青藏高原东部与成都平原大气边界层对比分析Ⅱ——近地层湍流特征

利用中国气象局成都高原气象研究所设立在青藏高原东侧和成都平原的两个大气边界层观测站（理塘站和温江站）2007年2-4月获得的湍流观测资料,分析和比较了这两个地区近地层湍流平均场特征,湍流统计特征以及湍流通量变化特征,并对温江站能量平衡进行了初步的分析,得到了以下一些主要的结论：（1）理塘站和温江站风速均值分别为3．17m／s和1．57m／s,理塘站风向在各个方向都较均匀,温江站风向频率以东北风居多。理塘站温湿压都要低于温江站,且气温和气压的变化幅度均不如温江站明显。理塘站和温江站大气稳定度峰值分别位于±0．5和±1之间。（2）湍流在小于2m／s的风速环境中发展最为旺盛。随着风速的增大湍流强度减小迅速,U〉2m／s后湍流强度基本限定在0．5以内。理塘站湍流强度平均值分别为Iu=0．5453,Iv=0．5389,1w=0．1625;温江站分别为Iu=0．2809,Iv=0．2885,1w=0．1560。（3）两站无量纲化三维风脉动方差均符合Monin-Obukhov相似理论的“1／3”定律,其最佳通用相似函数在稳定和不稳定条件下都可以拟合得到。在近中性时,理塘站A=4．3,B=4．1,C=1;温江站A=2．0,B=2．1,C=1．2。（4）湍流通量都具有明显的日变化和季节变化特征。理塘站以感热为主,温江站则潜热占优势,但到4月份两者都基本相当。理塘站2月和3月动量通量要大于温江站,到4月逐渐接近。理塘站感热、潜热和动量通量平均值分别为52．28W／m^2,25．87W／m^2,0．076kg／（ms^2）,温江站分别为15．34W／m^2,36．65W／m^2,0．061kg／（ms^2）。（5）整个观测期间,温江站的能量闭合率约为82．5％,闭合差约为17．5％。     

青藏高原东南缘近地层微气象学特征对比分析

本文利用位于青藏高原东南缘的温江和大理大气边界层野外观测资料,对比分析了两站包括风温湿、辐射、湍流通量等在内的近地层微气象学特征,主要结果如下：（1）两站风速值均随着高度的增加而增大,但温江站冬季4～10 m风速在白天出现随高度减小的现象.温江站冬季以东北风为主,夏季以西北风和南风为主;大理站冬季以东南风为主,其次为西南风,夏季则以东风和东南风为主.两站近地层逆温和逆湿现象都非常显著.（2）同一季节温江站大气逆辐射和地表长波辐射大于大理站,向下短波辐射小于大理站.温江站地表长波辐射总是大于大气逆辐射,而大理站白天地表长波辐射大于大气逆辐射,晚上则相反.（3）温江站感热通量冬季大于大理站,夏季小于大理站,而潜热通量无论冬夏都要小于大理站.两站潜热通量均大于感热通量,并且大理站潜热通量月平均日变化值全天始终大于零.无论冬夏,温江站土壤热通量都要小于大理站,随着深度的增加两站土壤热通量均有位相上的延迟.     

宜昌冬季两次降水过程大气边界层的观测分析

利用宜昌2007年12月10-25日的加密观测资料,分析了两次低值系统经过宜昌时大气边界层的温湿风廓线结构及其日变化特征。结果表明：位温廓线具有明显的日变化特征,对流边界层在白天出现和发展,其高度可达600m,而稳定边界层在夜间出现和发展,其高度可达300m,降水会抑制对流边界层和稳定边界层的发展;湿度廓线结构及其日变化与对流边界层的发展有关,总体上湿度随高度减小,贴近地面的薄层湿度随高度减小较快,而混合层内湿度随高度变化较小,出现降水时,近地层的湿度有明显增加,大气边界层内湿度随高度快速平稳减小;风速廓线结构比较复杂,总体上风速随高度增大,在大气边界层低层有时会出现一个风速极大值,风速廓线没有明显的日变化特征,大气边界层内风向变化较大,但以偏东风为主。     

