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。     

北京地区一次强沙尘暴过程的大气边界层结构和湍流通量输送特征

利用中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的风速和温度平均场观测资料和湍流资料,以及北京市气象台地面常规气象资料和逐日08:00和20:00(北京时间)的探空资料,分析了2002年3月18～22日沙尘暴过境前后北京城市边界层结构特征和湍流输送特征,结果表明:1)在沙尘暴爆发前,边界层中水平风速一直较小;气温较高,大气层结稳定,在边界层上部有强大的逆温层.随着冷锋过境,沙尘暴爆发,边界层中水平风速和平均湍流速度急剧增强;温度也突然变化,先迅速增强后又持续下降,逆温层迅速被破坏.2)沙尘暴初期,280 m上为系统性上升气流,而47和120 m则为系统性的下沉气流.随着沙尘暴爆发,湍流动能、向下传输的动量以及向上传输的感热也迅速增大,并且120 m高度的湍能、动量通量以及感热通量明显高于47和280 m,这与北京的局地环流有关.3)本次沙尘暴过程中,120和47 m层的摩擦速度都明显超过了北京的临界摩擦速度,表明局地起沙也是本次沙尘暴过程中北京沙尘的一个重要沙源.     

西北干旱区对流边界层发展的热力机制模拟研究

观测发现,西北干旱区对流边界层高度在夏、冬两季极大值分别达到4 km和800 m.利用热力学方法对西北干旱地区深厚对流边界层的原因进行了定量分析.用建立的热力数值模型模拟表明,平均而言,夏季和冬季对流边界层高度的51.5％和61.4％分别由感热产生,对于夏、冬季对流边界层高度可分别达到4 km和800 m的极大值,感热贡献更大,为63.4％和73.1％,感热对对流边界层的贡献率冬季明显大于夏季;夏、冬季浮力夹卷对对流边界层的贡献是18.1％和9.4％;包括感热和浮力夹卷的热力因素可以解释夏、冬季对流边界层高度的69.6％和70.8％,而对于对流边界层极大值,则其解释可高达81％和84.6％.热力因素是西北干旱区对流边界层产生的主要原因,其中,感热又是最根本原因.     

冷空气过程对黄海东海区域海洋大气边界层结构影响的个例分析

利用一次冷空气过程的14组GPS探空数据,采用位温梯度法确定了冷空气过境前后大气边界层高度,并分析了冷空气过程对大气边界层结构的影响。结果表明：冷锋过境加大了海洋大气边界层的静力不稳定度,使边界层内对流活动增强,且锋面过后距离锋面越近的区域边界层的静力不稳定度越大;冷锋过境使边界层的平均高度升高,边界层顶处逆温梯度增大。结合ERA-Interim再分析资料,分析认为大气边界层高度与静力稳定度（海气温差）存在显著的正相关关系（相关系数达0.73）,海气温差越大,大气边界层高度越高。     

昆明城市热岛效应的数值模拟研究

本文利用WRF（V3.9.1）模式中耦合Noah/SLUCM方案作为Control试验,研究了土地利用类型（Md04试验）、陆面过程（NoUCM试验）和湖泊（Nolake试验）对城市热岛强度及昆明城市气象要素水平、垂直的时空分布影响。主要结论如下:（1）四个试验城市热岛强度的平均日变化趋势相似,白天城市热岛强度较弱、夜间较强,在20时（北京时,下同）左右达到最大值。城市冠层（湖泊）对城市热岛有较明显的减（增）温,Control-NoUCM（Nolake）试验中,平均日最大差值为?0.79°C（+1.07°C）。（2）从能量平衡方程分析Control-Md04试验,感热（潜热）通量的差值为+46.18（?79.71）W m?2,潜热通量释放大于感热通量的绝对值。Control-NoUCM试验中,感热（潜热）通量的差值为?40.88（+29.60）W m?2;因NoUCM试验未考虑几何建筑物储热与遮挡,太阳辐射大部分被地表所吸收,导致感热通量偏大。（3）四种试验中,15（07）时边界层高度达到最大（小）值。NoUCM（Nolake）试验中城市边界层高度分别降低103 m（32 m）左右,而Md04试验中城市边界层高度增加102 m左右。（4）湖泊（滇池）对城市热岛环流影响的试验表明,湖泊上空垂直运动较弱,但水平方向湖陆风较大,这有利于向城市输送水汽,增加干空气湿度,使城市中空气的水汽含量增加,同时增大潜热能量释放,降低感热通量,减小了垂直温度梯度。     

