青藏高原大气边界层结构及其发展机制研究

研究青藏高原大气边界层对于我们认识其地面的热量与水分收支状况,了解高原及其周边地区的天气和气候变化具有重要意义。然而,高原大气边界层观测资料的匮乏制约着青藏高原的天气与气候研究。首先,梳理了针对青藏高原大气边界层的大气科学试验情况;其次,归纳了青藏高原大气边界层的高度与风场结构、温度与湿度场结构的研究进展,并从热力学和大气动力学角度介绍了大气边界层的发展机制,在此基础上,对目前研究中存在的不足进行了探讨,指出青藏高原大气边界层的研究还处于揭示现象阶段,对发展机制的研究不够深入,对整个高原面上不同区域同一时间的联动研究较少。针对上述不足之处对未来的研究方向进行了展望。     

对流边界层灰区尺度数值模拟研究进展

随着计算能力的不断提高,数值天气预报模式的水平网格分辨率已经达到公里—次公里量级,这一网格尺度与对流边界层中的湍流特征尺度相当,数值模式可以对有组织对流结构进行解析计算。传统的一维边界层参数化方案（适用于几公里或更粗水平分辨率）和大涡模拟三维湍流闭合方案（适用于几十米以下水平分辨率）的假设条件在这一尺度上均不成立,称为对流边界层的灰区尺度。在讨论传统参数化方法的适用性和局限性的基础上,从理论、方案方法和影响3个方面介绍了对流边界层灰区尺度的研究进展,总结了近20年来国内外发展的各对流边界层灰区尺度模拟方法的特点,探讨了该尺度上边界层过程对数值模式中其他物理过程（如浅/深对流等）的影响,最后展望了未来可能的研究方向和思路。     

藏北高原地区干、雨季大气边界层结构的不同特征

利用2004年4月预试验期(PIOP)和8月加强期(IOP)的无线电探空仪观测资料,分析了藏北高原地区干、雨季大气边界层结构的不同特征.结果显示:藏北高原地区边界层虚位温、比湿等日变化大,对流混合层高度较高,高度干季在2 211～4 430 m之间,雨季在1 006～2 212 m之间,干季的对流混合层高度明显高于雨季...     

珠峰地区夏季大气边界层结构初步分析

利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2007年7、 8月的部分无线电探空资料和风温廓线仪资料, 分析了珠峰地区夏季大气边界层结构. 结果表明: 珠峰地区夏季边界层高度日变化较大, 气温日变化明显. 下午和傍晚可能因为冰川风的存在, 多为偏南风, 风力相对较大. 珠峰地区风速时空变化较大, 特别是下午, 在上空大约1 800 m到2 300 m处风速多为随高度增大, 再往上又减小, 而且此处多为偏西风和偏东风. 这可能与大尺度的大气环流有关, 受地形和冰川影响相对小得多.     

边界层气象学

一 引言 行星边界层的研究始于1905年,Ekman在地球流体力学中以粘性力同Coriolis力平衡条件得出著称于世的Ekman螺线,并提出行星边界层的概念。自此以后几十年内对行星边界层的研究进展缓慢,未形成独立的学科,仅是动力气象学的一个分支。其原因是当时缺乏迫切需要,观测手段又不足,造成资料缺乏以及问题本身的复杂性。     

