基于高垂直分辨率探空数据对五种典型下垫面湍流分布特征分析.pdf
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1、由于湍流的时空尺度小、变化率大,缺乏大规模的现场观测,导致对全国范围内的大气湍流特征研究甚少。自 年起,我国开始存储秒级高垂直分辨率探空数据,为深入研究中国各地的湍流特征提供了可能。在用探空资料诊断分析湍流特征时,首先分析了中国地区仪器噪音对分析结果的影响,证实噪音会使对流层平均的湍流耗散率偏小,证明了去除噪音的必要性。在此基础上,采用 分析法详细分析了湍流的强度(湍流耗散率)与下垫面类型的关系。结果显示,在对流层,全年平均草地的湍流最强,然后依次是旱地作物、水田作物、灌木、荒地。在平流层下层依然受到下垫面的影响,全年平均草地的湍流依旧最强,旱地作物次之。湍流在不同下垫面均表现出明显的季节性,
2、且夏季对流层上层的强度和频率最高。研究结果将有助于理解不同下垫面对流层的湍流特征,为航空器飞行安全保障、大气污染扩散模式、天气预报模式的湍流参数化方案改进提供参考。关键词:秒级探空资料,分析法,湍流动能耗散率中图分类号:文献标志码:犇 犗 犐:,犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,国家重点研发计划(、)和国家自然科学基金项目()共同资助 年月日收稿;年 月 日收修定稿第一作者:龚玺,主要从事边界层研究 :通讯作者:陈起英,主要从事数值模式研究 :第 卷 第期 年 月 气象 ,(),犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:,引言大气湍流是大气中重要的中小尺度过程,它影响着大气中的能量平衡和物质传输过程,使能
3、量、动量、物质在不同尺度的运动之间转换,从而调整大气结构,使大气成分在一定的高度范围内均匀分布(,)。在大气边界层,湍流运动相当强,其对地面强迫的响应时间在小时以内(刘辉志等,)。对流层下部的湍流对地面附近动量和大气污染物的向上扩散有重要影响(,),平流层顶的湍流对对流层和平流层之间的物质和能量交换有显著的影响(,),自由大气中的湍流对航空的飞行安全会产生重要影响(,)。因此,充分认识湍流的时空分布特征对于大气污染预报、天气预报和气候预测都相当重要。考虑到大气热力结构、动力结构和湍流动能对湍流混合过程的共同影响(陈德辉等,),湍流运动具有相当强的间歇性和随机性,一般难以对湍流的性质进行准确、定
4、量的描述,因此在数值模式中,常需要根据理论研究结果和观测资料对其效应进行参数化描述。湍流扩散系数是湍流参数化方案需要预报的关键物理量,但是其缺乏实时观测对模式结果来进行验证。湍流扩散系数可以由湍流耗散率进行诊断,因此本文首先利用高垂直分辨率探空资料对湍流动能耗散率进行了研究。湍流动能耗散率是描述湍流运动强度的一个重要物理量,它既可以影响对流层和平流层之间的质量、动量和能量以及化学物质的交换,也能影响各种波(重力波、行星波等)从热带对流层向高层大气的传播过程,进而影响低层与高层大气的耦合(,)。因此,研究湍流动能耗散率的时空分布特征是十分迫切和必要的。从高垂直分辨率探空资料获得湍流动能耗散率的信
5、息,需要采用 分析法。分析法最初由 ()提出,通过对实况海洋位势密度垂直廓线按照稳定层结条件进行垂直方向的重新排序,再将重排获得的稳定位势密度分布和实况位势密度分布比较,用位势密度所在位置的变化信息反演湍流翻转产生的位置和范围,这个方法被广泛应用于海洋湍流特征的分析。()提出将其用来估计自由大气中的湍流参数,把过去几十年一直用于海洋稳定层结的方法创新性地应用于具有稳定层结特点的自由大气中,利用大气中的保守量位温按照稳定层结要求的分布调整,产生的位置翻转(翻转指对原始位温与按照稳定层结分布要求重新排列产生的位温位置的差异)反演大气的湍流特征。在利用 分析法研究和分析大气湍流耗散率方面,国外已经进
