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。     

地面辐射雾和低层云对夜间边界层影响的数值研究

本文通过模式计算,讨论了夜间地面辐射雾和低层层积云的演变过程及其对边界层结构的影响.模式综合考虑了液态水和水汽对长波辐射通量的贡献.模式主要由两部分组成:(1)用湍流能量方程闭合的一维边界层模式;(2)长波辐射通量的计算.模式的计算结果与观测事实基本一致.     

地基遥感联合反演大气边界层高度与ERA5再分析资料比对分析

利用北京国家综合气象探测试验基地超大城市观测试验建设的地基垂直遥感设备(激光气溶胶雷达、微波辐射计及风廓线雷达),使用2021年5—8月的观测资料,根据不同设备的探测优势以及边界层的日变化规律,利用激光气溶胶雷达、微波辐射计、风廓线雷达观测资料进行联合反演,得到全天候大气边界层高度。并将联合反演所得的边界层高度与探空资料计算及ERA5再分析资料提供的全天候大气边界层高度进行比较,发现:联合反演边界层高度与ERA5数据提供的大气边界层高度有较好的一致性;激光气溶胶雷达适用于白天对流边界层的观测,微波辐射计适用于夜间稳定边界层的观测,使用微波辐射计与风廓线雷达联合反演大气边界层高度可以改善弱降雨时单设备的反演结果;联合反演的大气边界层高度结果与单设备反演大气边界层高度均符合大气边界层的日变化规律;得到的联合反演边界层高度与探空数据计算得到的大气边界层高度差值的标准偏差为62 m,相较于ERA5数据提供的一定范围内大气边界层高度均值,联合反演边界层高度能更精准地反映更小范围内的大气边界层高度。     

夜间边界层的一维数值模拟

本文用一维数值模式,模拟了平坦地形情况下小风、晴空夜间边界层内风、温、湿的演变,计算结果与观测事实有较好的一致性。对有高云或少量中、低云存在时的计算结果分析表明,模式对风速的模拟仍然较好,对温度的模拟比实测值可偏低0.3—1℃,对相对湿度的模拟比实测值可偏高5—10％在符合模式使用范围的情况下,本模式可作为夜间边界层预报的一种方法参考使用。     

夜间城市大气边界层和气溶胶的相互作用

本文利用能量闭合的二维非线性、非定常模式，结合地面热量平衡方程，研究了夜间城市边界层和气溶胶的相互作用问题。结果表明:气溶胶在夜间对大气低层起保温作用，对大气上层起冷却作用；使大气低层稳定度减小，上层稳定度增加；此外，气溶胶还能够削弱贴地逆温强度。在正常城市气溶胶污染情况下，气溶胶对城市热岛强度影响不大，但可使城市热岛环流稍有增加。夜间城市边界层对气溶胶的反馈作用使大气下层气溶胶浓度减小，上层气溶胶浓度增加。上述部分结论得到了在天津取得的城市热岛观测资料的直接验证。     

基于大涡模拟对两类典型边界层参数化方案的评估分析

在WRF模式的三维动力框架和同一种外强迫下,基于大涡模拟结果对Yonsei University(YSU)和Mellor-Yamada-Janiic(MYJ)边界层参数化方案进行了评估。模式初始场由一个探空观测给定,模式的外强迫为观测得到随时间变化的地面感热、潜热通量及辐射传输模式得到的辐射冷却率。通过显式解析边界层的大涡模拟试验和采用边界层参数化方案的模拟试验结果表明,与大涡模拟结果相比,YSU方案模拟的混合偏强,MYJ方案偏弱;YSU方案模拟的边界层高度偏高,边界层内偏暖、偏干;MYJ方案模拟的边界层高度偏低,边界层内偏冷、偏湿。     

