中国西北地区大气边界层高度变化特征——基于探空资料与ERA-Interim再分析资料

利用中国西北地区2015年9月至2016年8月38个站点L波段探空观测、2016年7月加密探空观测和ERA-Interim边界层高度资料,对比分析了西北地区大气边界层高度变化特征。观测资料表明,在中国西北地区,08:00(北京时,下同)冬季边界层高度最高; 20:00春季边界层高度最高,边界层高度从西部到东部有显著降低的趋势。ERA-Interim资料基本能表现出边界层高度的区域分布,但相对于探空观测得到的边界层高度,除夏季20:00外,ERA-Interim再分析资料边界层高度均偏低。全年平均而言,08:00(20:00)偏低160 m(170 m),其中在08:00(20:00),冬季(春季)偏低最显著。08:00边界层高度与低层稳定度、近地层温度和风速相关更加显著; 20:00边界层高度与低层稳定度和相对湿度相关更加显著。2016年7月加密观测资料对比表明,ERA-Interim资料的对流(中性)边界层高度显著偏高;低层稳定度、相对湿度偏小,风速偏大可能是造成边界层高度偏高的原因; ERA-Interim资料的稳定边界层高度偏低,与低层稳定度和近地层温度偏低相关,但其影响因素相对更加复杂。     

青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析

利用2007年8月8~19日期间系留气球低探空和GPS无线电探空资料,分析了纳木错湖区大气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达1750 m;在晴天条件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层内比湿变化呈V型变化,白天减小,夜间增大,早晨08:00出现峰值。     

利用探空资料估算青藏高原及下游地区大气边界层高度

利用三个时段的探空加密试验资料,分别采用气块法和Richardson数法来估算青藏高原及下游地区的对流边界层和稳定边界层的高度特征。结果显示:(1)高原中部对流边界层结构的出现概率高于高原东侧及下游地区,而四川盆地稳定边界层结构的出现概率远高于高原和长江中游。(2)高原中部和东侧的对流边界层高度春季高而夏季低,其中高原中部的对流边界层高度高于高原东侧;四川盆地和长江中游的对流边界层高度冬季低、夏季高,而高原东侧的对流边界层高度的变化趋势则相反;四川盆地的对流边界层高度低于长江中游。(3)高原的稳定边界层高度春季高而夏季低;冬季四川盆地的稳定边界层高度高于高原东侧和长江中游,而夏季长江中游的稳定边界层高度高于高原东侧和四川盆地,冬夏差异导致的稳定边界层高度的变化幅度在长江中游最明显,四川盆地次之,而高原东侧最小。(4)高原东侧及下游地区的平均边界层高度的日变化具有相似的演变特征,平均边界层高度在白天高夜间低,而高原中部的平均边界层高度在日出左右较低,之后随时间逐渐增高,并在晚上达到最大值;高原的平均边界层高度的日变化振幅大于下游地区,且其日变化振幅随站点海拔高度的增加而增大。     

BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估

以北京市观象台2010年8月、2011年8月每日3次 (08:00, 14:00, 20:00,北京时,下同) L波段探空秒间隔数据为实况,对BJ-RUC系统 (rapid updated cycle system for the Beijing area) 分析和预报边界层性能进行了初步评估。结果表明:BJ-RUC系统对北京地区夏季白天边界层的细致特征具有较好的预报能力,但也存在明显的系统性误差。08:00边界层偏冷; 14:00和20:00 1 km以下的边界层则显著偏暖, 边界层内明显偏湿。整体上模式对边界层内温度、湿度的预报误差均高于自由大气。该系统对北京地区边界层内早晨 (08:00) 从夜间山风向白天谷风环流过渡、午后 (14:00) 到日落后 (20:00)1500 m以下盛行西南偏南气流的日变化特征具有较强的预报能力。系统预报的14:00边界层顶高度与评估时段内实际对流边界层高度的变化趋势一致。但预报的对流边界层顶偏高,这与BJ-RUC系统采用YSU边界层参数化方案的垂直混合更强有关。     

