西北干旱区冬、夏季大气边界层结构对比研究

利用2006年6月28日至7月17日和2007年1月1日至1月10日敦煌加强观测期的探空资料,对比分析了位于西北干旱区的敦煌荒漠冬、夏季大气边界层的结构特征和变化规律。分析认为,该地区冬、夏季大气边界层结构一致,但夏季边界层的厚度明显大于冬季。夏季,白天对流边界层顶最高超过3 500 m,夜间稳定边界层的最大高度平均达到900 m左右,而冬季,对流边界层和稳定边界层日最大高度分别较夏季低约2 350 m和500 m,这说明西北干旱区夏季晴天的确存在极端深厚的大气边界层,但这种超厚大气边界层现象在冬季并不出现。冬、夏季大气比湿和风速在边界层的分布特征符合一般规律,夏季比湿普遍大于冬季,且夏季大气比湿随高度变化幅度明显大于冬季。冬季从地表开始就出现逆湿现象,夏季逆湿则出现在60~100 m高度范围内。冬、夏季白天与夜间的风速均能呈现出Ekman螺线特征,且夏季地转风风速值与地转偏差均远高于冬季。     

乌鲁木齐大气混合层厚度和稳定度与大气污染的关系

利用乌鲁木齐市4座10层100 m梯度气象塔2013年6月~2014年4月气象观测资料和7个环境监测站[WTBX]AQI[WTBZ]资料，计算并分析了大气混合层厚度和稳定度特征，探讨了大气混合层厚度和稳定度与污染的关系。结果表明：乌鲁木齐市混合层厚度夏季郊区高、城区低，冬季从南郊—城区—北郊随地势降低依次降低；夏季和冬季分别在1 559～1 772 m和526～1 156 m之间。地面至2 km以上每500 m高度间隔统计混合层厚度，500～1 000 m出现频率最多；月变化为6～9月基本在500 m以上，且每个高度区间其概率均超过10%，10月～次年2月1 500 m以上区间概率明显减小；日变化为中午13:00～16:00达到最高值，下午和傍晚迅速下降。白天较大的感热输送提供充足的热力条件，这也体现出白天以不稳定层结为主，夜间则以稳定层结为主。大气稳定度分类结果，夏季郊区和城区不稳定（A～C类）所占比例差不多，冬季北郊稳定（E、F类）所占比较最大、城区最弱。[WTBX]AQI指数冬季最大，从南郊—城区—北郊依次增大，这与采暖期污染物多、南郊比北郊地势高有利于扩散输送有关。总体来看，乌鲁木齐大气混合层厚度空间分布与气象要素、大气稳定度、地形等密切相关，对AQI[WTBZ]指数分布有重要影响，这对近地层大气污染状况预报有着重要的指导意义。     

民勤大气边界层特征与沙尘天气的气候学关系研究

 为了更好地理解西北干旱区大气混合层(ML)厚度的变化特征及其对当地沙尘气候形成的影响, 利用民勤2006—2008年3—6月逐日08时和20时探空资料、降水和日最高气温,计算和分析了最大混合层厚度、逆温层特征和垂直风场及其对沙尘气候形成的影响。结果表明,民勤沙尘天气的大气边界层有显著的昼夜变化,白天厚、逆温强而多;沙尘天气的最大混合层厚度在2 600 m左右,介于无降水与有降水天气之间;扬沙主要由锋面中的冷空气引起,而沙尘暴主要由低层风场的剧烈扰动和500 m以上高层冷锋入侵引起。沙尘暴发生前近地面风场有明显的扰动,沙尘暴发生时在500 hPa以下有显著的冷空气活动,白天较强。能见度小于100 m的强沙尘暴夜间风速大,冷空气较强。     

半干旱荒漠化草原春季边界层特征的一次综合探测

利用“沙尘气溶胶辐射模型及气候环境生态效应研究”项目加强观测期在二连浩特气象站进行的温、风、湿探空观测资料及架设在朱日和气象站的气象激光雷达资料,采用综合评定法分析了内蒙古半干旱荒漠草原地区大气边界层的厚度、结构特征和变化规律,同时利用气象激光雷达回波资料及气溶胶消光系数在垂直高度上的分布特征,确定了朱日和地区边界层的高度及日变化特征。结果显示,用探空资料综合评定得到的二连浩特地区大气边界层总体厚度偏大,边界层最大厚度达到2 300 m,稳定边界层高度在300 m左右;1 000 m附近为风向的转变高度,其下全为偏东风,其上全为偏西风,边界层风速切变较大;午后到夜间,近地层有东风急流出现,急流最强可达12 m·s-1,急流高度在300 m;在600 m高度附近出现逆湿,低层逆湿现象夜间比白天显著。气象激光雷达资料显示,朱日和地区春季晴日混合层最大厚度可达2 400 m,出现在16:00左右。     