高寒草原地区边界层参数化方案的适用性评估

为了验证中尺度数值模式WRF中不同的边界层参数化方案对青藏高原地区高寒草原均匀下垫面的适用性,选取4种不同的边界层参数化方案(YSU、MYNN2.5、ACM2和BouLac),分别在青藏高原东部玛曲地区进行了高分辨率的数值模拟,借助中国科学院寒区旱区环境与工程研究所若尔盖高原湿地生态系统研究站观测资料,对典型晴天条件下近地层温度、辐射收支、地表能量以及边界层结构特征进行了相互比较分析,评估了不同边界层参数化方案的模拟差异.结果表明,对于近地层温度,白天不同方案的模拟值与观测值差异不明显,夜间MYNN2.5方案更偏离观测值,而其余方案的模拟差异不大;相对短波辐射,长波辐射过程更易受边界层参数化方案的影响;对于地表热通量,非局地闭合方案的模拟值相对湍流动能TKE闭合方案更接近观测值;对于净辐射通量、感热通量和潜热通量,MYNN2.5方案的模拟要优于其他3种方案;不同边界层参数化方案均模拟出了白天超绝热层以及夜间逆温、逆湿现象,但不同方案对边界层结构的模拟仍然存在一些差异.     

云贵高原洱海湖泊效应的数值模拟

采用耦合湖泊模型的WRF_CLM模式模拟山谷盆地中洱海的湖泊效应,并利用陆面(农田)和湖面的站点观测资料对模式进行了验证和校验。基于数值模式的模拟结果,分析了季风和非季风期间,洱海存在与否对山谷盆地局地环流及大气边界层结构的影响。发现非季风期湖泊对局地环流及大气边界层影响显著。相对于陆地,湖泊白天湍流通量输送少,湍流发展弱,大气边界层高度低。如果湖泊不存在,白天苍山山谷风只能上升至约200 m的高度,没有明显的山谷风环流形成;夜间则山风较强,两侧山风共同作用在山谷,环流高度约600 m。季风期,受降水天气影响,局地环流发展不充分。白天湖面辐散以及夜间湖泊南部的气旋式环流弱,湖泊作用没有非季风期明显。云的形成导致边界层高度较低。夜间,湖泊增强释放潜热、感热作用明显;此时湍流发展,夜间边界层反而比白天高。     

中尺度模式对冬季兰州市低空风场和温度场的数值模拟

利用美国NCAR新一代中尺度模式MM5V3，对山谷城市兰州冬季风场和温度场进行了数值模拟研究。模拟结果与现有理论及观测事实基本一致。表明MM5V3中尺度模式可用于研究山谷城市的大气边界层情况，模式能够较好地模拟山谷城市冬季边界层的风场和温度场特征，模拟结果分析表明，位于河谷盆地内的兰州，冬季近地面风场是山谷风环流和城市热岛环流共同作用的结果，冬季夜间地面流场辐合明显，低空盛行东风，夜间距地300m左右，风向转变为偏西风，白天风向转变高度高于夜间，大约在500m以上；冬季温度场逆温特征明显。     

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。     

A parameterization of the nocturnal ozone reduction in the residual layer by verticla downward mixing during summer smog situations using sodar data

The reduction of ozone in the nocturnal residual layer by vertical mixing to the surface was investigated for several summer smog episodes on the Swiss plateau in the years 1990 and 1991. Using a limited data set of SODAR measurements and surface ozone concentrations, a parameterization of the ozone depletion in the nocturnal residual layer due to vertical mixing to the ground is proposed. This model is not intended to be physically complete but is rather simple with limited input information required. The nocturnal ozone reduction within the whole planetary boundary layer (nocturnal boundary layer plus residual layer) over the complex terrain of the Swiss plateau for the days investigated is between 20 and 50%.     

