华东区域夏季行星边界层大气稳定度的气候特征及其与气溶胶的联系

利用1979-2008年夏季（6—8月）逐日NCEP／NACR再分析资料、MODIS卫星的气溶胶资料等,研究了华东区域夏季行星边界层大气稳定度的气候特征与年际变化,分析了大气稳定度和相应的加热场与气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）的联系。结果表明：华东区域夏季行星边界层大气稳定度在空间上分布不均匀,时间上具有明显的年际变化。边界层中的非绝热加热率、大气稳定度及气溶胶光学厚度三者之间可能存在密切联系。利用经验正交函数分析了华东区域总体理查森数Rib的距平场,得到了边界层稳定度分布的3个主要模态,这3个模态所代表的边界层大气稳定度异常与夏季风环流异常密切相关,特别是P-J型遥相关波列和西太平洋副热带高压在中国东部大气边界层稳定度变化中可能起着非常重要的作用。     

气溶胶辐射效应对边界层结构及夹卷特征影响的观测分析

2017年12月22日至2018年1月18日利用无人机携带温、湿和颗粒物浓度探测仪对南京地区灰霾污染条件下大气边界层垂直结构开展加密观测。通过比较不同灰霾污染条件下温度、湿度和PM_2.5（直径小于2.5微米的颗粒物）浓度的垂直结构差异,结合地面热通量、2米空气温度、相对湿度、风速、风向及主要大气污染物（如臭氧和PM_2.5）浓度,定量评估了气溶胶辐射效应对边界层和夹卷过程的影响。分析表明,灰霾或气溶胶削弱到达地表太阳辐射,减小地表感热通量,延迟边界层发展,增加近地层大气稳定度,降低边界层高度,并加重灰霾污染。灰霾污染物在混合层顶处累积,导致PM_2.5浓度最大变化出现在边界层顶部而不是近地层。气溶胶辐射效应对夹卷特征及其特征参数有重要影响。灰霾浓度升高时,夹卷区厚度增加;无量纲化夹卷速度随对流理查逊数的变化不再符合负1次方幂函数关系,与大涡模拟结果一致。本研究进一步指出,为提高重霾污染条件下天气和空气质量数值预报水平,必须考虑气溶胶辐射效应对边界层和夹卷参数化的影响。     

新书架

中国北方沙尘暴研究牛生杰著该书内容涉及：沙尘暴发生频次的时空分布及其变化趋势;沙尘暴热力、动力结构及近地层要素变化特征;沙漠地区的大气扩散规律和边界层结构以及起沙通量模型;沙尘气溶胶微结构;沙尘气溶胶光学特性反演及其辐射模型;沙漠地区云凝结核、冰核的时空分布规律及其对云和降水的影响。该书适用于大气物理学、大气化学、大气环境、     

云凝结核浓度对不同强度南海热带气旋强度影响的个例模拟研究

利用云分辨天气研究和预报模式（CR-WRF）模拟在清洁大气和污染大气下,气溶胶的云凝结核作用对不同强度南海热带气旋（TC）的强度变化影响,对比分析了动力结构和微物理结构的变化。(1)在污染大气环境中,更多气溶胶能进入到弱TC内部云带区,并充当凝结核作用,TC内部各相态水凝物含量都有明显增多, 释放潜热有利于TC内部的对流发展,弱TC中心海平面气压下降,强度加强。（2）在污染大气环境中,气溶胶主要影响强TC的外部螺旋云带区;外部云带区各相态水凝物增多,释放潜热有利于该处对流的发展;外部云带区对流与云墙区内对流形成竞争,导致入流减弱,云墙区内上升运动减弱,强TC中心海平面气压上升,强度减弱。      

