对实测边界层的个例分析

利用南京１９９２年１０月分份小球实测风、温、露点等资料，计算了相应高度处的θ、ｑ和Ｋ值，在此基础上对各要素进行了较为深入的分析，结果发现，在比较稳定的变性冷高控制的天气系统和少云天气条件下，边界层气象要素的铅直分布和日变化过程，具有鲜的特点和相当的规律性；而且在相似的天气形势下，边界层结构具有基本的相似性。这些实例的结果，无疑充实了边界层的观测事实和研究内容，对边界层的模拟预报也具有积极的参考意义     

山东一次大范围持续性霾过程的气象条件分析

2016年12月30日至2017年1月8日，山东出现了以PM2.5为首要污染物、持续几天、大部地区重度以上污染的霾天气。基于多种实况观测资料和ERA Interim再分析资料，分析了此次过程天气背景和边界层特征等。结果发现：高空平直纬向环流、地面弱气压场、典型的静稳天气，有利于霾维持较长时间。此次过程期间有3次冷空气影响，冷空气的强度影响霾的变化，弱冷空气难以破坏近地层逆温结构，并会从上游向下输送污染物，有利于污染物的累积；较强冷空气带来较强的垂直运动，破坏了静稳天气形势，有利于污染物的扩散及清除。此次过程稳定层结形势下，边界层高度是一个对霾有指示意义的物理量。边界层高度和AQI的变化呈滞后负相关关系，边界层高度降低之后对应AQI指数升高。逆温层长时间的存在是此次霾持续的重要条件，另外由于地理原因东南风增湿和逆温层顶高度降低都会导致污染物浓度增大，使霾加重。     

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。     

北京秋季一次降雪前污染天气的激光雷达观测研究

以2009年11月5~8日北京地区发生的一次特殊天气形势下的重污染天气过程为例,研究分析本次污染特点和大气边界层结构特征以及此天气过程的大气温度和相对湿度结构特点。激光雷达是探测大气边界层及气溶胶的一个高效工具,利用ALS300激光雷达系统测量信号,应用Fernald方法反演大气消光系数,根据反演的气溶胶消光系数的最大突变,即最大递减率的高度来确定大气边界层的高度。利用其观测的退偏比分析大气污染物特性。利用微波辐射计数据,确定大气温度和湿度时空特征。研究结果表明:在本次污染天气下,大气具有很强的逆温结构,逆温最大可达近1 K(100 m)-1,500 m以上的大气相对湿度很低,在这种天气特征下的大气边界层高度在400 m左右,非常稳定。污染结束降雪开始前,大气逆温结构消失,大气湿度大幅度增加,接近饱和。根据lidar(light detection and ranging)退偏比的分析,本次污染天气是一次典型的烟尘类颗粒物的污染,污染具有区域性特点。PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物)与AOT(Aerosol Optical Thickness)之间有明显的线性关系,相关系数达到0.72。该lidar系统能够反演出秋季降雪前本次污染天气背景下北京城区上空的大气污染特性和大气边界层高度。     

基于激光云高仪反演全天边界层高度的两步曲线拟合法

大气边界层高度是天气、气候、大气环境研究中的一个重要参数,目前尚缺少基于激光雷达探测系统反演全天边界层高度的有效方法。文中利用北京朝阳站、大兴站的激光云高仪数据,首先评估了梯度法、标准偏差法、曲线拟合法和小波协方差法反演边界层高度的适用性和局限性,发现梯度法容易受环境噪声的影响,曲线拟合法稳定性较好,但在夜间弱湍流条件下会将残留层高度误判为夜间边界层高度。提出两步曲线拟合法,将一天中边界层结构划分为白天的对流边界层、夜间的残留层和稳定边界层,通过用不同的理想曲线对其进行两步拟合,获取全天边界层高度的变化。将两步曲线拟合法的反演结果与基于L波段探空雷达的位温梯度法的探测结果进行比较发现:两者相关系数为0.91,证明了两步曲线拟合法的可行性以及激光云高仪探测边界层高度的应用潜力。采用该方法反演2017年5—6月朝阳站与大兴站边界层高度,对比发现:城区特殊的下垫面性质使朝阳站日间对流边界层发展更早,边界层高度更高,全天朝阳站边界层高度的变化在308—1391 m,大兴站在197—1302 m。     