温江站夏季大气边界层垂直结构特征

利用温江观测站边界层塔和探空获取的观测资料,从地表物理量的日变化、边界层的垂直结构及逐日变化这些方面分析该站夏季边界层特征,得到以下结论:(1)地表各物理量都具有明显的日变化特征,呈现一峰一谷的演变状态,其中地表热通量、动量通量、气温以及风速的峰值皆出现在午后,谷值出现在凌晨,湿度与气温日变化是反位相的。(2)近地层低层大气气温在早晚时段,随高度的增加而上升,呈逆温状态;午间时段随高度的增加而下降。9 m以下大气在午后的比湿梯度最大。风速值随着高度的增高而增大,风切变随着高度的增高而减小。(3)探空观测的边界层垂直结构显示:夏季温江站早晚边界层大气层结稳定,而午后表现为典型的混合边界层特征。大气温/湿度差异随高度增长而降低,各个时次温/湿度的差异都主要集中边界层低层,越靠近地面大气温/湿度差异越突出。8:00的温度最低,14:00最高。14:00的大气比湿最小,2:00和20:00较大。近地层风速随高度增长较快,在离地2~300 m左右高度达到一个极值,4个时次的风速差异不大。(4)地表温度、短波辐射、感热通量对边界层的高度和降水都有一定的影响。     

温江站有无降水日的边界层特征对比分析

本文基于2016年6月21日~7月31日温江站边界层塔和加密探空观测获取的资料，对比分析了该站有雨日和无雨日的边界层大气特征，得到以下结论：1、温江站7月的降水量较多，降水时段以凌晨2:00~6:00居多，呈现典型的“夜雨”特征。2、边界层内大气各个气象要素场在有无降水日具有非常明显的差异，探空观测的低层大气表现为：无雨日白天边界层呈现典型的混合边界层特征。有雨日边界层大气温度总是小于无雨日，在极大值出现的午后时段二者的差值最大。有雨日近地层大气比湿在8:00、14:00和20:00三个时次都明显高于无有雨日，比湿日变化幅度低于无雨日。温江站边界层低层大气的风速总体较小，有雨日的风速明显大于无雨日。3、边界层塔观测显示：有雨日太阳短波辐射以及各个地表通量的极大值仅为无雨日的2/3左右。白天，有雨日的温度低于无雨日，日变化幅度比无雨日低3oC左右；夜间二者都呈现显著的逆温现象。有雨日白天比湿高于无雨日，夜间则低于无雨日，有无雨日比湿日变化幅度比无雨日少2g/kg；白天，有雨日风速日变幅也略小于无雨日，除了午后时段有雨日在凌晨2:00时还出现另外一个风速极大值点；有雨日的气压值总是略高于无雨日，白天的气压差值比夜间大。白天，有雨日各个地面观测量的极值出现时间总是略晚于无雨日1h左右。     

珠峰地区雨季对流层大气的特征分析

利用2007年7月中国科学院珠穆朗玛峰综合观测站的边界层塔、无线电探空和风温廓线仪观测资料,分析了珠穆朗玛峰地区雨季低层大气风温湿等特征.珠峰地区雨季近地层风速、风向、温度等有明显的日变化.近地层风的日变化有两个很明显的阶段,00:00～14:30受谷风的影响而刮偏北风,14:30～24:00受冰川风的影响以偏南风为主.白天的冰川风比夜间的谷风要强些.中午13:30在600m以下存在强水平风速垂直切变,这可能是珠峰地区发生降雨的重要原因之一.低空急流在夏季比较常见.对流层平均降温率为0.685K/100m.低层大气的相对湿度一般有两个峰值高度,最大值在4000m以下,第二峰值高度不固定,到16000m以后相对湿度超不过10%.各层大气的风速风向差别较大.     

塔克拉玛干沙漠北缘近地层气象要素变化特征

利用塔克拉玛干沙漠北缘哈德自动气象站2011年1~12月近地面层气象要素梯度观测资料,分析了该地区近地层风速、气温和相对湿度的日变化规律及四季廓线特征,并计算了哈德观测点大气稳定度和中性条件下的地表粗糙度。结果表明,哈德地区近地层0.5~10 m高度范围内气温、相对湿度和风速都呈现出明显的日变化特征。其中,风速为白天高、夜晚低,中午15:00各层风速均达到最大,凌晨04:00降至最低,其日变化幅度为1.1~1.7 m/s;14:00~15:00各层气温均为最大值,最低气温出现在05:00~06:00,昼夜温差大,最大温差为0.5 m处的16.5℃,下午17:00至次日09:00有逆温存在;相对湿度日变化在25%~55%之间,其变化规律与风速、气温的相反,凌晨06:00最大,下午15:00最低。哈德地区四季近地层风、温、湿廓线变化规律明显,14:00四季风速都呈指数形式增长,其中0.5~2 m间低层风速变化明显大于2~10 m间高层的变化;春、夏季气温主要以指数形式增长,冬季以线性增长为主,四季都有逆温存在;冬季的相对湿度明显大于其它季节。另外,哈德地区全年以东北风为主,2 m与10 m高度的主导风向一致,风频稍有差别。中性层结大气条件下的空气动力学粗糙度范围为1.42×10-11~1.7×10-3m,平均值为4.2×10-5m。     

