北京地区一次强沙尘暴过程的大气边界层结构和湍流通量输送特征

利用中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的风速和温度平均场观测资料和湍流资料,以及北京市气象台地面常规气象资料和逐日08:00和20:00(北京时间)的探空资料,分析了2002年3月18～22日沙尘暴过境前后北京城市边界层结构特征和湍流输送特征,结果表明:1)在沙尘暴爆发前,边界层中水平风速一直较小;气温较高,大气层结稳定,在边界层上部有强大的逆温层.随着冷锋过境,沙尘暴爆发,边界层中水平风速和平均湍流速度急剧增强;温度也突然变化,先迅速增强后又持续下降,逆温层迅速被破坏.2)沙尘暴初期,280 m上为系统性上升气流,而47和120 m则为系统性的下沉气流.随着沙尘暴爆发,湍流动能、向下传输的动量以及向上传输的感热也迅速增大,并且120 m高度的湍能、动量通量以及感热通量明显高于47和280 m,这与北京的局地环流有关.3)本次沙尘暴过程中,120和47 m层的摩擦速度都明显超过了北京的临界摩擦速度,表明局地起沙也是本次沙尘暴过程中北京沙尘的一个重要沙源.     

北京地区一次典型大雾天气过程的边界层特征分析

利用中国科学院大气物理研究所325 m铁塔15层风、温、湿梯度观测资料和3层超声资料,对2002年12月1~4日发生在北京地区的持续大雾天气过程进行近地面层大气边界层特征分析。结果表明,近地面大气边界层较大的相对湿度(70%)、较小的风速(3.0 m.s-1)和风速垂直切变(0.02 s-1)、稳定的层结结构以及较低的气温是北京持续大雾天气形成的主要原因。冷空气的侵入使得边界层相对湿度迅速减小,风速和风速垂直切变增大,破坏近地面大气边界层的结构,导致大雾的消散。分析还发现,大雾的维持与消散主要受风场等动力因素的影响,热力层结是大雾维持和消散的必要条件。冷空气的侵入自上而下影响平均风场,而对湍流风场的影响则是自下而上的。尺度分析结果表明,大雾期间,近地面边界层内中尺度动量通量和感热通量都大于湍流尺度的,中尺度动量通量与平均风速基本呈反相关;冷空气的侵入使得湍流通量显著加强,是导致大雾天气消失的主要原因。     

2010年春季北京地区强沙尘暴过程的微气象学特征

利用北京大学校园地区PM10质量浓度观测资料、中国科学院大气物理研究所325m气象塔气象要素梯度和湍流观测资料,分析了北京地区2010年3月20～22日两次强沙尘暴过程微气象学要素和沙尘参量的时空演变以及湍流输送特征,为理解北京地区强沙尘暴天气沙尘输送规律和微气象学特征提供参考。结果表明:3月20～22日强沙尘暴过程前后不同高度温度先升后降,气压和相对湿度则相反。强沙尘暴来临时,高层风速先迅速增大,低层风速增加略有滞后,风切变明显加强,PM10浓度最大值和风速极大值出现时间较吻合。强沙尘暴过境时,不同高度向下的湍流动量输送、向上的湍流热量输送和湍流动能明显加强。与3月21日非沙尘暴日相比,强沙尘暴过程湍流动量通量增加,有利于沙尘粒子的水平和垂直输送过程;由于冷锋过境,水平热通量增大;垂直热通量因白天温度垂直梯度减小而减小,夜间因逆温层被破坏而增加;水平湍流动能对湍流动能占主要贡献,垂直湍流动能仅占水平湍流动能的10%～25%。     

城市近地层湍流通量及CO2通量变化特征

利用北京325m气象塔47m高度上2006年全年连续观测获得的湍流资料,分析了北京城市近地层动量通量、感热通量、潜热通量和CO2通量的典型日变化、月平均日变化和季节变化特征。分析结果显示:动量通量具有明显的单波峰日变化特征,在15时(北京时间)左右达到最大,季节变化中春季最大,冬季次之,夏、秋季最小;感热通量和潜热通量全年变化范围分别为-92～389W.m-2和-75～376W.m-2,其日变化也表现为单波峰特征。感热通量的日变化受城市下垫面和人为热源影响,入夜后虽然降为负值,但只略小于0。阴雨天感热通量和潜热通量均很小,降雨前后有明显区别。感热和潜热最大值分别在春季3月和夏季6月,最小值都在冬季1月;城市下垫面CO2通量总表现为正值,即净排放,最大值为3.88mg.m-2.s-1,不稳定情况下最小值小于-2mg.m-2.s-1。受到人类活动的影响,CO2通量的日变化特征在工作日与周末有明显区别;由于冬季采暖,CO2通量明显大于夏季;在夜间,CO2通量受进城车辆的影响也出现高值。     

