边界层风廓线雷达对登陆台风观测适用性评估

利用2014—2019年6个台风合计34组数据,通过与机动式边界层风廓线雷达以及同点探空数据进行对比,分析风廓线雷达对登陆台风边界层结构诊断的适用性。初步分析表明：有30组数据完整度高于80%,且平均标准差为3.64 m·s-1,平均误差为4.67 m·s-1。30组数据中有19组数据的对比结果较好,均呈现风廓线雷达与探空廓线在250 m高度以上重合度较高、250 m高度以下重合度较低的特征,其原因可能与探空低层加速以及风廓线雷达低层受干扰有关。将250 m高度以下的数据剔除后和剔除前对比发现,数据质量得到提高。从空间分布看,低质量数据大多分布在台风中心距离观测点200 km及以外的区域,但较高质量数据相对于台风中心并无明显的倾向性分布。从降水分布看,未发现数据质量与降水关系明显。尽管使用的数据比较有限,但风廓线雷达在台风边界层结构观测中展现较好应用潜力。     

登陆台风启德近地层强风特性观测研究

根据Airda3000Q型边界层风廓线雷达获取的台风启德(1213)强风观测数据,分析了强风条件下的近地层风廓线特征,发现以下观测事实:台风中心经过前后风速呈现尖耸的"M"形双峰变化,台风眼壁强风区风速最大,台风眼区经过前后100m高度极大10min平均风速分别为35.7、35.4m/s,眼区经过时出现最小风速为16.2m/s;而风廓线幂指数α则呈现比较平缓的"M"形双峰变化,风廓线幂指数α出现极大值的时间比风速出现极大值的时间分别提前约1h和延后3.5h,台风眼区经过时风廓线幂指数α接近最小,甚至出现负值;台风影响期间,风的垂直变化主要发生在200m以下的低空,风的垂直变化率有波动,最大值出现在台风眼壁强风区和台风中心过境后的外围大风区。     

江苏沿海近地层强风风切变指数特征研究

利用江苏沿海5座测风塔长序列(连续42个月)、高时间分辨率(10 min一次)的梯度风、气温、气压等观测资料,分析不同地区、不同高度层的风切变指数变化规律,并筛选出对江苏产生较大影响的7次台风和17次寒潮天气过程,分析强风条件下的风切变指数变化特征。结果表明:(1)风切变指数随环境在0. 15～0. 26之间变化,风机有效风速段和15 m·s-1特征风速段的风切变指数分别平均为0. 20和0. 19,不同高度层之间风切变指数随高度增加而减少,随风速增大呈对数关系减少。(2)台风影响时垂直混合运动强烈,风切变指数变小,平均为0. 19。台风中心经过时的风切变指数和风速具有M型变化形态,最低为0. 05,加上风向剧变,易对风机叶片产生破坏。(3)寒潮影响时的风切变指数平均为0. 22,小于同期平均。风速倒置现象明显,在50～100 m之间风切变指数为负值的出现概率超过8%,50 m高度处容易出现近地层的最大风速层。     

登陆台风边界层风廓线特征的地基雷达观测

为了分析登陆台风边界层风廓线特征,利用2004—2013年中国东南沿海新一代多普勒天气雷达收集的17个登陆台风资料,采用飓风速度体积分析方法,反演登陆台风的边界层风场结构特征。与探空观测对比表明,利用雷达径向风场可以准确地反演登陆台风的边界层风场结构,其风速误差小于2 m/s,风向误差小于5°。所有登陆台风合成的边界层风廓线显示,在近地层(100 m)以上,边界层风廓线存在类似急流的最大切向风,其高度均在1 km以上,显著高于大西洋观测到的飓风边界层急流高度(低于1 km)。陆地边界层内低层入流强度也明显大于过去海上观测,这主要是由陆地上摩擦增大引起。越靠近台风中心,边界层风廓线离散度越大,其中,径向风廓线比全风速以及切向风廓线离散度更大。将风廓线相对台风移动方向分为4个象限,分析边界层风廓线非对称特征显示,台风移动前侧入流层明显高于移动后侧。最大切向风位于台风移动左后侧,而台风右后侧没有显著的急流特征,与过去理想模拟的海陆差异导致的台风非对称分布特征一致。     

