大气边界层

摘要： 采用北京市国家大气探测试验基地2017年5月1日至2019年8月31日的微波辐射计观测结果,通过位温气块法反演了该地区的大气边界层高度,统计其日变化和月际变化特征,并与相应的探空反演结果进行对比。结果表明:日间大气边界层高度的变化特征与日照时长对应关系很好。除热力作用外,边界层高度受地面风速的影响较大,近地面的较强大风对大气边界层高度起到了抬升作用,导致1—4月的夜间边界层高度明显高于其他月。2月、3月、4月、9月和10月的日间大气扩散条件较好,最大边界层高度均超过了3 km。月均最高大气边界层高度为1461 m,月均最低大气边界层高度为242 m。2月的平均边界层高度最高,为943 m,12月的平均边界层高度最低,为426 m。由于7、8月多为降水和多云天气,所以平均边界层高度较低。微波辐射计反演结果与探空反演结果具有较好的一致性,二者的皮尔逊相关系数达到了0.874,均方根误差仅300 m。

摘要： 基于2016年8月28日至9月2日在北京市宝联站、朝阳站、大兴站获得的逐3 h加密探空资料,利用WRF V3.9.1模式和WRF-3DVar系统,对北京地区大气边界层进行数值模拟试验,研究加密探空资料同化对边界层数值模拟的影响。结果表明:同化形成的分析场较背景场更接近观测值,更能表现边界层内真实大气的热力、湿度状态及动力特征。位温、比湿、纬向风、经向风、风速分析场的均方根误差分别较背景场的减少了86%、59%、24%、44%、19%,体现出同化的较强修正作用。加密探空资料同化的预报效果在模式积分6 h内最好,之后同化作用的大小及范围逐渐减弱。加密探空资料同化对边界层内大气湿度状态在整个预报时段内均有改进,对边界层内大气热力状态的改进持续6 h,对于边界层内大气动力特征的改进,纬向风改进较多,经向风和风速不明显,这与风的自身属性、北京市的复杂地形有关。另外,加密探空资料的站点数在空间水平方向上比较少也是导致同化在分析场的改善作用明显但是效果难以持续较长时间的原因之一。

摘要： 利用卫星观测和再分析资料,研究了2018年4月30日东海黑潮海面温度锋(黑潮锋)影响低云突破边界层发展为对流云团,并导致强降水的过程。结果表明:(1)29日12时东海500 hPa上受短波槽控制,低空处于高低压之间的偏南气流中;黑潮锋大气边界层稳定,有利于低云发展。(2)黑潮锋的暖水侧向大气不断输送热量和水汽,稳定性减弱;而冷水侧对大气的冷却作用显著,大气稳定性增加。(3)经过约12 h的调整,黑潮锋通过垂直混合机制强迫表层风速发生变化,在黑潮锋上空形成风速辐合,叠加背景辐合场,导致辐合明显增强。(4)受平流效应影响,黑潮锋上空大气增湿增温,抬升凝结高度降低。(5)潜热释放与低空辐合之间形成正反馈,最终导致对流云团发展,降水强度显著增强。

摘要： 利用第二次青藏高原(下称高原)综合科考"地-气相互作用与气候效应"立体综合加强期观测试验2019年5月、7月和10月珠峰、林芝、那曲和狮泉河站点的探空资料及ERA5再分析资料。探讨在西风南支与高原季风不同风场控制下高原大气边界层结构特征及其与感热潜热通量的关系。结果表明:西风南支风场下各站点大气边界层高度较高原夏季风风场下的大气边界层高度更高。西风南支风场下珠峰、林芝、那曲和狮泉河最高对流边界层顶分别为3250,2250,2760和3500 m。高原夏季风风场下珠峰、林芝、那曲和狮泉河最高对流边界层顶分别为2000,2100,1650和2000 m。各站点的近地层比湿特征为:7月>5月>10月。林芝地区近地层比湿比其他3个站点的比湿大,林芝近地层比湿最大达到了12.88 g·kg^(-1)。5月和10月,珠峰和林芝分别在1200 m和1500 m以上风向以偏西风为主。林芝7月1200 m以上风向以偏南风为主。狮泉河5月和10月风向以偏西西南风为主,7月风向以偏西西北风为主。珠峰、林芝和狮泉河5月和10月高空的风速较7月高空风速强的多。西风南支风场下各站点以感热通量为主,高原夏季风风场下各站点以潜热通量为主。