湛江东海岛二月海陆风环流特征研究

利用2011年2月湛江东海岛风廓线雷达资料,系统分析了湛江东海岛2月平均风场特征及海陆风特征,结果表明:2月湛江东海岛150 m高度处以东偏北出现频率最大,在E、ENE和NE三个方位的风向出现频率之和为66.6%,偏西七个方位的风向出现频率之和仅为1%。以SSW方位为界,偏东风与偏西风的出现频率差异明显。各整点的月平均风速1:00—15:00变化较小,均在1 m/s左右波动;15:00—20:00风速及风速波动都较大,最大值出现在16:00时,为2.1 m/s。2011年2月中只有2日与14日两日符合海陆风日条件,两日共同海风时段为13:00—20:00,持续7 h;陆风时段为2:00—7:00,持续5 h。海风平均风速为2.1 m/s,陆风平均风速为0.8 m/s,海风平均风速明显大于陆风风速。海风与陆风环流垂直高度相差甚小,约1.2 km,风速随高度变化趋势均为先增后减;海风最大风速出现在750 m高度处,陆风出现在500 m高度处,500～750 m高度区间海风环流强度明显强于陆风环流。2 km之上为均匀一致的系统性西风环流。     

黄土高原半干旱区夏季晴天陆面特征模拟与观测对比分析

以甘肃定西为例,利用中尺度模式MM5模拟了黄土高原半干旱区夏季晴人的陆面特征,并与观测资料进行对比分析。结果表明,对气温、土壤热通量、辐射、感热通量的模拟结果与观测比较一致,而对比湿、地表温度、潜热通量的模拟结果与观测偏差稍大。夏季晴天,定西地区的地表温度日最高值出现时间较13最高气温出现时间早了3h,但两者日最低值出现时间相同;10cm深度处的土壤温度存在明显的日变化,而40、80cm深度处无明显的日变化;空气湿度较低,夜晚比湿的变化与露水的凝结量变化时间一致;土壤热通量呈典型的单峰型日变化特征,日最大值出现在13：00,与太阳短波辐射与地表反射辐射日最大值出现的时间相同;在半干旱区感热通量明显大于潜热通量,热通量以感热通量为主;边界层高度最高可达到2100m左右,比干旱区敦煌的低1000m左右。     

青藏高原东坡理塘地区近地层湍流通量与微气象特征研究

简要介绍青藏高原东坡理塘大气综合观测站长期观测试验,并利用2006年1、7月资料分别代表该站冬季和夏季,初步分析和比较该地区冬、夏季近地层微气象特征和湍流通最输送情况,得到了以下结论:(1)风、温、湿均表现出明显的日变化特征.冬季风速值平均大于夏季,风速极大值均出现在下午;冬季温度梯度早晚大,白天小,而夏季均较小;湿度梯度早晚大于白天.(2)中件条件下风速廓线对数关系表现为一条直线而非中件条件下略偏离对数关系,晚上均有逆温现象出现.在一定高度能观测到较弱的逆湿现象.(3)冬季以感热为主,潜热值较小,夏季以潜热为主,但感热也较大,且冬季通量值要远小于夏季;冬季动量通量平均大于夏季,二氧化碳通量远小于夏季;浅层(地面以下2和5 cm)土壤热通量也具有明显的日变化特征,白天从土壤吸收热量,夜间则放出热量.(4)地面热源强度具有显著的日变化特征:白天为强热源,夜间冷热源特征不明显.冬季和夏季全天平均表现为热源,但夏季强度远大于冬季,平均达到134 W/m2左右,冬季仪约35.3 W/m2.     

天津沿海地区测风塔不同高度风速特征

利用天津市东部沿海地区汉沽、大港测风塔2017—2019年观测数据,统计分析了测风塔不同高度风速的时间变化特征,对30～100 m风速与10 m风速的关系以及风切变指数的变化规律进行了探讨。结果表明：各个高度上风速均具有明显的季节变化特征,春季风速最大,且最易出现大风天气,平均风速、大风日数及大风强度均达到最高;夏秋季转换期风速最小。风速具有明显的日变化特征,午后各个高度的风速均达到最大值。相关分析表明,30～100 m风速与10 m风速表现出显著的正相关关系。各高度与10 m高度的风速之差、风切变指数呈现出相似的日变化特征,即午后海风盛行阶段两者均最小。此外,通过对比两个测风塔风速的变化特征发现,汉沽平均风速更大,大风天气发生频次更多,强度更强,且风速的日变化和海陆风变化特征更加明显。     

