青藏高原地-气过程动力、热力结构综合物理图象

根据第二次青藏高原大气科学试验（ＴＩＰＥＸ）３个边界层观测基地（改则、当雄。昌都）及相关的卫星、探空、地面等加密观测（ＩＯＰ）资料，综合分析了青藏高原地－气物理过程及其动力学模型，揭示了高原边界层动力学特征和高原湍流运动规律；发现高原边界层低层风向、风速具有多层次变化特征，高原边界层对流混合层较为深厚，高原边界层大气密度远小于平原特征相联系的高原湍流运动“强浮力”效应。高原深厚边界层Ｅｋｍａｎ螺线及高原边界层动力“抽吸泵”效应。研究了高原近地层局地水汽静态分布状况和水汽的侧边界平流输送特征。分析了高原近地层与边界层异常热力结构，其中包括高原强辐射现象、高原中部地面强热源特征等。综合上述青藏高原近地层与行星边界层动力、热力结构特征，提出了描述高原边界层湍流与对流混合机制的综合物理图象。揭示了显著影响中国长江流域洪涝的青藏高原对流云团的生成、发展和移动的特征，给出与高原“爆米花”云系频发相关的湍流运动和对流泡动力、热力结构概念模型。     

黄土高原复杂地形上边界层低空急流对近地层湍流的影响

利用中尺度气象数值模式（Weather Research and Forecasting Model,WRF）模拟风场,结合兰州大学半干旱气候与环境观测站（Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL）湍流观测资料,分析了黄土高原复杂地形上稳定边界层低空急流对近地层湍流活动的影响.黄土高原复杂地形上稳定边界层低空急流的形成与地形作用引发的局地环流有关.低空急流对近地层湍流活动有强烈影响,剪切作用使小尺度湍涡活动加剧,湍动能增大,同时非平稳运动被压制.低空急流发生时,观测数据有87.3%是弱稳定情形（梯度理查森数小于0.25）;而无低空急流时,对应时段的观测表明65.4%属于强稳定层结（梯度理查森数大于0.3）,非平稳运动造成湍流功率谱在低频端迅速增大.与无低空急流和弱低空急流情形相比,强低空急流发生时,近地层湍动能增大1倍,湍动能在垂直方向上的传递增大1个量级,且方向向下,约为-3 × 10^-3 m³·s^-3,湍流在上层产生并向下传递.     

白天混合层顶部夹卷层厚度的特征研究

本文首先对Deardorff的一阶模型给予解释，在此基础上分析对流边界层湍流动能方程，分析机械湍流和对流湍流对边界层发展的贡献，提出一个新的速度尺度，混合层顶速度尺度，定义了全理查森数，给出夹卷层厚度的参数化方案，并用Boers和Elotanta的雷达观测数据进行验证。参数化方案与实验数据符合得很好。当夹卷层厚度表示为夹卷速度或夹卷理查森数的函数时，该函数曲线随边界层发展通常表现为磁滞回线形状现象，利用本文的理论进行了解释。     

斜压对流边界层中风廓线和湍流特征的研究

在美国Ｋａｎｓａｓ和Ｎｅｂｒａｓｋａ交界处于１９９２年进行的ＳＴＯＲＭ－ＦＥＳＴ（ＳＴｏｒｍ－ｓｃａｌｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ－Ｆｒｏｎｔｓ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｓｔ）资料基础上,分析了 斜压对流边界层中温度、湿度和风速的垂直分布．分析表明,在对流边界层中温度和湿度常 显示很好的混合;但风速分量有时混合很好,有时则存在切变．计算了存在和不存在风切变 两种情况下的湍流动能收支．最后,讨论了对流边界层中风切变形成的可能原因．     