摘要： 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。

摘要： 层结性是影响大气参数变化的重要因素,不同的层结状态会对风力机尾流大气参数产生不同的影响。文章基于开源CPD平台OpenFoam,并结合大涡模拟和大气边界层理论,开发编译了特定求解器下的风力机模型,实现不同层结状态下风力机尾流对大气参数影响的研究。研究结果表明:稳定层结下风力机尾流的影响范围远,不稳定层结的风速损失较小,两种层结状态下风速分布规律相似;在轮毂高度处,不稳定层结下温度下降,稳定层结则上升;与来流大气温度相比,不稳定层结的远尾流区温度变化明显。在风轮高度以下及3d(风轮直径)以上区域,风力机后各处的温度分布不受尾流发展的影响;在风轮高度以下区域,不稳定层结下的尾流温度比来流大气温度低,而稳定层结则相反。

摘要： 基于剪切应力输运(SST)k-ω模型,通过修改模型参数、方程源项和湍动粘度,提出了“改进SST k-ω模型”,并采用该模型对考虑风向随高度偏转的大气边界层进行了计算流体动力学(CFD)数值模拟。通过预前模拟和主模拟两个步骤,对风场自保持的实现方法进行了探讨。研究表明,提出的改进SST k-ω模型可以取得与实测较一致的模拟结果。将预前模拟得到的风剖面作为主模拟的入流边界条件,各物理量均可以在流域中得到较好的保持。

摘要： 空气动力学是风能工程面临的首要和关键问题之一,决定着风工程的经济性、稳定性和安全性。针对风能技术发展的迫切需求,结合近年来风能设备大型化、规模化、海洋化、智能化和数字化的发展趋势,对风能利用中的空气动力学问题进行了探讨,本篇为其中第二部分:入流和尾流特性。一方面,选取大气边界层、风力机尾流、陆上/海上/复杂地形风电场混合尾流及其之间的相关干扰等典型气动问题为论述对象。另一方面,从外场测量、风洞实验、理论分析、数值模拟、工程建模和人工智能等多种研究途径着手,梳理其中涉及的关键空气动力学问题、特殊物理现象及取得的重要研究进展,分析所涉及的流动分布特性、演变规律与关键流动机理。此外,结合我国气候、地理条件、国情探讨风电发展面临的空气动力学难题并尝试给出解决策略。最后,对未来的研究方向进行展望。以期为风电的行业规划、技术发展和工程实施提供重要参考。

摘要： 沙尘暴是河西走廊春季最严重的灾害天气之一,弄清沙尘暴的大气边界层特征,是提高其预报预警水平和减轻危害的重要手段。应用河西走廊敦煌、酒泉、张掖、民勤等4个站2006—2016年春季逐日08时(北京时,下同)和20时高分辨率探空资料和地面风沙观测资料,探讨该地区不同站点从地面到高空5 km高度范围内沙尘强度、沙尘暴日变化和持续时间,以及不同环流形势下的大气边界层垂直结构变化特征。结果表明:沙尘暴08时逆温强度在1.6°C·(100 m)-1以上,相对湿度13 m·s^(-1)。受海拔高度、地形和下垫面土壤性质影响,低层风场具有明显的日变化,山谷风效应显著;敦煌和民勤气温高,空气干燥,风速大且沙尘多;张掖受走廊狭管效应影响,风速较大。沙尘暴中敦煌低层以东南风到西南风为主,高层及其他站以偏西风到西北风为主。沙尘暴发生时边界层内气象条件日变化总体而言:上午干暖,下午冷湿风速较大,最大风速为17.6 m·s^(-1),出现在0.9 km高度;近地面夜间和上午为南风,下午为西风,夜间风速较小且空气干燥。沙尘暴持续时间长时,早晚气温低,持续时间5 h以下的08时大气干层较厚,达2.85 km;而5 h以上的20时大气干层较厚,达1.05 km。相对湿度≤30%时大气干层上午和夜间较厚,下午浅薄,温度露点差最小阈值为16~17°C,最大高度在2.85~3.00 km。不同沙尘暴环流形势下:脊型早上干冷风速大,0.75 km高度处风速最大达14.6 m·s^(-1);西风槽型下午湿冷风速大,0.9 km高度处风速最大达15.7 m·s^(-1);而西风气流型近地层冷干,风速小,但早上1.2~3.5 km高度和晚上2.4 km以上高层风速较大。

