皖北一次特大暴雨过程中边界层急流日变化特征及其对暴雨形成的影响分析

利用多普勒雷达风廓线产品、ERA5再分析资料和WRF模式,分析了2018年6月27日皖北一次特大暴雨过程中边界层急流的日变化特征及其对特大暴雨形成的作用。结果表明：特大暴雨发生期间存在边界层急流,急流最强达到了18 m·s^-1,强降水主要发生在急流快速增强的时段;急流前部的边界层辐合线是对流的触发因子,强降水落区位于急流核前部。急流为对流系统加强提供水汽和能量,且边界层急流和雷暴高压对峙使对流系统稳定少动,在对流系统西侧激发新的对流单体,有利于特大暴雨的发生;此次过程中天气系统的影响时间主要决定了强降水的落区,而边界层急流的日变化决定了强降水发生的时间段;边界层急流在夜间具有超地转特征,午后具有次地转特征,地转偏差和水平平流作用是导致夜间边界层急流增强的主要原因。     

梅雨锋强降水与低空急流日变化的观测分析和数值模拟

利用地面加密自动站逐小时观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析了2011年6月江淮流域的5次强降水过程和西南低空急流的日变化特征。发现强降水的日变化与西南低空急流的日变化一致:02—08时增强,14时减弱。这主要是由于夜间边界层内的惯性振荡,导致西南低空急流增强从而使得梅雨锋水汽通量辐合增强,降水增强;而白天由于边界层混合摩擦力增大,致使西南低空急流减弱或消失,降水减弱。WRF数值模拟试验不仅重现了观测的日变化特征,而且证实了江淮暴雨和西南低空急流的日变化主要是由非地转风的日变化造成:白天边界层混合强,风为次地转;而夜间边界层混合消失,气压梯度力和科氏力平衡的惯性振荡使得风为超地转      

边界层风温场的数值研究

利用改进的边界层模式,对平坦地形条件下的非定常边界层风温场进行了数值模拟。着重考察了边界层风温场结构受迫于地面温度变化而伴随的时间变化问题,通过对各种不同型式的初始风场在不同的初始温度层结下,风温场时空演变过程的数值计算,揭示边界层风温场日变化的物理机制、相互联系,以及不同型式的初始风温场对夜间急流的影响。     

北京地区夏季边界层急流的基本特征及形成机理研究

首先指出了北京地区夏季边界层急流的基本特征, 即北京地区边界层急流一般出现在白天高温背景下或发生局地暴雨的夜间, 强度存在明显的日变化, 垂直分布具有明显的"鼻状"结构特征, 急流核高度一般为600～900 m.从中尺度扰动方程出发, 并通过天气过程演变实例, 研究了地形热力作用、局地强降水在边界层急流形成过程中的作用, 指出: (1)夏季高温背景下, 平原与山区之间温度梯度方向、强度的变化, 是造成低空风垂直切变加速或减速, 即边界层急流形成或消失的直接原因, 因此这种边界层急流的高度一般要低于山体的高度.(2)局地暴雨与边界层急流之间存在明显的正反馈现象: 由于局地暴雨同时改变了对流层中层和近地面层气温的水平分布, 这种热力强迫作用造成了边界层气流加速; 反过来, 边界层气流的加速又加强了急流前方的风速辐合--如果急流方向水平垂直于山坡, 这种迎风坡上的辐合将更强, 造成局地降水强度进一步增强.     

黑河地区夜间低空急流和冷世流特征分析

本文根据在ＨＥＩＦＥ实验期间大气边界层的探测资料，分析了夜间冷泄流和低空急流的发展过程。在一般情况下，黑河地区夜间低空急流的特征与稳定边界层在惯性振荡作用下所形成的低空急流特征一致。由于祁连山的作用，在戈壁地带会发生夜间冷泄流，并带有干旱地区的明显特征。当午夜前有冷泄流发生时，会影响到低空急流的发展，使急流层高度下降到近地层顶附近。这些对黑河地区边界层结构与地气交换过程必将产生重要的影响。     

黑河地区夜间低空急流特征的二维数值模拟

引言低空急流是夜间稳定边界层的一种典型特征,而目前对低空急流的变化特征、生消规律、物理机制等都存在着不同的认识。Ｂｌａｃｋａｄａｒ（１９５７）曾提出了惯性振荡理论,来解释低空急流的夜间特征。Ｔｈｏｒｐ和Ｇｍｙｍｅｒ（１９７７）又发展了全边界层的惯性振荡...     

