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...     

青藏高原Moho界面起伏样式对通道流模型的动力学响应——基于数值模拟

青藏高原的高精度人工源深部地震探测发现：壳-幔边界（Moho）并非是一物理学上的“刚性”界面,它不仅起伏变化强烈,极为凹凸不平,而且被一系列规模不一,产状各异的深大断裂所切割,故必然会导致复杂的地表和深部物质运移动力学响应的复杂化.在常见的通道流模型中,一般均设定下地壳与上地幔之间为一平缓界面,在数值模拟工作中亦常简化为平滑的约束界面.为此,基于青藏高原实际资料提取的壳、幔介质平均速度模型,采用黏弹性数值模型讨论Moho界面起伏变换样式对通道流模型产生的响应.研究结果表明：（1）通道流效应的影响仅限于小区域内,当Moho面存在起伏样式变化时,确会对通道流产生影响,Moho界面的起伏增强了下地壳和岩石圈地幔的同步运动效应,但是其影响范围是有限的;（2）Moho界面起伏形态变化对地表和Moho界面水平位移产生的影响各异,在Moho界面发生错断的地方,呈现为地表水平位移开始发生明显加速减小的地方,即地表与深部介质水平位移解耦,模型深部动力学效应与地表的响应并非为局部性效应,而至少体现出区域性的响应.     

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.     

青藏高原东北缘重力场深部结构及其动力学特征

本文采用欧拉反褶积、场源参数成像(SPI)、场源边界提取(SED)、莫霍面反演、地壳三维可视化等多源方法,对青藏高原东北缘地区的布格重力场进行反演与分析,深入研究该地区的深部结构与变形特征,探讨区域深部孕震环境及动力学机制.研究表明,青藏高原东北缘的布格重力场整体呈负异常值,具有明显的分区性,表现出鄂尔多斯盆地异常值相对偏高、阿拉善块体次之、青藏高原块体极低的特点,其中海源断裂系形成了一条宽缓的弧形重力梯度条带,梯度值达1.2 mGal·km^-1.欧拉结果显示,鄂尔多斯盆地相比于青藏高原块体而言,场源点具有较强的均一性,场源强度值高(密度值高)且深度稳定在25~32 km范围内,而高原块体的中下地壳尺度广泛分布着低密度异常体.SPI图可知,海源弧形断裂系位于“浅源异常”弧形区,反映其地壳较为活跃,易发生中强地震.SED图揭示青藏高原地壳向东北扩展,经过几大断裂系的调节后运动矢量向东或东南转化,SED与GPS、SKS运动特征大致相同,说明地表-地壳-地幔的运动特征有着较强的一致性.青藏高原东北缘地区壳幔变形是连贯的,加之莫霍面由北向南、由东向西是逐渐加深的,因此属于垂向连贯变形机制,不符合下地壳管道流动力学模式.区域形成了似三联点构造格局,其中海源弧形断裂系的深部地壳结构复杂,高低密度异常体复杂交汇,是青藏高原、阿拉善、鄂尔多斯三大块体相互作用的重要枢纽,其运动学特征总体为中段走滑尾端逆冲,而断裂系正处于大型的弧形莫霍面斜坡带之上,具备强震的深部孕震环境,因此大尺度的运动调节与深部孕震条件共同促使了该地区中强震的多发.     

第八届青藏高原东部构造与地球物理研讨会（WTGTP2020）反映的新进展

印度板块与欧亚板块的碰撞是新生代全球最重要的地质事件,由此青藏高原快速隆升,成为了世界第三极,并不断向外扩展,其内部大型断裂体系发育、地质构造复杂、地震及火山活动性强烈。青藏高原东部及其周边地区作为研究高原隆升、深部变形的动力学机制的天然试验场,也是国际地学领域、地球物理与大陆动力学领域的一个重要焦点。本文根据第八届青藏高原东部构造与地球物理研讨会（WTGTP2020）的学术报告,对高原深部结构与动力学研究的一些新进展进行阐述。本次研讨会对青藏高原及其周边地区岩石圈结构、变形机制及物质运移动力学模式等关键问题进行了较为系统的讨论,围绕青藏高原的形成演化历史,从深部构造与岩浆变质响应,到浅部地表过程以及其对资源气候的影响进行探讨研究,将地球深部动力学、地表过程和气候变化等不同圈层的相互作用有机地联系在一起。      