摘要： 文章利用2012年冬季南海西北部的航次探空资料,研究了寒潮过程和海洋锋面对大气波导特征演变的共同影响。文中观测发现,航次期间的大气波导以悬空波导为主,平均波底高度约738.64m,平均厚度约185.17m,平均强度10.21M单位。观测前期,天气形势稳定,东北季风较弱,在锋面暖水区一侧的悬空波导较为深厚,且高度较低。其主要成因是大气边界层顶部925hPa至850hPa高度左右存在深厚的逆温层,且具有显著的日变化特征。航次中期的寒潮过程导致东北季风大幅增强,使得大气边界层顶部的逆温层被破坏,从而导致悬空波导显著变薄变弱。而锋面冷水区一侧,低水温抑制湍流发展导致大气修正折射率(M)的负梯度扰动较弱,较难形成稳定且有一定强度的波导层,且无显著日变化。但当东南暖湿气流覆盖锋面冷水区上空时,容易形成较稳定的表面波导。

摘要： 我国区域大气污染成因机制具有多因素、多尺度性,主要与大气边界层过程、天气过程、地理环境形成的大气环流输送、大气污染跨区域水平输送有关.为了理清我国区域大气污染的成因机制,本研究利用中国环境监测总站的PM2.5逐小时数据和中国气象局探空观测资料(图1(a)),NCEP-FNL再分析资,WRF和WRF-Chem模式,基于模拟得到的4维高分辨率气象场,系统研究了大气边界层和天气过程对我国典型重污染区域(图1(b)京津冀、东北、华北、华东和四川盆地)大气污染的形成机制.为区域大气污染联防联控、打赢蓝天保卫战提供建议.

摘要： 大气边界层是影响大气污染扩散的主要原因之一.通过对资料的收集,分析了大气边界层的高度变化特征以及大气边界层与大气污染的相互影响,采用WRF模式和气溶胶激光雷达研究了成都平原城市群大气边界层的高度分布情况,结果表明:1)成都平原边界层高度有明显的季节变化特征,春季最低;2)成都市重污染天气过程与大气边界层高度变化具有显著的相关性并且与颗粒物污染浓度变化具有较好的一致性.

摘要： 本文利用威宁探空站2015年08时,19时L波段雷达730份测风资料,采用数理统计法等对威宁大气边界层300米,600米,900米不同高度的的风场进行统计,并对其风场特征进行了分析,结果表明:威宁大气边界层风向、风速有着明显的季节性变化,在300米高度上春季、秋季盛行S风,其次SSW风;夏季盛行N风,其次S风;冬季盛行SSW风,其次S风;春季和冬季距地600米高度上主要盛行SSW风.其次SW风,夏季盛行N风,其次S风;秋季盛行SSW风,其次S风;大气边界层内在距地900米高度上春季、冬季主要盛行WSW风,夏季盛行NNE和SW风,秋季盛行SW风.大气边界层内,1-3月、11月、12月,风速随高度的增加而增大幅度较大,其余月份风速随高度的增加变化幅度较小,尤其夏季.