洪河国家级自然保护区夏季晴天沼泽大气边界层温湿度变化特征

采用水平分辨率为0.5 km的WRF-CLM3.5中尺度数值模式,模拟研究了洪河国家级自然保护区及其周边地区(46.8°N~48.75N,132°E~135°E)2011年7月19~20日的大气边界层气温、相对湿度和风速的物理特征,以及2011年6月6~8日、7月18~20日和8月26~28日大气边界层高度的日变化特征。结果表明,WRF-CLM模式可以较精确地反映研究区沼泽及其周边农田的近地层气温和相对湿度的差异,与实际观测结果一致。在夏季晴朗的白天,湿地上空气温低于周边农田约1~3℃,相对湿度比周边区域高4%~8%;湿地上空呈现"冷湿岛"中心,相对湿度随高度先增加后降低,高度界线可达900~1 500 m;日落后,沼泽降温增湿作用逐渐削弱,0︰00~2︰00,沼泽与周边区域近地层都发展有较强的逆温层,厚度可达600 m,与之相对应的相对湿度则随高度的升高而降低,影响高度在400~800 m。夜间,沼泽近地层风速随高度的变化小于白天,低空风速小于高空风速;白天午后风速梯度最小,夜间逆温层顶出现低空急流中心。洪河国家级自然保护区大气边界层高度模拟结果显示,夏季沼泽区晴天大气边界层高度日变化曲线为单峰曲线,白天边界层发展高度大于夜间,最高值出现在13︰00左右,高度可达约1 900 m。     

塔中春季晴天近地层温度、湿度和风速廓线特征

利用最新安装的塔中"80 m观测塔梯度探测系统"资料,详细分析了塔中春季晴天近地层80 m高度内平均温度、湿度和风速廓线日变化分布特征,得出以下一些结果:(1)温度廓线有夜间辐射型、早上过渡型、白天日射型和傍晚过渡型四种.夜间近地层大气层结稳定,呈逆温特征;最强逆温出现在凌晨06时,此时,80 m高度温差为11.1 ℃.白天,近地层80 m内温度递减率在2.7～5.2 ℃/100 m之间,大气一直处于超绝热不稳定状态.(2)湿度廓线有日夜之分.夜间,30 m以下比湿随高度增高急剧变小,30 m以上比湿随高度增加而增大,大气呈逆湿特征.白天,比湿随时间一直逐渐变小.在近地层30～50 m之间有一个厚度约20 m的逆湿层,全天都存在.(3)风速廓线也有日夜之分.夜间稳定层结,廓线风速值以比对数关系更快的速度向上递增,曲线弯向风速轴.白天不稳定层结,廓线风速值以比对数关系较慢的速度向上递增,曲线弯向高度轴.只有在10 m以下高度,日夜间的风廓线近似遵循对数律关系.     

RAMS模式在山谷城市模拟性能的检验

 利用2005年冬季兰州边界层试验的观测数据,分别从边界层结构、近地面温度和风速、地表通量等几个方面检验了RAMS在山谷城市的模拟性能。RAMS模式能很好地捕捉边界层结构特征,模拟的白天混合层高度和夜间稳定边界层高度和观测值非常一致。模式能较好地模拟近地面温度和地表通量的日变化特征。对模拟偏差进行统计分析,结果显示RAMS对近地面温度和风速的模拟结果是可以接受的:近地面温度的平均偏差为-1.73 ℃,RMSE为2.16 ℃,风速的平均偏差为0.35 m·s-1,RMSE和RMSVE分别为1.61 m·s-1和3.15 m·s-1。研究表明,RAMS适合作为研究兰州山谷城市大气边界层的工具。     

中国西北干旱区沙尘暴源地风沙大气边界层特征

应用西北干旱区沙尘暴源地甘肃省民勤县1971-2008年共1 811个大风/沙尘暴个例的逐日08：00和20：00高空资料、降水、日最高气温以及沙尘暴实时资料,详细探讨了不同月份和季节干湿变化、沙尘暴强度、沙尘暴出现时间和持续时间的大气边界层垂直结构变化特征。结果表明：（1）沙尘暴发生时4-5月最大混合层较厚,在2 500 m以上;而强沙尘暴发生时6-7月较厚,7月最厚为2 530 m。3-8月沙尘暴发生时最大混合层厚度低于大风发生时的200～400 m;4-5月下午沙尘暴发生时最大混合层较深厚,在2 700 m左右。沙尘暴持续时间与最大混合层厚度成反比。（2）沙尘暴发生时扰动和锋面逆温频次多而强,扰动逆温明显较强,达2.5 ℃/100m,锋面逆温高度在700～1 000 m,扰动逆温高度在150～400 m之间;而大风发生时辐射和锋面辐射逆温频次多而强,强沙尘暴发生时锋面逆温明显较强,这说明沙尘暴多由风场的剧烈扰动和锋面过境引起。（3）白天800 hPa以上有干气层存在,夜间干暖和逆湿现象显著。近地层越干冷、西北风越强,强沙尘暴持续时间越长。     