Natural integration of scalar fluxes from complex terrain

Large eddy simulations of turbulent flow and transport in the atmospheric boundary layer were conducted over heterogeneous sources of heat and water vapor to identify the blending properties of the turbulent mixing in an unstably stratified boundary layer. The numerical simulations show that the concept of blending in the ABL is in fact a useful one, even under convective conditions, for a range of surface conditions. Since the transport eddies that are responsible for the blending have sizes that are constrained by the boundary layer depth, and since the vertical motion is so important under the unstable density stratification studied here, we see that when the length scales of the source variability on the land surface become significantly greater than the ABL depth the blending is lost. In this case the source fields remain relatively uncoupled by the important eddy motion. However, for smaller surface length scales, the dynamic eddy motion couples the surface patches. Hence, there is good reason that the land surface exchange phenomenon would not be scale invariant over the entire range of scales. Because of the active role of temperature the effects of inhomogeneous surface sources of sensible heat persist higher into the ABL than do the effects of surface sources from more passive scalars, such as water vapor. Moreover, the mean fields of potential temperature and specific humidity blend at much lower heights than do the vertical turbulent flux fields of these two scalars. We propose a useful measure of blending efficiency for simulation studies and show how this bridges from the dynamics responsible for the blending to the horizontal homogeneity of scalar flux fields at measurement heights in the ABL.     

青藏高原东北缘祁连山与酒西盆地结合部深部地壳结构及其构造意义

青藏高原地壳变形加厚机制一直是地学界研究争论的热点问题.青藏高原目前仍然处在持续向外扩张之中,因此青藏高原的边界地带作为高原向外扩张的最前缘地区代表了高原最新的变形状态,是研究青藏高原地壳变形加厚的关键地区.本文以一条穿过青藏高原东北缘祁连山与酒西盆地结合部的深地震反射剖面为基础,结合前人地质、地球物理资料,通过细致的地质构造解译,获得青藏高原东北缘祁连山与酒西盆地结合部位地壳变形以壳内滑脱带为界上、下解耦.滑脱带位于壳内低速层的顶部,深度14~24 km.滑脱带之上的地壳部分以一系列南倾、北冲,并向下终止于滑脱带的逆冲断裂变形为主,指示了青藏高原向北的扩张方式;滑脱带之下的地壳以Moho面作为变形标志,指示了复杂的挤压缩短变形.据此我们推测上、下地壳的解耦缩短变形对青藏高原东北缘地壳的变形加厚起到了决定性的作用,甚至在整个青藏高原地壳的变形加厚过程中都起到了重要作用.     

青藏高原东部和周边地区地壳速度结构的背景噪声层析成像

利用连续地震背景噪声记录和互相关技术获得瑞利面波格林函数,进而反演获得了青藏高原东部和周边地区的地壳三维速度结构.地震数据源于北京大学宽频带流动观测地震台阵,国家数字测震台网数据备分中心提供的部分固定台站的连续记录及INDEPTH IV宽频带流动观测地震台阵.首先对观测数据进行处理和分析取得所有可能台站对的面波经验格林函数和瑞利波相速度频散曲线,反演得到了观测台阵下方周期从6~60s的瑞利波相速度异常分布图像.并且进一步反演获得研究区域三维剪切波速度结构和莫霍面深度分布.短周期(6~14s)相速度异常分布与地表地质构造特征吻合较好,在青藏高原和四川盆地之间存在一个明显的南北向转换带.而本文最重要的结果是周期大于25s的相速度异常分布图像显示,以昆仑断裂带为界,柴达木盆地和祁连山脉地区呈现与青藏高原截然不同的中地壳速度结构,反而与青藏高原东缘地区和川滇菱形块体速度结构相似.反演获得的剪切波速度在27.5~45km深度的切片也明显地揭示:青藏高原的松潘—甘孜地块和羌塘地块呈现均一的低速层;然而,柴达木盆地和祁连山脉地区则呈现较强的横向不均匀性,尤其是柴达木盆地的高速异常和四川盆地的高速异常相对应.这些结果为前人提出的青藏高原东北向台阶式增长模式提供了重要的地震学观测证据.与全球一维平均速度模型(AK135)相比较发现,本文测量和反演获得的研究区域内平均相速度和剪切波速度都比AK135模型慢很多,尤其是青藏高原的中地壳(25~40km)剪切波速度显著低于全球平均速度模型.进一步的层析成像反演证实松潘—甘孜和羌塘地块中地壳(27.5~45km)呈现大范围均一的低速层,为青藏高原可能存在大规模中下地壳"层流"提供地震学观测证据.在祁连山脉的27.5~45km深度观测到的明显低速异常体可能对应于该造山带下地幔岩浆活动导致的底侵作用,表明引起该地区地壳增厚的主要机制可能是来自地幔岩浆的底侵作用.     