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。     

多模式对美国中部草原大气边界层模拟的对比分析

利用DICE试验的4个大气模式(UM、GEM、LMD和WRF)模拟结果,结合探空资料,对比分析了不同模式对1999年10月23—26日美国中部草原白天对流边界层和夜间稳定边界层的模拟效果。结果表明:对于白天对流边界层,不同模式之间存在明显差异,这与各自的边界层参数化方案密切相关。其中,UM和LMD模式中,边界层和自由大气之间强的卷夹作用导致了偏强的湍流混合,进而使模拟的混合层高度高于观测值;GEM模式模拟的白天湍流混合偏弱,边界层为不稳定的大气层结,且模拟的风速在边界层中随高度基本呈递增趋势,但与观测值差异较大;所有模式中WRF模式模拟效果最佳,成功模拟出24日边界层与自由大气之间的水汽干层和低风速区。对于夜间稳定边界层,不同模式之间差异较小。其中,UM和GEM模式模拟的24、25日夜间低空急流偏弱,而LMD和WRF模式模拟的夜间低空急流更接近实况。     

边界层急流与北京局地强降水关系的数值研究

应用3 km分辨率的中尺度模式,成功模拟出了2005年8月3日凌晨北京地区一次局地强降水过程,在此基础上探讨了地形热力作用和局地强降水与边界层急流的关系,结果表明,局地强降水与边界层急流之间存在正反馈作用,降水过程通过改变局地大气温度场的分布,导致边界层气流加速和急流的形成。而边界层气流的加速又加强了急流前方的风速辐合,为降水提供更多的水汽和更有利的动力条件。     

初夏敦煌荒漠戈壁大气边界结构特征的一次观测研究

利用"西北干旱区陆气相互作用野外观测实验"加强期在甘肃省敦煌市气象站进行的风、温、湿探空观测资料,分析了西北典型干旱区大气边界层的结构特征和变化规律。结果表明,大气边界层厚度总体而言明显偏高,对流边界最高层厚度可超过4000m,稳定边界层也在1000m左右的高度;2750m附近为风向转变高度,其下全为偏东风,其上全为偏西风,这个风向转变高度有一定日变化,在观测的9天内每天的日变化规律保持了很好的一致性;边界层风速切变较大,大多数时候有低空东风急流出现,急流最强可达到近20m·s-1,急流高度在500m左右;边界层内比湿廓线有时在大约500m高处出现逆湿,一般以夜间更为显著。     

边界层低空急流的数值研究

本文利用稳定层结条件下的二维夜间边界层模式,研究了自由大气中的波动及热力稳定度对夜间低空急流的发展演变的影响问题,从而初步研究了自由大气中的波动对边界层大气的反馈作用。指出了自由大气的波动对于大气边界层结构有相当大的影响,对边界层低空急流影响明显。     

双低空急流影响下华南初夏降水日变化的时空分布特征

利用2010—2016年5—6月ERA5逐小时再分析数据集和国家气象信息中心逐小时降水量融合产品,对影响华南地区的低空急流事件进行筛选和分类,并分析天气系统相关的低空急流(Synoptic-system-related Low-Level Jet, SLLJ)和边界层急流(Boundary Layer Jet, BLJ)的日变化及其影响下的华南降水日变化的时空分布特征。结果表明,BLJ和SLLJ在白天减弱、夜间增强,并在凌晨达到峰值,其日变化主要与边界层惯性振荡引起的非地转风的顺时针旋转有关。双急流日华南地区降水量显著增加,且降水日变化有明显的区域差异,这与双急流的演变和配置密切相关。广西中北部主要为SLLJ左前方发生的夜间山区降水,且降水量仅有凌晨的单峰。广西沿海和广东地区存在早晨和午后两个峰值,BLJ出口区辐合和SLLJ入口区辐散的维持有利于降水频率的增大,从而导致午后峰值的出现,而早晨的峰值除了受双急流有利配置的影响外,主要归因于早晨降水强度的增加。     

一次地形作用产生的强降雨过程分析

2002年6月24日夜间北京西南部地区的局地大暴雨是一次强地形雨，它是在对流层中低层有两层逆温以及边界层内中尺度低空急流与北京特定地形条件相互作用的情况下产生的。边界层内中尺度低空急流的发生、发展是低层偏东风与干、湿过程的“内边界效应”及强降水潜热释放等综合作用的结果。     

