利用COSMIC/GPS掩星折射率资料研究海洋边界层高度的特点

利用2007—2012年的COSMIC(Constellation Observation System for Meteorology,Ionosphere and Climate)掩星折射率资料,研究全球海洋边界层顶高度的季节变化、年际变化和日变化的气候学特点。结果表明海洋边界层顶有明显的季节和年际以及区域变化特征。就年平均而言,全球海洋边界层顶的水平分布在南北两半球大致呈纬向对称分布,赤道地区的边界层顶最高;由赤道向南北两极边界层顶的高度逐渐降低,其中赤道地区平均高度约为3～3.5 km,副热带地区为2～2.5 km,中高纬度地区为1～1.5 km或以下。海洋边界层顶的日变化幅度较小,一般只有几十米到百米的变化范围,并且日变化特点随地区而有差异,有些地区的最高边界层顶出现在9—12时,另一些地区出现在15—18时。      

非定常过程对大气边界层的内参数和风廓线的影响

设大气中性、正压,用边界层运动方程的分析解,研究了当大气边界层顶风向随时间作周期变化而风速不变时,对大气边界层的内参数u_*/A(A为边界层顶风速)和角φ(地面风与边界层顶的风的夹角)的影响。当风向逆时针转动时,u_*/A增加,φ减少,反之亦然。方程的数值解亦得类似结果。因而在定常条件下,得出的大尺度模式中边界层参数化的结果应考虑非定常过程的订正。还分析了非定常过程对边界层风廓线的影响。     

水平平流与非定常过程对大气边界层内参数的影响

用正压、中性边界层运动方程的解析解,研究了边界层顶不同系统中,由于水平平流及风向变化,对大气边界层的内参数u*/a(a为边界层顶风速)和角ψ(地面风与边界层顶的风的夹角)的影响。结果表明,不仅风向变化对内参数有影响,而且即使风向不变,由于平流作用对内参数仍有影响。在正涡度系统中,u*/a增加,ψ角减小;反涡度系统中,结果相反。方程的数值解得到类似结果。因而大尺度模式中边界层参数化结果不仅应考虑非定常过程的订正,而且还必须考虑水平平流作用的订正。     

正压边界层中的风压场相互调整

本文考虑正压边界层顶的垂直质量输送,将边界层与自由大气联系起来,研究这两层之间的风压场的相互作用所得到定常状态下的风压场,并算得了边界层顶的垂直速度。这些结果与经典Ekman边界层是有明显区别的。     

华南地区对流层顶和边界层顶高度特征分析

利用华南地区14个站点2010年1月1日至2015年12月31日六年逐日的L波段探空资料,对华南地区对流层顶、边界层顶的时空分布特征及其高度的变化特征进行分析。结果表明,华南地区平均对流层顶高度5月最高,8月最低,对流层顶的变化与夏季风爆发的时间节点有较好的对应;平均边界层顶高度3月最高,8月最低,沿海站点与内陆站点边界层顶高度变化规律明显不同;华南地区四季的平均边界层高度的空间分布与对流层顶高度的空间分布反相,西沙上空与广西西北部两块区域始终存在极值中心。     

非定常,水平非均匀的正压EKman边界层的动力特征

除了动量的局地变化和水平平流之外,本文讨论了动量垂直输送和β-效应在均质正压的Ekman边界层中的作用。利用奇异摄动方法,得到了精确到O(R_0~2)的Ekman边界层中水平风场的垂直结构和边界层顶垂直速度的解析表达式,对解的非定常和水平非均匀特征作了定性讨论。用一迭加在均匀西风气流上的园形、定常涡旋场的定量计算表明,动量垂直输送和β-效应对Ekman边界层中水平风速分布、边界层厚度及边界层顶垂直速度均有明显的影响。     

边界层抽吸引起的旋转减弱

本文在边界层顶垂直速度正比于地转涡度和地转风速,并与下垫面粗糙度有关的前提下,研究了边界层抽吸引起的涡度变化,在圆对称气压系统内得到了不同粗糙度情况下的涡度场和气压场的变化速率,修正了经典理论的结果。在湍流交换系数是地转风速及高度的函数的前提下,推导了地形存在时边界层顶垂直速度的公式,并用来讨论地形存在时的旋转减弱问题。     

层积云覆盖的边界层数值模拟研究(Ⅰ):数值模式的建立

层积云是一种在湍流作用下形成的边界层云,在这种边界层中,层积云顶即边界层顶,云层和非云层耦合在一起,为了加深对这种层积云覆盖的边界层的理解,许多作者已经做了大量的野外观测和数值试验研究,然而在数值模拟研究中存在湍流和云物理模式相互脱节的现象,针对这种缺陷,本文在湍流控制方程组中引入云滴控制方程,发展了一个新的用于研究海区层积云覆盖的边界层的数值模式,所建模式具有如下特点：（1）实现了云物理模式与湍流模式的相互耦合;（2）实现了云滴分档凝结模式和三阶湍流闭合边界层模式相互耦合,利用所建模式对大涡模拟对比试验所采用的个例进行了数值模拟,数值模拟结果表明,该边界层模式能较合理地模拟海区层积云覆盖的边界层微湍流结构和云微物理过程。     