复杂地形城市冬季边界层气溶胶扩散和分布模拟

着眼于城市冬季气溶胶扩散特征问题,针对地形复杂的兰州市及周边地区,开发了WRF模式,使之与包含了大气气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的综合大气边界层数值模式嵌套,以模拟城市冬季边界层气溶胶的扩散和分布规律。通过一个个例的模拟结果分析,揭示了兰州冬季气溶胶的扩散分布的如下特征;市区盆地内100 m以下存在东、西两个浓度高值中心,中心值为0.6~3.0 mg.m-3,往上浓度递减,1000 m高度处仅为0.02 mg.m-3。受排放源强、源高、气象场等因素的共同影响,白天盆地内气溶胶浓度随高度和时间的变化强烈,白天浓度随时间最大变化幅度为1.0 mg.m-3。气溶胶输送扩散高度可达到600~800 m,此高度以上浓度值很小。代表性测点上模拟的气溶胶浓度廓线表明,中午浓度达到最高,垂直扩散最强。这些结果与以往的烟雾层高度观测和气溶胶光学厚度观测结果吻合。夜间,盆地内气溶胶浓度随高度和时间的变化减弱,气溶胶输送扩散高度在400~500m,夜间浓度随时间变化平均幅度为0.05 mg.m-3。     

干旱区一次春季沙尘过程的大气气溶胶垂直分布结构及其特征

采用微脉冲激光雷达(Micro-Pulse Lidar,MPL)对干旱荒漠代表站张掖站上空一次春季沙尘暴过程的边界层和自由大气的气溶胶分布和大气环境进行了观测。结果表明,气溶胶的垂直廓线可分为高、中、低3层,高层气溶胶出现在5～9km,主要是通过上风方向的高海拔区域或低层气溶胶通过对流等过程突破边界层顶进入自由大气输送而来,其分布高度在一天中随着时间的推移逐渐降低;中层气溶胶位于2.5～4.5km,其消光特性随高度的增加没有明显的变化,具有垂直混合现象;低层气溶胶在2.5km以下,其消光特性随着高度增加反而降低;中、低层气溶胶主要来源于外部源区或当地沙尘源区和沙壤土起沙。气溶胶垂直分布表现出3种形式:在大气稳定条件下,气溶胶随高度增加呈单峰型减小趋势;不稳定条件下随高度增加指数型降低;混合层中随高度增加而保持稳定。由于受边界层日变化的影响,气溶胶分布的上界出现单峰型日变化特征,具体表现为下午较高,早晨较低。     

夏半年成都边界层风场与四川盆地暴雨的关系

本文分析了四川盆地５个测站边界层风场的变化及其与暴雨天气的关系。结果表明，成都边界层风场变化表现出明显的规律性，０，３００，６００和９００ｍ高度平均风场主要为东北风和西南风交替出现；成都边界层风场的这种变化与其处于青藏高原边缘和四川盆地特殊地形环境有直接关系；并且当成功边界层平均风为东北风时，四川盆地未来产生暴雨天气；当为西南风时无降水天气。这种与高原盆地地形相关的边界层动力激发作用是四川盆地暴雨     

30年来我国大气气溶胶光学厚度平均分布特征分析

利用北京等46个甲种日射站1961～1990年逐日太阳直接辐射日总量和日照时数等资料,反演了30年来各站逐年、逐月0.75μm大气气溶胶光学厚度(Aerosol OpticalDepth,简称AOD)平均值,分析了我国大气气溶胶光学厚度的年、季空间分布特征和年代际之间的变化.结果表明:我国大气气溶胶光学厚度的多年平均分布具有典型的地理特征,除个别大城市外,100°E以东,AOD以四川盆地为大值中心向四周减少;100°E以西,南疆盆地为另一个相对大值中心.气溶胶光学厚度的各季分布具有各自的特征.20世纪60年代,我国大气气溶胶光学厚度的平均分布特征是以四川盆地和南疆盆地为两个大值中心向四周减少;70年代,绝大多数地区AOD值增加,其中从四川盆地到长江中下游地区以及华南沿海等地,AOD增加较为明显,AOD的分布和60年代较相似;到80年代,我国大范围地区AOD继续呈增加趋势,其中长江中下游地区,AOD增加相当明显,气溶胶光学厚度的分布发生了一定的变化.     