基于探空风资料的大气边界层不同高度风速变化研究

利用1981—2014年我国资料齐全的93个高空气象观测站(距离雷达300、600、900 m高度)的探空风资料,按照气象地理区划,借助GIS分析了边界层内不同高度风速及其趋势的时空变化,得到以下结论:300～900 m,东北和华北地区累年平均风速较大,西南和西北地区累年平均风速较小;边界层内各高度同一地区平均风速的月变化趋势基本一致,但各地区季节风速变化不同,同一地区月平均风速的年较差随高度上升而增大;300 m.各地区年平均风速均显著减小:在600和900 m.华北、西北、华中地区年平均风速呈增加趋势,东北地区年平均风速呈减小趋势,但均未通过显著性水平检验;各高度年平均风速空间分布均为东北地区较大,尤其大兴安岭和东北平原地带;从沿海到内陆,由东至西风速逐渐减小;在300 m.全国年平均风速以减小趋势为主;在600 m,全国大部分地区年平均风速呈增加趋势,尤其是中部、西北和华东沿海地区;在900 m高度,全国年平均风速变化趋势呈现由边界向内部的包围态势,中心地区呈增加趋势,边界地区均呈减小趋势,但是通过显著性水平检验的地区不多。     

基于CERA-20C资料青藏高原边界层高度日变化气候特征分析

基于1981-2010年CERA-20C全球大气边界层高度(Boundary layer height,BLH)再分析资料对青藏高原边界层高度的日变化特征,包括日变化的季节变化、年代变化与年际变化进行研究。结果表明:BLH大值区在海拔大于5 000 m地区以及沙漠干旱地区,其中尼玛等地为边界层高度大值区的扩散源地。03:00(世界时,下同)-06:00 BLH增加最剧烈,增幅达948. 67 m·(3h)~(-1); 09:00-12:00降低最剧烈,降幅达760. 02 m·(3h)~(-1)09:00为最大值,晚于非高原地区(06:00),30年平均最大值可达1 982. 764 m,日变化最大值可达2 901. 21 m,昼高夜低。BLH最大值在春季为最大、夏季最小,BLH最小值在夏季最大、秋季最小。高原西坡BLH在春秋季最大,腹地在冬季最大,东坡BLH低,变化幅度小。03:00 BLH逐月变化趋势为单峰变化特征。BLH除夏季年际变化平稳变化以外,春、秋、冬三季在20世纪80年代中期,20世纪90年代末与21世纪初均存在较大波动。冬季边界层高度近30年逐渐增加,特别是在21世纪初的大幅持续增加值得重视。春季高原腹地处于积雪融化时期,积雪融化带走地表热量,促使春季地表气温更低,边界层高度春季与地表气温呈负相关,同时夏季相对湿度为波状分布,相对湿度梯度最小值与边界层顶相对应,边界层高度在春季比夏季更高。边界层高度发展最高时,高原边界层内通常为上升运动与下沉运动交替,为边界层发展提供一定的动力条件。     

青藏高原东部及下游关键区大气边界层高度的观测分析

利用2007年12月10-24日在红原、温江和宜昌同步观测的3小时加密探空资料,分析了青藏高原东部及下游关键区大气边界层位温廓线日变化特征,以及对流边界层高度和稳定边界层高度的变化特征.分析结果表明,不同地形位温廓线具有相同的日变化特征,对流边界层在白天出现和发展,而稳定边界层在夜间出现和发展;对流边界层的发展史和发展高度与海拔高度有关,高海拔地区对流边界层的发展史较短但发展高度较高,而低海拔地区对流边界层的发展史较长但发展高度较低;稳定边界层的发展史和发展高度也与海拔高度有关,高海拔地区稳定边界层的发展史较长且发展高度较高,而低海拔地区稳定边界层的发展史较短且发展高度较低;对流边界层的最大发展高度多出现在地方时17时,而稳定边界层的最大发展高度多出现在地方时02时;红原、温江和宜昌的对流边界层高度分别可达4 930 m、1 000 m和710 m.而其稳定边界层高度分别可达1 100 m、920 m和650 m.     

利用激光雷达结合数值模式估算兰州远郊榆中地区夏季边界层高度

用激光雷达资料,采用小波变化法反演兰州远郊榆中地区兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的边界层高度,并利用WRF中尺度数值模式,选取两种不同边界层参数化方案(YSU、MYJ)模拟了该地区边界层及其高度.分析表明激光雷达反演边界层高度与WRF模拟边界层高度结果基本一致;WRF选用YSU方案能较好反映热对流边界层,而MYJ方案对于动力作用边界层模拟较好.日出后08:00(北京时间,下同)SACOL不稳定边界层开始发展,17:00达到最大高度.热对流边界层可以达到2 km;动力作用边界层可达到1.5 km,之后热对流边界层下降速度明显高于动力作用边界层.     