200-kg large explosive detonation facing 50-km thick crust beneath west Qinling,northeastern Tibetan plateau

It is difficult to acquire deep seismic reflection profiles on land using the standard oil-industry acquisition parameters. This is especially true over much of Tibetan plateau not only because of severe topography and rapid variation of both velocity and thickness of near-surface layer, but also strong attenuation of seismic wave through the thickest crust of the Earth. Large explosive sources had been successfully detonated in US, but its application in Tibetan plateau rarely has an example of good quality. Presented herein is the data of a 200-kg single shot we recorded in west Qinling, northeastern Tibetan plateau. The shot gather data with phenomenal signal-to-noise ratios illustrate the energy of the PmP phase. Although the observations are only limited to the northeastern Tibetan plateau and thus cannot comprise an exhaustive study, they nevertheless suggest that large explosions may be a useful exploration tool in Tibetan Plateau where standard seismic sources and profiling methods fail to produce adequate data of low crust.     

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．     

黄土高原复杂地形上边界层低空急流对近地层湍流的影响

利用中尺度气象数值模式（Weather Research and Forecasting Model,WRF）模拟风场,结合兰州大学半干旱气候与环境观测站（Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL）湍流观测资料,分析了黄土高原复杂地形上稳定边界层低空急流对近地层湍流活动的影响.黄土高原复杂地形上稳定边界层低空急流的形成与地形作用引发的局地环流有关.低空急流对近地层湍流活动有强烈影响,剪切作用使小尺度湍涡活动加剧,湍动能增大,同时非平稳运动被压制.低空急流发生时,观测数据有87.3%是弱稳定情形（梯度理查森数小于0.25）;而无低空急流时,对应时段的观测表明65.4%属于强稳定层结（梯度理查森数大于0.3）,非平稳运动造成湍流功率谱在低频端迅速增大.与无低空急流和弱低空急流情形相比,强低空急流发生时,近地层湍动能增大1倍,湍动能在垂直方向上的传递增大1个量级,且方向向下,约为-3 × 10^-3 m³·s^-3,湍流在上层产生并向下传递.     

夏季青藏高原地区近地层水汽进入平流层的特征分析

青藏高原为亚洲季风区的典型代表区域,研究其水汽进入平流层的过程和机理对认识全球气候和大气环境变化具有一定的现实意义. 本文基于中尺度气象模式(WRF)的模拟输出结果(2006年8月20日至8月26)驱动拉格朗日大气输送模式FLEXPART,通过追踪并解析气块的三维轨迹以及温度、湿度等相关物理量的相关变化特征,初步分析了夏季青藏高原地区近地层-对流层-平流层的水汽输送特征. 研究结果表明,源于高原地区近地层的水汽在进入平流层的过程中受南亚高压影响下的大尺度环流和中小尺度对流的共同影响.首先,在对流抬升作用下,气块在短时间内(24 h)可抬升到9~12 km的高度,然后在南亚高压闭合环流影响下,相当部分气块在反气旋的东南侧穿越对流层顶进入平流层中,并继续向低纬热带平流层输送,进而参与全球对流层-平流层的水汽循环过程. 在对流抬升高度上气块位置位于高原的西北侧,然而气块拉格朗日温度最小值主要分布于高原南侧,两个位置上气块的平均位温差值可达15~35 K,这种显著的温度差异将导致气块进入平流层时"脱水". 比较而言,夏季青藏高原地区近地层水汽进入平流层的多寡主要和大尺度汽流的垂直输送有关,而深对流的作用相对较弱.     

青藏高原地球科学研究中的核心问题与理念的厘定

在青藏高原的地球科学研究中,国外科技界曾提出过六大论点——喜马拉雅山脉是地壳均衡的典范;青藏高原地壳乃是两个地壳的垂向重叠;雅鲁藏布江是印度洋板块和欧亚板块的缝合带;青藏高原西部的南北走向断裂带全为裂谷带;青藏高原腹地深部物质的向东逃逸;青藏高原下地壳物质通道流以及汶川MS8.0大地震的发生.这一系列论点确为国人广为引用与跟随,并发表了若干篇论著.然而在不断理解和深化研究的基点上提出了质疑,并基于新的认识提出了新的论点与论据,且在科学理念上给予了重新厘定.因为科学是为宇宙提供真正的写真.     