云贵高原洱海湖泊效应的数值模拟

采用耦合湖泊模型的WRF_CLM模式模拟山谷盆地中洱海的湖泊效应,并利用陆面(农田)和湖面的站点观测资料对模式进行了验证和校验。基于数值模式的模拟结果,分析了季风和非季风期间,洱海存在与否对山谷盆地局地环流及大气边界层结构的影响。发现非季风期湖泊对局地环流及大气边界层影响显著。相对于陆地,湖泊白天湍流通量输送少,湍流发展弱,大气边界层高度低。如果湖泊不存在,白天苍山山谷风只能上升至约200 m的高度,没有明显的山谷风环流形成;夜间则山风较强,两侧山风共同作用在山谷,环流高度约600 m。季风期,受降水天气影响,局地环流发展不充分。白天湖面辐散以及夜间湖泊南部的气旋式环流弱,湖泊作用没有非季风期明显。云的形成导致边界层高度较低。夜间,湖泊增强释放潜热、感热作用明显;此时湍流发展,夜间边界层反而比白天高。     

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。     

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。     

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。     

塔克拉玛干沙漠腹地晴天与沙尘暴天气大气边界层对比分析

根据2017、2019年7月塔克拉玛干沙漠腹地GPS探空和地面观测数据,利用位温廓线法等方法,对比分析了沙漠腹地夏季晴天和沙尘暴天气大气边界层结构变化特征。结果表明：晴天和沙尘暴天气大气边界层结构特征显著不同。晴天大气边界层各气象要素垂直分布较为均一,白天对流边界层深厚,高度接近5 km,夜间稳定边界层一般在500 m左右。沙尘暴天气边界层内位温和比湿垂直变化较小,风速较大,可达24.0 m/s,其白天对流边界层在1.5 km左右,夜间稳定边界层在1 km左右。晴天辐射强烈,地表升温迅速,湍流旺盛,是形成晴天深厚对流边界层的主要因素。大尺度天气系统冷平流的动力条件,以及云和沙尘减弱了到达地表的辐射强度是形成沙尘暴天气独特的大气边界层结构的主要因素。     

利用RAMS模式对山谷城市兰州冬季湖泊效应的数值模拟

利用美国科罗拉多州立大学和MRC/ASTER发展的RAMS中尺度气象模式, 以NECP再分析资料为初、 边值条件, 在兰州城区东面设计了有湖和无湖两个试验, 做了72 h三重嵌套模拟试验, 分别模拟了两种情况下冬季兰州山谷地区的湖泊效应和大气边界层特征。模拟结果表明： （1）白天兰州山谷地区谷风在14：00强度达到最大。加入湖泊后, 14：00湖风强度增大, 湖风对谷风没有明显影响, 只对湖区及岸边附近的风场有影响。兰州山谷地区20：00以后山风开始出现, 到05：00左右北山山风的风速大于南山山风。05：00以后南山山风风速增大, 山谷以偏西风为主。加入湖泊后, 陆风也在夜间02：00左右表现的最为明显, 陆风和山风相互叠加, 导致兰州山谷东部地区西风风速增大; （2）加入湖泊后, 对周围地区气温的影响表现为夜间有增温作用, 增温作用随着离湖泊的距离渐远而减弱。在靠近湖区处夜间的近地面逆温强度减弱; （3）加入湖泊后, 对靠近湖面处空气相对湿度的影响表现为减小, 对靠近湖西岸陆地上近地面空气相对湿度的影响表现为先减小后增加, 这一点在夜间表现的最明显, 对靠近湖面处空气绝对湿度的影响表现为增加; （4）加入湖泊后, 湖区的净辐射和感热通量都减小, 湖的东西两岸的净辐射和感热通量都增大。在22：00到凌晨05：00之间, 靠近湖西岸的陆地上净辐射和感热通量也有所增大。     

北京地区一次典型大雾天气过程的边界层特征分析

利用中国科学院大气物理研究所325 m铁塔15层风、温、湿梯度观测资料和3层超声资料,对2002年12月1~4日发生在北京地区的持续大雾天气过程进行近地面层大气边界层特征分析。结果表明,近地面大气边界层较大的相对湿度(70%)、较小的风速(3.0 m.s-1)和风速垂直切变(0.02 s-1)、稳定的层结结构以及较低的气温是北京持续大雾天气形成的主要原因。冷空气的侵入使得边界层相对湿度迅速减小,风速和风速垂直切变增大,破坏近地面大气边界层的结构,导致大雾的消散。分析还发现,大雾的维持与消散主要受风场等动力因素的影响,热力层结是大雾维持和消散的必要条件。冷空气的侵入自上而下影响平均风场,而对湍流风场的影响则是自下而上的。尺度分析结果表明,大雾期间,近地面边界层内中尺度动量通量和感热通量都大于湍流尺度的,中尺度动量通量与平均风速基本呈反相关;冷空气的侵入使得湍流通量显著加强,是导致大雾天气消失的主要原因。     