一次强沙尘暴过程中尺度平均动能变率诊断

利用MM5中尺度气象模式嵌套数值模拟的输出结果,计算并分析了一次强沙尘暴天气过程的中尺度动能收支,揭示了沙尘暴过程中的起沙、扬沙和输送的能量来源以及随高度的分布和演变过程。结果表明：(1)沙尘暴天气期间中尺度能量过程活跃;(2)沙尘暴过程因消耗局地动能而启动和发展,能量来源在于高空的动能转化;(3)沙尘暴天气过程中,非地转运动造成的气流穿越等压线运动是沙尘暴能量平衡过程中次重要的能汇项;(4)水平通量散度项为沙尘暴天气过程中主要的中尺度能汇;(5)垂直通量散度项为沙尘暴天气过程中的能源项。随着系统的演变,能源中心从高层向中层转移,直至后期的高层出现能汇;(6)摩擦消耗和次网格尺度效应以及计算误差R在沙尘暴天气过程中总体表现为能源项。     

沙尘天气过程沙地下垫面沙尘通量的获取与分析研究

利用浑善达克沙地地区2004年春季沙尘暴和微气象学加强观测实验资料,计算了浑善达克沙地地区不同沙尘天气条件下湍流交换系数、湍流动量通量和感热通量、沙尘浓度通量;研究了沙尘暴过程中湍流作用、沙尘输送特征及起沙条件。结果显示:浑善达克沙地地区非沙尘天气白天近地层热力湍流作用强于动力湍流,湍流交换以感热交换为主;沙尘天气过程中,近地面层湍流动力作用明显增加,湍流动量和感热交换都对湍流输送有主要贡献,感热通量数值有不同程度的降低。较强沙尘暴天气过程中动力湍流强于热力湍流。随着沙尘天气经历起沙、平衡、沉降的演变过程,沙尘通量数值呈现由正值为主,过渡到向上和向下数值相当、向下数值比例增加。非沙尘天气、扬沙天气和沙尘暴天气过程的沙尘通量值范围分别是±5μg/(m2.s)、±30μg/(m2.s)和-200—300μg/(m2.s)之间。浑善达克沙地地区,非沙尘天气也存在一定量的沙尘输送,但数值较小。浑善达克沙地地区沙尘通量与摩擦速度的三次方成正比,为F=Cu3*。临界起沙风速和临界摩擦速度分别约为6m/s和0.4m/s。     

京津冀地区一次强沙尘天气过程的成因及特征

利用常规污染物监测资料、卫星资料和再分析资料等,对京津冀地区在2017年春季遭遇的一次强沙尘天气过程进行分析。结果表明,此次过程是由地面冷锋过境,高空槽后冷空气持续补充引起,沙源地主要位于巴丹吉林、腾格里沙漠,随后以西北路径输送至京津冀地区。前期沙源地感热通量迅速增大,与中低层冷平流叠加,导致不稳定层结增强,助于起沙;高空强风速带加强并向下延伸,中低层次级环流发展,不但使沙尘传输并下降至地面,而且使高层高动量和高位涡冷空气下传,促进低空急流形成、低层系统发展,使大风及沙尘天气维持;沙尘过境时,地面至4 km高度存在沙尘型气溶胶,PM_(2.5)和PM_(10)浓度变化趋势较一致并达到重度污染水平,且气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)与空气质量指数(Air Quality Index,AQI)具有较好的时空匹配关系,重污染时段AOD值大于1,污染减弱时AOD值降至0.6以下。     

北京地区一次特大强风过程边界层结构的研究

利用北京325 m气象塔资料对1993年4月9日北京地区出现的一次特大强风过程的边界层结构（风、温、风切变及阵风特征）进行了分析。随着该次大风的过境，边界层内风场出现数个风速高值中心，高度位于200～300 m，时间间隔1～3 h。伴随上层风速垂直切变和阵风特性。湍流能谱的计算结果表明了大尺度涡旋对边界层湍流微结构的影响。     

