刘鴻波等:低空急流的研究进展与展望 中尺度不稳定扰动。而 Lemaitre等(1990)也表明时,大多数情况下是由于伴有雷暴或锋面云系所致 伴有低空急流事件的基本气流可以产生斜压对称不 Taubman等(2004)利用2002年8月14日的飞机 稳定,从而在倾斜运动过程中生成狭窄的中尺度不观测资料对美国东北部地区及大西洋沿岸中部地区 稳定带。张文龙等(2003)对中国西南低空急流左前连续多天的雾霾及臭氧事件进行了研究,资料包含 方和高空偏北大风轴右后方的惯性稳定性及对称稳了新罕布什尔州至马里兰州固定高度上的污染气体 定性进行了理论分析及实例计算,结果表明,低空急路径、颗粒物大小分布、颗粒物光学特征等,结果表 流左前方惯性稳定度大值区的存在有利于低层湿热明,阿巴拉契亚山脉背风低压槽及低空急流分别于 能量的积累,使低层倾斜对流的不稳定发展更多期白天及夜晩增进了当地西风气流的南风分量,从而 望于条件性对称不稳定或对流不稳定,从而促进强使得来自中西部工业地区的污染气体在东部的海氵 降水事件的发生。 城市通过湍流作用进行了混合,加重了该地区的 低空急流是降水事件重要的水汽输送通道染程度 ( Findlater,1969; Saulo,etal,2007)。 Roads等4.3风能利用 (1994)的研究发现,在美国的大多数地区根据模式 低空急流由于具有强劲的风速和显著的垂直与 所计算的水汽通量散度与实际降水存在着很强的相水平风速切变,因此其对于风能的采集及风机的保 关,而这一现象可能主要是由于低空急流的水汽输护均具有重要的意义。鉴于目前对可再生能源尤其 送过程所致。 Higgins等(1997)进一步利用实际观是风能的大量潜在需求,美国能源部于2003年开展 测资料和高时空分辨率资料同化数据集对美国中部了一项名为 Lamar的低空急流研究计划,其目的是 地区夏季的降水及水汽输送状况进行了研究,结果准确认识低空急流参数、潜在风能以及风机涡轮所 表明,美国大平原地区的低空急流对于整个夏季的在高度的边界层湍流结构,从而提高对美国大平原 水汽收支具有极其重要的影响,低空急流使得由墨地区夜间低空急流的风能利用效率( Kelley,etal, 西哥湾吹向内陆地区的低层水汽入流量相对于夜间2004)。Roy等(2004)利用区域大气模拟系统 平均值而言增加超过45%。 Arritt等(1997)针对美即数值模式RAMS,对大型风电场及局地气候的关 国大平原地区1993年暖季低空急流的研究表明,强系进行了研究,并指出风电场的存在会极大地降低 烈的低空急流事件与1993年6月下旬及7月上旬轮毂高度处的风速强度,同时由螺旋桨旋转造成的 严重洪涝灾害过程中的强降水落区具有很好的对应涡旋将增强垂直方向上动量、热量及水汽的混合,导 关系。 致更暖更干的地表空气并降低地面的感热通量,进 4.2空气污染 而影响低空急流对于局地气候的作用效果,这种影 低空急流,尤其是地面以上至200m高度所形响在清晨最为显著,因为此时边界层状态稳定且由 成的急流事件严重影响着地表至急流高度范围内的夜间低空急流的作用轮毂高度处的风速也最为强 风速垂直切变状况,进而控制着陆面与大气的污染劲。 Storm等(2008)针对低空急流与风能利用关系 物交换过程并对该地区的空气污染程度起着决定性的研究指出,美国大平原地区长期存在的夜间低空 作用。随着城市化进程的不断加快以及人们对环境急流使得该区域十分适合风能的采集与利用,同时 关注程度的增加,有关低空急流与空气污染关系的低空急流也会对风机轮毂高度处的垂直风速切变及 研究于近些年逐渐兴起。例如, Banta等(1998)指湍流过程产生重要的影响,从而对风机转子的安全 出夜间低空急流的输送作用对于城市地区持续多天运行形成严重的危害。因此,对于低空急流的认识 的空气污染事件具有重要的作用。Ryan(2004)对和理解将在很大程度上决定人们对于风能资源的精 美国大西洋沿岸中部地区臭氧状况的研究指出,当确评估、风电场发电量的准确预报以及风机设计的 低空急流事件发生时臭氧体积份数将会显著增大并工程考量 可以达到82.5×10-的平均峰值水平,这其中有4.4航空安全及其他领域 44%的时间超过橙色警戒线(85×109),而22%的 Lau等(2003)利用多普勒雷达对香港机场的飞 时间则可以达到红色警戒线(105×10-3)以上的水机起降状况与低空急流的关系进行了研究,结果表 平,当西南低空急流与高臭氧浓度的相关关系较弱明,如果飞机在初始爬升阶段以较大角度进入低空中尺度不稳定扰动。