6、行了不少研究工作。(;)对 分析法进行了进一步改进,考虑了仪器噪音的影响,使对湍流识别的准确率得到提高。()又考 虑 了 湿 度 对 频 率 的 影 响,把 方法的研究范围从晴空扩展到有云大气,至此 分析法估算大气湍流特征的方法趋向成熟。近年,(;)采用美国的个中纬度站点的 年月至 年 月的高 气象 第 卷分辨率探空数据,验证了 分析在大气湍流统计研究中的可信度。年还通过对美国高分辨率探空仪数据集进行 分析,研究了湍流的纬度依赖和地形相关性;同年 ()基于美国的高垂直分辨率探空数据(年月至 年月),在 个业务运行台站用 分析法分析了美国区域自由大气中的 尺度和涡流耗散率,这是少数几个在比较广的
7、时空范围内,利用高分辨率探空观测资料研究湍流参数分布特征的工作。在国 内 的 研 究 中,()利 用 分析法,基于南海考察船上观测到的热带海洋对流层上部的无线电探测资料,研究了这个考察站对流层上层湍流参数的日变化,及其与中尺度对流系统日变化的密切关系,之后又分别采用 分析法和利用气球垂直上升速度的扰动计算湍流参数的方法,计算南海同样这个考察站对流层和低平流层的湍流动能耗散率和湍流扩散系数,并比较分析了两种方法的优劣。近期,()使用中国 个站点的高垂直分辨率探空仪数据(年月至 年 月),计算了自由大气中大气湍流的 尺度和湍流动能耗散率,弥补了我国此前没有在较广的时空范围内研究湍流参数分布的不足,
8、但是他们的研究没有分析不同下垫面上湍流参数分布的差异;同时,他们的研究结果虽然考虑了 ()建议的仪器噪音的消除,但是没有详细分析中国的仪器噪音对结果的影响,因此本论文将对这个影响进行讨论。()最早发现在利用秒级探空资料研究湍流时,仪器噪音的影响会对分析结果产生比较大的影响。仪器噪声会产生虚假的位置翻转和虚假的湍流识别。若将虚假湍流层计入真实的湍流层中,会导致对湍流发生频率的严重高估,从而导致对大气湍流参数和湍流能量的高估,湍流的时空不均匀性会导致扩散系数估计值偏差超过几个数量级。这些虚假翻转很难与湍流产生的真实翻转区分开来,因此对观测资料进行去除仪器噪音过程非常重要(,;,;,;,)。()基于
9、统计方法提出了去除仪器噪声影响的方法,首先推导了可探测的湍流层大小的阈值与整体趋势噪声比的函数关系,提出了只有反演的垂直尺度超过相同大小正态分布的噪声样本的范围(最大和最小值之差)的规定百分位数,才能将其识别为真实的翻转。本文将把这一方法应用到中国的高垂直分辨率秒级探空资料,研究在利用 分析法对中国区域的湍流耗散率进行分析时仪器噪音对分析结果的影响。已有很多研究证明空气的流动情况受下垫面的影响很大:刘明星等()利用相同探测设备、相同试验方法在戈壁、草原、郊区和城郊等不同下垫面开展的多次重复湍流观测试验资料,采用相同的湍流数据采集和处理方法,研究了不同下垫面温度和湿度湍流谱特征,发现高粗糙度下垫
10、面的高频段谱曲线高于平坦地形,说明高粗糙度地区的局地湍流耗散较强,戈壁下垫面的低频段湿度谱数值明显高于其他地区;洪雯和王毅勇()总结了水平非均匀下垫面的大气边界层研究,指出干旱区的绿洲具有明显的“冷湿岛效应”,并可形成边缘逆湿和区域环流,而植被和水域的分布则显著改变了大气边界层结构。同时还阐述了复杂地形下垫面对局地风场和小尺度环流产生的影响、城市热岛效应的产生及特点和 城 市 中 绿 地 和 水 体 的 微 气 候 效 应;龚 玺 等()利用国家气候中心 年在内蒙古锡林浩特市、河北黄骅市、江西湖口县和星子县开展的 铁塔大气湍流观测试验数据,分析不同下垫面、不同稳定度条件下地面到 的风切变指数变
11、化情况,发现下垫面与风切变指数变化有密切联系。但是之前的研究没有详细分析不同下垫面情况下的湍流参数分布特征。我国的下垫面种类相当丰富,根据国家地球系统科学数据中心的数据,我国的下垫面类型多达 种。空气流动受下垫面影响的方式主要有两种:一是动力作用,如地形起伏、植被或者建筑物等改变地面粗糙度可增加动力湍流;二是下垫面的热力作用,因地形起伏或水陆分布,使得下垫面受热和散热不均匀,从而引起温度场和风场的变化,进而影响湍流的产生,因此下垫面对于湍流的强弱以及频率都会有较强的影响作用。在研究下垫 面 与 湍 流 分 布 特 征 的 关 系 方 面,潘 乃 先 等()利用三分量风速仪采集风的资料,研究了不
