冷锋过境后大气边界层阵风干扰特征及湍流波动外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

冷锋过境后大气边界层阵风干扰特征及湍流波动

程雪玲、曾庆文，胡非

收到2010年9月20日; 2010年11月29日修订; 接受2011年1月4日; 于2011年3月16日发布。

对大气边界层的强烈湍流和阵风相干性采取平均后进行统计分析。分析中使用的数据是东亚春季5年，由超声波风温仪观测。结果表明：（1）边界层上部的基本气流在下部和上升分量有系统的下降分量; （2）湍流波动（时间小于1min）几乎和各向同性有弱相干性，但阵风干扰（1分钟～10分钟）是各向异性的，具有比较强的相干性; （3）风力扰动的动能和相关的下降动量在h *以下的某个水平达到最大值，其中h *是分离平均流量的下降和上升分量的指标; （4）湍流动能和相关下降动量在最低层首先增加，然后随高度而降低，即使最快采样频率为10 Hz，但原因尚不清楚。

引用：Cheng, X., Q.‐C. Zeng, and F. Hu (2011), Characteristics of gusty wind disturbances and turbulent fluctuations in windy atmospheric boundary layer behind cold fronts, J. Geophys. Res., 116, D06101, doi:10.1029/2010JD015081.

1.引言

在东亚，特别是在蒙古和华北地区，大部分大型吹沙或沙尘暴事件都发生在春天，而且冷锋通过后都伴随着强风。自2001年以来，中国气象局在中国北方建立了沙尘暴监测系统。该系统由29个地面站和气象卫星遥感的网络组成。地面站进行常规和特殊观测，如大气边界层的结构和特征、沙尘质量浓度和气溶胶光学深度，有时也观察到气溶胶粒子的直径光谱。该系统的描述及其一些应用问题和研究成果在“Gigantic Yellow Cloud”[Zeng et al.，2006]以及期刊的几个特刊[Dong and Shao，2006; Zeng et al.，2004，2007] 中均有报导。该系统获得的数据集对研究大气边界层也是非常有价值的。使用这些数据，已经详细分析了一些典型的情况，以揭示沙尘排放和夹带过程的机理[Zeng et al。，2006，2007，2010; Cheng et al。，2007]。因此，已经揭示或证实了大气边界层的一些非常有趣的动力学特征：例如（1）下部的平均流动的下降分量和边界层上部的上升分量；（2）这是一些有规律的阵风干扰（相对较低的频率波动）叠加在基本气流上，它们的特征与湍流波动（相对较高的频率波动）不同; （3）基本流量、阵风干扰和湍流波动均对地表水土流失和沙尘排放造成影响，但大气中的夹带沙尘颗粒是由于阵风风干。在本文中，我们对所有2000 - 2004年天气情况进行统计分析。结果证实了我们以前的3篇论文中报道的普遍图片和基本特征。我们还在本文中介绍这些所有特征的垂直分布。

关于阵风风干（或阵风）的报导并不像湍流那样多，其中一些致力于通过考虑阵风来分析表面的垂直通量[Zeng et al.，2002; Morcrette et al.，2008]，其他一些是数值模拟阵风（一个时间间隔的最大风速）、预测[Brasseur，2001;Aacute;guacute;stssn and Olafsson，2006; Peinke et al.，2004; Barth et al.，2005; Wang and Karrem，2006; Proppe and Wetzel，2006; Aacute;guacute;stsson and Olafsson，2009; Li et al.，2006; Goyette et al.，2003; Zhu，2008]以及观察个例研究[Li et al.，2004; Xu et al.，1997; Lauren et al.，2001; Sun et al.，2004; Nakamura and Mahrt，2005]。 我们的监测网络为我们提供了良好的观测数据，用于系统地分析阵风风干的动力学结构。

本文的部分如下：第2节给出了大气边界层平均流量的垂直分布；第3节提供了湍流波动与阵风干扰之间的一些本质区别；第4节详细介绍了湍流的一些基本特征和阵风；第5节给出了结论性的言论和讨论。