苏州东山冬季大气边界层结构特征及其对污染物浓度的影响

利用2015年1月15—27日在苏州东山气象观测站系留气艇观测数据以及细颗粒物浓度观测资料,对东山大气边界层结构特征及其对污染物垂直结构分布的影响进行分析研究。结果表明:苏州东山地区冬季空气污染过程的边界层结构演变比较典型,夜间稳定边界层高度约为200 m,白天最大边界层高度可达1 000 m。边界层内污染物垂直结构分布易受边界层高度的影响,较低的大气边界层高度可使细颗粒物在近地层持续累积;反之,边界层高度较高,湍流发展旺盛,颗粒物垂直分布均匀。夜间大气边界层稳定,逆温结构多发,导致近地面出现细颗粒物堆积。风的垂直结构对细颗粒物空间分布也存在显著影响,在风速较小的低空层细颗粒分布较多,而风速较大的中高层的分布较少。      

夏季巴丹吉林沙漠残余层与深厚对流边界层的关系研究

利用2012年7月"巴丹吉林沙漠陆气相互作用及其对区域气候的影响研究"实验所得到的观测资料和中尺度气象模式WRF,对夏季巴丹吉林沙漠对流边界层高度发展的特征及其影响因素进行了研究。结果表明:(1)2012年7月在巴丹吉林沙漠连续观测到厚度超过3500 m的深厚对流边界层,其最大高度可达4000 m以上;当这种深厚对流边界层出现之前,当地中低层大气(1000~4000 m)存在近中性的残余层,而在没有近中性残留层出现时,即便地表感热通量较大,当天最大对流边界层高度却明显偏低;(2)WRF模式模拟结果表明残余层稳定度和对流边界层高度之间的负相关关系在空间区域成立,残余层位温直减率与当地对流边界层高度在时间和空间分布上都呈现显著的负相关关系;残余层位温直减率与对流边界层高度的空间相关系数最大值可达-0.51;(3)观测和模拟结果均表明残余层稳定度会直接影响由感热通量产生的对流边界层的发展效率,进而影响对流边界层的最大高度。通过研究发现,除感热通量外,近中性的残余层是巴丹吉林地区深厚对流边界层出现的关键条件之一。     

春季晴日蒙古高原半干旱荒漠草原地边界层结构的一次观测研究

在科技部公益专项"沙尘气溶胶辐射模型及气候环境生态效应研究"支持下,执行期间在二连浩特气象站用GFE(L)1型二次测风雷达和GTS1型数字式探空仪,于2006年4月24~25日对内蒙古高原半干旱荒漠化草原地区春季典型晴日边界层特征进行了加密探测。结果表明:二连浩特地区边界层的日变化大,对流边界层最大高度可以达到2000 m,超绝热层平均高度为270 m,夜间稳定边界层高度可达到900 m;白天在4000 m附近存在高空急流,最大风速达到29 m.s-1;夜间近地面层有东风急流,其高度在250 m左右,观测日低空急流最强时间是在23:00,风速达到16 m.s-1;边界层内湿度变化较大,呈现多层逆湿结构。     

延吉市边界层风场特征分析

利用风廓线雷达在延吉市开展了边界层风场的探测研究,根据2012年4个月逐日的边界层风场探测资料,分析了延吉市大气边界层风场的时空分布特征,得到了逐月的高空风廓线图。结果表明：1000m以下,水平风速和垂直风速随高度均呈现出增加的趋势,地面风速最小,750-1000m高度处存在明显的风切变层;2月和7月高空水平风速随高度的增加而增加,4月和10月高空水平风速变化呈单峰型的变化趋势;2月垂直风速随高度的增加逐渐增加,7月随高度的增加逐渐减少,4月和10月随高度呈双峰型的变化趋势;各月在1000～2000m高度垂直风速较小;各月水平风除个别高度外均以西风或偏西风为主导风向,垂直方向以下沉气流为主。     