12、同下垫面近地层上的湍流度统计特征,结果表明中性大气条件下湍流度的统计平均值与地表起伏状况存在紧密的关系,并表现出一定的规律性;涂钢等()分析了 年半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量日、季、年的变化特征,探讨了不同年份的气候背景和下垫面土地覆被对地气交换过程的影响,得出了结论:半干旱区退化草地第期 龚玺等:基于高垂直分辨率探空数据对五种典型下垫面湍流分布特征分析 和农田近地层湍流通量具有明显的日变化、季变化周期,地气间通量交换年际间的差异主要受当年的气候背景影响,同时还受到降水、下垫面覆被的影响;王少影等()利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验”年绿洲、戈壁点的观测资料,分析与讨论了
13、温度、水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系;张璐等()通过改变鲍恩比的敏感性试验研究不同大气初始状况下,湿润和干旱下垫面湍流特征及其对深对流触发过程的影响,结果表明:干旱下垫面的混合层干而暖,厚度较大,湿润下垫面相反,边界层内的深对流首先在干旱下垫面发生;张蕴帅等()对比分析了黄河源区两种不同下垫面上(鄂陵湖和湖边草地)对流边界层()中精细的湍流结构特征,发现两个不同下垫面上模拟结果对模式分辨率的敏感性不同,也模拟出了各种尺度的波对湍流通量的累积贡献。但是这些研究中有的只局限于局部地区和近地层的高度,没有对东亚整个区域以及自由大气高度范围进行研究;有的虽然考虑了一定的范围,但并没有分析
14、湍流动能耗散率的分布情况。因此,本文利用 年月日至 年 月 日我国的高垂直分辨率探空资料,分析在中国区域的仪器噪音对 分析法估算湍流动能耗散率的影响;同时研究东亚不同下垫面特征条件下,湍流动能耗散率的变化特征。资料和方法 高垂直分辨率探空数据本文用于估算湍流动能耗散率的数据来自国家气象信息中心提供的中国无线电探空观测网的高垂直分辨率的探测数据(,;)。如图所示,自 年至今已有 个无线电探空站升级为 波段探空。郝民等()使用 年月的波段探空资料进行分析,结果发现秒级探空资料在 、等层次上高度分析比传统探空分析更接近 分析,显示出对分析场的改进效果,同时风场在 以上的高层分析中改进显著,表现出高分
15、辨率资料使用在高层分析中对系统模拟更加准确的特征。波段探空仪主要由 ()型高空气象探测雷达和 型数字探空仪组成,气压、温度、风速等气象要素的数据采集由 型数字探空仪完成。型探空仪的测量周期为 ,每分钟采集 次,气球以 的速度上升,因此探测资料的垂直分辨率达到,具有很高的垂直分辨率和实时采集能力(杨湘婧等,;,),其测量的温度、注:红色点为站点,底图为对应的地形高度。图我国 个探空站点的分布 ()气象 第 卷气压、位势高度一致性较好,风向风速与 导航卫星定位测风的结果比较接近(李伟等,)。每天分别在 时和 时(北京时,下同)两次提供温度、相对湿度、压力和风速的垂直廓线。本文使用的高垂直分辨率探测
16、数据的时间段为 年月日至 年 月 日,绝大多数台站都有比较多的观测样本。在本研究中,为了保证足够长的垂直范围,高度范围小于 的探空数据将被舍弃。大多数探空观测的最大高度高于 ,这表明在分析范围内有足够多的观测样本。由于气球的垂直上升速度是变化的,观测的间距是非等距的,为了便于分析研究,本文首先使用三次样条插值把原始数据插值到 等距的垂直格点上。犜 犺 狅 狉 狆 犲分析法空气一般有三种状态,干空气、未饱和和饱和状态。由于水汽对未饱和空气的影响比较小,因此只需要考虑干空气和饱和空气两种情况(,)。本文基于 ()的研究,用探空仪测量的相对湿度()是否满足两个随高度变化的阈值条件 和 (表),从而确
