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.     

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．     

云覆盖对流边界层顶部湍流结构参数的研究

应用飞机探测资料分析研究云覆盖对流边界层顶部温度和湿度湍流结构,在考虑对流边界层顶部夹卷过程的基础上得到计算温度和湿度结构参数的公式。应用实际观测资料分析了云覆盖对流边界层顶部的湍流特征．资料分析表明,云外晴空区温度和湿度结构函数值明显高于云内的值．云顶边界清晰,通过界面温度和湿度具有明显的跃变特征．应用观测资料检验了温度和湿度结构参数计算公式,计算结果与观测结果符合较好．     

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。     

鄱阳湖地区大气边界层特征的数值模拟

采用WRFV2.2中尺度数值模式对鄱阳湖地区200 km×200 km范围内,2009年11月5日00∶00至2009年11月6日12∶00不同高度的气象要素进行了数值模拟,得到了水平分辨率为1 km的鄱阳湖地区大气边界层风、温、湿度场和廓线分布的大气边界层物理特征.模拟结果发现:白天鄱阳湖面上空存在着冷岛效应并伴随湖风,而夜间湖面上空存在着热岛效应并伴随陆风,湖面与陆地之间最大温差可达6 ℃;同时地形以及下垫面类型对鄱阳湖区风场的分布具有很大影响,夜间存在一条东北西南走向的低空辐合带,白天逐渐消失;此外受风场和地形作用湖面上空的湿度分布也不均匀,白天湿度层厚度低而夜晚湿度层厚度高,湖中心右侧湿度值大于左侧湿度值.模拟结果能较好地反映鄱阳湖的大气边界层物理特征,有助于了解鄱阳湖地区区域气候的特点,以及由于地形、地理环境、地表特征所形成的不同高度上的风、温、湿的分布规律和大气边界层物理特征,为鄱阳湖地区局地天气预报、风能资源开发、环境保护等提供了科学依据.     

星载SAR遥感图像反演海洋大气边界层高度

本研究将边界层相似理论与对流理论应用到具有海洋大气边界层(Marine Atmospheric Boundary Layer, MABL)对流特征的星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)遥感图像,探讨了星载SAR遥感图像描述海气应力作用下水平扰动尺度变化的潜在可能性.针对具有三维对流涡旋Cell和二维水平滚轴涡旋Roll特征的星载SAR遥感图像,反演了中国海海域MABL高度,并与同步实验获取的MABL高度结果进行对比.结果表明,利用具有对流特征的星载SAR遥感图像反演MABL高度是可行的,展示了以高分辨率、大面积观测为特点的星载SAR遥感图像探测MABL的广阔前景.     

冬季大气斜压性对黑潮延伸体年代际异常响应的维持机制研究

黑潮延伸体(Kuroshio Extension,KE)海域附近具有强烈的大气斜压性可显著影响北太平洋上空风暴轴异常,因而有必要研究KE海区附近斜压性的特征和维持机制.本文设计数值试验并结合高分辨率ERA-Interim资料研究了大气斜压性对KE年代际海温变率模态(KEDV-induced SSTA,Kuroshio Extension Decadal variability SSTA)中的中尺度海洋锋(KEDV-induced Meso-scale SST Front,KMSTF)的响应特征和维持机制.研究发现,表层斜压性对KMSTF的响应分布相对KMSTF经向梯度的分布偏南,平流过程的响应起主要作用.表层感热通量的响应相对KMSTF分布偏北,表层温度的响应分布与KMSTF分布的位相差异是导致其偏北分布的主要原因.积云对流过程、垂直热量输送和月内尺度扰动向极热量输送均可削弱表层斜压性,而感热通量加热可加强表层斜压性.研究对流层斜压性的特征发现,斜压大值随高度向北移动,极值在边界层顶附近,积云动量再分配影响的月内尺度扰动通量经向辐合有一定的贡献.同时,相对KMSTF暖海温异常偏南分布的低SLP(Surface Level Pressure)可引发经圈平面内次级环流,并将月内尺度扰动热量、水汽和动量向高纬度输送,从而引起斜压性随高度向北分布并增强斜压性.此外还发现,积云对流过程引发的非绝热加热通过扰动热力作用使高层急流向北偏移.     

