190;垂直风分量:a＝0.551,b＝0.124;温度:a＝0.588,b＝0.123.     

长江三角洲常熟地区近地层湍流特征的研究

利用1999年5－9月长江三角洲常熟地区的湍流脉动观测资料，分析了该地区感热，潜热和动量通量的日变化以及湍流强度和湍流谱特征，结果表明：该地区各能量的日变化与常见情况相同，白天潜热通量的输送占主导地位，感热通量比潜热小得多，且湍流的日变化与天气的关系非常密切，晴天比阴天要大得多。湍流强度和湍流谱的分析结果表明，在近中性条件下，常熟地区各方向湍流强度接近典型平坦下垫面的值。非中性条件下，垂直方向规一化标准差与稳定度的关系都较好地满足1／3次幂定律，水平方向没有垂直方向上的规律好，特别是稳定条件下，数据点分散性大；各风速分量变在高频段满足理论上的－2／3次幂定律，纵向和垂直方向速度谱的峰值频率与典型平坦下垫面上的结果一致，总体输送系数CD，CH与稳定度的关系密切，随稳定度增加有减小的趋势。     

大气近地层湍流能谱特重的再分析

根据Kolmogorov局地均匀性湍流假设，大气近地层湍流能谱在惯性副区符合“－5／3律”。但是作者通过翻阅大量文献以及实测资料分析发现，大气近地层湍流能谱符合“－5／3律”的频率范围比较狭窄，而用幂函数＋指数函数形式“fS(f)∝f^-ae^-bf”拟合更恰当一些，这种能谱函数形式是连续时间混沌系统所特有的。利用HEIHE实验湍流观测资料分析结果表明，对于径向风分量，a=0.447,b=0.228；切向风分量：a=0.489,b=0.190；垂直风分量：a=0.551,b=0.124；温度：a=0.588,b=0.123。     

HEIFE戈壁地区近地层大气的湍流结构和输送特征

根据黑河地区地气相互作用实验研究(HEIFE)1988年POP和1990年PIOP实验的观测资料,分析了戈壁地区近地层大气的湍流结构,主要是风速分量和温度方差的相似关系,以及各有关量的功率谱和湍流通量的协谱。1988年POP期间发现的戈壁近地层大气中白天经常出现的水汽由上而下输送等特殊现象,在1990年PIOP中得到进一步的验证。文中分析了有关物理机制,认为这一现象和众所周知的“绿洲效应”是戈壁-绿洲这一地区性中尺度环流影响的两个侧面。     

北京城郊近地层湍流实验观测

本文利用两台FA-11超声风速温度仪于1992年3月到４月间在北京325 m气象观测塔47 m和120 m两个高度观测到的风速三个正交分量以及声虚温的湍流脉动资料，计算和分析了北京城郊粗糙下垫面近地层湍流特征量及其日变化，无量纲垂直速度和声虚温的方差随稳定度的变化，风速分量和温度的归一化湍流能谱以及动量和热通量的互谱及其随稳定度的变化。并且与平坦均一下垫面近地层湍流观测的结果进行了对比。     

珠穆朗玛峰绒布河谷近地层大气湍流及能量输送特征分析

利用中国科学院2005年珠穆朗玛峰地区科学考察期间 (4月2日至6月7日) 收集的大气观测资料,分析了珠峰绒布河谷近地层水平风速、温度、湍流强度、湍流通量日变化及地表能量平衡特征。通过分析得出近地层三维风速方差与稳定度的关系基本满足1/3次方规律;珠峰绒布河谷近地层大气水平风速、温度、动量通量、感热通量和潜热通量均存在明显的日变化;地表获得的能量很大一部分以感热形式散失掉了,潜热所占比重很小。另外,还发现绒布河谷地区地表能量通量各分量并不满足能量平衡方程Rn=Hs+Le+G。通过对地面加热场的分析发现珠峰地表白天是强热源,晚上转变为弱冷源。     

华南农田下垫面地气交换和能量收支的观测研究

利用2004年11月至12月在广东省惠州地区进行的湍流连续观测资料,分析非均匀农田近地面层的基本气象要素特征以及水汽和CO2的浓度与通量输送规律,作为今后深入探讨地表非均匀性效应的基础.通过各辐射分量和感热、潜热与土壤热通量的特征分析,研究能量收支的基本状况,并讨论了造成显著能量"不平衡"的原因.观测的基本结果是:(1)近地面1.8 m高度处以北风为主,风速大多低于2 m/s,正午入射太阳辐射约700 W/m2;CO2浓度的日变化范围为600～900 mg/m3,水汽为5～25 g/m3.(2)各气象要素呈现明显的日变化,当地温度日较差约10℃,相对湿度始终高于50%.CO2和水汽的浓度在夜间较白天高,二者的日平均值为713.7 mg/m3和15.9 g/m3;利用涡旋相关法,测得二者的通量在白天高于夜间,日平均值为25.3 mg·m-2·s-1和-4.7×10-2mg·m-2·s.当地的日平均波文(Bowen)比仅为0.04,这主要是由于当地的高湿度造成的.(3)当地存在显著的能量"不平衡"现象,正午时的差额热通量可高达150 W/m2,这可能与平均垂直运动输送的作用、观测误差以及通量和辐射观测的"源地"不匹配等原因有关.研究结果与荒漠、城市和稻田下垫面的观测事实进行了定量比较.     