摘要： 我国区域大气污染成因机制具有多因素、多尺度性,主要与大气边界层过程、天气过程、地理环境形成的大气环流输送、大气污染跨区域水平输送有关.为了理清我国区域大气污染的成因机制,本研究利用中国环境监测总站的PM2.5逐小时数据和中国气象局探空观测资料(图1(a)),NCEP-FNL再分析资,WRF和WRF模式,基于模拟得到的4维高分辨率气象场,系统研究了大气边界层和天气过程对我国典型重污染区域、图1(b)京津冀、东北、华北、华东和四川盆地)大气污染的形成机制.为区域大气污染联防联控、打赢蓝天保卫战提供建议.

摘要： 本文为研究低层大气风廓线规律,提高低层大气保障能力,利用统计方法和相似理论方法,对西南高原地区清镇2014年逐时风廓线观测资料和地面资料时序分布、层结保守性、层结稳定性等进行分析,并对风廓线进行归类,建立不同类型风廓线模型,以期通过模型和地面风速计算出低层大气各高度风速.通过分析研究,得出以下结论:清镇地区150米以下,出现较大风速(≥8米/秒)几率较小;低层大气层结受日变化影响明显;不同天气、不同时段层结的保守性不同;低层大气稳定性层结占少数,多数情况下呈不稳定性层结分布;150米至1050米风速随高度分布总体可归为5类,不同天气、不同时间需选择不同类型拟合式进行拟合;从拟合结果看,稳定性层结风速分布用二类多项式和对数加线型关系式拟合效果最好.

摘要： 通过大气臭氧探测激光雷达,对臭氧垂直廓线在夏季、冬季不同季节的不完全归纳分析,探讨臭氧气体在大气边界层范围内的典型时空分布特征,为臭氧污染的预警预报提供连续的、图形化的数据支持,反映了臭氧大气探测激光雷达这一新型的臭氧污染研究方法的先进性.

摘要： 风力机尾流效应的存在导致其下游机组的发电量减少,疲劳载荷增加,寿命缩短,如何有效降低尾流的影响是一个非常关键的课题,采用基于叶片变桨和风轮偏航的协同控制技术是一种有效的途径,其中进行控制的核心是利用风力机不同状态下的尾流改变来实现,此时精确预测短时尾流发展就非常重要.本文采用大涡模拟方法对三种大气稳定度边界层中一台5MW风力机的尾流发展进行了对比研究,分析了大气稳定度改变对风力机尾流发展规律的影响,结果发现稳定风况下风力机尾流恢复最慢,对流风况下风力机尾流恢复最快.

摘要： 大气边界层(Atmospheric boundary layer)是指直接受地面影响的对流层部分,响应地面作用的时间尺度为一个小时或更短.边界层高度是遥感监测研究近地面颗粒物过程的重要参量.随着激光雷达探测能力的增强以及对城市污染问题的日趋重视,激光雷达开始应用于城区边界层的探测.激光雷达资料反演是获取边界层高度的重要方法.本文利用富山县NIES型偏振激光雷达连续观测的后向散射数据，采用梯度法提取大气边界层高度。通过个例分析，表明梯度法反演结果不稳定，适用于信噪比高，天气比较简单的情况。采用结合雷达快视图以及设定阈值的人工方法对梯度法结果进行订正，订正后的结果能够较为准确地反映其高度演变情况，同时也对气溶胶的分布进行了探讨，分析了气象条件对边界层演变的影响。

摘要： 大气边界层特征与地理环境、下垫面分布、太阳辐射、天气过程、季节变化等有关,研究建立一套描述边界层特征及其对空气质量影响的量化指标,对指导城市空气质量变化原因分析、开展重污染天气预测预警服务,有重要的理论意义和实际应用意义.珠三角边界层观测资料的分析研究发现，使珠三角空气质量变差的污染天气过程可归纳为3种类型：冷空气前回暖期、台风外围下沉气流控制期和副热带高压下沉气流控制期。根据2004-2014年期间珠三角3次干季边界层基线小球测风、低空探空实验所取得的风温观测资料和同期的空气质量监测资料、地面气象资料等，本文集中研究冷空气前回暖期WPBCA型污染天气的大气边界层特征及其对空气质量的影响。