河套干旱地区夏季边界层结构特征观测分析

利用2013年夏季7月爱尔达K/LLX802J型机动式边界层风廓线雷达获取的三维风场资料和银川站高空气象探测资料,对河套干旱地区夏季边界层日变化特征进行了分析.结果表明:爱尔达K/LLX802J型机动式风廓线雷达能较好的反映并分辨出夏季河套干旱地区边界层内大气湍流和风场的演变过程.夏季7月河套干旱地区边界层高度白天平均为2127.2 m,夜间平均为1760.7 m,白天边界层高度比夜间平均高366.5 m.河套干旱区夏季地表非绝热加热对边界层的影响主要集中在800 m以下,800~2000 m高度边界层则主要受昼夜交替和大尺度天气系统的影响.夏季7月河套干旱地区边界层风速在300 m以下随高度增加而增大,离地500 m以下边界层易在北京时间07:00-11:00和18:00-21:00时段发生风速切变;300 m以下边界层白天盛行西南偏南风、夜间盛行南风,300~2000 m高度边界层白天和夜间均盛行东南风;离地300 m以下边界层易在夜间21:00-23:00时出现风向切变.夏季7月白天河套干旱地区边界层大气垂直速度在300 m高度以下随高度增加而增大,由0.3 m·s^-1增大到0.6 m·s^-1,夜间边界层大气垂直速度在200 m高度以下随高度增大而增大;300 m高度以上边界层大气垂直速度无论昼夜随高度变化均较小.     

扩散边界层对沉积物盐分释放的阻滞影响

扩散边界层是水环境沉积物与上覆水之间物质交换的必经区。通过无风和有风条件下两组沉积物盐分释放实验,研究海湾水库砂质沉积物-水界面扩散边界层的形成情况,并通过水动力扰动下穿过扩散边界层的实测盐分通量与Fick第一定律理论计算通量的比较,以及扰动与无扰动时通量的比较,探讨扩散边界层对沉积物盐分释放的影响。研究结果表明,在稳定风场条件下,沉积物-水界面处存在厚度约3.5 cm的扩散边界层,有风条件下的界面盐分交换通量略大于无风时的通量;分子扩散是边界层内盐分运移的主要机制,扩散边界层对沉积物盐分释放具有阻滞作用,并且边界层越厚,阻滞效应越显著。另外,由于扩散边界层的存在,限制了水动力对沉积物与上覆水之间物质交换的增强作用,所以海湾水库沉积物中蓄积盐分对上覆水的影响将是长期的过程。     

大气边界层物理学的研究进展和面临的科学问题

回顾了大气边界层物理学的发展历史，总结了该领域国际上目前所取得的主要研究进展，提出国内外在未来大气边界层物理学研究方面可能面临的一些主要科学问题，还对未来大气边界层物理学的发展方向提出若干建议，同时也指出了大气边界层物理学研究在思想和方法上应该注意的一些相关问题。     

深海海底边界层原位观测系统研发与应用

为进一步研究南海北部陆坡海洋动力过程对深海海底边界层的影响,研发了“深海海底边界层原位观测系统(In-situ Observation System for Bottom Boundary Layer in Abyssal Sea)”,ABBLOS。观测系统主体为坐底式深海运载平台,最大工作水深可达6 700 m(实际工作水深取决于搭载设备的耐压水深),是研究深海海底边界层问题的重要技术创新。观测平台由上下两部分框架结构组成,上部框架用于搭载和回收观测设备,下部支撑架为配重,并且用于提供距离海底1 m的观测空间;同时创新性地设计了“卡槽定位-螺栓紧固”的连接方式连接上下两部分,连接方式简单可靠,保证了平台回收成功率。ABBLOS集成了75 k-ADCP、高频ADCP、ADV、高精度压力计、海底摄像机等设备,以及甲烷、温盐深、浊度、溶解氧、氧化还原电位等传感器,首次实现了内波、中尺度涡等海洋动力过程与海底边界层物理化学参数的动态变化同步观测,特别是可以观测距离海底1 m高度范围的水体流速剖面,并且达到7 mm一层的垂向空间分辨率。研制完成后,2020年在南海北部陆坡神狐海域655 m和1 405 m水深处分别成功布放并回收,观测时间共计34天,采集到观测站位上覆海水的流速剖面结构,捕捉到了平均周期为1天1次的内波作用过程,以及海底边界层的多种物理化学参数。初步分析655 m水深处的观测数据后,发现深海海底边界层的温度、压力、溶解氧、密度和盐度等参数受控于海洋潮汐过程,尤其是温度和压力的变化基本与潮汐周期同步。海底边界层氧化环境较为稳定,甲烷浓度由高变低,但是基本在海洋溶解甲烷平均浓度范围内。与潮汐相比,内孤立波对深海海底边界层水体的影响程度较小,但是明显可以引起沉积物的再悬浮,引起的海底边界层的海水浊度从背景值的0.01 NTU增大到48 NTU,海底摄像机也记录到了内孤立波期间深海底层海水突然变浑浊的过程,说明南海内孤立波可以影响海底沉积物的输运。     