基于微波辐射计和气溶胶激光雷达的边界层高度研究及应用

分别基于微波辐射计温湿度廓线资料的气块法、位温法和比湿法,地面气象资料的罗氏法及气溶胶激光雷达数据的梯度法,计算得出广州地区大气边界层高度,对比分析5种边界层高度结果及其与气象条件、空气质量之间的关系,结合典型大气污染过程分析边界层高度对PM_2.5、O₃浓度的影响。结果显示：(1)利用位温法、气块法、罗氏法、比湿法和梯度法计算得出广州地区平均边界层高度分别为2 207 m、1 239 m、901 m、717 m和660 m,位温法显著高估了广州地区的边界层高度;(2)利用气块法得出的混合层高度日变化能够较好地表征白天大气边界层演变特征,利用气块法和比湿法得出的白天混合层高度与近地面O₃浓度有显著的正相关关系,相关系数在0.5以上,在O₃污染防治中,应同时考虑边界层内垂直输送的影响;(3)利用梯度法得出的边界层高度在污染天气时与PM_2.5浓度的相关性较好,能较好地表现出大气污染情况,在PM_2.5污染天气过程分析中具有较好的应用价值。     

夏半年成都边界层风场与四川盆地暴雨的关系

本文分析了四川盆地５个测站边界层风场的变化及其与暴雨天气的关系。结果表明，成都边界层风场变化表现出明显的规律性，０，３００，６００和９００ｍ高度平均风场主要为东北风和西南风交替出现；成都边界层风场的这种变化与其处于青藏高原边缘和四川盆地特殊地形环境有直接关系；并且当成功边界层平均风为东北风时，四川盆地未来产生暴雨天气；当为西南风时无降水天气。这种与高原盆地地形相关的边界层动力激发作用是四川盆地暴雨     

气溶胶激光雷达和无线电探空观测边界层高度的对比分析

利用北京地区2017年11月至2018年1月连续3个月的激光雷达资料和无线电探空数据,按照清洁天、污染天和多云天3种天气条件,对大气边界层高度的计算方法和结果进行对比分析。结果表明,基于激光雷达消光系数的梯度法、标准差法和小波法都能够较好地提取边界层高度。清洁天标准差法计算的边界层高度高于梯度法和小波法,08:00（当地时间,下同）和20:00由无线电探空得到的清洁天边界层高度平均值分别为1176 m和1224 m。污染天标准差法的计算结果要低于梯度法和小波法,污染天无线电探空得到的边界层高度平均值约为956 m,和清洁天相比降低了两百多米,重污染时最低降低至562 m,逆温层高度和PM2.5浓度具有明显的反相关关系。有云时,梯度法和小波法确定的边界层高度和云高非常接近,标准差法计算的结果略低。总体而言,气溶胶激光雷达计算的边界层高度随着污染等级的提高没有明显的降低趋势,相反在重度污染情况下反而有所增加,这可能是由于污染物的不断堆积导致的。梯度法确定的边界层高度易受到污染物传输过程的影响,略高于逆温层高度。另外,激光雷达确定的边界层高度受到残留层影响时,也会高于逆温层。     

北京稳定天气条件下城市边界层环流特征数值研究

采用科罗拉多大学和MRC／ASTER共同开发的区域大气模拟系统（RAMS）对北京地区稳定天气条件下的个例进行数值模拟,通过对数值模拟结果与观测事实的比较以及敏感性试验,分析了北京城市边界层环流特征和环流影响因子在环流发展过程中的作用。结果表明：①在山谷风环流和热岛环流相互作用下形成了北京城市边界层流场特有的局地环流。②热岛中心在决定边界层环流的辐合区位置上起相对较大的作用,边界层环流的强度和发展高度由山谷风强度和热岛强度共同决定。     