大理苍山—洱海局地环流的数值模拟

利用耦合了湖泊模型的WRF_CLM模式模拟了秋季大理苍山—洱海地区的局地环流特征。结果表明:模式对近地面温度、风向、风速的模拟与观测基本一致,模拟结果能较好地再现该地区山谷风和湖陆风相互作用的局地环流特征。在秋季,大理苍山的谷风起止时间为08:00~17:00(北京时,下同),湖风起止时间为09:00~19:00。局地环流受高山地形及洱海湖面影响明显,山谷风形成早于湖陆风1 h,夜间山风、陆风强盛于白天谷风、湖风。白天苍山谷风与洱海湖风的叠加作用会驱动谷风到达2600 m的高度,而傍晚最先形成的苍山山风则会减弱洱海的湖风环流。夜间盆地南部在两侧山风、陆风的共同作用下,形成稳定而持续的气旋式环流。日出以后,对流边界层迅速发展,边界层高度逐渐增高。陆地17:00温度达到最高,边界层高度也达到峰值2000 m,之后逐渐降低。日落后形成稳定边界层,边界层高度在夜间基本保持在100 m。相对于陆地,湖面白天边界层高度低300 m,夜间边界层高度高100 m。     

全球变暖情景下中国气温分区的未来变化

利用SRES A2情景下IPCC AR4的13个模式资料,结合我国月平均温度观测资料对当前和未来我国气温的分区进行对比研究。结果表明：1961-1990、2021-2050年和2071-2097年三个时段年平均气温分区在我国西部变化不大,而在我国东部发生了显著变化。1961-1990年我国东部被华北分区带分为南、北两个区;2021-2050年由于1961-1990年间的华北分区带北移,而在两广以北同时出现另一分区带,使得该时段我国东部分成东北区、华北和华中区以及华南区三个区,在2071-2097年北方分区带消失,而南方的分区带北移至长江一带,使得该时段我国东部仍可分为南、北两区。通过比较三个时段不同分区年平均温度时间变化发现,导致分区变化的原因主要是由于在不同时段各分区年平均温度的变率和增温幅度不一致所致。     

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。     

河西走廊东部冬季沙尘暴的典型个例及气候特征分析

应用1971—2016年河西走廊东部代表站的地面观测资料、NCEP 2.5°×2.5°月均地面至300 hPa高空资料,2006—2016年民勤逐日07和19时每隔10 m加密高空资料,分析了近45年河西走廊东部冬季沙尘暴天气的年际变化特征。同时选取2016年11月两次沙尘暴天气过程从天气学成因、物理量场及近地面边界层特征等方面进行了诊断分析。结果表明:近45年河西走廊东部冬季沙尘暴日数呈减少趋势,产生大风沙尘天气的主要原因不仅与大型冷暖空气强度及环流形势有关,还与冷锋过境时间、日变化、近地层风速和干湿程度关系密切。夜间至早晨近地面逆温厚且强,大气层结稳定,削弱沙暴强度,而午后到傍晚,逆温薄而弱,大气层结不稳定性强,加强了动量下传和风速,增强沙暴强度。近地层越干,风速越大,沙暴越强。     

GMS 5反演中国几类典型下垫面晴空地表温度的日变化及季节变化

文中利用单时相双光谱分裂窗算法以GMS 5/VISSR红外资料反演地表温度,揭示了中国几类典型下垫面晴空地表温度的日变化及季节变化特征.塔里木盆地、青藏高原、浑善达克沙地、华北平原北部、华南部分地区因地表反射率、土壤含水量、受太阳辐射影响程度不同等地表温度季节变化差异很大,月平均地表温度日较差一年内基本上呈双峰双谷型.作为比较,东亚部分陆地的地表温度与台湾海峡南部、黄海的海表温度及其日变化、季节变化一并进行了分析.塔里木盆地、浑善达克沙地不仅具有强烈的日变化,而且季节变化也显著.2000年两地月平均地表温度日较差最大值超过30 K,浑善达克沙地的年较差高达58.50 K.青藏高原地表温度季节变化小于东亚部分陆地、塔里木盆地、浑善达克沙地,但该区日变化幅度在所研究几个区中最大,2000年年平均日较差达28.05 K.文中将研究时段扩充到1998～2000年后揭示了连续三年地表温度及其日变化的年际变化特征.所获得这几类地表温度的变化特征与量值对于气候与辐射收支研究以及推测地表状况会有一定参考价值.     