过渡粗糙平板紊流边界层统计特性试验研究

本文应用偏振差动式激光测速仪对过渡粗糙平板紊流边界层的统计特性进行了研究,得到紊动强度、紊动流速的三阶矩、四阶矩、概率密度分布形式、功率谱、自相关系数等特征.分析结果表明,可以根据高阶矩的符号对紊流边界层沿垂向进行分区,并给出了分区标准,同时发现,加糙可使边界层紊流趋于均匀和各向同性,即概率密度分布更接近于高斯分布.     

极端干旱荒漠区典型晴天大气热力边界层结构分析

利用极端干旱区敦煌野外观测试验资料，分析了极端干旱荒漠区夏季典型晴天位温、风速、比湿等主要物理要素的垂直结构特征及其地表热力和近地层大气运动特征的日变化规律。发现在极端干旱地区夏季晴天大气热力边界层结构十分独特。在夜间，贴地逆温层最低在900 m以上，最厚可以达到1 750 m，逆温层上面的残余层一般能达到4 000 m左右的高度。在白天，位温超绝热递减层高达1 000 m，超绝热递减层上面的混合层最高达3 700 m，混合层顶上还有大约450 m甚至更厚的夹卷层。当白天对流层发展达到残余层以后，混合层的发展明显加快。风速和比湿垂直廓线特征很好地印证了大气热力边界层独特的结构特征，地表热力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物理支持。     

Summary and Prospects of Numerical Simulation Research of the Atmospheric Boundary Layer

As an important bridge between the underlying surface and the free atmosphere, the atmospheric boundary layer is not only closely related to the development of various weather processes, but also plays a key role in local and regional weather and climate changes. In view of the complexity of the atmospheric boundary layer, the numerical simulation of the atmospheric boundary layer has always been a hotspot and difficulty in the numerical simulation research of the atmosphere. In this paper, the three numerical model development stages of the atmospheric boundary layer in recent decades were summarized and the important advances in arid and semi-arid areas, Tibet Plateau, urban complex underlying surface, and special typhoon boundary layer were reviewed. At present, there are still five scientific problems to be solved urgently, including cloud and boundary layer interaction, boundary layer parameterization, model resolution, boundary layer data assimilation and boundary layer development mechanism. Moreover, it was pointed out that in this field we need to strengthen the understanding of different types of atmospheric boundary layer processes, boundary layer bottom and top interface exchange, boundary layer development mechanism in special regions, improve boundary layer parameterization scheme and give full play to the advantages of LES in boundary layer simulation.     

Dynamic response of a soft soil layer to flow and periodical disturbance

The dynamic response of a soft soil layer of finite thickness under the mutual effects of flow and periodical disturbance at the free surface is discussed in this work. The homogeneous water is governed by potential theory and the soil layer obeys Biot's theory of poroelasticity. The boundary‐value problem is solved by an analytical algorithm, in which the wave number is found first. Secondly, the closed form solutions are found by a two‐parameter perturbation method with the boundary‐layer correction. The results are also compared with those of the poroelastic soil layer of infinite thickness to show the impermeable rigid boundary effect. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

混沌理论与大气边界层湍流研究

简述了混沌理论的发展及其判别方法,阐明混沌理论的建立给大气科学中的湍流研究带来了新的启示;介绍了近期混沌理论在大气边界层湍流研究中的应用结果,这些结果表明大气边界层湍流具有很强的混沌特性,且存在低维奇怪吸引子。最后提出了有待进一步研究的问题。     