青藏高原东缘的地壳流及动力过程

黏滞性地壳流对地壳及上地幔变形作用及动力机制,是大陆新生代造山带的一个重要研究内容.青藏高原中下地壳存在部分熔融或含水物质的黏滞性流体,已为一系列地球物理及岩石学研究所证实.为研究青藏高原东缘地壳流的动力作用,本文用密集的被动源宽频带地震台的观测数据,反演了地壳上地幔精细速度结构和泊松比.研究表明,川西及滇西北高原的中地壳内普遍存在低速层,而高泊松比的地壳只分布在川西北地区.位于中地壳的黏滞性地壳流从青藏高原腹地羌塘高原流出,自北西向南东流入青藏高原东缘.这些黏滞性地壳流带动了上地壳块体水平移动,当它们受到刚强的四川盆地及华南地块阻挡时将发生分层作用,地壳流将分为二或更多分支不同方向的分流,向上的一支地壳流将对上地壳产生挤压,引起地面隆升,向下的一支地壳流将使莫霍面下沉加厚下地壳·黏滞性地壳流的运动在地壳中产生应变破裂发生强烈地震活动,地震的空间分布与震源机制也受到地壳流动力作用控制.     

Differential surface uplift: Cenozoic paleoelevation history of the Tibetan Plateau

The surface uplift history of the Tibetan Plateau has provided a key boundary criterion for various geological, climatic, and environmental events since the Cenozoic. The paleoelevation history of the plateau is organically associated with interactions amongst deep geodynamics, earth surface processes, and climate change. Understanding of plateau uplift history has been advanced by the development of a number of paleoaltimetries and their application to studies of the Tibetan Plateau: the paleogeomorphic scenario for the Early Eocene Tibetan Plateau is thought to include two high mountains, the ca. 4500 m Gangdese Mountains to the south, and the ca. 5000 m Qiangtang Center Watershed Mountains to the north. Between these ranges, a low-elevation basin (ca. 2500 m) is thought to have been present. The Himalayas in the southern Tibetan Plateau was close to sea level at this time, while the Hoh Xil Basin in the north reached an elevation of no more than 1500 m. Thus, the so-called “Roof of the World” Tibetan Plateau formed subsequent to the Miocene. Nevertheless,, the uplift histories of the different terranes that comprise this plateau currently remain unclear, which constrains the uplift history reconstruction of the entire Tibetan Plateau. Additional paleoelevation data from different areas, obtained using multi-paleoaltimeters, is required to resolve the forms and processes of Tibetan Plateau uplift and extension.     

青藏高原东南缘地震各向异性及其深部构造意义

青藏东南缘是青藏高原物质东流的通道,为了更全面了解复杂的岩石圈结构和强烈的变形特征,本文介绍了青藏东南缘岩石圈各向异性的形态,综合其他研究者得到的该区域壳幔各向异性结果,增加了部分新的资料,更新了青藏东南缘岩石圈方位各向异性图像,探讨了区域深部构造意义.
基于近场小震、远震和背景噪声资料计算结果,青藏东南缘地震各向异性展现出独特的区域空间分布和垂向层次性分布形态,展现了3个主要特征.（1）青藏东南缘上地壳各向异性与地表变形测量结果相符,快剪切波偏振方向（即快波方向）呈现与地表运动特征一致的发散性,与主压应力方向一致,但受到地质构造的影响.（2）青藏东南缘下地壳方位各向异性展现了更好的方向一致性,但方位各向异性程度相对较弱,在红河断裂带西北端部和小江断裂带下方有两个下地壳低速区,其方位各向异性程度与上地壳相当.（3）青藏东南缘岩石圈方位各向异性,呈现南、北分区特征,南北分界线大致在26°20'N,快波方向在北部近似为NS方向,在南部近似为EW方向.
本文推测：（1）在26°20'N北侧的上地幔有较厚的高速体,高速体南侧边缘呈现出近EW走向的直立墙形构造,其南侧软弱的上地幔物质在EW方向上流动,导致了岩石圈方位各向异性特征在空间发生突然的变化,快波方向由北部的NS变为南部的EW方向;（2）小江断裂带是现今的华南地块的地壳西边界,但岩石圈尺度的方位各向异性展现出的趋势性表明,华南地块的上地幔物质越过了小江断裂带到达其西侧,揭示了华南地块与青藏地块接触碰撞造成的岩石圈物质变形和上地幔软流圈物质运移的深部图像.地震各向异性能揭示区域深部构造与介质变形的信息,不同观测资料的综合分析有助于获得更清晰的各向异性三维图像.     