Estimate of Boundary-Layer Depth Over Beijing,China, Using Doppler Lidar Data During SURF-2015

Planetary boundary-layer (PBL) structure was investigated using observations from a Doppler lidar and the 325-m Institute of Atmospheric Physics (IAP) meteorological tower in the centre of Beijing during the summer 2015 Study of Urban-impacts on Rainfall and Fog/haze (SURF-2015) field campaign. Using six fair-weather days of lidar and tower data under clear to cloudy skies, we evaluate the ability of the Doppler lidar to probe the urban boundary-layer structure, and then propose a composite method for estimating the diurnal cycle of the PBL depth using the Doppler lidar. For the convective boundary layer (CBL), a threshold method using vertical velocity variance \((\sigma _w^2 >0.1\,\hbox {m}^{2}\hbox {s}^{-2})\) is used, since it provides more reliable CBL depths than a conventional maximum wind-shear method. The nocturnal boundary-layer (NBL) depth is defined as the height at which \(\sigma _w^2\) decreases to 10 % of its near-surface maximum minus a background variance. The PBL depths determined by combining these methods have average values ranging from \(\approx \)270 to \(\approx \)1500 m for the six days, with the greatest maximum depths associated with clear skies. Release of stored and anthropogenic heat contributes to the maintenance of turbulence until late evening, keeping the NBL near-neutral and deeper at night than would be expected over a natural surface. The NBL typically becomes more shallow with time, but grows in the presence of low-level nocturnal jets. While current results are promising, data over a broader range of conditions are needed to fully develop our PBL-depth algorithms.     

Study on Physical Mechanism of Influence on Atmospheric Boundary Layer Depth in the Arid Regions of Northwest China

Using the sounding data of wind, temperature, and humidity in the boundary layer and micrometeorological data on the earth's surface observed in the same period in Dunhuang arid region of Northwest China,this paper researches characteristics of potential temperature, wind, and humidity profiles, confirms the structure and depth of thermodynamic boundary layer in Dunhuang region, and analyzses the relationship of depth of thermodynamic boundary layer with surface radiation, buoyancy flux as well as wind speed and wind direction shear in the boundary layer. The results show that the maximum depth of diurnal convective boundary layer is basically above 2000 m during the observational period, many times even in excess of 3000 m and sometimes up to 4000 m; the depth of nocturnal stable boundary layer basically maintains within a range of 1000-1500 m. As a whole, the depth of atmospheric boundary layer is obviously bigger than those results observed in other regions before. By analyzing, a preliminary judgement is that the depth of atmospheric thermodynamic boundary layer in Dunhuang region may relate to local especial radiation characteristics, surface properties (soil moisture content and heat capacity) as well as wind velocity shear of boundary layer, and these properties have formed strong buoyancy flux and dynamic forcing in a local region which are fundamental causes for producing a super deep atmospheric boundary layer.     

基于加密探空资料对不同海拔高度台站边界层大气的对比分析

本文利用中国气象局成都高原气象研究所西南涡加密观测试验获取的探空资料及地面台站资料,对比分析了高原东侧的四川省境内不同海拔高度台站的边界层特征,结果表明:高海拔地区地表大气受陆面的影响更为剧烈,日变化幅度更大,且极值出现时间更早。温度/比湿/风速的差异都主要体现在低层边界层大气中,越靠近地面,差异越显著。其中,温度递减率在02:00（北京时,下同）最小,14:00最大,高海拔测站受陆面影响的大气层厚度比低海拔测站大,低海拔测站在近地层300 m以下大气中存在明显的逆温现象。14:00近地层大气的比湿最小,午夜02:00近地层大气的比湿最大,高海拔地区低层大气的平均比湿递减率小于低海拔地区。高海拔地区风速日变化幅度大,4个时次的风速廓线形态差异也大;低海拔地区风速变化幅度小,4个时次的风速廓线形态也比较一致。高海拔台站地表大气的日变化幅度大,极值出现时间略早。     

Sodar observations of the nocturnal boundary layer at Kharagpur, India

Sodar has been installed at Kharagpur (22.2 ° N, 87.3 ° E) as a part of the MONTBLEX-90 experiment and data were collected during the monsoon period. The variation of the nocturnal boundary layer (NBL) during the monsoon period is discussed. The height corresponding to the low-level wind maximum in the sodar wind profile during night time is identified as the NBL height. Mean monthly winds for July and August, plotted as time-height cross sections, reveal the height of the ground-based stable layer. The average NBL heights in the months of July and August are found to be 324 m and 296 m respectively. It is observed that the NBL height is relatively high in the month of July (active phase of monsoon) compared to that during August (weak phase). The months of July (total rainfall = 901 mm) and August (total rainfall = 134 mm) are associated with cloudy and relatively clear sky conditions. This indicates that clouds (through their effect on longwave cooling to space) play an important role in determining the NBL height during the monsoon.