塔克拉玛干沙漠腹地夜间稳定边界层观测个例分析

利用塔克拉玛干沙漠腹地2016年7月13-14日和26-27日GPS探空和地面气象观测资料,分析了塔克拉玛干沙漠夏季晴天夜间各气象要素垂直廓线特征。结果表明:夜间(21:00至次日08:00,北京时,下同)稳定边界层的厚度达到240 m。残余混合层最大厚度与前一天对流混合层厚度相当,随时间推移其厚度到10:15损耗近三分之一,残余逆温层顶盖厚度达到400 m;在残余逆温层顶盖和稳定边界层顶附近有风速极大值出现,而07:15稳定边界层顶附近有低空急流发展,其最大风速达到10.8 m·s~(-1);夜间低空处比湿的变化趋势是先增后减小再增大的过程,其最小值为2.95 g·kg~(-1),出现在04:15的稳定边界层顶附近。残余混合层内比湿随高度略微增大;夜间逆温层对水汽通量有阻挡和聚合的作用,使其在稳定边界层顶和残余混合层顶附近出现极大值,并于07:15达到最大值。垂直水汽通量于04:15在残余混合层中下部做下沉运动、上部和残余逆温层顶盖中做上升运动;同时,夜间陆面过程中,存在较强的辐射冷却和较小的摩擦速度,这也是形成较为浅薄的夜间稳定边界层主要的热力因素和湍流动力因素。     

自由对流与稳定层结边界层风廓线的解析表达和边界层顶抽吸速度

基于近年来对自由对流和稳定边界层湍流交换特征的研究,求解边界层运动方程,得到这两种层结下边界层风的解析表达式.所得廓线与边界层特性参数符合观测特征.还求出了这二种层结下边界层顶抽吸速度的解析表达及其与某些参数的关系.结果表明,抽吸速度与层结有关,其特征可从物理上加以解释.     

论大气边界层的局地相似性

本文利用日本气象厅研究所在筑波市213m气象塔1983年观测的湍流资料验证了大气边界层的局地相似性,求出了相似性函数的经验常数.进一步建立了局地湍流统计量同近地面层和边界层顶湍流通量之间的关系.     

BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估

以北京市观象台2010年8月、2011年8月每日3次 (08:00, 14:00, 20:00,北京时,下同) L波段探空秒间隔数据为实况,对BJ-RUC系统 (rapid updated cycle system for the Beijing area) 分析和预报边界层性能进行了初步评估。结果表明:BJ-RUC系统对北京地区夏季白天边界层的细致特征具有较好的预报能力,但也存在明显的系统性误差。08:00边界层偏冷; 14:00和20:00 1 km以下的边界层则显著偏暖, 边界层内明显偏湿。整体上模式对边界层内温度、湿度的预报误差均高于自由大气。该系统对北京地区边界层内早晨 (08:00) 从夜间山风向白天谷风环流过渡、午后 (14:00) 到日落后 (20:00)1500 m以下盛行西南偏南气流的日变化特征具有较强的预报能力。系统预报的14:00边界层顶高度与评估时段内实际对流边界层高度的变化趋势一致。但预报的对流边界层顶偏高,这与BJ-RUC系统采用YSU边界层参数化方案的垂直混合更强有关。     

冷空气过程对黄海东海区域海洋大气边界层结构影响的个例分析

利用一次冷空气过程的14组GPS探空数据,采用位温梯度法确定了冷空气过境前后大气边界层高度,并分析了冷空气过程对大气边界层结构的影响。结果表明：冷锋过境加大了海洋大气边界层的静力不稳定度,使边界层内对流活动增强,且锋面过后距离锋面越近的区域边界层的静力不稳定度越大;冷锋过境使边界层的平均高度升高,边界层顶处逆温梯度增大。结合ERA-Interim再分析资料,分析认为大气边界层高度与静力稳定度（海气温差）存在显著的正相关关系（相关系数达0.73）,海气温差越大,大气边界层高度越高。     