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.     

地表拖曳对斜压波地面锋生的影响

利用三维非静力中尺度数值模式MM5模拟了干湿大气条件中纬度典型斜压波及其锋面系统的生成与演变过程, 重点讨论地表拖曳对干、湿大气中地面锋结构、锋生过程的影响作用. 研究结果表明, 在干大气中, 地表拖曳力对地面锋锋生具有双向作用, 一方面是锋消作用, 主要体现在地表拖曳力减慢地面锋锋生、地面斜压波系统发展; 另一方面, 地表拖曳力导致强的非地转流形成, 从而延长了冷锋锋生过程维持时间, 有利于冷锋强度增大. 同时地表拖曳力可以造成边界层内锋面近乎垂直于地面, 导致锋前垂直运动增强, 这些结果进一步推广了谈哲敏和伍荣生的理论结果. 在湿大气中, 地表拖曳过程对锋面雨带分布有重要的影响作用, 地表拖曳力可减缓对流上 升, 从而导致地表能量的耗散减缓. 当大气低层湿度较小时, 对流不是很强, 地表拖曳力可减缓地表水汽、能量的迅速耗散, 且在锋后边界层中产生摩擦辐合上升区, 这些上升区可逐渐东移到冷锋前, 补偿了锋前上升带的强度, 有利于冷锋降水的维持. 当大气低层湿度场很强时, 对流发展比较旺盛, 此时地表拖曳对低层水汽与能量的束缚作用相对较弱, 相应地表拖曳对锋面及其降水系统影响较小.     

一种基于土壤温湿资料计算地表土壤热通量的温度预报校正法

分析大气边界层观测站地表能量平衡需要估计其地表土壤热通量。发展了一种由多层土壤温度和湿度观测资料估算土壤热通量的新方法。该方法首先求解一维热扩散方程得到土壤温度的基本廓线,然后校正所求温度廓线与观测值的偏差,最后积分温度廓线得到土壤各层的热通量。与众多的方法不同,该方法不需要事先给定不易准确测量和推求的热传导（或热扩散）系数值。通过与实测资料对比、模型合成数据试验、以及敏感性分析等,表明该方法的计算结果稳定可靠,对土壤表层数厘米深度内有无观测资料也不敏感。此外,指出热流板可准确测量热通量的方向和相位,但所测通量值的误差常较大。     

A comprehensive physical pattern of land-air dynamic and thermal structure on the Qinghai-Xizang Plateau

According to the boundary layer observations of three stations (Garze, Damxung and Qamdu) and relevant earth satellite, radiosonde and surface observations during the intensive observational period (IOP) of the second Tibetan (Qinghai-Xizang) Plateau Experiment of atmospheric science (TIPEX), the land-air physical process and dynamic model on the Tibetan Plateau were comprehensively analyzed in this study. The dynamic characteristics of boundary layer and the rules of turbulent motion on the plateau were illustrated. The characteristics of distributions of wind speed and direction with mutiple-layer structure and deep convective mixed layer on the plateau, the strong buoyancy effect in turbulent motion on the plateau on which the air density is obviously smaller than on the plain, and the Ekman spiral and its dynamic pump effect of the plateau deep boundary layer have been found. The local static distribution of water vapor and the horizontal advection of water vapor in the plateau boundary layer were studied. The abnomal thermodynamic structure on the plateau surface and boundary layer, including the plateau strong radiation phenomenon and strong heating source characteristics of the middle plateau, was also analyzed. The authors synthesized the above dynamic and thermodynamic structures of both surface and boundary layers on the plateau and posed the comprehensive physical model of the turbulence and convective mixture mechanism on the plateau boundary layer. The characteristics of formation, development and movement for convective cloud cluster over the plateau influencing floods in the Yangtze River area of China were studied. The conceptual model of dynamic and thermodynamic structures of turbulent motion and convective plume related to the frequent occurrence of "pop-corn-like" cloud system is given as well.     

