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.     

青藏高原大气边界层湍流特征量分析

采用１９７９年青藏高原气象科学实验资料,研究高原陆面上总体湍流送系数ＣＤ和ＣＨ的特征及边界层高度受高原地形的影响。结果表明用廓线法计算的高原上局地的ＣＤ和ＣＨ值比同样粗糙度长度条件下平原地区的值大得多,而且日较差也大于平原地区。     

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。     

WRF模式对青藏高原那曲地区大气边界层模拟适用性研究

采用WRF（Weather Research and Forecasting）模式4种边界层参数化方案对青藏高原那曲地区边界层特征进行了数值模拟,并利用"第三次青藏高原大气科学试验"在青藏高原那曲地区5个站点的观测资料对模拟结果进行验证,分析不同参数化方案在那曲地区的适用性。研究表明,YSU、MYJ、ACM2和BouLac方案对2 m气温和地表温度的模拟偏低。BouLac方案模拟的地表温度偏差较小。通过对能量平衡各分量的对比分析发现,温度模拟偏低可能是向下长波辐射模拟偏低以及感热通量和潜热通量交换过强导致的。对于边界层风、位温和相对湿度垂直结构的模拟,局地方案的模拟效果均优于非局地方案。BouLac方案对那曲地区近地层温度、边界层内位温和相对湿度的垂直分布模拟效果较好。      

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴过程的大气边界层特征分析

利用系留探空、近地层梯度铁塔及地面气象站观测的数据,对塔克拉玛干沙漠腹地一次沙尘暴天气过程前后大气稳定度、混合层高度、地面气象要素及风、温、湿廓线等大气边界层特征量进行了分析。结果表明：沙尘暴发生时大气层结变得不稳定,沙尘天气过程中大气稳定度经历了稳定一不稳定一稳定的转变;沙尘暴的发生抑制了白天混合层高度的发展,维持了夜间混合层的存在,缩小了混合层高度的日变化;沙尘暴天气是一个降温增湿的过程;沙尘暴过境前后大气层结发生了转变,边界层风、温、湿廓线都打破了原有分布 规律,影响了大气边界层结构的发展变化。     

利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

以往关于青藏高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区高度降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始升高,大部分地区超过1.8 km;秋季又开始回落。青藏高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最高,南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。青藏高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。      

拉萨夏季大气边界层气溶胶垂直结构特征

大气污染物的垂直梯度观测是识别区域输送和本地贡献的必要手段。基于此,2020年8月在拉萨市利用光学粒子计数器（the Printed Optical Particle Spectrometer,简称POPS）在地面和系留气艇分别对0.13～3.39 μm粒径范围的气溶胶数浓度进行了测定。结果表明:（1）拉萨近地面气溶胶数浓度在16 cm?3到870 cm?3范围之间,比华北和珠江三角洲地区小2～3个量级;（2）气溶胶数浓度呈现两峰两谷的日变化结构,峰值通常以0.13～0.4 μm的小粒径粒子为主,且对应北京时间早（10:00）、晚（21:00）高峰时段;（3）气溶胶数浓度垂直分布与边界层演变密切相关,稳定边界层中的气溶胶随高度递减,粒子数浓度为194±94 cm?3,对流边界层和残留层中的气溶胶分布均一,数浓度分别为165±99 cm?3和123±95 cm?3,且显著低于稳定边界层。以上研究结果表明,拉萨的污染源主要为局地机动车排放,机动车污染物减排是打造高原生态旅游城市的必由之路。     

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。     

激光雷达与微波辐射计联合观测大气边界层高度变化

为了研究苏州地区大气边界层结构的日变化及季节特征,利用2014年1—7月期间大气颗粒物激光雷达对苏州上空大气气溶胶进行了连续观测。选定2014年1月15日、3月16日、5月7日与7月22日全天的消光系数探测数据,通过优化后的梯度法得到了该地区的大气边界层高度,分析了其日变化特征,并分析了边界层高度与地表的温湿变化之间的相关性。结果表明除1月15日外,边界层的变化与地表温度存在明显的正相关,而与地表的相对湿度存在负相关。同时,对站点微波辐射计观测得到的温湿廓线与边界层内消光系数廓线进行了联合研究。研究结果表明,微波辐射计湿度垂直廓线与激光雷达消光系数廓线探测得到的边界层具有良好的一致性。     