边界层参数化方案对边界层热力和动力结构特征影响的比较

本文利用高分辨率中尺度WRF模式,通过改变边界层参数化方案进行多组试验,评估该模式对美国北部森林地区边界层结构的模拟能力,同时比较了五种不同边界层参数化方案模拟得出的边界层热力和动力结构.结果表明：除个别方案外,配合不同边界层方案的WRF模式都能成功模拟出白天对流边界层强湍流混合特征和夜间稳定边界层内强逆温、逆湿和低空急流等热力和动力结构.非局地YSU、ACM2方案在白天表现出强的湍流混合和卷夹,相比于局地MYJ、UW方案,模拟的对流边界层温度更高、湿度更低、混合层高度更高、感热通量更大,更接近实际观测,这表明在不稳定层结下考虑非局地大涡输送更为合理,但局地方案在风速和风向的预报上存在一定优势.TEMF方案得到的白天局地湍流混合强度为所有方案中最弱,混合层难以发展,无法体现对流边界层内气象要素垂直分布均匀的特点.对于夜间稳定边界层的模拟,不同参数化方案之间的差异较小,但是YSU方案在一定程度上高估了机械湍流,导致局地湍流混合偏强,从而影响了其对稳定边界层的模拟能力.     

森林冠层和森林边界层大涡模拟

在采用各向异性湍流动能闭合方案和3阶Runge Kutta时间积分方案的大涡模式中,引入由森林冠层粗糙元造成的动量拖曳项、热量输入项和TKE耗散项,以模拟森林冠层和森林边界层的气象场. 通过中性和不稳定层结条件下不同叶面积指数算例的模拟分析及与已有观测结果的比较表明,本文所建大涡模式对森林冠层和森林边界层有较好的模拟效果. 进一步研究表明：不稳定层结条件下较稠密的森林冠层中特有的Kinking & Pairing湍涡结构与森林边界层中湍流的大涡运动相互作用,形成了森林冠层附近的温度斜坡型结构.     

北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污染物浓度关系的研究

利用2001年3月19~29日和2003年8月11~25日中国科学院大气物理研究所325m大气边界层观测塔资料,分析研讨了北京城市大气边界层低层的垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系.对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料,综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征及其与污染物浓度空间分布的关系,同时分析了北京地区沙尘天气过程中城市边界层低层垂直结构特征及其污染物浓度的分布与变化特征.分析结果表明,在不稳定层结条件下,47和120m高度上无因次速度湍流方差和温度湍流方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,并给出相应的拟合公式.稳定大气边界层可按层结参数z′/L分成二分区,z′/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z′/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大的趋势,而无因次温度方差则保持不变.白天近地层包含了47和120m,而280m已在近地层之上.对2001年3月北京地区一次沙尘天气过程的城市边界层资料分析发现,320m高度上总悬浮颗粒物浓度最高达到913.3μg/m3,在边界层内大气颗粒物从上层向低层输送,这与锋面过境时低空急流从上层向下发展过程并伴随的强下沉运动有关.     

大气边界层研究进展

大气边界层对云和对流的发展、演变有重要作用.本文回顾了在大气边界层高度计算方法,边界层的时空分布特征、结构和发展机理,以及边界层参数化方案等方面的主要研究进展.大气边界层高度计算方法主要分为基于大气廓线观测数据计算和基于模式参数化方案计算两大类;大气边界层高度频率分布形态具有明显的日变化特征,并且稳定、中性和对流边界层高度的频率分布呈现出不同的Gamma分布特征;地面湿度状况对边界层发展影响明显,对于不同的下垫面热力性质和地形状况,大气边界层高度呈现出明显的空间差异,青藏高原边界层高度明显高于一般平原地区;在强烈的地面加热驱动下,对流边界层与残余层通过正反馈机制循环增长可以形成4000 m以上的超高大气边界层;研制大气边界层、浅对流以及云物理方案的统一参数化框架是未来数值预报模式的发展趋势.     