北京不同站点气象要素的日与月际变化特征分析

利用2010年北京市南郊观象台与门头沟自动气象站的逐时气象数据,研究分析了北京气温、土壤温度、风速和相对湿度的日与月际变化趋势特点。结果表明:1)虽然处于不同区域,但2个自动气象站所反映的气温、土壤温度、风速和相对湿度的日季变化特征基本一致。2)经过月平均化处理后,每个月中,气温日变化特征基本一致,均存在明显的正弦曲线变化,一天中含有一个峰值和谷值,气温高峰值出现在15:00-16:00,谷值则出现在06:00左右。气温高峰值不再出现在14:00的现象,可能与城市土地利用与人为活动有关。3)自动气象站点的气温月际变化基本呈高斯分布,7月份气温最高,1月份气温最低;且南郊观象台与门头沟自动气象站的月均气温的平均值差异不显著。4)浅层土壤温度的日变化特征与气温基本一致,随着土壤深度的增加,土壤温度的日变化曲线逐渐趋于平缓,深层土壤温度较稳定,日变化很小,接近于恒值。5)土壤温度月均值的最大值出现时间随深度增加而向后推移,浅层土壤最大值一般出现在7月,最小值一般出现在1月;地表温度变化幅度最大,达27.3℃。深层土壤温度最大值一般出现在8月,最小值一般出现在2月;80 cm变化幅度最小,只有6.9℃。6)南郊观象台和门头沟瞬时风速全年平均值分别为2.31 m/s、1.78 m/s,通常在14:00-18:00风速出现最大值。7)相对湿度最大值均出现在05:00-07:00,最小值均出现在12:00-15:00,日变化呈双峰型;月际变化为单峰双谷型;2010年南郊观象台和门头沟相对湿度全年平均值分别为51%、54%。     

积雪对玛曲局地微气象特征影响的观测研究

利用2011年12月至2012年3月中国科学院黄河源区气候与环境综合观测研究站提供的玛曲站的观测资料,通过对比分析三次积雪过程及其前期无雪时的近地层气象要素特征,研究了积雪对大气温度层结特征的影响。观测结果表明:降雪前降温较快,由冷空气过境引发的降雪过程可使2.35 m高处日最高、最低气温24 h降低10℃,雪后气温回升较慢,平均速率为2.5℃·d~(-1)。温度梯度值白天为负值、夜晚为正值,7.17 m以下温度梯度绝对值较大,平均为0.4℃·m~(-1),7.17~18.15 m温度梯度绝对值较小,其值不足0.2℃·m~(-1),到18.15 m绝对值减小到0.05℃·m~(-1);当地表有积雪覆盖时,早上温度随高度减小的变化趋势出现时间比无雪覆盖时落后1 h,傍晚温度随高度增大的变化趋势较之提前1 h出现。积雪可减小白天气温分布范围,第二次积雪过程由于风速较大减小较明显。除晴天11:00—16:00 4.2~7.17 m,积雪存在将减小各层温度梯度绝对值;晴天11:00—16:00 4.2~7.17 m温度梯度绝对值比2.35~4.2 m偏大,当有积雪覆盖时偏大幅度明显增大,出现这种异常主要是受4.2 m偏暖的影响,这种偏暖现象可能是由观测场内外下垫面植被覆盖不同而引起的温度平流所致,当风速较大时,将破坏这种平流作用,不同高度温度趋于一致。     

科尔沁草原高空风垂直结构气候特征分析

利用2008—2014年CFL20G风廓线雷达数据对科尔沁草原高空风场垂直特征进行研究。主要对高空三维风场季节变化的统计学特征、典型高度层上的变化规律及垂直高度上的日变化规律进行分析。分析发现:四季中高空20～40 m/s风速出现的频率最高,2900～18 000 m科尔沁草原高空以偏西风为主。垂直高度上水平风速呈一波一谷型变化,随着高度的增加,高层水平风速开始增大的时间有所推后。12 600 m及以下各层平均风速最小的季节为夏季,最大的季节为冬春两季;19 000 m平均风速最小的月份为12月,风速最大月份为8月。垂直速度在5100 m以下有明显日变化,1500 m和2900 m有较为明显的年变化,最大值出现在春夏交接的4—6月,最小值出现在12月,5100 m以上的垂直速度没有明显的年变化。     