Determining the Oxygen Isotope Composition of Evapotranspiration Using Eddy Covariance

Impacts of different terrain configurations on the general behaviour of idealised katabatic flows are investigated in a numerical model study. Various simplified terrain models are applied to unveil modifications of the dynamics of nocturnal cold drainage of air as a result of predefined topographical structures. The generated idealised terrain models encompass all major topographical elements of an area in the tropical eastern Andes of southern Ecuador and northern Peru, and the adjacent Amazon. The idealised simulations corroborate that (i) katabatic flows develop over topographical elements (slopes and valleys), that (ii) confluence of katabatic flows in a lowland basin with a concave terrainline occur, and (iii) a complex drainage flow system regime directed into such a basin can sustain the confluence despite varying slope angles and slope distances.     

Nocturnal CO2 exchange over a tall forest canopy associated with intermittent low-level jet activity

Summary Nocturnal eddy-covariance carbon dioxide fluxes have uncertainties arising from non-stationary atmospheric processes. Low-level jets (LLJ) are one of the prominent nocturnal boundary-layer phenomena observed over non-mountainous terrain, and are capable of generating shear and turbulence close to the ground. The influence of intermittent LLJ activity on nocturnal carbon dioxide exchange measurements is investigated using wind profile observations and eddy-covariance flux measurements over a tall forest canopy. Results suggest that the buildup and venting of CO₂ are closely associated with LLJ activity during the night. Of significance in quantifying nocturnal fluxes, this paper demonstrates how low-level jet activity introduces sporadic coupling between the canopy and the atmosphere.     

Radiative destabilization of the nocturnal stable atmospheric boundary layer over the desert

Radiative destabilization of the nocturnal stable atmospheric boundary layer (NSABL) over homogeneous desert terrain is predicted by an analytical model based on a modified diffusion equation. The model applies late at night under calm, dry conditions when long-wave radiative transfer dominates the NSABL evolution. A three-layer structure for the NSABL is proposed: a shear sub-layer closest to the surface, a radiative sub-layer which contains the inversion top, and a coupling sub-layer which matches the NSABL with the residual layer aloft. A sub-sub-layer called the nocturnal internal boundary layer (NIBL) is nested within the radiative sub-layer and comprises the temperature maximum. The model can explain: (1) maximum cooling in the NIBL, (2) deepening of the NIBL, (3) radiative destabilization of the NSABL, and (4) possible surface warming before sunrise. An example from the Mohave Desert, USA is presented, and the observed temperature profile compares favorably with the model solution.     

A case study of the nocturnal boundary layer over a complex terrain

A case study of the structure of the nocturnal boundary layer (NBL) over complex terrain is presented. Observations were made during the third night of Project STABLE (Weber and Kurzeja, 1991), whose main goal was to study turbulence and diffusion over the complex terrain of the Savannah River Site (SRS) near Augusta, Georgia.The passage of a mesoscale phenomenon, defined as a turbulent meso-flow (TMF) with an explanation of the nomenclature used, and a composite structure of the lowest few hundred meters over complex terrain are presented. The spatial extent of the TMF was at least 30–50 km, but the forcing is not well understood. The TMF occurred without the presence of a synoptic-scale cold front, under clear conditions, and with no discernible discontinuity in a microbarograph pressure trace. The structure of the NBL over the complex terrain at SRS differed from the expected homogeneous terrain NBL. The vertical structure exhibited dual low level wind maxima, dual inversions, and a persistent elevated turbulent layer.The persistent elevated turbulent layer, with a spatial extent of at least 30 km, was observed for the entire night. The persistent adiabatic layer may have resulted from turbulence induced by shear instability.     

Lagrangian Stochastic Modeling of Dispersion in the Stable Boundary Layer

Lagrangian stochastic models are well-suited for modeling dispersion in the stable boundary layer, especially in complex terrain. This note briefly describes the formulations and application of a Lagrangian stochastic model to predict dispersion of tracers released within nocturnal drainage flows.     