摘要： 气溶胶光学厚度(AOD)表示整层大气气溶胶消光系数在垂直方向的积分,故气溶胶的垂直分布对AOD和PM2.5的相关性有重要影响,通常在AOD-PM2.5回归模型中会引入边界层高度参数,以及地面的气象参数,提高反演PM2.5的准确率.本文利用北京地区的气象探空资料，将边界层分为稳定边界层和对流边界层，对不同边界层计算方案进行比较，然后利用北京地区的AERONET AOD资料和PM2.5资料建立回归方程，讨论边界层高度对AOD-PM2.5回归模型的影响。

摘要： 本发明提供一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟装置及方法，所述装置包括：安装在风洞稳定段的来流温度控制系统、安装在实验段的前端的温度车和放置在风洞实验段洞体底部的至少一块可加热冷却地板；所述温度车为分层结构，在垂直方向分层，每层通道内安装三角形翅片式电加热带，每层为一个独立的小电加热器，由上、下绝热板隔开；所述温度车为装置中可拆卸结构。本发明提供的装置及方法通过对来流温度控制系统、温度车和可加热冷却地板取不同的参数，能够实现对稳定层结、中性层结、以及不稳定层结的模拟。

摘要： 本发明公开了一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置及方法，针对目前大气边界层风洞模拟装置及方法存在湍流积分尺度模拟能力不足、人工调控耗时长等问题，本发明在宏观上提出将风洞风速与格栅翼姿态协同控制的方法，在微观上提出变尺寸锯齿边缘的格栅翼外形设计方法，可以有效扩展大气边界层湍流积分尺度的模拟范围。同时，提出了采用机器学习自动寻优的控制方法，可以显著减小试验调试工作量，提高试验效率。此外，变尺寸锯齿边缘格栅翼可同时产生不同积分尺度湍流结构，有助于快速达到湍流充分发展状态。

摘要： 本发明提供一种大气边界层顶高度估算方法，利用探空资料统计某区域逆温层的季节分布特征；在近地面逆温占主导地位的季节，统计近地面逆温顶部所在高度的数分布特征，取其上四分之一位数作为该季节的数阈值；在对流层低层逆温占主导地位的季节，统计对流层低层逆温底部所在高度的数分布特征，取其下四分之一位数作为该季节的数阈值。本发明对计算大气边界层顶高度的数阈值进行了调整，调整后的数阈值综合考虑了大气的动力、热力结构和逆温层的季节变化特征，基于调整后的数阈值估算的大气边界层顶高度更接近观测值。

摘要： 本发明提供一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟装置及方法，所述装置包括：安装在风洞稳定段的来流温度控制系统、安装在实验段的前端的温度车和放置在风洞实验段洞体底部的至少一块可加热冷却地板；所述温度车为分层结构，在垂直方向分层，每层通道内安装三角形翅片式电加热带，每层为一个独立的小电加热器，由上、下绝热板隔开；所述温度车为装置中可拆卸结构。本发明提供的装置及方法通过对来流温度控制系统、温度车和可加热冷却地板取不同的参数，能够实现对稳定层结、中性层结、以及不稳定层结的模拟。

摘要： 本发明公开了一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置及方法，该装置包括制造风场的轴流风机，加速来自轴流风机气体的收缩段，观测烟云扩散的实验段，位于收缩段和实验段之间的大气边界层风场模拟段，位于实验段后的扩散段和出口段；大气边界层风场模拟段包括整流蜂网和湍流发生装置，实验段包括可升降平台、万向旋转接头、烟气喷嘴、冷却水管、风冷换热器、加热丝、直流电源、空气温度计和电控系统。本发明在对环境影响较小的前提下，可测得不同喷出高度和角度的气体射流在不同大气边界层风场和温度场中的扩散过程，为烟云扩散模型的建立创造了实验条件。