东北高空湿度变化特征及其与地面气温和降水的关系

利用1971~2005年探空和地面观测资料,详细分析了东北地区高空比湿和相对湿度的时空变化特征,并探讨了比湿和相对湿度与地面气温、降水量的关系。结果表明：东北地区比湿空间分布主要受到水汽来源的影响,地面由东南向西北递减,高空由南向北递减;相对湿度受水汽、海拔高度和纬度的共同影响,地面和对流层下层由南向北先减后增,对流层中层由南向北递增,赤峰向通辽延伸的西南-东北向干舌地面最明显,随高度增加逐渐减弱。1971~2005年,东北地区比湿从地面到高空均为增加趋势,对流层中下层的增加趋势更加显著;相对湿度在地面呈显著减小趋势,对流层中层呈显著增加趋势。大气比湿与地面气温在年、季尺度上存在一致的显著正相关关系,大气相对湿度与地面气温在季节尺度上存在显著负相关关系;对流层中下层相对湿度与降水量相关最显著;地面气温升高对东北气候趋于干旱化起了重要作用,高空相对湿度增加有利于降水增加,气温与比湿的相互消长,影响了气候的干、湿变化。     

极端干旱荒漠地区大气热力边界层厚度研究

通过对以往一些野外观测事实分析,发现在极端干旱荒漠区的晴天热力大气边界层厚度远远超出了以往在其他地区发现的热力大气边界层厚度,由此提出了荒漠地区超常厚度大气热力边界层现象。并且,讨论了控制大气热力边界层形成和发展的主要物理因素,还对极端干旱荒漠地区这种超常厚度大气热力边界层现象进行了理论分析和解释,初步认为地表白天强烈加热和夜间快速冷却是极端干旱荒漠区出现超常厚度大气热力边界层的最根本原因。     

中国西北地区荒漠绿洲大气内边界层的数值模拟

本文用二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模拟了黑河地区绿洲和周围荒漠袒上垫面物理特征差异引起的内边界层结构。得到了绿洲上游荒漠至绿洲和从绿洲至其下游荒漠两重下垫在突变过程大气运动所产生的风速内边界层，温度内边界层和湿度内边界层的空间和时间特征及其这两种情况边界层的结构差异。     

北冰洋浮冰站大气边界层结构的观测研究

利用2003年8月23日-9月3日我国第二次北极科学考察队在北冰洋浮冰站探测的50次大气廓线及相关资料,对北冰洋的大气边界层垂直结构进行了研究。结果显示,观测期间北冰洋(78°N附近,143°-148°W)浮冰区白天的对流边界层高度大于夜间的稳定边界层高度。大气边界层可分为稳定型、不稳定型和多层结构等几种类型。个例分析表明来自高空较强的暖湿气流与冰面近地层冷空气强烈相互作用,会形成强风切变和逆温、逆湿过程,有时100m高度内的风切变达10m/s,逆温达8℃。此种过程会导致北冰洋高纬度地区的大块海冰破裂,形成新的无冰海域,加强了海/冰/气的相互作用。该观测事实将有助于进一步提高对北冰洋高纬度边界层特征及其影响的认识。     

敦煌和酒泉夏季晴天和阴天边界层气象要素特征分析

利用国家重点基础研究发展规划项目《中国西北干旱区陆-气相互作用观测试验》2000年加强观测期(2000年5月29日～6月9日)敦煌探空观测资料和国家自然科学基金重点项目《绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究》2004年加强观测期(2004年6月1日～7月16日)酒泉探空观测资料,分析了敦煌和酒泉地区夏季典型晴天和阴天天气下有关气象要素如风、温、湿的时空分布和变化特征,得到了以下结论:夏季,敦煌和酒泉地区大气边界层的东西分量风速(切变)晴天比阴天大;南北分量风速(切变)阴天比晴天大;东西分量风速(切变)比南北分量风速(切变)大。敦煌地区夏季晴天和阴天的风速比酒泉地区的大,但风速切变酒泉地区的要比敦煌地区的大。两地白天(晚上)的对流(稳定)边界层特征在晴天和阴天均很明显;阴天稳定边界层厚度和对流边界层的高度较晴天时的都低。比湿夜间比白天的大,阴天比晴天的大;在敦煌地区和酒泉地区都出现了逆湿现象;强逆湿主要出现在夜间,白天虽然也出现逆湿,但强度普遍较弱。     