Effects of shear in the convective boundary layer: analysis of the turbulent kinetic energy budget

Effects of convective and mechanical turbulence at the entrainment zone are studied through the use of systematic Large-Eddy Simulation (LES) experiments. Five LES experiments with different shear characteristics in the quasi-steady barotropic boundary layer were conducted by increasing the value of the constant geostrophic wind by 5 m s^-1 until the geostrophic wind was equal to 20 m s^-1. The main result of this sensitivity analysis is that the convective boundary layer deepens with increasing wind speed due to the enhancement of the entrainment heat flux by the presence of shear. Regarding the evolution of the turbulence kinetic energy (TKE) budget for the studied cases, the following conclusions are drawn: (i) dissipation increases with shear, (ii) the transport and pressure terms decrease with increasing shear and can become a destruction term at the entrainment zone, and (iii) the time tendency of TKE remains small in all analyzed cases. Convective and local scaling arguments are applied to parameterize the TKE budget terms. Depending on the physical properties of each TKE budget contribution, two types of scaling parameters have been identified. For the processes influenced by mixed-layer properties, boundary layer depth and convective velocity have been used as scaling variables. On the contrary, if the physical processes are restricted to the entrainment zone, the inversion layer depth, the modulus of the horizontal velocity jump and the momentum fluxes at the inversion appear to be the natural choices for scaling these processes. A good fit of the TKE budget terms is obtained with the scaling, especially for shear contribution.     

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.     

西藏高原当雄-亚东地带地壳与上地幔结构和速度分布的爆炸地震研究

本文概述了在西藏高原长达450公里左右的南北向测线上取得九次湖中水下爆炸地震记录的处理结果。通过数字处理、拟合和反演等计算,得出了该地区地壳与上地幔的成层结构和速度分布。 结果表明,该区整个沉积岩层厚约3-5公里,雅鲁藏布江以北到当雄地带,地壳巨厚达70-73公里;江南地区为68-45公里,并逐渐向南翘起。在成层地壳介质中发现下地壳中存在低速层,厚约10公里,速度为5.64公里/秒。分析认为,高原地形与巨厚地壳的形成是印度洋板块与欧亚板块碰撞以及长期挤压和内部物质运移的结果。     

地震活动反映的青藏高原东北地区现代构造运动特征

用地震活动资料研究了青藏高原东北地区的现代构造运动特征．地震活动证据表明,青藏高原东北地区活动块体之间是以复杂的变形带接触的．甘-青地块与阿拉善地块之间有一个宽阔的挤压变形带,该挤压带东南端转变为以网络状水平剪切变形为主．甘-青地块与鄂尔多斯地块接触的六盘山地区处于NE-SW向的挤压变形之中．鄂尔多斯地块与阿拉善地块间有一个具有拐折结构的剪切变形带,鄂尔多斯地块的西北角和东南缘处于NNW-SSE方向的受拉伸状态．该区现代构造变形特征可能与青藏高原向东北的挤压作用、鄂尔多斯地块的阻挡作用以及高原物质向东南方向挤出运动有关．      

Variations of thermodynamical parameters in the atmospheric boundary layer over the Deccan plateau region,India

The thermodynamical structure of the atmospheric boundary layer over the Deccan plateau region has been studied with aerological data for 1980 and 1981.The temperatures in the sub-cloud layer were lower on active monsoon days than dose on weak monsoon days. An opposite trend was noticed in the layer above the 900 mbar level. The moisture content on active monsoon days was higher than that on weak monsoon days. The profile of relative humidity above the 850 mbar level showed large deviations between the active and weak monsoon conditions. On active monsoon days the values of dry static stability were higher than those on weak monsoon days. An opposite trend was noticed in the case of moist static stability. On active monsoon days the magnitudes of thev components of wind were small compared with those of theu components, and the latter showed a gradual decrease with height.