连云港沿海近地层湍流强度特征

在对连云港沿海15个各类气象观测站2000—2009年8级以上强风样本统计分析基础之上,利用6座沿海梯度测风塔2005—2007年测风资料,探讨了连云港沿海近地层风湍流强度的时空分布规律及特点,并重点对不同类型天气系统引起的强风湍流演变特征及其对风电场影响进行剖析。研究结果表明:①风湍流强度具有很强的季节性,冬季小、夏季大,随高度增加而减小;②海面动力粗糙度对海上强湍流变化的影响有别于无强风及下垫面是陆地时;③在热带气旋影响区域,同一时段内可能会出现风速和湍流强度瞬时骤变现象;④海上强湍流出现在30m以上高度,陆地出现在底层,这一现象在不同天气系统引起的强风湍流变化中都有发现;⑤风机轮毂高度处有2.1%～3.8%的湍流强度特征值超过目前风机最大抗湍流强度设计标准,建议华东中、北部沿海地区风机抗湍流强度参数调整为0.31～0.41。     

Analysis of Atmospheric Boundary Layer Height Characteristics over the Arctic Ocean Using the Aircraft and GPS Soundings

Utilizing aircraft sounding data collected from the Surface Heat Budget of the Arctic Ocean (SHEBA, 1998) campaign, the authors evaluated commonly-used profile methods for Arctic ABL height estimation by validating against the’true’ABL height from aircraft sounding profiles, where ABL height is defined as the top of the layer with significant turbulence. Furthermore, the best performing method was used to estimate ABL height from the one-year GPS soundings obtained during SHEBA (October 1997-October 1998). It was found that the temperature gradient method produces a reliable estimate of ABL height. Additionally, the authors determined optimal threshold values of temperature gradient for stable boundary layer (SBL) and convective boundary layer (CBL) to be 6.5 K/100 m and 1.0 K/100 m, respectively. The maximum ABL height during the year was 1150 m occurred in May. Median values of Arctic ABL height in May, June, July, and August were 400 m, 430 m, 180 m, and 320 m, respectively. Arctic ABL heights are clearly higher in the spring than in the summer.     

Western Arctic Cyclones and Equilibrium between the Atmospheric Boundary Layer and the Sea Surface

The data-collection campaign for the 2008 International Polar Year–Circumpolar Flaw Lead System Study saw the Canadian Coast Guard Ship (CCGS) Amundsen, a research icebreaker, overwinter in high-concentration unconsolidated sea ice in Amundsen Gulf. Environmental monitoring continued into the open-water season. During this period, the Amundsen registered five relatively deep mean sea-level pressure minima (less than 100?kPa). Three were selected for further analysis based on season and the nature of the underlying ocean or sea-ice surface: (1) a winter pressure minimum over unconsolidated sea ice, (2) a spring pressure minimum which likely contributed to the break-up of the sea-ice cover on Amundsen Gulf, and (3) a summer pressure minimum over open water. The characteristics of these pressure minima and the impact of their passage on the atmospheric boundary layer and on the sea-ice cover as they crossed Amundsen Gulf were examined. Several features were revealed by the analysis. (1) The winter and summer pressure minima were migratory cyclones accompanied by Arctic frontal waves with characteristics very similar to the polar frontal waves associated with the migratory cyclones found at more southerly latitudes, whereas the spring pressure minimum was attributed to an Arctic frontal trough of low pressure with the cyclonic centre remaining south of the Gulf. (2) The passage of the frontal-wave cyclone in winter and the frontal trough of low pressure in spring disrupted the equilibrium that had been established during more settled periods between the atmospheric boundary layer and the mosaic surface (leads, polynyas, and sea ice); however, equilibrium was quickly re-established. (3) In summer, the thermal structure of the lower atmospheric boundary layer persisted through the passage of the frontal-wave cyclone over the open-water surface. (4) The passage of the frontal-wave cyclone in winter and the frontal trough of low pressure in spring modified the mesoscale sea-icescape.     

云贵高原西部大理地区近地层湍流特征分析

利用大理国家气候观象台2007年3—12月观测资料,采用涡动相关法等计算方法分析了该地区湍流强度、湍流方差、湍流通量等特征量的日变化和干湿季变化特征。结果表明,湍流强度干季大于湿季;湍流方差与稳定度满足1／3次方定律,风速方差在稳定条件下比不稳定条件下离散,水平方向比垂直方向离散;湍流通量有明显日变化特征,感热、动量通量干季大于湿季,潜热通量湿季大于干季,干湿季热量交换以潜热为主;干季能量闭合率大于湿季;不同风向条件下平均水汽密度存在差异.     

夜间近地面稳定边界层湍流间歇与增温

在夜间晴空条件下，近地面大气湍流表现出很强的间歇性，这种间歇现象导致夜间气温短时的急剧下降，随后大幅度增温。近地面大幅度增温表明此时存在着很大的湍流热通量散度，常通量层的概念这时不存在。从各高度层温度和风速变化的曲线上分析，我们发现湍流大多在距离地面较高一点的高度上发生发展，然后向下层传递，尽管上层的湍流可能是由于下层的某一触发机制向上传递而引起的。湍流偶尔也出现自下向上传递的过程，但这一过程较少发生。湍流的这种上下传递说明稳定边界层大气经常处于非平衡状态，在运用相似理论研究稳定边界层大气结构时要特别注意这一情形。     

Turbulence Characteristics In The Surface Boundary Layer Over The South American Pampa

This paper presents results of turbulence measurementsmade in the south of Brazil in the Pampa region.Data collected at 1Hz are used to calculatestandard deviations of temperature and velocities. Onthe other hand data collected at 10Hz areused to study the behaviour of spectra and cospectraof turbulence in the surface layer. Dimensionless dissipation rates of turbulent kinetic energy and temperature variance are also presented. The frameworkof Monin–Obukhov Similarity theory is used and allresults are compared with other experimentalstudies.