Analyses of structure of planetary boundary layer in ice camp over Arctic ocean

The vertical structure of Planetary boundary layer over Arctic floating ice is presented by using about 50 atmospheric profiles and relevant data sounded at an ice station over Arctic Ocean from 22 August to 3 September,2003.It shows that the height of the convective boundary layer in day is greater than that of the stability boundary layer in night.The boundary layer can be described as vertical structures of stability,instability and multipling The interaction between relative warm and wet down draft air from up level and cool air of surface layer is significant,which causes stronger wind shear,temperature and humidity inversion with typical wind shear of 10 m/s/100 m,intensity of temperature inversion of 8 ℃/100 m.While the larger pack ice is broken by such process,new ice free area in the high latitudes of arctic ocean.The interactions between air/ice/water are enhanced.The fact helps to understanding characteristics of atmospheric boundary layer and its effect in Arctic floating ice region.     

河西走廊边界层高度与风沙强度的关系

以中国风沙高发区河西走廊为研究对象，应用河西走廊敦煌、酒泉、张掖和民勤4站2006—2017年逐日19：00每50 m加密高空资料和07：00规定层、特性层高空资料，分别采用平滑位温法、T-LnP法，统计分析了该区边界层高度的变化特征及其影响因子、边界层高度与风沙强度的关系，得出边界层高度与风沙强度成正比。进一步从地面风速、相对湿度、地气温差日变化得到春季午后风沙天气多发和强发的主要成因，得到了沙尘暴不同环流形势下的边界层高度持征，以及高空风速≥15 m·s^-1的最低高度与风沙强度的关系，从而为风沙天气预报提供技术帮助。结果表明：河西走廊年均边界层高度1 700~2 200 m，4—6月较高，在3 000 m以上，敦煌4—5月在3 500 m以上。边界层高度与最高气温、最低气温和0 cm最高地温较密切，与最高气温、极大风速成正比。边界层高度随着风沙强度的增强而增高，4月强沙尘暴和大风的边界层高度均大于3 100 m。春季风速随着风沙强度的增强而增大，最大风速集中时间在12：00—18：00，春季13：00—14：00风速最大、相对湿度最小、地气温差最大，因而也是风沙天气出现最多和强度最强的时段。沙尘暴持续时间越短，边界层越高，4—6月下午的沙尘暴较高，为2 800~3 100 m。沙尘暴不同环流形势的边界层高度中西风槽型整体较低；平直西风型4、6月和8月较高，均达3 100 m以上，8月为3 580 m；而西北气流型高于西风槽型，5—6月大于3 200 m。不同风沙强度高空风速≥15 m·s^-1的最低高度，冬春季较低，夏秋季高；浮尘较高为4 884 m，大风伴沙尘最低为2 471 m，大风沙尘暴07：00较19：00高600 m左右，明显较边界层高1 000~2 000 m。     

沙漠地区春季近地层气象要素分布规律的观测研究

利用2005年1月至2006年4月朱日和地区20 m气象塔的风向、风速、气温、相对湿度的观测资料,分析沙漠地区春季近地层气象要素的分布规律。结果表明: 春季温度回升,风速最大,相对湿度最小,利于起沙,故沙尘天气频繁。风速满足幂指数率分布规律,并且幂指数m能够很好的反映出风速梯度的变化情况;在沙尘暴、扬沙、背景、浮尘的天气条件下,春季近地面层风速梯度依次增大,湍流动量、热量交换系数依次减小;风向以西南为主。浮尘、扬沙天气各气层平均增温率分别大于或小于同时段的背景大气;沙尘暴期间温度下降,平均降温率为0.61 ℃\5h-1。春季相对湿度的平均递减率(递增率)与平均增温率(降温率)的大小正相关。浮尘天气相对湿度的平均递减率大于同时段的背景大气;扬沙天气相对湿度的平均递减率小于同时段的背景大气;沙尘暴天气相对湿度增大,平均增大率为2.80%\5h-1。     

北极扬马延岛大气边界层高度的气候特征分析

基于1973—2015年间的全球综合无线电探空资料(IGRA),采用总体理查逊数(Bulk Richardson Number)方法,分析了北极扬马延岛43年间的大气边界层高度变化特征,并对其多年月均大气边界层高度变化以及年均大气边界层高度变化进行深入分析探讨。结果显示,扬马延岛白天对流边界层高度高于夜晚稳定边界层高度,夏季多年月均大气边界层高度远低于冬春季节的高度,夏季平均高度仅为262 m,而冬春季节高度在600 m附近。大气边界层高度的变化与地面相对湿度的变化呈现较好的反相关关系。由于受到墨西哥湾暖流的影响,岛屿全年温差较小,夏季的相对湿度较大,导致潜热通量较多,抑制了边界层内的对流过程,造成夏季大气边界层高度较低。此外,其年均高度在1973—1988年间出现波动下降,而后在1988—1995年快速上升,最后于1995—2015年间变化平稳。