基于激光雷达资料的气溶胶辐射效应研究

利用新型激光雷达气溶胶探测资料及综合数值模式,以地形复杂的兰州市及周边地区冬季典型天气形势下的大气边界层为研究对象,通过理想试验模拟研究了城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用。结果表明:夜间,低空(50~600 m)气溶胶所在气层冷却效应明显,温度降低0.13~0.18℃,600 m高度以上,气溶胶浓度较低,其冷却效应较小,温度降低不足0.1℃;白天,受气溶胶短波辐射效应影响,边界层内增温明显,增温最大值位于低层脱地逆温层顶300 m高度附近,600 m以上由于气溶胶浓度减小,加热率亦降低,增温由0.2℃减至0.1℃。此外,气溶胶的存在使得所在层的风速降低。可见,激光雷达探测资料在边界层模式中有很好的应用价值,对于研究气溶胶辐射效应的大气边界层响应有重要意义。     

盆地绿洲边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．5非静力平衡模式,通过三重嵌套的降尺度方法,没计理想化的圆形盆地地形和绿洲,模拟研究了盆地绿洲环流及边界层特征。发现盆地感热随地形高度而变化潜热随地形高度没有变化,仅与下垫面特征有关。盆地绿洲感热小,潜热大,绿洲气候效应明显。盆地绿洲形成的环流与地形环流一致,这有利于加强地形环流。但地形形成的环流强度比绿洲环流要弱得多。盆地绿洲对大气边界层的湿度影响很明显。绿洲的水汽输送通过地形下沉气流加强,使山谷绿洲的气候效应得到加强。结果表明,盆地绿洲由于其地形环流与绿洲环流一致,故使绿洲效应加强。     

Simulating Aerosol Optical Depth and Direct Radiative Effects over the Tibetan Plateau with a High-Resolution CAS FGOALS-f3 Model

Current global climate models cannot resolve the complex topography over the Tibetan Plateau (TP) due to their coarse resolution. This study investigates the impacts of horizontal resolution on simulating aerosol and its direct radiative effect (DRE) over the TP by applying two horizontal resolutions of about 100 km and 25 km to the Chinese Academy of Sciences Flexible Global Ocean-Atmosphere Land System (CAS FGOALS-f3) over a 10-year period. Compared to the AErosol RObotic NETwork observations, a high-resolution model (HRM) can better reproduce the spatial distribution and seasonal cycles of aerosol optical depth (AOD) compared to a low-resolution model (LRM). The HRM bias and RMSE of AOD decreased by 0.08 and 0.12, and the correlation coefficient increased by 0.22 compared to the LRM. An LRM is not sufficient to reproduce the aerosol variations associated with fine-scale topographic forcing, such as in the eastern marginal region of the TP. The difference between hydrophilic aerosols in an HRM and LRM is caused by the divergence of the simulated relative humidity (RH). More reasonable distributions and variations of RH are conducive to simulating hydrophilic aerosols. An increase of the 10-m wind speed in winter by an HRM leads to increased dust emissions. The simulated aerosol DREs at the top of the atmosphere (TOA) and at the surface by the HRM are –0.76 W m^–2 and –8.72 W m^–2 over the TP, respectively. Both resolution models can capture the key feature that dust TOA DRE transitions from positive in spring to negative in the other seasons.     

A three-dimensional numerical model of cloud formation and aerosol transport in an orographically inhomogeneous atmospheric boundary layer

A 3-D mesoscale numerical model of cloud formation, fog, and aerosol transport in an orographically inhomogeneous atmospheric boundary layer (ABL) has been considered. Streamlining of the flow around isolated obstacles in steady-state stratified flow has been studied. An account of radiation transfer in the ABL has made it possible to analyze the combined effect of orography and radiation on the formation of fog and cloud, to analyze the interaction between radiation and cloudiness, as well as their effect on the change of mesoscale circulation in the atmosphere and on variations in the optical characteristics of the atmosphere. The transport of aerosols from various sources has been modelled. The impact of orography, cloudiness and atmospheric stratification, governed by the radiative regime of the ABL, on the propagation of admixtures and surface deposition has been studied. The atmospheric aerosol turbidity in zones of intensive industrial pollution has been assessed.     