西藏高原斜压对流边界层风、温、湿廓线特征

利用1998年夏季第2次青藏高原大气科学试验当雄观测站的边界层观测资料以及拉萨、改则和武汉等地探空资料,分析讨论西藏高原斜压对流边界层风、温、湿廓线的特征. 研究结果表明,高原地区白天对流边界层发展可高达2200m,显著超过中纬度平原地区和海面上对流边界层高度. 高原对流边界层中温度廓线具有较好的混合特征,湿度廓线有时在某一高度上出现湿度极大值. 高原对流边界层内热量和水汽收支分析表明,水平平流作用对边界层结构具有重要作用. 在对流边界层中平均风速垂直分布存在风切变现象. 水平温度梯度形成较强的斜压性是形成边界层风切变的主要原因.     

白洋淀水陆下垫面上行星边界层空间变动研究

利用三维非静力中尺度模式ARPS,对白洋淀地区水陆非均匀下垫面上大气边界层结构及其变动进行了模拟研究.结果表明,晴天弱背景下,白洋淀地区陆地大气比湿高于水域的情况发生在白天大部分时间内,是普遍存在的一种现象,该现象首先出现在近地层,然后不断向高空延伸,与水陆两种不同的下垫面特征密切相关.由于水陆下垫面的差异,导致水域感热和潜热通量全天较小,变化平稳,而陆地日间感热和潜热通量较大,且潜热高于感热.水陆两地近地层湍流运动状态存在较大差异,湍流输送在水陆比湿空间变动过程中起决定性作用.形成的局地环流同样影响着水陆比湿的空间变动,主要表现在环流上下支对近地层湍流发展以及水汽的垂直输送的影响.陆地上空水汽主要来源于土壤植被的蒸发蒸腾,而来自水域的仅占很少一部分.     

青藏高原东北缘地壳地震各向异性研究进展

青藏高原东北缘是青藏块体与华北块体的接触前缘部位,是研究青藏高原隆升扩张和深部动力学问题的重要区域。本文收集了青藏高原东北缘及其邻区由不同方法和不同资料获得的地壳地震各向异性结果,介绍了中上地壳和全地壳各向异性特征;结合区域地质构造、地表运动、构造应力和深部结构,分析了研究区域地壳各向异性的区域分布特征及其与地质构造的关系。结果表明,青藏高原东北缘地震各向异性存在明显的横向区域差异性,体现区域深部构造和地壳介质变形的复杂性;上地壳与全地壳的垂向差异性,反映出该区域可能存在各向异性分层现象。由于青藏高原隆升在其东北缘的伸展边界、物质运移及深部动力模式等尚处在探讨之中,结合多种数据并综合多种方法分析,有助于获得精细、准确的地震各向异性信息,为研究青藏高原隆升演化机制和深部动力模式提供有效的约束。     

Turbulence structure of the boundary layer below marine clouds in the SOFIA experiment

The SOFIA (Surface of the Ocean: Flux and Interaction with the Atmosphere) experiment, included in the ASTEX (Atlantic Stratocumulus Transition EXperiment) field program, was conducted in June 1992 in the Azores region in order to investigate air-sea exchanges, as well as the structure of the atmospheric boundary layer and its capping low-level cloud cover. We present an analysis of the vertical structure of the marine atmospheric boundary layer (MABL), and especially of its turbulence characteristics, deduced from the aircraft missions performed during SOFIA. The meteorological situations were characteristic of a temperate latitude under anticyclonic conditions, i.e., with weak to moderate winds, weak surface sensible heat flux, and broken capping low-altitude cloud cover topped by a strong trade inversion. We show that the mixed layer, driven by the surface fluxes, is decoupled from the above cloud layer. Although weak, the surface buoyancy flux, and the convective velocity scale deduced from it, are relevant for scaling the turbulence moments. The mixed layer then follows the behavior of a continental convective boundary layer, with the exception of the entrainment process, which is weak in the SOFIA data. These results are confirmed by conditional sampling analysis, which shows that the major turbulence source lies in the buoyant moist updrafts at the surface.