我国西部高原地区近地层湍流特征的研究

通过对青藏高原第二次大气科学试验(TIPEX)得到的当雄湍流资料的分析,讨论了青藏高原地区的近地层湍流特征.结果显示:速度分量、温度和湿度谱大多满足相似理论的-2/3次方律;高原上无因次垂直速度方差在中性时与前人在平原地区得到的结果比较接近,但高原上无因次水平风速方差值大于平原地区值.在强不稳定层结时,高原观测结果显示无因次垂直速度方差和无因次水平风速方差符合-1/3次方规律.在稳定层结时,风速三个分量的方差都随稳定度z/L的增大有所增大.无因次温度和湿度方差在强不稳定条件下服从-1/3次方规率.稳定条件下无因次温度方差随z/L略有下降趋势,而后趋于常数,无因次湿度方差无明显的规律.在干季以感热通量为主要地面热源,湿季两者贡献相当,潜热通量略大于感热通量.得出了不稳定层结、稳定层结情况下高原的无因次温度结构参数和湿度结构参数与z/L之间的关系,得到了中性层结时整体输送系数的实测结果.     

强潮海湾中的湍流与混合:观测与数值模拟

对垂直剪切应力(雷诺应力)、湍动能剪切生成率与湍动能耗散率以及垂直涡黏性系数等湍流参数的现场观测与数值模拟,是理解强潮海湾中垂直混合过程及其动力与生物地球化学效应的基础.利用坐底ADCP流速观测资料、湍流剖面观测资料以及二阶湍流封闭模型,本文对一典型强潮海湾(厦门湾)中的湍流混合过程进行了观测与数值模拟研究.观测结果表明:在M2分潮占优的厦门湾中,湍动能剪切生成率与湍动能耗散率等湍流参数呈现明显的M4分潮周期,并具有显著的涨-落潮不对称性,涨潮时强,落潮时弱.在涨潮期间,整个水体在垂向上近似混合均匀,湍动能剪切生成率和垂直涡黏性系数的垂向平均值分别达到5×10-6 m2 s-3和2×10-2 m2 s-1;在落潮期间,强湍流则主要局限于厚度为5~8 m的底边界层内,且湍流强度随离底距离的增大而逐渐减小.基于重力位能异常控制方程的分析表明,潮流拉伸是造成湍流强度涨-落潮不对称性的主要原因,潮混合的贡献较小.基于二阶湍流封闭模型的模拟结果与实测结果的对比分析表明,在弱层化强潮海湾中,二阶湍流封闭模型能够较好地模拟湍动能耗散率与垂直涡黏性系等湍流参数的垂向结构与潮内变化;模拟结果与实测值之间的差异主要源于一些理想化的模型假设和数学近似.     

2013年1月中国东部持续性强雾霾天气产生的气象条件分析

2013年1月,在中国东部地区发生了强度强、持续时间长、发生范围广的雾霾天气．本文利用资料诊断,从大气环流背景场和雾霾天气演变过程两个方面,分析了气象条件在这次持续性强雾霾天气发生中的作用．结果表明,2013年1月东亚冬季风异常偏弱,在中国东部区域,对流层中低层的异常南风有利于水汽向中国东部地区输送,500hPa的高压异常抑制了对流的发展,而表面风速的减弱不利于近地面附近的雾霾向区域外输送,水平风垂直梯度的减小减弱了天气尺度扰动的发展和大气的垂直混合,对流层低层异常逆温层的存在使得大气近地层变得更加稳定．这些气象背景场为雾霾天气的维持和发展提供了有利的气象条件．对雾霾天气演变过程的分析表明,雾霾天气区域内的表面风速及其上空对流层中低层的水平风垂直切变对雾霾天气过程具有动力影响,二者偏小（大）时雾霾天气偏强（弱）;对流层中低层的层结不稳定性以及近地面层的逆温状况和温度露点差对雾霾天气的演变可以产生热力影响,层结不稳定性和逆温偏大（小）以及温度露点差偏小（大）时雾霾天气偏强（弱）．多元线性回归分析的结果表明,热力和动力因子对这次雾霾天气过程具有大致相同的作用,气象因子可以解释超过2／3的雾霾天气逐日变化的方差,方差贡献达到0．68．     