2.基本气流的垂直分布

2000 - 2004年春季，蒙古和华北地区共有48次沙尘暴或起沙的大型天气过程。 其中，20个事件包括133小时发生在北京及其附近地区，其中大气边界层由多层仪器监测，特别是3级（280米，120米和47米高的塔A）的超声波风温仪， 有时也在2米级（B，C和A塔）。 塔A属于中国科学院大气物理研究所，位于北京市边界（2004年前），塔B和C分别属于北京气象台和张北（河北省）。 塔B位于塔A西南约20公里，张北距北京西北约300公里。 这三个站都属于第1节所述的监测系统，位于平原地区。

图1a. 东亚典型的春季沙尘暴事件（[after Jiao, 2004]，2004年4月5日至8日）。

在所有20个事件中，北京只有起沙，因为大多数土壤表面被植被覆盖好，因此没有严重的水土流失。

图1显示了沙尘天气事件的典型情况。沙尘暴或起沙占据了图1的北方非常大的地区，灰尘区域（黄色）在强烈的气旋发展过程中出现，位于冷锋的后面（从螺旋云带（白色）明确推断），如图1b所示。

图1b. 灰尘（黄色）和云彩（白色）带的卫星图像（2001年4月7日下午）。

在133小时的所有情况下，北京的平均风速在120m时强度达到ge;8m/s。平均风在每种情况下的方向相当稳定，带有北边的分量，表明是冷锋后面的冷气流。

图2a和2b示出了平均流量（u,v, w）的垂直分布。它们是通过使用超声波风温仪测量数据计算的，并且对于每种情况每小时进行平均，然后计算133小时所有数据的总体平均值以及标准偏差。注意：图中给出定义为沿顺风方向（x）的速度，因此v根据这种分解等于零。 2米的数据是从塔A，B和C测量（塔B和C仅在2米观察到的，塔A的观测值在这些年份是不完整的）。然而，这些数据是有价值的，因为它们很好地满足塔A的三个级别的数据。比较看出，在图2a中，黑点曲线是相同的133小时数据的u的集合方式，但是通过自动风杯观察获得在A座和15级（8，15，32，47，65，80，100，120，180，200，240，280和320 m）的数据。可以看出，黑色圆点和点曲线彼此非常相似，尽管黑点曲线比黑色圆圈多，系统地略微大一点（原因可能是由于两个仪器的校准不同），280米以下的黑点不接近黑色曲线（肯定是由于该传感器劣化）。该图2a中的回归表明，即使在底层（从2到47米），u随着高度的增加而在整个层（从2到280米）高度的功率函数增加。

图2a. 大气边界层基本流的垂直分布u。 133个案例的每个观察值通过点绘制（非常密集的点以线连接）。 开圆曲线是133个集成方法的廓线，虚线曲线分别是整体平均值增加和减少、标准偏差。 实心圆曲线与开环曲线相同，但与15级自动风杯观测相同。

图2b. 与图2a相同，但是对于垂直速度w，没有实心圆曲线（w不能通过风杯测量）。

图2b示出了垂直速度的风廓线w。 通常在z lt;h *的较低层中w lt;0，在zgt; h *处wgt; 0，其中h *随情况而变化，并且取决于（但不一定等于）冷空气质量的厚度。 在我们的情况下，平均h *asymp;250m。 这意味着在大气边界层上层的下部和上升分量处有平均气流的下降分量。 可以指出，这个结果与天文气象学教科书和冷端周围的循环的概念模型（示意图）是一致的[参见例如Carlson，1998]。 然而，似乎在120m的水平下降波动太大。 这可能是由于上游山脉、象山和苗峰的共同影响，距离塔A高约500m，高1km，分别约15km和30km。

图2c 1996 - 1995年，1996 - 1999年和2000 - 2004年（从15级风杯观察）的垂直剖面。

图2c显示了在1991 - 1995年，1996 - 1999年和2000 - 2004年春季强冷对流期间使用15级风杯观察结果构建的u的三个垂直风廓线。可以看出，这三个廓线之间的差异很小。这表明，从二十一世纪初开始，虽然塔楼南部出现了一些50米高的建筑物，但北部和西部仍然没有高层建筑物，至少在强冷的情况下，环境的逐渐变化不会严重影响大气边界层的运动。