干湿地表的湍流特征及其对深对流影响的大涡模拟

利用大涡模式模拟了对流边界层结构演变以及深对流触发过程。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。由于地表感热通量对热力湍流形成的作用更大,干旱下垫面上湍流混合和夹卷作用更强,使得水汽和相当位温在边界层内分布更均一,而在边界层顶有较大的负扰动;干旱下垫面上对流强度较湿润下垫面大,但均表现为泡状对流,水平方向上呈网状结构。不同下垫面上深对流的发生与大气初始状况有关,当初始时刻1—3 km的逆温强度较弱时（0.15 K/（100 m））,边界层内湍流迅速发展,深对流首先在干旱下垫面发生,但因对流有效位能较小,云层厚度小于湿润下垫面。当1—3 km的逆温强度增加到0.55 K/（100 m）时,云层形成时间较晚,云层厚度明显减小,仅当边界层顶的比湿较大时,有深对流发生,但仍首先发生在干旱下垫面,考虑贯穿对流在边界层顶引起的较强冷却作用,云层厚度大于湿润下垫面。      

南京冬季雾多发期边界层结构观测分析

2006年冬季在南京北郊盘城利用系留气球探测系统、自动气象站等仪器对雾日和非雾日的边界层进行了监测,对比分析了两者的边界层结构。结果表明,非雾日主要为单层贴地逆温,并时常出现短时的双层结构,雾发展成熟时逆温则脱离地面。与非雾日相比,雾日平均雾顶之上温度日较差增大,雾顶之下则减小。平均风速的时间—高度分布在雾日和非雾日类似,在稳定性边界层中风速随高度出现一个或者两个极大值区。温度和比湿在非雾日没有显著的对应性,而在雾体内具有较好的对应关系,在雾顶升降过程中反相关。较强的逆温、较低的温度和较小的近地层风速是南京冬季成雾的背景条件。     

二维正方晶格光控太赫兹波调制器

2006年冬季在南京北郊盘城利用系留气球探测系统、自动气象站等仪器对雾日和非雾日的边界层进行了监测,对比分析了两者的边界层结构。结果表明,非雾日主要为单层贴地逆温,并时常出现短时的双层结构,雾发展成熟时逆温则脱离地面。与非雾日相比,雾日平均雾顶之上温度日较差增大,雾顶之下则减小。平均风速的时间—高度分布在雾日和非雾日类似,在稳定性边界层中风速随高度出现一个或者两个极大值区。温度和比湿在非雾日没有显著的对应性,而在雾体内具有较好的对应关系,在雾顶升降过程中反相关。较强的逆温、较低的温度和较小的近地层风速是南京冬季成雾的背景条件。     

基于风廓线雷达的广东登陆台风边界层高度特征研究

针对8个登陆广东省的热带气旋,利用经过数据质量控制的风廓线雷达连续、高时空分辨率的风场观测数据,对热带气旋边界层特征进行了分析。研究结果表明:热带气旋边界层中切向风速大值区垂直范围越大、风速越强、持续时间越久,则热带气旋强度越大、登陆后强度维持时间越久。眼区外入流层厚度越大,入流层气流越强,热带气旋登陆后强度维持时间则越久。风廓线雷达信噪比垂直梯度对大气湍流信息有一定的指示作用,对于入流层高度在2000 m以下的热带气旋,其入流层顶所在高度与信噪比梯度最大值所在高度相近,对于入流层较为深厚的热带气旋,用信噪比垂直梯度确定的边界层高度虽接近入流层顶高,但仍有一定差距。不同特点的热带气旋其边界层高度并不相同,对于登陆后强度迅速减弱的热带气旋边界层高度在500~1000 m;登陆后强度持续时间短的热带气旋,其边界层高度约1000~2000 m;登陆后强度持续时间长的热带气旋,其边界层高度在2000 m之上,最高可达5000~7000 m。这些结果加深了对登陆台风边界层高度演变特征的认识。     

边界层摩擦和地形对斜压波不稳定性的影响

本文用新的边界层顶垂直速度参数化方案研究了当地形和边界层摩擦同时存在时二者对Eady波不稳定性的影响,得到了边界层层结、地面粗糙度、地形坡度的影响,还研究了摩擦和地形对一般化Eady波不稳定性的影响。     

自由大气非定常扰动对大气边界层的内参数的影响

本文用大气边界层运动方程的数值积分方法,研究了当自由大气(边界层顶)风作非定常的周期扰动时,对非中性层结的大气边界层的内参数u*/G(u*为摩擦速度,G为自由大气风速)和角α(地面风与自由大气风向的夹角)的影响。并将其结果与中性层结大气边界层的相应结果作了对比。最后对斜压大气情形也作了相应讨论。说明了大尺度模式中边界层的参数化的结果应考虑层结、斜压性与非定常过程的共同作用。     

关于行星边界层顶现象

近些年,我国气象工作者从不同角度发现,离地面1000—2000米存在一系列重要现象,如低空逆温、低空急流和低空活跃层。本文把这些现象联系起来,说明它们都是一种行星边界层顶现象,是行星边界层和自由大气大尺度运动相互作用的结果。由于行星边界层顶是对流层大气中的最活跃层,其变化特征对暴雨、强雷暴及寒潮等灾害性天气有显著的预兆性,故研究这层大气的演变规律,不仅有理论意义,而且对于短期天气预报也是需要的。 。