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。     

登陆台风远距离暴雨的观测研究和预报

对１９８７￣１９９２年在汕头以北登陆的全部台风个例分析表明：登陆台风陆上活动类型和远距离暴雨特点与台风在近海的活动方式有关；登陆台风远距离暴雨的发生与台风登陆前后大气低层东南气流里是否存在中尺度暖区有关，落区与中尺度暖区在台风、副高系统中的相对位置有关，最后，建立了台风远距离暴雨预报的天气学模式。     

利用机场天气情报计算大气边界层下部垂直风切变的一种方法

本文介绍利用机场天气情报，考虑气层厚度、地转风速Vg、下垫面的性质、温度层结、平流性质和气层相对于地面的高度，根据下垫面高度上的地转风速、风向和850hPa高度上的地转风速、风向，给出了计算大气边界层下部垂直风切变的一种方法。并对该计算方法的误差进行了讨论。     

“黄蜂”边界层风速分析—— 台风平均风速的时距选取与强度估计

通过对热带风暴(TC)"黄蜂"登陆的一次边界层观测所得到风速资料的分析计算,取得不同时距下平均风速序列.比较不同时距选取时登陆TC的平均风速、风向和台风强度,发现1 min平均比10 min平均水平最大风速大25.30%,风向变化不大,TC强度指数1 min与10 min相差2%～4%.时距选取较小时,TC平均风速和强度变大,所测得风速区域也变大,而风向与时距的选取没有明显关系.只是在阵风变化比较大的情况下选取小的时距可以更好的表示这种特征.所以时距选取需要对所研究问题的需要进行分析,对不同的问题选取不同的时距以得到更好的结果.     

台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验I.对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场, 表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换, 并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气.对台风Dan的模拟个例表明, 由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同, 风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异.不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异, 与此相对应, 在不同边界层方案下, Eta方案模拟的台风强度偏大; 而Burk-Thompson和Blackadar方案略次之,在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱,体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响.     

基于旋翼无人机的大气边界层环境气象垂直观测及订正方法的研究

基于旋翼无人机开展大气边界层观测可为气象要素和大气污染物垂直结构的研究提供具有高时空解析能力的新方法,有助于深入理解低层大气物理化学变化机制。本文详述了旋翼无人机在开展大气边界层环境气象垂直观测实验的应用及优势。基于自主研发的旋翼无人机环境气象观测平台,通过开展传感器在无人机上不同的搭载位置,以及旋翼无人机与探空气球、高塔的对比观测实验,明确了旋翼无人机对气象环境观测的影响及合理的搭载方式。研究进一步在湖北重污染天气条件下开展了0—1000 m的大气边界层垂直观测,并研发了基于旋翼无人机姿态数据的大气边界层气象要素及污染物垂直观测的订正方法。结果表明:实验获取了2—10 m垂直分辨率的高质量大气廓线数据,可精细捕捉大气边界层及其逆温层高度和污染物浓度等要素的垂直变化特征。本文旨在为无人机观测的科研应用提供一种技术可行且数据可靠的观测手段。     

Dynamic Impact of the Vertical Shear of Gradient Wind on the Tropical Cyclone Boundary Layer Wind Field

This work studies the impact of the vertical shear of gradient wind （VSGW） in the free atmosphere on the tropical cyclone boundary layer （TCBL）. A new TCBL model is established, which relies on five- force balance including the pressure gradient force, Coriolis force, centrifugal force, turbulent friction, and inertial deviation force. This model is then employed to idealize tropical cyclones （TCs） produced by DeMaria＇s model, under different VSGW conditions （non-VSGW, positive VSGW, negative VSGW, and VSGW increase/decrease along the radial direction）. The results show that the free-atmosphere VSGW is particularly important to the intensity of TC. For negative VSGW, the total horizontal velocity in the TCBL is somewhat suppressed. However, with the maximum radial inflow displaced upward and outward, the radial velocity notably intensifies. Consequently, the convergence is enhanced throughout the TCBL, giving rise to a stronger vertical pumping at the TCBL top. In contrast, for positive VSGW, the radial inflow is significantly suppressed, even with divergent outflow in the middle-upper TCBL. For varying VSGW along the radial direction, the results indicate that the sign and value of VSGW is more important than its radial distribution, and the negative VSGW induces stronger convergence and Ekman pumping in the TCBL. which favors the formation and intensification of TC.     