激光雷达反演边界层高度方法评估及在北京的应用

边界层高度是影响大气边界层发展和空气污染程度的重要因子,是环境和气候研究的重要参数。本文利用激光雷达对北京地区2011年5月至2012年4月的边界层高度进行探测分析,采用小波协方差方法反演边界层高度,评估了该方法的适用性。得到基于小波协方差方法自动判断边界层高度的最优参数组合,激光雷达与飞机探测结果对比一致性较好;与探空结果相关系数0.88,激光雷达反演的边界层高度略偏高。当激光雷达的垂直分辨率为30 m时,更加适合北京地区的步长和阈值分别为210 m和0.05;当激光雷达的垂直分辨率为15 m时,步长和阈值分别为135 m和0.05。分析期间,不同季节边界层高度日变化有明显的不同,夏季14:00（北京时）左右达到最高,较高的边界层高度可维持3~4 h,平均可达1.30 km;冬季较高边界层高度只能维持2 h左右,平均为1.08 km。有云与无云天气边界层日变化特征以及边界层高度存在显著的差异,云的存在减少了到达地面的直接辐射,抑制了湍流的发展,进一步抑制了边界层的发展;本文也将激光雷达反演边界层高度结果应用于观测时期边界层高度与地面污染的关系研究中,统计得到边界层高度与PM2.5浓度的相关系数为－0.340。     

利用机场地面情报计算边界层下部垂直风切变的方法

在机场气象台没有天气情报的条件下，确定了利用地面情报计算边界层下部垂直风切变所需要的重要参数Ri数、μO-H和地转风速值Vg；介绍了根据这些参数计算边界层下部垂直风切变的法，并对结果进行了讨论。对保障飞行安全有一定的现实意义。     

高原地区风廓线雷达资料评估

在简述风廓线雷达原理的基础上,将风廓线雷达探测资料与探空资料进行对比分析,发现风速风向一致性较好,温度一致性较差。对风廓线资料总的数据获取率及不同天气条件下的数据获取率进行了统计,大理风廓线雷达边界层高度的数据获取率大于80%,在对流层低层以及边界层的探测能力要远远大于高层,高空雨季后的探测高度大于雨季前的探测高度。不同天气条件下低空的数据获取率差别不大,高空阴雨天的数据获取率大于晴天的数据获取率,阴雨天的探测高度大于晴天的探测高度。     

稻麦轮作农田区大气边界层高度的日变化和季节特征

利用2015年7月至2016年5月寿县稻麦轮作农田区观测站地基多通道微波辐射计观测的高时间分辨率温度廓线资料,结合位温梯度法,计算了该站点的大气边界层高度,分析了边界层高度的日、月和季节演变规律。结果显示,晴朗天气情况下,边界层高度具备典型的日变化特征,随着地面温度的升高边界层高度不断增大。其最大平均值通常出现在午后,8月平均高度最高,超过1520m,1月最低,只有520m。而且边界层高度具有季节变化趋势,春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)平均高度分别为436m,499m,377m和322m。将边界层高度结果与FNL和ERA-Interim数据进行对比,发现在白天时间段(08:00—19:00)FNL和ERA-Interim比观测平均值分别高258m,346m,夜间时间段(19:00至次日08:00)比观测平均值分别低144m,102m。     

九龙站在西南低涡/晴朗天气背景下观测资料的对比分析

本文基于中国气象局成都高原气象研究所2017年西南涡加密观测资料,对比分析了西南低涡主要源地九龙站在西南低涡/晴朗这两种不同天气背景下,各个基本物理量的日变化特征及存在的差异,认为:西南涡天气背景下,边界层高度较低,而晴朗天气状况下,边界层大气湍流运动强烈,对流混合伸展高度非常惊人,能超过3000m。西南涡天气背景下,夜间大气较为暖湿,气压显著偏低,上层大气风速较大,便于动量下传。晴朗天气背景下,大气较为干燥,温度日较差偏大,大气压较高,白天湍流混合强。越靠近地面差异越显著,差值随高度的增加而逐渐减小。     

2013年3月19日江西省冰雹天气成因分析

利用常规观测资料和卫星、雷达、自动站等非常规观测资料以及NCEP再分析资料,对2013年3月19日江西省大范围冰雹天气过程形成原因进行分析。结果表明,该过程是在有利的环境条件下发生的：对流层中低层强热力不稳定和强动力不稳定为冰雹生成和增长提供了不稳定机制;暖湿边界层偏南风急流和低层西南急流以及中层“干”西南急流对热力不稳定和动力不稳定机制发展有重要贡献;适宜的0℃层和-20℃层高度有利于冰雹增长。江西北部冰雹天气是在边界层有锋面逆温的条件下发生的,为“高架雷暴”类对流,南部冰雹天气是在边界层有较强暖平流的条件下发生的,为非“高架雷暴”类对流,两类对流的边界层温度层结分布差异明显。与历史同类个例比较发现,假相当位温垂直变化不仅能表征条件不稳定发展程度,对雷雨大风类强对流天气的判断也有一定参考意义。     