中国西南部一次东移型暴雨中涡旋发展的多尺度地形影响研究

由观测和数值模拟结果分析发现,2019年8月5～6日中国西南部的东移型致灾暴雨事件中存在三涡（南北双高原涡、西南涡）相继发展并导致暴雨加强和移动的现象。借助数值试验,研究了多尺度地形因子（青藏高原、横断山脉和四川盆地三大地形）各自对涡旋演变的作用。结果表明,横断山脉对西南涡的形成起关键作用,四川盆地影响着西南涡的位置和强度。对于高原涡（南侧高原涡）的移动,四川盆地地形只影响涡旋强度演变,但不会改变高原涡的移动路径。一旦横断山脉被移除,高原涡的东移现象随之消失。进一步分析青藏高原和四川盆地交界处的陡峭地形坡度改变对涡旋发展的影响发现,发现坡度越陡,高原涡移动速度越快,且盆地内二涡合并后的西南涡强度越强。最后借助于倾斜涡度发展理论,解释了不同坡度对涡旋强度演变的影响：随着坡度变陡,倾斜涡度发展系数沿涡旋下滑路径快速减小,对垂直涡度局地倾向的强迫作用,加剧了涡旋的快速加强。     

复杂地形城市冬季边界层对气溶胶辐射效应的响应

作者着眼于城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用问题,针对地形复杂的兰州市及周边地区,开发应用了WRF(Weather Research and Forecasting,天气研究和预报)模式,使之与包含了大气气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的综合大气边界层数值模式嵌套起来.通过个例分析,揭示了冬季气溶胶辐射效应对边界层结构的定量影响.主要特征为夜间气溶胶的长波辐射效应使地面附近的气温增高,增温幅度为0.1～0.3 K/h,使低空(25～300 m)大气层冷却,降温幅度为0.08～0.15 K/h,风速在150 m以下减小;白天气溶胶的短波辐射效应使地面层内明显增温,1 h内升温约0.5 K,增温最大值在混合层顶500～600 m高度.受增温影响,垂直风场和水平风场随之调整,风速在450 m以下增大约0.1 m/s左右,而在450 m以上风速减小0.1 m/s左右.     

Estimation of the Aerosol Radiative Effect over the Tibetan Plateau Based on the Latest CALIPSO Product

Based on the CALIPSO (Cloud–Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) Version 4.10 products released on 8 November 2016, the Level 2 (L2) aerosol product over the Tibetan Plateau (TP) is evaluated and the aerosol radiative effect is also estimated in this study. As there are still some missing aerosol data points in the daytime CALIPSO Version 4.10 L2 product, this study re-calculated the aerosol extinction coefficient to explore the aerosol radiative effect over the TP based on the CALIPSO Level 1 (L1) and CloudSat 2B-CLDCLASS-LIDAR products. The energy budget estimation obtained by using the AODs (aerosol optical depths) from calculated aerosol extinction coefficient as an input to a radiative transfer model shows better agreement with the Earth’s Radiant Energy System (CERES) and CloudSat 2B-FLXHR-LIDAR observations than that with the input of AODs from aerosol extinction coefficient from CALIPSO Version 4.10 L2 product. The radiative effect and heating rate of aerosols over the TP are further simulated by using the calculated aerosol extinction coefficient. The dust aerosols may heat the atmosphere by retaining the energy in the layer. The instantaneous heating rate can be as high as 5.5 K day^–1 depending on the density of the dust layers. Overall, the dust aerosols significantly affect the radiative energy budget and thermodynamic structure of the air over the TP, mainly by altering the shortwave radiation budget. The significant influence of dust aerosols over the TP on the radiation budget may have important implications for investigating the atmospheric circulation and future regional and global climate.     