而 Ｌｉｍａｉｔｒｅ等（１９９０）也表明 伴有低空急流事件的基本气流可以产生斜压对称不 稳定，从而在倾斜运动过程中生成狭窄的中尺度不 稳定带。张文龙等（２００３）对中国西南低空急流左前 方和高空偏北大风轴右后方的惯性稳定性及对称稳 定性进行了理论分析及实例计算，结果表明，低空急 流左前方惯性稳定度大值区的存在有利于低层湿热 能量的积累，使低层倾斜对流的不稳定发展更多期 望于条件性对称不稳定或对流不稳定，从而促进强 降水事件的发生。 低空 急 流 是 降 水 事 件 重 要 的 水 汽 输 送 通 道 （Ｆｉｎｄｌａｔｅｒ，１９６９；Ｓａｕｌｏ，ｅｔａｌ，２００７）。Ｒｏａｄｓ 等 （１９９４）的研究发现，在美国的大多数地区根据模式 所计算的水汽通量散度与实际降水存在着很强的相 关，而这一现象可能主要是由于低空急流的水汽输 送过程所致。Ｈｉｇｇｉｎｓ等（１９９７）进一步利用实际观 测资料和高时空分辨率资料同化数据集对美国中部 地区夏季的降水及水汽输送状况进行了研究，结果 表明，美国大平原地区的低空急流对于整个夏季的 水汽收支具有极其重要的影响，低空急流使得由墨 西哥湾吹向内陆地区的低层水汽入流量相对于夜间 平均值而言增加超过４５％。Ａｒｒｉｔｔ等（１９９７）针对美 国大平原地区１９９３年暖季低空急流的研究表明，强 烈的低空急流事件与１９９３年６月下旬及７月上旬 严重洪涝灾害过程中的强降水落区具有很好的对应 关系。 ４．２ 空气污染 低空急流，尤其是地面以上至２００ｍ 高度所形 成的急流事件严重影响着地表至急流高度范围内的 风速垂直切变状况，进而控制着陆面与大气的污染 物交换过程并对该地区的空气污染程度起着决定性 作用。随着城市化进程的不断加快以及人们对环境 关注程度的增加，有关低空急流与空气污染关系的 研究于近些年逐渐兴起。例如，Ｂａｎｔａ等（１９９８）指 出夜间低空急流的输送作用对于城市地区持续多天 的空气污染事件具有重要的作用。Ｒｙａｎ（２００４）对 美国大西洋沿岸中部地区臭氧状况的研究指出，当 低空急流事件发生时臭氧体积份数将会显著增大并 可以达到 ８２．５×１０－９ 的平均峰值水平，这其中有 ４４％的时间超过橙色警戒线（８５×１０－９），而２２％的 时间则可以达到红色警戒线（１０５ ×１０－９）以上的水 平，当西南低空急流与高臭氧浓度的相关关系较弱 时，大多数情况下是由于伴有雷暴或锋面云系所致。 Ｔａｕｂｍａｎ等（２００４）利用２００２年８月１４日的飞机 观测资料对美国东北部地区及大西洋沿岸中部地区 连续多天的雾霾及臭氧事件进行了研究，资料包含 了新罕布什尔州至马里兰州固定高度上的污染气体 路径、颗粒物大小分布、颗粒物光学特征等，结果表 明，阿巴拉契亚山脉背风低压槽及低空急流分别于 白天及夜晚增进了当地西风气流的南风分量，从而 使得来自中西部工业地区的污染气体在东部的海滨 城市通过湍流作用进行了混合，加重了该地区的污 染程度。 ４．３ 风能利用 低空急流由于具有强劲的风速和显著的垂直与 水平风速切变，因此其对于风能的采集及风机的保 护均具有重要的意义。鉴于目前对可再生能源尤其 是风能的大量潜在需求，美国能源部于２００３年开展 了一项名为 Ｌａｍａｒ的低空急流研究计划，其目的是 准确认识低空急流参数、潜在风能以及风机涡轮所 在高度的边界层湍流结构，从而提高对美国大平原 地区夜间低空急流的风能利用效率（Ｋｅｌｌｅｙ，ｅｔａｌ， ２００４）。Ｒｏｙ等（２００４）利用区域大气模拟系统——— 即数值模式 ＲＡＭＳ，对大型风电场及局地气候的关 系进行了研究，并指出风电场的存在会极大地降低 轮毂高度处的风速强度，同时由螺旋桨旋转造成的 涡旋将增强垂直方向上动量、热量及水汽的混合，导 致更暖更干的地表空气并降低地面的感热通量，进 而影响低空急流对于局地气候的作用效果，这种影 响在清晨最为显著，因为此时边界层状态稳定且由 于夜间低空急流的作用轮毂高度处的风速也最为强 劲。Ｓｔｏｒｍ 等（２００８）针对低空急流与风能利用关系 的研究指出，美国大平原地区长期存在的夜间低空 急流使得该区域十分适合风能的采集与利用，同时 低空急流也会对风机轮毂高度处的垂直风速切变及 湍流过程产生重要的影响，从而对风机转子的安全 运行形成严重的危害。因此，对于低空急流的认识 和理解将在很大程度上决定人们对于风能资源的精 确评估、风电场发电量的准确预报以及风机设计的 工程考量。 ４．４ 航空安全及其他领域 Ｌａｕ等（２００３）利用多普勒雷达对香港机场的飞 机起降状况与低空急流的关系进行了研究，结果表 明，如果飞机在初始爬升阶段以较大角度进入低空 刘鸿波等：低空急流的研究进展与展望 ２０１