城市边界层高度变化特征与颗粒物浓度影响分析

利用2007年以来西安郊区泾河观象台大气细颗粒物质量浓度资料和气象自动站资料以及探空资料,采用国标法、罗氏法和位温法三种不同方法计算边界层高度。结果表明,三种方法得到的结果有一定差异,但日变化分布一致,可以用于分析边界层高度变化特征。边界层高度季节变化明显,春、夏、秋和冬季边界层高度分别是1300,1200,820和800 m。边界层日变化与颗粒物浓度呈显著负相关关系,即冬季边界层顶高度低,三种粒径颗粒物质量浓度高,夏季则相反。PM2.5、PM1.0、PM1.0分别在PM10、PM2.5、PM10含量中有明显月变化,表明西安除了本地污染源之外,春季易受上游风沙天气影响。     

边界层大气水平风速低频谱的垂直分布特征

本文根据320米气象塔上水平风速的观测资料,分析了不同天气条件下边界层大气中湍流的宽谱特性及其垂直分布结构. 结果表明,大气边界层水平风速低频谱的垂直分布是很复杂的,在不同的天气条件下,这种垂直分布特征具有明显的差异.边界层温度和风速的垂直结构也会影响到水平风速低频谱的垂直分布. 在水平风速低频谱中,除了与天气过程有关的4天周期峰值和反映气象要素日变化频率的峰值外,在十几分钟到几十分钟频率范围内还存在着几个峰值,而且有时在不同的高度上,峰值频率有所不同.这可能反映了一些中尺度系统的特征,也可能是这些中尺度系统与局地地形的综合作用所引起的.     

北京春季不同天气条件下气溶胶垂直分布特征

对2005年和2006年北京地区春季没有沙尘和云影响下17次晴空大气气溶胶（粒径范围0.1～3.0μm）飞机垂直观测资料进行分析,给出了三种天气条件（地面高压、地面两高压之间和地面低压）下气溶胶的垂直分布,并计算了对应天气条件下的风通量和理查森数。结果显示：在北京地区处于地面高压控制下（简称类型1）,气溶胶的垂直混合和水平传输都很强,气溶胶浓度垂直分布平坦,地面气溶胶浓度平均约为1200个/cm^3;在北京地区处于地面两高压之间（简称类型2）,气溶胶的垂直混合较强,边界层上没有阻挡,气溶胶浓度随高度递减,地面气溶胶浓度平均约为7200个/cm^3;在北京地区处于低压控制下（简称类型3）,气溶胶在边界层顶垂直混合较弱,形成一个较强的阻挡,阻碍了气溶胶从边界层内向自由层扩散,同时边界层内水平传输较弱,结果是在边界层以上气溶胶浓度迅速递减,地面气溶胶浓度非常高,约为10000个/cm^3。     

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.     

变化涡动沾性系数的Ekman动量近似模式风场结构

在边界层动力学中，涡动粘性系数是影响边界层风场结构的一个重要参数。本文利用边界层动力学中的Ekman动量近似理论，给出了涡动粘性系数随高度缓变条件下的Ekman动量近似边界层模式解，着重讨论了边界层的风场结构、水平散度、垂直涡度以及边界层顶部的垂直速度。结果分析表明：与常值涡动粘性系数情况相比，在边界层低层随高度增加的涡动粘性系数可以导致低层边界层风速随高度迅速增加，即风速垂直切变增加，同时风速矢与地转风之间的夹角减小。惯性项作用可以导致上述作用在气旋性区域减小、而在反气旋性区域增大。随高度增加的涡动粘性系数导致水平散度绝对值、垂直涡度绝对值以及边界层顶部的垂直速度绝对值在气旋性区域减小，而在反气性旋区域增大。涡动粘性系数与惯性之间的非线性相互作用是边界层动力学中重要过程。