海面与海岸陆面风速廓线特征

利用位于江苏海岸陆地的两座测风塔以及福建海面的一座测风塔气象要素资料,分析了这两种下垫面风速、湍流等要素的日变化规律及廓线特征,探讨了这两种不同下垫面特征导致的风力特征差异。结果表明:海岸陆面日最大风速出现时间较内陆滞后,最小风速出现时间与内陆相差不大,风速日变化位相随高度滞后,日振幅随高度减小,冬季70 m高度风速日变化特征与10 m高度风速日变化特征相反,夜间大于白天,说明冬季的过渡层转换高度低于夏季;海面风速的日变化位相、日振幅等特征随高度变化很小。两种下垫面的风廓线用对数律、指数律拟合的效果相当,海岸陆面的风廓线指数呈现的规律为离岸风组大于向岸风组,冬季大于夏季;海面风廓线指数呈现的规律则是向岸风组大于离岸风组,夏季大于冬季。     

WRF模式2m温度在山东预报效果的评估

利用山东省内123个国家气象站2017年11月至2018年2月逐时观测地面温度对WRF模式08：00和20：00起报的2 m温度进行检验,评估了预报时效为72 h的逐时温度与日最低（高）温度的预报效果并初步分析了个别站点大值误差成因。结果表明：WRF模式08：00起报2 m温度的准确率要高于20：00起报,白天预报的效果优于夜晚;鲁西北和半岛地区的2 m预报温度的平均绝对误差总体低于鲁中和鲁南地区,全省大部分站点负误差比例高于正误差比例;WRF模式对于日最高温度的预报效果优于日最低温度;模式地形高度误差造成泰山站2 m预报温度正误差较大,基于两种温度梯度方案对泰山站2 m温度进行订正,订正后的平均绝对误差总体下降,利用单一的温度梯度在有的预报时刻出现负的订正效果,利用随预报时刻变化而变化的温度梯度在各预报时刻订正效果更为稳定;泰安站出现焚风时2 m预报温度有较大负误差,这主要是受WRF模式泰山站地形高度误差影响;WRF模式在微山湖区域土地类型与真实土地类型存在差异是薛城站夜间2 m温度负误差较大的重要因素之一。     

激光雷达与微波辐射计联合观测大气边界层高度变化

为了研究苏州地区大气边界层结构的日变化及季节特征,利用2014年1—7月期间大气颗粒物激光雷达对苏州上空大气气溶胶进行了连续观测。选定2014年1月15日、3月16日、5月7日与7月22日全天的消光系数探测数据,通过优化后的梯度法得到了该地区的大气边界层高度,分析了其日变化特征,并分析了边界层高度与地表的温湿变化之间的相关性。结果表明除1月15日外,边界层的变化与地表温度存在明显的正相关,而与地表的相对湿度存在负相关。同时,对站点微波辐射计观测得到的温湿廓线与边界层内消光系数廓线进行了联合研究。研究结果表明,微波辐射计湿度垂直廓线与激光雷达消光系数廓线探测得到的边界层具有良好的一致性。     

河北地区边界层内不同高度风速变化特征

为了研究城市化进程对风速变化的影响,利用1971-2006年河北省境内邢台、张家口和乐亭3个探空站高空风观测资料和对应地面站风观测资料,统计分析了边界层内距地面10m、300m、600m、900m 4个高度的长期风速变化特征,比较了不同高度风速变化趋势的异同.分析结果表明:3站年和季节平均风速随着距地面高度的增加而变大,但最大的风速垂直递增率出现在从10m到300m之间;各站各高度层月平均风速具有明显的季节变化特征,春季风速最大,夏季较小;在近36年里,3站平均的地面(10m高)年和季节平均风速变化存在显著的减少趋势,300m以上各高度层平均风速一般也降低,但远没有地面明显;不同高度平均风速变化趋势的差异可能主要是由城市化以及台站附近观测环境的改变引起的,这使得地面风速明显减弱;但地面以上各层平均风速同样存在一定减弱现象,说明背景大气环流的变化也是地面风速下降的原因之一.     

郑州春季麦田小气候及地表辐射特征分析

利用郑州生态与农业气象站2008年4月份梯度和涡度观测资料,分析了郑州春季冬小麦田的小气候特征和地表辐射特征,结果表明:近地面层空气温度、湿度、风速和浅层土壤温度都具有明显的日变化特征.白天特别是日出后二氧化碳浓度逐渐减小,下午17时左右达到最小,以后又逐渐增大,最大值出现在早上7时左右.光合有效辐射的日变化曲线是个单峰曲线;地表净辐射不管是晴天还是阴天,其变化趋势都是一致的,也具有明显的日变化特征.     

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。