天津塔层风切变的研究

根据天津气象铁塔１９９０－１９９２年冬季８个月的风速、风向、温度等资料的分析，得到了天津２５０ｍ以下边界层中风切变的若干特征，如风垂直分布幂次律中指数ｐ的时空变化及频数分布，各层各时段风切变的频数分布，风切变与温度梯度、稳定度的关系。这些特征有助于对城市下垫面塔层中风垂直分布的了解。还分析了冷锋过境前后风切变及温度状 的分布情况。     

彭州边界层铁塔风梯度特征研究

利用2018年10月~2020年12月彭州边界层铁塔的风速风向观测资料,分析了彭州地区近地面各季节平均风速日变化、盛行风向及污染系数特征,在此基础上,选取彭州大风天气个例,对按月分类法和风速区间法的反演结果进行了有效性验证。结果表明：除夏季10m高度盛行西风以外,其余三季各高度均盛行东北风,秋冬两季各高度东北风出现频率大于春夏两季,每个季节随着高度增加,东北风出现频率均逐渐增大,对应平均风速均逐渐增大。春夏季10m高度的最大污染系数在偏西方向,其他各高度最大污染系数均在东北方向,各层高度最小污染系数多在东南或偏南方向;秋冬季各高度污染系数均大于春夏季,最大均为东北方向,10~20m最小污染系数多在偏南或偏东南方向,60~90m最小污染系数为偏西北方向;彭州铁塔偏西和东北方向不宜布设污染源。两种风速反演方法均能对近地面风速进行较为有效的反演,风速区间法在大风区间的反演效果优于按月分类法。     

湖北省近地层风切变特征

为准确掌握湖北省平原湖区近地层风切变特征,利用27座离地高度为120～150m测风塔各1年的逐时测风数据,研究了70～120m间风切变的时空变化特征。结果表明:(1)风切变指数具有明显的季节、日变化特征,普遍在秋冬季最小、夏季较大,夜间大、白天小;(2)位于平原湖区和山区的测风塔在70～120m间的年平均风切变指数分别为0.27和0.12。各塔风切变指数从70m至150m逐渐减小;(3)6座典型测风塔70～120m风切变指数在较稳定状态下的频率最高,为59%～75%;在不稳定条件下的频率最低,均不超过5%;(4)当70m风速在3.0m/s以下、3.0～10.0m/s及10.0m/s以上3个区段时,风切变指数由小变大,在3.0～10.0m/s风速段与年平均风切变指数最接近,10.0m/s以上风切变指数离散性最强;(5)分别推算出实测和数值模拟的风切变指数,中部平原地区实测值明显高于模拟值,总体偏差范围是-0.06～0.14。该结论可用于近地层低风速地区不同高度的风速推算或订正,以提高这类地区风能资源评价、开发规划、风电场选址的科学性以及风电功率预测的准确性。     