一次强降水天气过程的中尺度分析

利用每小时增强显示红外云图，云顶黑体温度（ＴＢＢ）和常规气象资料，分析了１９９３年８月３－６日华北原及西北地区东部一次暴雨－大暴雨过程，揭示了产生大暴雨的中α尺度过流系统的发生发展，讨论了环境场条件及天气尺度系统间的相互作用对暴雨云团的重要性，并用物理量诊断探讨雨团形的物理机制。     

北京地区一次PM2.5重污染过程的边界层特征分析

利用北京市环境保护监测中心和美国大使馆的细颗粒物（PM2.5）逐时监测数据,中国科学院大气物理研究所325 m气象梯度塔资料以及实况天气图和探空资料,对2015年11月27日至12月1日北京的PM2.5重污染过程的边界层特征进行了分析。研究发现:这次重污染过程持续时间长、强度大,其中PM2.5浓度超过75 μg/m3的时次共计126 h,超过150 μg/m3共计116 h,小时最高PM2.5浓度为522 μg/m3。在高低空环流场配置的影响下,近地面静风和多层逆温结构抑制了污染物在水平和垂直方向上的输送,加上边界层内的深厚湿层,使得其中气溶胶不断吸湿增长,高PM2.5浓度得以维持。在重污染期间,湍流动能较低,不利于污染物的水平和垂直扩散。垂直方向的湍流动能一直占水平方向的15%~20%左右,水平湍流动能占主要贡献。摩擦速度与湍流动能呈现出相似的变化趋势,不同高度之间的摩擦速度差别不大。超出前后时次一个数量级的湍流强度尖峰的出现是湍流场发生调整的一个信号,是PM2.5浓度发生剧烈转变的前兆,预示着污染状况更加糟糕。重污染过程中感热通量的输送方向为从地面向大气输送,感热通量和潜热通量都大幅减少,并且表现出明显的日变化特征。对湍流功率谱计算和分析表明,在重污染过程期间,时间尺度为5 min至6 h的中尺度过程对从地面到大气方向的动量和热量通量输送做出了重要贡献。     

北京地区沙尘天气的某些特征分析

利用近几年来气象卫星对沙尘天气的监测结果,分析了影响北京地区沙尘天气的一些特征,得到以下结果:(1)影响北京地区沙尘的源地可分为3类:第1类沙尘起源于蒙古国南部地区,第2类沙尘起源于我国内蒙古地区,第3类沙尘起源于北京本地.(2)影响北京地区的沙尘路径大致有3条:第1条路径,蒙古国南部-内蒙古浑善达克沙地-河北省西北部-北京地区;第2条路径,蒙古国南部-内蒙古朱日和一带-河北省西部-北京地区;第3条路径,山西高原-河北-北京地区.(3)沙尘在移动过程中,强度是不断变化的.(4)大气环流是制约沙尘天气的直接原因.     

北京2004年一次强沙尘暴过程的辐射特征研究

利用2004年3月27～29 日北京沙尘暴期间观测的辐射、气象以及气溶胶质量浓度的资料,分析了该过程的地面辐射、气象要素以及气溶胶与辐射相互作用的变化特征.结果表明,沙尘暴期间紫外辐射的衰减与可见光辐射强度衰减规律不一致.紫外衰减主要受到细粒子浓度影响,同时紫外辐射占总辐射的比重与气溶胶中细粒子含量成负相关;而可见光辐射强度衰减与总辐射衰减同步.辐射变化和气溶胶质量浓度观测结果均表明,此次沙尘暴过程分为3个阶段,即,细粒子累积期、外地沙尘输入期和清除期.在沙尘暴期间地面一直维持一个低压、干冷的状态;当过程结束后,气压急剧增高,并在一段时间内处于高压控制之下.     

北京春季沙尘暴的近地面特征

分析了 2 0 0 0年 4月 6日沙尘暴期间北京近地层气象要素的变化和沙尘期间土壤尘谱分布及其来源。结果表明 ,沙尘暴发生时 ,近地层风速明显增大 ,空气相对湿度迅速减少 ,边界层湍流交换强烈。沙尘暴期间土壤尘浓度高达 390 6 μg·m-3 ,是1 999年春季非沙尘期间土壤尘浓度的 4 0倍以上。其中粗粒子占了大部分 ,粒径大于1 6 μm、8μm和 2 μm的土壤尘浓度分别占总土壤尘浓度的 6 7%、78%和 94 %之高。沙尘暴过后 ,粗粒子的浓度和所占总浓度比重明显下降 ,但仍大大高于非沙尘期间。后向轨迹分析结果表明 ,此次沙尘暴主要来源于蒙古和内蒙古地区 ,并在强烈的西北气流的推动下经过高空长距离输送到达北京。     