摘要： 本发明公开了一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置及方法，针对目前大气边界层风洞模拟装置及方法存在湍流积分尺度模拟能力不足、人工调控耗时长等问题，本发明在宏观上提出将风洞风速与格栅翼姿态协同控制的方法，在微观上提出变尺寸锯齿边缘的格栅翼外形设计方法，可以有效扩展大气边界层湍流积分尺度的模拟范围。同时，提出了采用机器学习自动寻优的控制方法，可以显著减小试验调试工作量，提高试验效率。此外，变尺寸锯齿边缘格栅翼可同时产生不同积分尺度湍流结构，有助于快速达到湍流充分发展状态。

摘要： 本发明提供了一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统及方法，包括大气边界层风洞、驻室和制冷系统，大气边界层风洞包括首尾相互连通的上流道和下流道，在上流道内布置动力段，在下流道内依次布置稳定段、收缩段和试验段，回流型风洞的拐角处均为过渡段，在动力段内设有风扇，在稳定段内设有空气换热器；驻室由隔板分隔为贮存雪颗粒的储藏间和设有雪颗粒振动播撒装置的操作间，储藏间位于稳定段上部，在储藏间内设有冷风机，操作间位于试验段上部，雪颗粒振动播撒装置播撒雪颗粒均匀落入试验段；制冷系统为驻室内的冷风机和大气边界层风洞的空气换热器输出载冷剂进行换热。本发明通过系统各部分配合使用实现自然降雪过程的模拟。

摘要： 本发明公开了一种建成建筑环境下大气边界层风场特性的反演方法和系统，所述方法包括：根据激光雷达实测风场，获得建成建筑上游的实测粗糙度指数αA；根据规范分析场地特征，设定场地粗糙度指数初值为αB，基于αB确定计算流体动力学数值风洞模型中入口边界条件并进行数值模拟仿真，得到实测位置处的粗糙度指数αC；根据αA和αC的差异，调整αB的值进行迭代计算，直至αA和αC之间的差异值小于精度控制指标，最终得到的场地粗糙度指数αB及其对应的风剖面即为反演得到的建成建筑位置处的风场特性。该方法结合多普勒激光测风雷达现场实测和计算流体动力学数值模拟仿真，能够准确获得建成高层建筑处实际的自然风场特性，从而为高层建筑抗风的精细化评估提供科学依据。

摘要： 本申请提供了一种平衡大气边界层的实现方法及装置，包括：根据目标建筑对象，得到对应的地貌类别、地面粗糙长度、参考点高度、参考点风速；通过预设的大气边界层数学模型，得到梯度风高度以大气摩擦速度；将数值模拟计算域的高度、地面粗糙长度以及大气摩擦速度输入入口风速剖面、湍动能剖面以及湍流耗散率剖面；根据地面粗糙长度，得到数值模拟计算域的壁面边界参数；将入口边界条件与数值模拟计算域的壁面边界参数输入流体力学模型，通过流体力学模型求解流体力学控制方程，生成目标建筑对象对应的平衡大气边界层。本申请依靠建立的数值模拟计算域，在计算域内较好保持湍流特性，而且能够以可复制的方式进行建模，更具有商业价值。

摘要： 为了进一步拓展大气边界层垂直风廓线激光雷达的应用范围，灵活满足用户的不同需要，本发明提出一种可替换扫描模块的多用途大气边界层垂直风廓线激光雷达，包括：使用者可从雷达机外拆下的、可相互替换的楔形镜扫描装置和三维扫描装置以及兼容两种扫描装置工作模式的激光雷达。本发明填补了大气边界层风廓线雷达和高性能三维扫描式激光雷达之间的市场空白，可使用户以较为低廉的成本实现大气边界层风廓线激光雷达的三维扫描探测能力，满足特定场合的测量需要，进一步挖掘大气边界层垂直风廓线激光雷达硬件价值，实现设备使用价值的增值。