黑河地区行星边界层大气的气候分析

分析指出:气温和比湿的季节变化基本上呈峰谷相当波型;各月气温和比湿的直减率分别小于和略大于自由大气的直减率。整层各月为准无辐散和弱有旋的西北气流,风速的季节变化在近地层也呈谷峰相当波型,其振幅随高度迅速增强,但位相恰与温、湿波型相反。张掖单站分时次的月平均资料分析表明,风向、风速和层结稳定度都有明显的气候日变化;当考虑湿度层结时,夏季7月19时的平均层结是真潜不稳定,其余季节和时次仍为稳定层结。扩展域边界层月平均温、湿、风场的分析指出,黑河地区近地层在1、4、10月基本上位在平浅温度槽区,而7月却处在纬向水平温度梯度矢端;该区比湿7月相对最高,而其余各月很低;全域近地层流场仅7月稍复杂点,黑河试验区位于弱辐合流场中,其余月份黑河地区边界层平均基本上为平直西北气流所控制。     

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。     

藏北高原地表能量和边界层结构的数值模拟

利用耦合了NCAR LSM陆面过程的中尺度模式MM5V3.7和2002年8月CAMP/Tibet加强期的观测资料,对藏北高原地区地气交换过程进行了48 h模拟研究。模式较好地模拟了该地区的山谷风环流;并将模拟的地表通量在中尺度区域上与NCEP/NCAR全球大气再分析格点资料(NNRP)获得的结果进行了比较,同时也与单站的实测值进行了比较,结果显示:模拟的地表通量与NNRP得到的结果比较吻合,同时可以得到雨季时藏北、藏东地区潜热通量大于感热通量,而高原西部感热通量大于潜热通量,这与观测试验分析结果一致;与单站试验结果比较,模拟的感热通量与实测值一致,潜热通量的模拟值和实测值有一定差别。模拟的边界层位温廓线与实测值比较,模式模拟的对流混合层和夜间残留层都与实测结果吻合,但模拟的混合层高度较实测值高。由此来看,中尺度模式MM5V3.7能够较好地模拟藏北高原的地表能量和边界层结构特征,但还需要进一步完善陆面过程和物理过程参数化方案。     

边界层动力"抽吸泵"对青藏高原低涡的作用

考虑热带气旋类青藏高原低涡为受加热和摩擦强迫并满足热成风平衡的轴对称涡旋系统,通过求解线性化柱坐标系中涡旋模式的初值问题,分析了高原边界层动力"抽吸泵"对高原低涡结构及发展的作用,得出了特定热力、动力作用下高原低涡水平流场和垂直流场的典型结构特征,并讨论了低涡发展与边界层抽吸作用的关系.结果表明:高原上较强的边界层动力"抽吸泵"作用对高原低涡的流场结构及发展有重要影响.当边界层动力"抽吸泵"表现为"抽"的效应时,有利于边界层中对流活动的发展;反之表现为"吸"的效应时,有利于边界层以上的高原低涡的加强.     

青藏高原东部及下游地区冬季边界层的观测分析

利用2007年12月的加密探空资料, 对高原东部及其下游地区的边界层结构和高原东部边界层变化对下游大气的影响进行了分析。结果表明, 冬季青藏高原东部夜间近地面逆温层可以发展到平均500 m的高度, 白天混合层可以发展到平均2000 m的高度。白天混合层内水汽和风速混合十分均匀, 在混合层发展成熟时存在十分深厚的逆湿层。冬季青藏高原下游的四川盆地, 边界层内温度日较差小, 夜间逆温层把大量地表水汽截留在近地层, 日出前近地层水汽容易达到饱和。白天, 混合层在中午发展成熟, 平均高度只有300 m。四川盆地对流层下部存在非常强的逆温层, 该逆温层是青藏高原抬升地表加热和冬季盛行西风气流形成的, 逆温层变化是青藏高原东部边界层温度日变化和局地西风变化的共同结果。逆温层显著改变大气动量、 热量和水汽的垂直分布。与对流层下部逆温相联系的中层云对辐射的影响是造成四川盆地温度日较差和混合层高度变化的原因。     