强沙尘暴微气象特征和局地触发机制

强沙尘暴是干旱地区一种破坏性极大的灾害性天气现象。本文分析了1993年5月5日强沙尘暴的微气象特征和各辐射分量特征。并结合这次强沙尘暴大、中尺度过程特征，分析了强沙尘暴和干飑线的形成和发展机制，干飑线发展具有一种沙尘造成的辐射冷却正反馈机制和局地不稳定大气的触发机制。进而根据这些事实建立一个干飑线发展的物理模型。     

河西走廊一次夏季强沙尘暴的影响系统分析

使用NCEP再分析资料以及高空、地面观测资料和张掖CINRAD-CC天气雷达观测数据对2008年6月13日发生在河西走廊中部的一次强沙尘暴天气进行了连续监测和分析.结果表明:高空冷空气快速东移叠加到地面热低压之上形成对流不稳定,使得中尺度对流系统快速发展;T-LnP图上500～540 hPa干暖盖有利于对流层低层不稳定能量的存储和积累,干暖盖是强对流天气发生的重要征兆;沙尘暴发生前对流系统先从低层发展,然后迅速向中层发展;沙尘暴发生后中低层雷达回波减弱;中层回波开始增强,并向下发展,降水增大后,沙尘暴减弱消失;沙尘暴发生在紧邻强回波前面弱回波区域内;地面观测沙尘暴发生、发展、消亡时间与逆风区生消演变密切相关,沙尘天气发生在逆风区范围内,强沙尘暴天气发生在逆风区外层风速大值区的强辐合上升气流中.     

2006年两次影响北京的沙尘天气对比分析

利用卫星、再分析(NECP)、地面观测等多种资料,针对2006年3和4月影响北京的两次沙尘天气过程,就天气过程形势、云系演变以及沙尘传播和沉降进行分析.前者对北京上空的沙尘天气一扫而过,后者对北京的影响则是遍地黄沙.对比分析表明:1)强沙尘天气过程是蒙古气旋所引起的,沙尘天气起源于中蒙边境、内蒙古西部,在河套地区北部鄂尔多斯高原以及浑善达克沙地得到加强,并随着高空西北风将沙尘输送到华北、渤海、黄海北部一带.卫星遥感监测技术不仅可以有效地监测到沙尘天气的发展演变过程,也能有效地监测到沙尘的覆盖范围和沉降区;2)导致4月16～17日华北东部严重沙尘沉降现象的原因是地面冷锋静止于华北中部地区,距地面1 km以上的浮尘层稳定覆盖华北东部和渤海等广大区域的主要原因,是边界层中尺度涡旋对低空冷锋的阻挡作用;冷锋云系在东移发展过程中,受到日本海上空涡旋云系的顶推阻碍,其结构发生变型瓦解.     

大气模式差异对沙尘暴模拟结果的影响分析

使用中国科学院大气物理研究所的沙尘模式和澳大利亚新南威尔士大学的沙尘模式对2002年和2003年的几个沙尘暴个例进行模拟研究,发现在模拟东亚沙尘暴中存在谮的一些差异.作者比较了模拟的沙尘通量和沙尘浓度的日变化差异,以及这种差异与摩擦速度之间的关系,并用500 hPa和850hPa的模拟风速与摩擦速度作了比较.通过分析,作者认为大气模式中的边界层模式差异对沙尘暴中沙尘浓度的模拟能产生较大影响.     

1998年4月14～15日强沙尘暴过程分析

利用卫星云图，数值预报产品以及常规气象资料对1998年4月14－15日发生在我国西部地区的沙尘暴天气进行了分析，指出本次过程发生在大气环流形势调整过程中，是由斜压槽及冷锋触发的。也重点分析了两个强沙尘暴中心的成因，发现第一个强沙尘暴区是由加强的冷锋云带造成的，而第二个强沙尘暴区是由三条云带共同作用造成的。强沙尘暴区位于高空急流出口区右侧、500hPa正涡度中心下风方和次级反环流的上升区内，并用动力气象学原理做了初步讨论，为预报沙尘暴提供了新的依据。