3.湍流波动与阵风的根本差异

分析了所有的超声波数据，获得从2米高到280米层中的湍流波动（小时间尺度）和阵风干扰（中间时间尺度或传统上称为低频湍流）的统计高度。

对速度的时间序列进行傅里叶变换，将空气运动分为3部分：

1.湍流波动（或简称为湍流）。 它们的频率w_t（或周期t_t）大于w₁ = 0.017Hz（或t_tlt;1min）。 它们的三个分量表示为（u_t，v_t，w_t）。 注意，实际上广泛使用的超声波风温仪的采样频率为10Hz（即，每1秒10个采样），并且观测值错过了非常高的频率波动。

2.阵风干扰（或简称为阵风），其频率在w_g =（w₀，w₁）范围内，相应时段t_g在1min—10min范围内，其中w₀ = 0.0017 Hz。 它们的三个分量表示为（u_g，v_g，w_g）。

3.大规模流体（或简称为基本气流），其频率小于w₀（或周期gt; 10min）。 它的三个分量表示为（u,v,w）。

注意，（u,v,w）和（u_i，v_i，w_i）是速度的三个分量，即沿（u）和（v）大尺度水平风向和垂直方向（w），根据这种分解，v = 0，i = t，g。此外，将大尺度（u,v,w）平均1小时得出“平均气流”（也表示为（u,v,w）在第2节），这两个流量之间通常只有很小的差异。

因此，以u（t）为例，我们有

. （1）

通常，瞬时风有10min的偏离，意味着，即被称为波动或湍流。但在这里，我们进一步将u分为两部分，一部分是相对较高的频率部分，u_t，并且定义为波动或湍流（狭义上），另一个是相对低频部分—传统上称为低频部分（频率湍流），u_g，被定义为阵风干扰（或阵风）。我们对阵风干扰（或阵风）的定义与世界气象组织（WMO）[1983]给出的一致。事实上，根据WMO的定义，阵风衰减时间（t_d）和阵风与时间（t_gl）之间有一些阵风特征的时间关系。通常，t_dgt; 1分钟，t_gl约为几分钟。这意味着作为干扰的阵风处于周期域（1min—10min）。图3显示了u，u_g和u_t的时间序列示例。忽略快速的波动，你们可以非常清楚地看出阵风，并且由u_g表示，并且t_d和t_gl甚至可以通过使用u_g来更好地被识别出来，u_t只显示快速波动。

图3 （黑色），阵风扰动u_g（t）（红色）和湍流波动u_t（t）（绿色），

2000年4月13日。

考虑到，其中e^lsquo;是频域中的运动动能wgt; w₀，并且e_t和e_g分别对应于湍流和阵风。这里e_i是e_iu，e_iv和e_iw三个组成部分的总和，它们分别对应于三个方向，即横向风，纵向风和垂直风，分别是（i = t，g）。 e_u，e_iv和e_iw每1 h的平均值（个例的综合平均值）分别表示为E_iu，E_iv和E。

E_tu，E_tv和E_tw如图4所示。可以看出它们几乎相同; 也就是说，当E_tule;2 m² s^-2时（当基本剪切流不是非常强的情况下），湍流几乎是各向同性的，但湍流在一定程度上仍然具有各向异性结构，特别是E_tw总是小于E_tu和 E_tv，当E_tuge;3m²s^-2（基本流动剪切非常强的情况）。

图4 湍流动能的三个组分E_tu，E_tv和E_tw分三级。（a）tw与tu；（b）E_tv与E_tu。

E_gu，E_gv和E_gw如图5所示。可以看出，在所有情况下，阵风显着是各向异性的，E_gw小于E_gu，E_gu在大多数情况下远大于其他两个组分，特别是当 E_gugt; 2m² s^-2。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[25841]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word