青藏高原边界层高度特征对大气环流动力学效应的数值试验

利用NCAR的全球气候模式 (CCM3) 及第二次青藏高原边界层观测试验的研究结果, 对青藏高原上大气边界层高度的作用进行了研究, 分析了夏季青藏高原地区与长江流域上空的环流状况。研究表明:青藏高原的边界层高度特征对高原东南部地区以及长江流域出现强烈的垂直上升运动及其低层辐合、高层辐散存在着显著的动力效应, 深厚的高原边界层特征将使长江流域夏季区域性的云量及降水明显增加, 河套地区与黄河流域的夏季云量及降水有所减少。     

青藏高原西部改则地区大气边界层特征

利用第二次青藏高原大气科学考察试验（TIPEX）改则站大气边界层物理观测资料,着重揭示了该地区边界层结构的观测事实,尤其是近地层风、温、湿特征和土壤温、湿特征。主要结果如下:（1）边界层内风速随高度呈多极值分布,即使在白天混合层内,空气上下混合也较差;（2）边界层内白天温度递减率较大,可达到1.6 ℃/100 m;（3）白天,边界层常出现逆湿现象。     

高原东南缘大气近地层湍能特征与边界层动力、热力结构相关特征

基于云南省大理2008年3、5、7月GPS加密探空试验时段(14和02时)资料,结合边界层铁塔综合观测资料,采用温度梯度法、逆温强度法和涡动相关法分别计算高原东南缘对流边界层(convective boundary layer,CBL)及稳定边界层(stable boundary layer,SBL)顶高度,通过计算获取感热通量、潜热通量、湍流动能、切变项以及浮力项与大气动力、热力过程垂直相关特征综合分析,可发现湍能方程中浮力项、感热、潜热通量与NCEP再分析资料计算获取的大气视热源相关特征显著,这某种程度反映了高原东南缘近地层大气湍流动量、热量输送对低层大气视热源Q_1的重要贡献。低层视热源Q_1亦表现出与湍能方程分量类似的日变化周期,此特征反映了高原东南缘大气热源变化与下垫面水热过程及其湍流输送日变化密切相关;浮力项与湍能等项对大气低层热源与涡动特征、热力混合结构的形成有重要作用;低层大气视热源、水汽汇均与边界层高度有显著相关,综合分析结果某种程度描述了青藏高原东南缘近地层湍流动量、热量输送状况与低层大气热源,热力混合边界层结构的综合相关物理图像,初步探索了高原东南缘对流活跃区大气湍流运动与大气动力、热力过程相互作用特征。研究表明近地层湍流通量变化某种程度可反映未来局地大气视热源垂直结构变化的"强信号"特征。本文上述研究结论也可启发我们进一步关注近地层湍流通量异常变化特征及其对局地降水过程大气热源结构演变的影响问题。     

藏北那曲地区大气边界层特征分析

利用“全球协调加强观测计划(CEOP)亚澳季风之青藏高原试验”(CAMP／Tibet)2002年8月预试验期间(PLOP)藏北高原观测站(BJ站和安尼站)的无线电探空仪的探空资料,分析了藏北那曲地区的大气边界层位温、比湿、风速的日变化特征及稳定边界层和对流边界层特征。结果表明,藏北那曲地区边界层日变化大,对流混合层高度最高可达1800m,下雨天形成对流边界层的时间晚于阴天和晴天的时间。     

洱海湖滨大气边界层结构及特征分析

利用JICA计划中日合作2008年季风过程与暴雨天气上游关键区综合气象观测试验期间在大理国家气候观象台的GPS探空加密观测资料,分析了洱海湖滨区大气边界层厚度、位温、比湿、风速、风向的垂直结构。结果表明,洱海湖滨大气边界层结构具有显著的日变化特征,边界层厚度日变化较大,对流边界层厚度在190～2500 m之间,平均厚度为1061 m;稳定边界层厚度在60～1760 m之间,平均厚度为467 m。无论在干季还是在湿季,大约在2400 m以上,气流主要受大尺度的大气环流的控制,以西风气流为主。在2400 m以下,气流主要受苍山和洱海的影响,可能存在着山谷风和湖陆风两者叠加效应引起的局地环流。大约在500 m以下,白天多为东风和东南风,夜间多为西风和西南风。     

青藏高原云的研究进展

本文主要针对青藏高原云系的气候学特征、物理学特征及其相关的物理化学过程等方面的已有研究进行了综合评述,并给出了有关青藏高原云系（尤其是高云）的最新统计结果,最后还提出了青藏高原云系研究中亟待解决的一些问题。