青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度及其构造意义

本文利用三维有限差分方法,基于EIGEN6C4布格重力异常和SIO V15.1地形数据,计算了青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度.结果表明:青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度为0~100 km,四川盆地和喜马拉雅东构造结岩石圈有效弹性厚度最大,达50~100 km;巴颜喀拉块体东部、川滇菱形块体大部、滇西等地区岩石圈强度弱,有效弹性厚度一般小于15 km;羌塘块体东部的玉树—德格附近地区岩石圈有效弹性厚度大于40 km;滇南地区岩石圈有效弹性厚度为10~30 km,大于云南北部地区.研究区域有效弹性厚度分布特征与岩石圈结构关系密切.四川盆地、喜马拉雅东构造结地区内部结构稳定,因而岩石圈强度大.川滇菱形块体等岩石圈有效弹性厚度小的地区与壳内低速、低阻/高导层分布有很好的对应关系,推测壳内岩石的部分熔融软化可能是造成高原东南缘岩石圈强度较弱的重要原因.羌塘块体东部的局部高力学强度岩石圈则可能是高原形成过程中的残留克拉通.根据本文计算的岩石圈有效弹性厚度特征,结合地震学、大地电磁等研究成果,认为青藏高原物质向东南缘挤出后受四川盆地等阻挡,造成下地壳软弱物质在理塘—稻城—丽江一带堆积,少部分物质可能穿过鲜水河断裂带的康定—道孚地区向北运动,但大部分物质向南运动,在受到滇南块体阻挡后一支流向西南的腾冲方向,另一支流向东南的攀枝花—东川方向.     

MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响

研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感.     

层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎

采用高精度的拟谱方法，数值模拟了层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎过程.在演变过程中，导致内波破碎的PSI不稳定机制在共振相互作用中逐渐占据主导地位，能量从初级波向低频、高波数运动缓慢传递并形成一次级波包，随即破碎发生.破碎后产生的层化湍流引起的强烈混合以及湍流间歇性可从总能量和涡度峰度随时间的变化趋势看出.我们分析了层化湍流的一些统计特性，包括动能和有效位能沿垂向波数ky的功率谱.结果表明，动能和有效位能谱都存在一个谱段满足k-3y律，且分别可表示为01N4k-3y和02N4k-3y(N为Brunt Visl频率)，通常称其为浮力子区.另外，我们分析了Cox数(湍流扩散系数与分子扩散系数之比)，在层化湍流维持在一定强度时，计算结果和由海洋内区观测(远离内波强生成源和复杂地形)所推测的结论较为吻合.     

藏南羊卓雍错湖面大气湍流特征观测分析

湍流运动是大气边界层的本质特征,是地表与大气之间能量和物质交换的主要方式.本文利用2016和2017年4-10月藏南羊卓雍错湖泊涡动观测资料,分析了湖面大气湍流方差和湍流特征量的统计和变化特征.结果表明：（1）不稳定层结下,三维风速分量和超声虚温、水汽密度、CO₂密度的无量纲标准差随稳定度变化符合Monin-Obukhov相似理论的"1/3"或"-1/3"次幂律,垂直风速的拟合效果最好;稳定层结下,除CO₂密度无量纲标准差与稳定度无明显关系外,其他量基本上满足相似性规律;中性条件下,以上物理量的无量纲标准差分别趋近常数：3.57、3.93、0.77、20.91、6.35和11.96.（2）水平方向平均湍流强度（0.60和0.58）大于垂直方向（0.13）,三维方向湍流强度与平均风速的变化呈显著负相关,相关系数分别为-0.39、-0.42和-0.34.（3）湖面湍流动能随风速呈线性增长,增长率达0.45 m/s;近中性层结时湍流动能最大,层结越稳定或不稳定湍流动能均减小.（4）湖泊下午到傍晚动量输送较强,13：00-22：30时间段平均动量通量达0.091 kg/（m·s²）;热量输送以潜热为主,潜热通量日平均值（77.3 W/m²）是感热通量（14.6 W/m²）的5.3倍,感热和潜热通量日变化峰值分别出现在5：30（22.4 W/m²）和16：00（106.6 W/m²）.     