A case study of nocturnal wind and temperature profiles over the inhomogeneous terrain of Northern Germany with some considerations of turbulent fluxes

Soundings in the stably-stratified boundary layer were executed over the rough terrain of Northern Germany during a night with a low-level jet (LLJ) development. Vertical wind and temperature profiles were obtained at 5 m height intervals using a tethersonde transported up and down along a 300 m high radio tower by an elevator. From these profiles, turbulent fluxes of heat and momentum, coefficients of eddy diffusivity and boundary-layer parameters were estimated. The nocturnal mean state analysis agrees well with the second-order model results of Brost and Wyngaard (1978) and our own first-order numerical testing while the time histories of different profile groups are in accordance with the observations of Izumi and Barad (1963).     

基于K均值聚类的中国夏季降水日变化空间分布模式

为了获取降水日变化的空间分布模式,本文采用K均值聚类算法对中国陆地区域的夏季逐时格网降水数据进行了聚类。首先,采用K均值聚类算法对每个格网上的逐时降水数据进行聚类。然后,根据每一聚类的降水日变化峰值,将具有相似峰值时间的聚类合并成为一个分类。合并后的分类对应一种降水日变化类型,分类中的格网边界则构成了该类降水日变化的空间分布模式。研究结果表明,中国大部分地区的降水量日变化由降水频率日变化主导。此外,一些盛行夜雨区域在空间分布上表现出从西向东的分布模式,且降水日变化峰值时间表现出了从西向东逐渐延迟的现象。结合地形分析,研究发现一些夜雨区的降水峰值延迟现象与MPS环流效应导致的雨带移动现象较为一致,得出MPS(Mountain-Plain Solenoid)环流效应是导致这些地区盛行夜雨的结论。本文研究结果可为探索降水日变化的形成机理提供线索,也可为研究其他地区降水日变化提供参考。     

北京冬季城市边界层结构形成机制的初步数值研究

利用耦合了城市冠层参数化方案的MM5模式对2001年冬季北京地区一次典型的城市边界层过程进行成功模拟的基础上,对北京城市化作用、周边地形以及城市化进程发展对城市边界层结构的影响等问题进行了一系列的数值模拟试验。城市化作用的因子分离试验发现,城市化的总体作用即城市下垫面结构对大气热力及动力的综合影响导致了北京冬季城市边界层结构主要特征的形成。此外,揭示了城市结构的不同影响因子———动力因子、热力因子和热动力因子间的相互作用在北京冬季城市边界层结构形成和演变过程中的不同作用。在夜间,城市结构的动力因子对于城市边界层主要特征如市区悬浮逆温、近地层中小的风速及较强的湍流动能等的形成起着主导作用;在白天,城市结构的热力因子则成为影响市区混合层强度以及湍流运动特征等边界层结构的主导因素;热、动力因子间的相互作用对城市边界层结构的形成和演变也有着重要作用,但其影响特征比较复杂。北京周边地形作用的敏感性试验的结果表明,北京周边的特殊地形条件对城市边界层热力结构特征如悬浮逆温层及城市热岛等的结构及分布特征的形成也有着明显的影响,使其具有特殊的局地化特征,同时,它也是北京地区近地层主要气流特征的强迫源。不同城市化程度的敏感性试验结果揭示,随着北京城市建筑高度和密度的增加,市区风速将减小、湍流动能将加强,夜间城市悬浮逆温层底的高度会有所提高,城市热岛的强度也将加强,并可能在白天出现比较明显的城市热岛效应。     

城乡过渡地带低空温度平流和边界层特征的观测分析

利用兰州河谷盆地城乡过渡区边界层观测资料,分析了该地区的温度平流和边界层特征。分析表明:(1)夜间热岛环流明显,白天则较弱;(2)夜间200m高度以下有较强的冷平流,在250～400m高度有较弱的暖平流,冷暖温度平流对测点上空边界层温度和层结变化有显著影响;(3)由声雷达确定的夜间边界层高度对应于Ri<1.0的高度,在这一高度范围内存在逆位温和强的风切变。本地区下垫面和复杂的地形导致夜间边界层高度随时间周期性地升高和降低,变化周期约3h。