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大气边界层观测实验

2014-9-9 15:00| 发布者: admin| 查看: 838| 评论: 0

摘要: 大气边界层是和人类关系最为密切的一层,是人类活动和各项生态环境构成的主要层次。大气边界层的科学进展是气象学发展的重要标志之一。近年来,国内外重大气象实验大都把大气边界层研究作为核心的科学内容之一。如:HAP ...

大气边界层是和人类关系最为密切的一层,是人类活动和各项生态环境构成的主要层次。大气边界层的科学进展是气象学发展的重要标志之一。近年来,国内外重大气象实验大都把大气边界层研究作为核心的科学内容之一。如:HAPEXMOBILHY,FIFE,TOGA,BOREAS等重大国际性大气科学研究,我国已完成的HEIFE及1998年执行观测的四大气象实验、IMGRASS和极地观察活动等。
1 大气边界层及其特点
大气边界层(ABL)通常是指大气的最低部分受地面直接影响、并与地面有直接作用的气层,
是地球表面与自由大气间进行物质、能量、热量和水气交换必经的气层。大气边界层内运动的主要特点是其湍流性,其Reynolds数相当大,流体几乎总是处于湍流状态,且湍流度很大,可达20%左右。绝大多数发生在边界层中的物理过程都是通过湍流输送来实现的。由于热力作用而导致的强烈日变化是大气边界层的一个重要特征。大气边界层按其热动力学及相应的湍流特征可分为不稳定、稳定和近中性3类,边界层高度随地表特征、季节和天气背景不同,每天可在几十至几千米变化。大气边界层底部从地面向上几十米一般称近地层或常通量层。
2 大气边界层探测技术
大气边界层探测主要包括:基本气象要素(温、湿度、风速等)平均量和脉动量测量;湍流通量以及相关特征量的测量;地表状况及其过程的测量;稀有气体成分和大气污染物浓度和通量的测量。随着科技水平的提高和科研的深入,大气边界层探测范围和内容还在不断扩展。
大气边界层的探测手段极其丰富,常规的高空探测资料一般都包括边界层的资料。此外,应用GPS探测和飞机探测也是有效的探测手段。边界层的研究,经常需要高密度高精度的探测资料,常规的高空探测资料一般难以满足。常用的边界层探测方法主要有以下几类。
2.1 系留气球探测
系留气球作为低空探测设备能比较直观地获得边界层的气象状况,它包括温度、湿度、气压、风向、风速等参数及其短期变化的测量仪器以及用于长期观测和研究固定高度上的气象状况的智能化探测系统。
以长春气象仪器研究所GTXò系留气球低空探测系统为例,该系统是由地面和高空两部分组成。地面部分包括绞车、接收机、数据处理系统等。高空部分包括探空包和气艇等。该系统的最大特点是可以实时采集并存储各个参数的测量数据,操作比较简单、移动方便、可重复使用、可野外作业。现代系留气球也可携带空基雷达进行探测。
2.2 测风塔
测风塔是观测大气边界层气象要素铅直分布的设施。随着大气边界和污染扩散研究工作的开展,各国陆续建造了装有各种气象观测仪器的专用气象塔,从初期塔高约100m达到后来的400m以上。此外,还有利用电视塔、电讯塔等安装气象仪器进行观测的,其高度可以更高。1979年,中国在北京北郊建造了第一座塔高320m的专用气象塔。近年来,我国为了普查风力资源建造了一系列的测风塔有望进行长期的组网探测。
气象塔上仪器的安装高度可根据需要和可行性决定,通常上疏下密,采用对数等间距分布。塔上仪器有两类:一类是铅直梯度观测仪器,测量温度、湿度和风的平均值随高度的分布;另一类是大气湍流的测量仪器,连续测量温度和风速的瞬时值,这些仪器要求时间常数小、观测精度高。而且随着技术的发展,在气象塔上架设雷达也是一种有效的探测手段。为避免塔身对气流和温度的影响,仪器应尽量安在离塔身较远的伸杆上,并最好同时安装互成一定角度的两套仪器,以便根据当
时的风向,选用其中的一套读数。为了使各个高度上的仪器具有较高的可比较性,仪器性能必需相同,且还需经常进行平行对比。塔上可使用遥测仪器,配备计算机系统,以实现观测程序和记录、资料储存和处理的自动化。
气象塔有以下几个缺点:
(1)气象塔造价比较昂贵,难以在边界层水平研究需要的尺度上组网探测,不能在平面上形成高密度的数据。而在边界层的研究中,数据的密度比较重要。
(2)位置固定,使得气象塔对边界层研究的目的难以兼顾。气象塔用于研究大气边界层的基本规律时,要求建设在地表特性均匀而平坦的地区。而用于研究发电厂或试验场所等特定场区的边界层大气和环境污染等情况时,则应建于特定的场区。因此,难以两全其美。由于气象塔的这种特征,使得边界层的研究都具有一定的区域性,在进行边界层大范围研究时,资料的使用必须进行筛选。
(3)气象塔上传感器的数据获得会受塔身对气流和温度的影响,从而造成偏差。
2.3 遥感探测
2.3.1 声波遥感
声波遥感是利用大气气象要素起伏对声波产生折射、散射、吸收和衰减的物理特性来推断和估计气象要素分布特征的大气探测方法。声波是机械波,其振动方向和传播方向一致,且频率较低。由于大气气象要素的起伏引起的声波的散射、吸收和衰减都比电磁波强得多,因此声波探测大气的优点是灵敏度高,缺点是声波在大气中传播时能量耗散大,探测高度受到限制,主要用于边界层探测。
因为声波在大气中传播速度仅是温度和风场特性的函数,所以所谓声波遥感,就是根据声波在大气中传播的散射特性和多普勒效应探测大气中的温度和风场特性。它具体有以下3方面的应用:(1)利用单点声雷达探测温度层结。对于单点雷达而言,天线是垂直安置的,发射、接收共用一个天线,则天线接收的是后向散射,散射系数只与温度的扰动项有关,所以可以根据声雷达探测到的回波功率随高度的分布特性来求得温度结构常数随高度的分布特性;
(2)利用多普勒声雷达测风。
利用天线接收的回波的多普勒信息探测风场分布

鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋
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