应用亮兰染色剂指示溶质迁移边界层的研究

应用边界层方法确定溶质迁移参数是一种简单可靠的方法,但如何确定边界层的位置是限制边界层方法应用的关键因素。而亮兰染色剂在土壤中迁移时,具有边界层清晰、容易确定的特点。基于此,以Cl-为例,研究了该染色剂指示非反应性溶质迁移边界层的可行性。研究结果表明:在同一土柱中,亮兰染色剂的边界层与Cl-的边界层的运动规律相似,亮兰染色剂和Cl-的边界层随时间的变化在弥散度很小的情况下都可以用线性关系式近似描述。根据这一规律,得出在风沙土和黄绵土中Cl-边界层与亮兰染色剂边界层之间的关系表达式。两者边界层之间转换关系的求得,为应用亮兰染色剂准确指示非反应性溶质迁移边界层成为可能提供了一条思路。     

Study of near surface boundary layer characteristics during pre-monsoon seasons using micrometeorological tower observations

Studying the boundary layer is imperative because severe weather in this portion of the atmosphere impacts on environment and various facets of national activities and affects the socioeconomic scenario of a region. Near surface boundary layer characteristics are investigated through the vertical variation of fluxes of heat, moisture, momentum, kinetic energy and Richardson number during the pre-monsoon season (April-May) at Kharagpur (22° 30’ N, 87° 20’ E) and Ranchi (23° 32’ N, 85° 32’ E) with 50 and 32 m tower data, respectively, on thunderstorm and non-thunderstorm days. The temporal variation of fluxes within the boundary layer and the kinetic energy at different logarithmic heights are observed to vary significantly between thunderstorm and non-thunderstorm days. The heat and momentum fluxes show a maximum peak while the moisture flux shows a sudden attenuation just before the occurrence of thunderstorms. The wind field depicts to play a crucial role at the inland station Kharagpur, which is in the proximity of the Bay of Bengal, compared to the station Ranchi, situated over hilly terrain on Chotanagpur. The micrometeorological study of the boundary layer reveals a significant finding pertaining to observe the passage of thunderstorms. It is observed that the ratio of the potential temperature (θ) and equivalent potential temperature (θe) remains confined within a critical range between 0.85 and 0.90 during the passage of thunderstorms.     

Marine boundary layer simulation and verification during BOBMEX-Pilot using NCMRWF model

A global spectral model (T80L18) that is operational at NCMRWF is utilized to study the structure of the marine boundary layer over the Bay of Bengal during the BOBMEX-Pilot period. The vertical profiles of various meteorological parameters within the boundary layer are studied and verified against the available observations. The diurnal variation of various surface fields are also studied. The impact of non-local closure scheme for the boundary layer parameterisation is seen in simulation of the flow pattern as well as on the boundary layer structure over the oceanic region.     

非定常边界多年冻土活动层温度的积分渐近计算

对微分形式的热传导方程进行积分变换,将其转变成等价的积分形式的热传导方程式,然后应用渐近序列方法于非定常边界条件下存在相变的多年冻土活动层的温度计算中,提出新的多年冻土活动层温度解析近似计算公式.尽管渐近序列不是收敛的级数,但当级数变量趋向某个值时,只需取渐近序列前几项既可以获得某种极限条件下具有相当精度的近似解.计算模式采用随时间变化函数的非定常边界条件,改进了定常边值条件的冻土相变温度计算的Stefan公式,退化到定值条件下渐近解和Stefan公式有相同的计算结果.     

Atmospheric boundary layer characteristics during the BOBMEX-Pilot experiment

The atmospheric boundary layer characteristics observed during the BOBMEX-Pilot experiment are reported. Surface meteorological data were acquired continuously through an automatic weather monitoring system and manually every three hours. High resolution radiosondes were launched to obtain the vertical thermal structure of the atmosphere. The study area was convectively active, the SSTs were high, surface air was warm and moist, and the surface air moist static energy was among the highest observed over the tropical oceans. The mean sea air temperature difference was about 1.25‡C and the sea skin temperature was cooler than bucket SST by 0.5‡C. The atmospheric mixed layer was shallow, fluctuated in response to synoptic conditions from 100 m to 900 m with a mean around 500 m.