基于探空风资料的大气边界层不同高度风速变化研究

利用1981—2014年我国资料齐全的93个高空气象观测站(距离雷达300、600、900 m高度)的探空风资料,按照气象地理区划,借助GIS分析了边界层内不同高度风速及其趋势的时空变化,得到以下结论:300～900 m,东北和华北地区累年平均风速较大,西南和西北地区累年平均风速较小;边界层内各高度同一地区平均风速的月变化趋势基本一致,但各地区季节风速变化不同,同一地区月平均风速的年较差随高度上升而增大;300 m.各地区年平均风速均显著减小:在600和900 m.华北、西北、华中地区年平均风速呈增加趋势,东北地区年平均风速呈减小趋势,但均未通过显著性水平检验;各高度年平均风速空间分布均为东北地区较大,尤其大兴安岭和东北平原地带;从沿海到内陆,由东至西风速逐渐减小;在300 m.全国年平均风速以减小趋势为主;在600 m,全国大部分地区年平均风速呈增加趋势,尤其是中部、西北和华东沿海地区;在900 m高度,全国年平均风速变化趋势呈现由边界向内部的包围态势,中心地区呈增加趋势,边界地区均呈减小趋势,但是通过显著性水平检验的地区不多。     

下垫面对郑州城市边界层风的影响

根据１９９３年１月和７月郑州市中心测点和南郊郑州气象观测站同步观测的地面和边界层气象资料,分析了郑州城市下垫面对边界层风的影响。结果表明,在地面气压梯度比较小且天气晴朗条件下,郑州存在城市热岛环流。受城市热岛环流影响,郊区地面风向指向市区;边界层８００ｍ以下,城市上空吹偏西风时同一高度上南郊风向偏于城市风向左侧,吹偏东风时同一高度上南郊风向偏于市区风向右侧;１２００ｍ以上,城市上空吹偏西风时,同一高度上南郊风向偏于城市风向右侧     

Numerical Study on Impact of the Boundary Layer Fluxes over Wetland on Sustention and Rainfall of Landfalling Tropical Cyclones

Numerical studies have been carried out to investigate the sustention and intensification of Typhoon Nina (7503), and the impacts of saturated wetland on the sustention and rainfall of tropical cyclone (TC) over land through sensitivity experiments, using the PSU/NCAR non-hydrostatic mesoscale model MM5v3 and its TC bogus scheme. The results show that the vertical transfer of fluxes in the boundary layer over saturated wetland has significant influence on the intensity, structure, and rainfall of a landfalling TC. The latent heating flux and the sensible heating flux are both favourable for TC sustaining and intensification on which the latent heating transfer is more favourable than the sensible heating transfer. They are also favourable for the maintenance of the spiral structure, and have an evident effect on the distribution of TC rainfall. The momentum flux weakens the TC vortex wind fields significantly, and is the dominant factor to dissipate and fill in a low pressure system, while it increases the local precipitation induced by a typhoon.     

在北京气象铁塔上测量城市边界层辐射的研究

测量边界层辐射对研究地气系统相互作用有重要意义,城市边界层辐射的变化影响着城市局地气候和环境.目前辐射测量仪器的精度不能满足城市大气边界层辐射分层测量的特殊要求.2004年10～12月,在北京325 m气象铁塔上的280 m和2 m高度上分别安装了长波辐射表和短波总辐射表,进行辐射测量.为提高辐射测量精度,采取多种方法,进行了较细致的误差分析和资料订正,使两层不同高度上仪器的一致性得到明显提高,计算订正了铁塔塔体发射的长波辐射对辐射测量的影响,取得了比较合理的结果.辐射观测资料分析表明,边界层内辐射通量密度随高度的变化是明显的,在不同环境条件下对边界层结构有着重要作用.     

The Role of Shear in the Morning Transition Boundary Layer

We use large-eddy simulation (LES) to better define the early stages of the morning transition boundary layer. Previous LES studies relating to the morning transition boundary layer focus on the role of the entraining convective boundary layer (CBL). By using a combination of different domain sizes and grid lengths, the full evolution from the stable boundary layer (SBL) to the CBL is modelled here. In the early stages of the morning transition the boundary layer is shown to be a combination of a shallow mixed layer capped by a significant shear driven stable boundary layer (the so-called mixed CBL–SBL state). The mixed CBL–SBL state is the key to understanding the sensitivity to shear. Turbulent kinetic energy budgets also indicate that it is shear driven. The negative flux from the mixed CBL–SBL state extends much further above the minimum than is typically found for the CBL later in the day, and the depth of penetration scales as w _m /N _i , where w _m is the combined friction and convective velocity scale and N _i the static stability at the inversion top.