气溶胶辐射效应对城市边界层影响的数值模拟研究

近年来,伴随污染和城市化进程的加剧,气溶胶辐射效应对城市边界层的影响日益显著.文章以北京地区一次冬季污染过程为例,采用中尺度数值预报模式,在优化辐射方案中气溶胶垂直廓线的基础上验证了模式的有效性,分析了气溶胶对辐射和边界层的影响过程,最后通过敏感性试验探究了气溶胶、城市化和气象要素间的相互关系.结果表明:(1)优化后的模式可以较好地模拟北京地区温度场、湿度场、风场的分布特征.(2)气溶胶在大气中通过削减到达地面的入射短波辐射使地表温度降低,通过对辐射的吸收或后向散射作用,使高层温度升高,温度场的变化使层结稳定性增强,从而减少近地层的能量输送,使边界层高度下降.(3)随着气溶胶光学厚度的增加,乡村地区最易变为稳定层结,郊区较易变为稳定层结,城区最难变为稳定层结,且气溶胶辐射效应、城市下垫面以及二者的共同作用是影响城市边界层气象要素变化的主要原因.     

北京城区二氧化碳浓度和通量的梯度变化特征——I浓度与虚温

根据北京塔7层涡动系统2012年5月至2013年12月的湍流观测数据,分析了北京城区二氧化碳浓度在不同高度层次的日变化和月变化特征,并初步给出不同季节和日变化时间段内二氧化碳的浓度垂直廓线.结果表明:二氧化碳浓度整体随高度而下降;各观测层均有浓度的明显日变化,夏季最为明显,冬季相对平缓;近地层浓度直接受城市供暖、地表植被、交通运输等碳源影响,更高观测层浓度则受对流输送和天气过程影响较大;垂直方向上,冬季浓度变化范围最大,夏季层间浓度变化最明显;在一天中的任何时刻,近地面层二氧化碳浓度的日变化最低值一般出现在夏季,50m以上则出现在春季,浓度最高值总是出现在冬季;根据对二氧化碳浓度四季垂直廓线变化的分析可以看出,边界层二氧化碳浓度强烈受到碳源、下垫面植被、大气稳定度、环境温度和天气过程等因素的影响.     

地幔对流拖曳力影响青藏高原东北缘地壳运动格局的数值模拟研究

基于近期关于青藏高原东北缘岩石圈速度、流变结构和地壳形变的观测和研究结果,建立了青藏高原东北部岩石圈三维有限元模型,并考虑了地幔对流拖曳力、高原重力势能、块体间相互作用等外部和内部条件对青藏高原东北缘岩石圈现今运动格局的控制作用.将地表运动速率的数值模拟结果与观测结果进行比较,结果表明:活动地块相互作用和高原地形蓄积的重力势能对高原内部向高原边缘逐渐变小的地壳运动特征具有控制作用,而以往关注不多的地幔对流拖曳力对青藏高原内部的地壳运动方向具有明显的控制作用;此外,基于岩石圈水平运动速率与下伏地幔对流速度差异、地震波各向异性观测提出的不同地块垂直连贯变形差异等观点,提出模型范围不同地块岩石圈底部地幔拖曳力作用强度存在差异的设想,并引入了地幔拖曳力强度因子并进行数值模拟,得到的地表形变速率模拟结果与GPS观测结果更为一致,模拟结果进一步支持了地震波各向异性观测提出的观点,即不同地块的壳幔耦合程度存在显著差异.     