西北干旱区夏季大气边界层结构及其陆面过程特征

在中国西北干旱区影响大气边界层形成和发展的气候环境和大气环流背景都具有一定特殊性.文中用外场观测试验资料,分析了位于西北干旱区的敦煌荒漠夏季大气边界层气象要素结构特征,发现该地区无论白天的对流边界层还是夜间的稳定边界层均比一般地区更深厚.在夏季晴天,夜间稳定边界层厚度超过900 m,最厚可以达到1750 m,其上的残余层一般能达到4000 m左右的高度;白天混合层最高达3700 m,混合层顶的逆温层顶盖的厚度大约450 m,甚至更厚,对流边界层厚度能够超过4000 m,对流边界层进入残余层后发展十分迅速.研究表明,白天深厚的对流边界层是夜间保持清晰而深厚的残余混合层的先决条件,夜间深厚的残余混合层又为白天对流边界层的发展提供了一个非常有利的热力环境条件.该地区经常性出现连续性晴天使得大气残余层的累积效应得以较长时间持续发展,创造了比较有利于大气对流边界层发展的大气热力环境条件.同时,该地区陆面过程和近地层大气运动特征也为这种独特的大气热力边界层结构提供了较好的支持.就该地区发展超厚大气对流边界层的物理机理而言,地表显著增温是强有力的外部热力强迫条件,近地层强感热通量提供了较充足的能量条件,较大的对流运动和湍流运动的速度是必要的运动学条件,大气残余层的累积效应提供了有利的热力环境条件.     

北京北郊冬季大风过程湍流通量演变特征的分析研究

利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔1993年12月～1994年1月大气边界层实验资料, 计算分析了大风过境过程中47 m和120 m高度湍流通量演变特征及其影响因子, 以及与风速、 稳定度等参数的关系。结果表明: 大风过程对近地面层的物质能量输送有着重要影响, 大风之前出现短时间动量上传和热量下传; 大风过程中的湍流通量数值明显高于过境后, 水平方向湍流通量数值和能量增加幅度大于垂直方向; 当风速大于临界值5 m/s时, 湍流通量与风速、 湍流动能的相关迅速增大; 湍流谱特征表现为湍流能量的低频部分增加、 湍流谱曲线变宽; 大风能强烈影响近地面层的能量收支。     

塔克拉玛干沙漠腹地夜间稳定边界层观测个例分析

利用塔克拉玛干沙漠腹地2016年7月13-14日和26-27日GPS探空和地面气象观测资料,分析了塔克拉玛干沙漠夏季晴天夜间各气象要素垂直廓线特征。结果表明:夜间(21:00至次日08:00,北京时,下同)稳定边界层的厚度达到240 m。残余混合层最大厚度与前一天对流混合层厚度相当,随时间推移其厚度到10:15损耗近三分之一,残余逆温层顶盖厚度达到400 m;在残余逆温层顶盖和稳定边界层顶附近有风速极大值出现,而07:15稳定边界层顶附近有低空急流发展,其最大风速达到10.8 m·s~(-1);夜间低空处比湿的变化趋势是先增后减小再增大的过程,其最小值为2.95 g·kg~(-1),出现在04:15的稳定边界层顶附近。残余混合层内比湿随高度略微增大;夜间逆温层对水汽通量有阻挡和聚合的作用,使其在稳定边界层顶和残余混合层顶附近出现极大值,并于07:15达到最大值。垂直水汽通量于04:15在残余混合层中下部做下沉运动、上部和残余逆温层顶盖中做上升运动;同时,夜间陆面过程中,存在较强的辐射冷却和较小的摩擦速度,这也是形成较为浅薄的夜间稳定边界层主要的热力因素和湍流动力因素。     

雷暴系统影响下的黄土高原塬区微气象特征研究

利用2012年5—9月中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站的观测资料,对比分析了黄土高原塬区夏季发生的阵风雷暴、大风干雷暴和冰雹强降水雷暴过境期间近地层微气象特征。结果表明:雷暴系统过境前几小时近地层便出现较强上升气流,14 m高度30 min平均垂直速度可达0.25 m·s~(-1),这几乎比该区域无雷暴影响时的垂直速度大1~2个数量级。在雷暴系统过境期间,近地层气压迅速升高,气温急剧下降,上升气流变为下沉气流,14 m高度30 min平均垂直速度可达到-0.18 m·s~(-1)。同时,由于雷暴区与周围环境间存在极强的风速切变和温度切变,造成近地层湍流运动迅速发展,摩擦速度急剧增大,尤其大风和冰雹雷暴期间其值是中午摩擦速度的2倍以上。对湍流谱分析发现,雷暴影响期间湍流涡旋中大尺度涡旋能量显著增大,且此时大尺度涡旋对感热通量输送的贡献起到主导作用,这可能对雷暴系统的加强具有一定促进作用。