17、定大气是否饱和(即是否存在云)。判断条件为,如果某一高度范围内的所有层的 (随高度变化),并且此范围内同时存在某一个高度的 (随高度变化),则这一高度范围被确定为有云层。表判别云层存在的相对湿度阈值随高度的变化(犣 犺 犪 狀 犵犲 狋 犪 犾,)犜 犪 犫 犾 犲犞 犪 狉 犻 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狉 犲 犾 犪 狋 犻 狏 犲犺 狌 犿 犻 犱 犻 狋 狔 狋 犺 狉 犲 狊 犺 狅 犾 犱犳 狅 狉 犼 狌 犱 犵 犻 狀 犵狋 犺 犲 犲 狓 犻 狊 狋 犲 狀 犮 犲狅 犳 犮 犾 狅 狌 犱 狊狑 犻 狋 犺犺 犲 犻 犵 犺 狋(犣 犺 犪 狀 犵犲 狋 犪 犾,)高度 参
18、照 ()、()的研究方法,针对晴空和有云层分别使用以下公式计算位温:(犻)(犻)犖(犻)狕犵()(犻)(犻)犖(犻)狕犵()式()用于干空气层,式()用于有云大气层。式中:犵是重力加速度,狕为高度差,犖是干的 频率的平方,可表示为:犖(犻)犵(犻)()狕犻()而犖是湿的 频率的平方,可以表示为(,):犖(犻)犵犜(犻)犜()狕犻(犻)犔狇(犻)犚 犜(犻)犵狇(犻)狇()狕犻()式中:犔是凝结潜热,总混合比狇狇狇,狇是云水冰混合比,狇是水汽饱和混合比。由于无法得到云水冰混合比的信息,且其值相对水汽饱和混合比比较小,因此忽略,近似狇狇。是湿绝热递减率(,):(犻)犵犮 狇(犻)犮 狇(犻)犮狇(
19、犻)犮 犔狇(犻)犮 犚 犜(犻)狇(犻)()()式中:犮 为干空气的比热容,犮为水冰的比热容,犮 为水汽的比热容,狇项同样被忽略。由式()、式()计算得出位温后,将其按从小到大的顺序进行重排,得到的重排的位温被称为。如果原廓线上位于高度狕处的值,在廓线中位于高度狕处,则其 位移可以定义为:犔(狕)狕狕(即调整之前的高度减调整之后的高度)。如果在任意高度上发生了位移,则意味着相反方向的位移必然发生在其他某个点。因此,当从大气低层向上积分到累积的 位移满足以下公式时,可确定为湍流层(,):狀犻犔(犻)()犽犻犔(犻)()式中:犽狀(,)。利用式()和式()确定湍流层后,计算每个湍流层中 位移的均
20、方根即为 尺度。如 ()所述,方法的基本假设在于 尺度(犔)与 尺度(犔)成线性比例,表示为:犔犮 犔()式中:犮是一个常数,且在以前的研究中已被广泛讨论(,;,;,)。尺度同时也可以表示为:犔犖()()第期 龚玺等:基于高垂直分辨率探空数据对五种典型下垫面湍流分布特征分析 式中:表示湍流耗散率,犖表示 频率。结合式()和式(),可以得出为:犆犔犖()式中犆犮,最近的数值试验表明,犆随湍流的时间演变而变化,并随着时间的推移而增加(,)。然而,()的研究又发现犆呈明显的对数正态分布。因此,犆的平均值通常被视为一个接近常数的值,这使得 分析成为可能,从而从统计角度估计湍流。最近一项基于蒙特卡罗模拟
21、的研究(,)进一步证实了这一点,该研究表明犆保持接近常数,其最佳预测值为 ,因此接下来的分析中都取犆 。为了更好地描述垂直分布的特征,将其分成四个高度间隔进行研究:对流层下部()、对流层上部()、平流层下部()和平流层上部(),它们的 范 围 分 别 为、和 。仪器噪音利用探空观测资料估算湍流时,仪器噪声的影响是一个不可忽视的问题。仪器噪声会产生虚假湍流层,很难将其与真实湍流层区分开来(,;,;,;,),然而在很多早期估算大气湍流的研究中,噪声问题都被忽略了。若将虚假湍流层计入真实的湍流层中,会导致对其发生频率的严重高估,从而导致对大气湍流参数和湍流能量的高估。(;)提出了一种基于统计识别仪器
22、噪声的方法,即使用趋势噪声比(,)来评估测量的噪声水平。可分为两类:一类是局部的趋势噪声比(以下称为局部 ),用于评估各高度处的噪声水平;另一类是用于确定总体质量的整体趋势噪声比(以下称为整体 )。这里简要介绍去噪声的过程:()首先将每一个温度的观测廓线均分成长度为 长的区间,由于数据的分辨率为,因此每 个点为一组;()再将每一个区间分别进行线性拟合,然后从每一段中剔除线性拟合的结果;()计算剔除拟合结果的温度廓线的一阶差分的方差,该值的一半即是观测温度噪声的方差;()最后将温度的噪声标准差进行光滑处理。得 到 仪 器 的 温 度 噪 声 标 准 偏 差后,由 ()狆可计算出位温的噪声犜槡狆犜
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