边界层参数化方案及海气耦合对WRF模拟东亚夏季风的影响

区域气候模式的边界层参数化方案很大程度上影响着陆地-海洋-大气间水汽、动量及热量的交换,该方案的不确定性会给模式结果带来明显误差.本文基于WRF区域气候模式中四种常用的边界层参数化方案(YSU,ACM2,BouLac和MYJ)分别对东亚夏季风进行模拟研究,分析了不同的边界层方案对东亚夏季风环流及降水模拟的影响.结果表明,局地湍流动能方案BouLac和MYJ对东亚夏季风的模拟结果相对于非局地闭合方案YSU和ACM2更接近于观测,前者能更好的模拟出中国东部中低空西南风气流和西太平洋副热带高压.对于东亚夏季风降水,无论是空间分布还是季节内演变,BouLac和MYJ方案都要明显优于YSU和ACM2.此外,通过对比YSU和BouLac两种方案的模拟结果,发现边界层方案对东亚夏季风的模拟在海洋区域的影响更为显著.造成不同方案模拟差异的主要原因是非局地方案YSU和ACM2的边界层垂直混合偏强,使得海表向上输送的潜热通量明显偏强,对流更活跃,导致降水偏多以及相应季风环流的异常偏差.进一步研究指出缺少海气反馈过程使得WRF模式由边界层方案引起的模拟误差在海洋区域更为突出,引入海气耦合可以减小海表热通量误差并明显改善东亚夏季风的模拟结果.     

北京城区大气混合层内臭氧垂直结构特征的初步分析——基于臭氧探空

本文利用2013年6月至2015年10月北京南苑观象台两年多午后臭氧探空资料,初步分析了北京城区大气混合层内臭氧浓度的垂直分布规律以及典型天气条件下大气边界层臭氧的变化特征.主要结果有：（1）季节平均而言,地表至对流层中部（8 km）的臭氧浓度在夏季最高,冬季最低,相差50~130 μg·m^-3,最大差异在边界层.总体而言,对流层臭氧浓度随高度有比较缓慢的增加,但是边界层内臭氧浓度的垂直结构随季节有比较大的差异：夏季混合层中部存在一个臭氧浓度极大值,这与夏季比较强的光化学生成臭氧有关;而在冬季地面臭氧浓度很低,平均值小于40 μg·m^-3,说明冬季地面是臭氧很强的汇.（2）臭氧浓度季节内变率的季节差异也十分明显,夏季最大、冬季最小.季节内变率在从边界层向自由对流层过渡区域最小（夏季为24 μg·m^-3,冬季仅为10 μg·m^-3）,在边界层内变率较大,夏季可达64 μg·m^-3（冬季为30 μg·m^-3）,这也说明边界层化学过程明显影响臭氧浓度的变化.（3）我们从所有白天样本中严格筛选了部分混合层样本,并把臭氧浓度在由混合层向自由大气过渡时的垂直分布分成了三类,即臭氧浓度随高度增大（Ⅰ型）、减小（Ⅱ型）以及基本稳定不变（Ⅲ型）;臭氧垂直结构类型有明显的季节特征,夏季主要是Ⅱ型,而冬季则以Ⅰ型为主.（4）此外,我们还针对一些典型天气过程（强风、静稳雾天和PM_2.5污染）边界层内臭氧的变化特征进行了分析,结果表明：强风切变产生的机械对流引起的充分混合,有利于高层臭氧向低层输送,使得混合层内臭氧浓度的垂直梯度明显减小,同时混合层高度较高,达3 km以上;在高湿度静稳天气控制下,大气混合层较稳定,对北京上空污染物的垂直扩散十分不利：颗粒物浓度升高,削弱到达近地层的太阳辐射,从而降低臭氧的生成效率,混合层内臭氧浓度与混合层厚度都处于较低水平.