吕梁山两次夜间暴雨的边界层特征及能量来源与转换

利用常规观测、NCEP/NCAR 1°×1°再分析、风云2E卫星数据等资料,对分别由MβECS和MCC造成的两次吕梁山夜间暴雨过程进行数值模拟和粒子后向轨迹追踪,得到以下结论：过程1受边界层南风急流和西南气流影响,山西西部低空急流偏西分量和晋中盆地边界层西南气流的增强是对流不稳定能量重建的重要因子。过程2则受边界层南风和东风急流作用,前者被显著抬升到对流层中高层,形成含有冰晶层的中高层云系,后者则供应了低空水汽。两次过程中边界层（0.8～1.2 km）粒子携带的水汽均明显超过了低层（1.5～3 km）,是夜间短时强降水所需水汽的最大贡献者。700 hPa及以上非绝热作用产生扰动有效位能、之后向扰动动能的转化是两次过程中短时强降水发生所需能量的主要来源。     

Temperature oscillations observed in the stable boundary layer over four different underlying surfaces

夜间边界层内的温度时空特征决定了边界层的稳定性。由于稳定边界层的间歇性和复杂性,模式在夜间的参数化方案还不完善,研究夜间边界层的温度变化有助于改进模式在夜间的表现。本文利用四座在不同下垫面上的气象塔的数据,研究了夜间边界层中的温度波动。研究表明,无论是海边、草原还是沙漠下垫面,夜间形成的稳定边界层中,振幅大约2摄氏度,周期在数分钟的温度波动非常频繁地出现。而在北京,由于城市下垫面较大的热容量和人为热源使得稳定边界层不容易形成,温度波动也较弱。用布朗特维萨拉频率代表的静力稳定度是影响温度脉动强弱的重要因子。     

夏季金塔边界层风、温度和湿度结构特征的初步分析

利用2004年6～7月在河西走廊金塔陆-气相互作用试验的观测资料,分析了该地区夏季夜间和中午风、温、湿的垂直结构特征,结果表明：夏季夜间,当地面风较小时,金塔绿洲高空可能为偏西风气流,夜间稳定层高度大致在100～190m。夏季中午,当低空为偏东风时,风速随高度的变化比较复杂。总的来说,存在着东风急流,急流高度在1000-4000m之间,大气边界层顶盖（即逆温层底）约在3000-3600m高度,在500-800m高度以下存在绿洲内边界层;当低空为偏北风或西北风时,高空都为偏西风或西北风气流,低空风速随高度的变化比较平缓,风速有时存在极大值,大气边界层顶盖（即逆温层底）在3500m左右,在1200m以下可能存在绿洲内边界层,绿洲内边界层高度有时会很低。     

夜间边界层发展的数值研究

本文考虑在水平均匀条件下,利用一维非定常模式研究大气夜间边界层的结构和发展规律。考虑地面的降温率是时间的函数。地转风为常数。 用中性层结条件下的计算值作为时间积分的初值,计算了夜间边界层发展的变化规律。得到了夜间地面冷却条件下逆温层的形成和发展以及低空急流建立的典型图象,最后对几种参数进行了计算、分析和比较。     

利用风廓线雷达资料对南京地区低空急流的统计分析

为了解南京地区低空急流的活动特点,对两部风廓线雷达在2005—2008年收集的风廓线数据,分别从低空急流的月变化、日变化、急流中心特征以及伴随的天气情况等几方面开展了统计分析和对比研究。结果表明,低空急流存在明显的月变化及日变化规律,春、夏季出现低空急流次数多于秋、冬季;凌晨和夜间是低空急流活动的活跃期,且午夜出现极大风速的概率最大;低空急流中心主要出现在1 400 m高度以下,且低空急流中心速度的增强有利于降水的发生。夏季低空急流的出现有利于暴雨的发生。边界层风廓线雷达和对流层风廓线雷达的统计结果具有较好的一致性,两部雷达都能够较好地连续监测低空急流的发生发展。      

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。     

一η模式中高分辨边界层方案及对降水影响的数值试验

利用16层垂直不等距中尺度η模式,引入高分辨边界层湍流闭合方案,且将垂直分层加密至21层。将改进后的模式用于边界层过程的模拟,结果表明,改进后的模式能较好地模拟出边界层的日变化过程及边界层结构;通过对暴雨个例的数值模拟,发现改进后的模式对降水预报的TS评分,特别是暴雨TS评分有明显提高;最后对边界层过程影响暴雨的机制进行了简单的探讨。试验表明,地表潜热通量结合低空急流的水平输送是夏季切变线和准静止锋这一类强降水形成的主要原因之一。