基于数据窗口标准差的边界层高度反演方法——以上海市为例

大气边界层具备一个重要特性,即在边界层顶部,气溶胶浓度在垂直分布上存在显著突变。利用该特性,采用主动遥感装置经过窗口平滑去除噪点后数据,提出基于梯度法改进的大气边界层高度反演方法——窗口标准偏差法。基于激光云高仪后向散射廓线数据,利用该方法反演边界层高度,在边界层高度下大气气溶胶混合均匀时,反演结果较为理想。在此基础上,将窗口标准偏差法反演结果与逐步曲线拟合法反演结果进行比较。结果表明：两种方法具有较好的相关性,相关系数为0.94。两种方法产生差异的原因在于窗口标准偏差法不考虑夹卷层厚度而逐步曲线拟合法考虑夹卷层厚度。窗口标准偏差法可以降低高空背景光噪音对反演结果的影响。通过该方法反演出的边界层高度,在时间序列上具有连续性强的特点,反演结果更有利于研究大气边界层高度的时间变化趋势。     

四川暴雨过程中盆地地形作用的数值模拟

利用WRF-Chem模拟了2012年7月20日一次四川盆地暴雨降水过程,并基于控制试验设置填充四川盆地地形的敏感性试验。利用大气动力-热力学和云降水物理学对两试验差异进行诊断分析,与敏感性试验相比,控制试验虽然延迟强降水出现时间,却增强了降水强度。研究表明:偏南气流自南向北经过盆地时,在四川盆地南部形成正涡度扰动中心,延迟水汽、能量到达盆地北部的时间,使强降水出现时间偏晚;地形高度及动力差异使控制试验近地面累积大量水汽、能量,低层能量到达盆地北部迎风坡后受地形抬升与正涡度扰动共同作用激发了强烈的对流;控制试验中,盆地北部大气强烈对流运动及其携带盆地内大量水汽有利于云系的垂直发展,雨滴、雪晶、霰粒子质量浓度明显增大,使降水强度增强至大暴雨量级。     

Effects of Topographic Slopes on Hydrological Proecsses and Climate

Based on previous research results on river re-distribution models, a modification on the effects of topographic slopes for a runoff parameterization was proposed and implemented to the NCAR＇s land sur face model (LSM). This modification has two aspects: firstly, the topographic slopes cause outflows from higher topography and inflows into the lower topography points; secondly, topographic slopes also cause decrease of infiltration at higher topography and increases of infiltration at lower topography. Then changes in infiltration result in changes in soil moisture, surface fluxes and then in surface temperature, and eventual ly in the upper atmosphere and the climate. This mechanism is very clearly demonstrated in the point bud gets analysis at the Andes Mountains vicinities. Analysis from a regional scale perspective in the Mackenzie GEWEX Study (MAGS) area, the focus of the ongoing Canadian GEWEX program, shows that the modi fied runoff parameterization does bring significant changes in the regional surface climate. More important ly, detailed analysis from a global perspective shows many encouraging improvements introduced by the modified LSM over the original model in simulating basic atmospheric climate properties such as thermodynamic features (temperature and humidity). All of these improvements in the atmospheric climate simulation illustrate that the inclusion of topographic effects in the LSM can force the AGCM to produce a more realistic model climate.     

青藏高原大气热源年际变率及其驱动因子

青藏高原（以下简称高原）大气热源对亚洲夏季风爆发、演变、推进,乃至全球气候系统都有重要影响,因此近年来高原大气热源变异机理也日益受到关注。本文在回顾已有关于不同季节高原热源变异原因的研究基础上,利用1980～2018年日本气象厅再分析数据JRA55（Japanese 55-year Reanalysis）,对逐月高原大气总热源的年际变率进行分类,并进一步探究了影响不同类别高原大气总热源的异常大尺度环流系统及海温驱动因子。除了传统上受关注的“冬季型”和“夏季型”以外,本文还提出了“早春型”和“过渡型”两种高原大气热源变率模态。总体而言,高原大气总热源年际变率以降水引起的凝结潜热异常为主,其中“冬季型”及“早春型”高原大气热源异常中心位于高原西部,主要受到中高纬遥相关波列的影响。此外,“冬季型”还受到厄尔尼诺—南方涛动（El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO）及印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole, IOD）的影响。“夏季型”高原大气热源呈东西偶极型反相变化,最大异常中心位于高原东南部,主要受北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation, NAO）的影响;“过渡型”高原大气热源呈南北偶极型反相变化,受热带太平洋—印度洋海表温度异常的共同影响。因此,不同背景环流下高原热源年际变率的驱动因子存在明显差异。