北京冬季大风过程大气边界层特征分析

利用北京中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔的气象梯度资料和湍流资料,分析了2014年11月29日至12月5日北京两次大风过程中气象要素和湍流输送特征的变化。第一次大风过程的强度和持续时间均高于第二次大风过程。强烈的风速垂直切变主要集中在距地面100 m高度范围内,最强风速垂直切变达到0.31 s~(-1)。大风过程中,阵风系数呈现随高度减小的趋势,越接近地面,阵风系数愈大。阵风强度的变化与阵风系数相似,100 m以下高度时,阵风强度随高度增大而减小。大风过程自上而下改变边界层结构,平均动能、湍流动能和摩擦速度最先从上层(280 m)发生变化且迅速增加。近地层由于风速垂直梯度的显著差异,近地层垂直方向的湍流强度最大。大风时各功率谱在低频区(0.01 s~(-1))达到峰值,大风过后各高度的能量都有所下降。     

一次北部湾海雾天气过程的大气边界层特征分析

利用常规地面和高空气象观测资料、风廓线雷达和NCEP/NCAR再分析资料,分析了2016年2月11～13日导致北海-涠洲岛航线停航的典型平流型海雾天气过程的环流形势、边界层特征。结果表明:此次海雾天气过程,近地面层风速较小约3～5 m·s~(-1),为东南风;850hPa附近,有12～15 m·s~(-1)的西南风急流;500m以下,具有一定的垂直风切变,水平风切变越小,海雾天气越严重。海雾期间的大气层结为中性状态,混合层厚度低于500m,且混合层厚度越低,能见度也越低,海雾天气越严重。此外,925hPa附近存在逆温层、地面的相对湿度较大(约95%)和温度露点差较小(1～2℃)均是该次海雾天气的明显特征。以上这些大气边界层特征可作为北部湾平流型海雾天气预报的参考依据。     

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。     

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。      

天津市郊大气边界层湍谱特征分析

用１９９０年７月在天津市郊的观测资料，计算了风速谱、温度谱及动量和热量通量的协谱。结果表明，市郊下垫面上的大气湍流谱特征与平坦地形上得到的典型结果基本一致，但满足各向同性的湍流尺度似乎比在平坦地形上的略大，谱的峰值频率区域略窄，谱的低频区（含能区）特征与平坦地形上的情况也不同。     

成都地区大气边界层逆温特征分析

针对污染气象条件对大气环境影响的问题,利用2010—2012年成都地区探空资料的温度数据,系统研究了成都地区逆温的结构及分布特征。结果表明:2010—2012年成都地区整体以贴地逆温出现频率最高、厚度最大及强度最强,其次为低悬逆温和高悬逆温。不同类型逆温出现的频率、厚度及强度也存在一定的季节差异,贴地逆温春季出现频率最高,厚度最大,其他各季差异不显著;冬季逆温最强,夏季最弱。3类逆温的日变化明显,08时逆温出现的频率和厚度普遍大于20时,且08时逆温强度大于20时。分析成都地区大气边界层逆温层特征,对了解成都地区污染物扩散规律具有重要的意义。     

宜昌冬季两次降水过程大气边界层的观测分析

利用宜昌2007年12月10-25日的加密观测资料,分析了两次低值系统经过宜昌时大气边界层的温湿风廓线结构及其日变化特征。结果表明：位温廓线具有明显的日变化特征,对流边界层在白天出现和发展,其高度可达600m,而稳定边界层在夜间出现和发展,其高度可达300m,降水会抑制对流边界层和稳定边界层的发展;湿度廓线结构及其日变化与对流边界层的发展有关,总体上湿度随高度减小,贴近地面的薄层湿度随高度减小较快,而混合层内湿度随高度变化较小,出现降水时,近地层的湿度有明显增加,大气边界层内湿度随高度快速平稳减小;风速廓线结构比较复杂,总体上风速随高度增大,在大气边界层低层有时会出现一个风速极大值,风速廓线没有明显的日变化特征,大气边界层内风向变化较大,但以偏东风为主。     

大气边界层湍流标量场的概率分布及其特征分析

利用2004年11月在白洋淀地区和2005年1月在中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的47 m高度由超声风温仪和水汽二氧化碳分析仪观测的湍流脉动资料,分析了大气边界层不同下垫面湍流标量场(温度、水汽和二氧化碳)的概率分布及其特征.标量场的概率分布通常不同于高斯分布,而且还会产生偏斜,可以用指数分布描述.因此,标量的偏斜度通常不为0,陡峭度也往往比3大.非0偏斜度的出现可能是由湍流时间序列中的相干结构和间歇性部分造成的.其中,相干结构的存在使概率分布偏斜,但是,它们对偏斜度的贡献相对较小,而与概率分布的长尾现象有关的间歇性则会使偏斜度大大增加.温度、水汽和二氧化碳的平均偏斜度和陡峭度反应了标量场与稳定度、下垫面、天气条件、源汇等因素之间的关系.在不同下垫面,温度和感热通量的偏斜度随稳定度变化比较一致;水汽通量的偏斜度在稳定和不稳定条件下都为正,而水汽本身在不稳定条件下可能出现负的偏斜度;二氧化碳和二氧化碳通量的偏斜度受下垫面影响很大,在不同下垫面,偏斜度与稳定度之间的关系并不一致;而3个标量的陡峭度随稳定度的变化不显著,它们与相应的偏斜度之间存在平方关系.     

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。     

苏州城区大气边界层低空急流特征分析

利用2012年苏州城区风廓线雷达的观测资料,从低空急流个例分析入手,选取1、4、7、10月四个典型月份,分析该地区边界层低空急流的时空分布及强度变化特征。结果表明:冬春两季低空急流发生频率最高,夏季出现频率最低。在4个典型月份里低空急流均表现出日落后出现频率升高,夜间保持稳定,日出后出现频率降低的特征。全年有80%的低空急流分布在900 m以下高度上,冬、夏季平均高度最低。全年低空急流风速70%以上集中在4~12 m·s~(-1),小于4 m·s~(-1)和大于20 m·s~(-1)的低空急流出现频率较低。     

北京地区一次PM2.5重污染过程的边界层特征分析

利用北京市环境保护监测中心和美国大使馆的细颗粒物（PM2.5）逐时监测数据,中国科学院大气物理研究所325 m气象梯度塔资料以及实况天气图和探空资料,对2015年11月27日至12月1日北京的PM2.5重污染过程的边界层特征进行了分析。研究发现:这次重污染过程持续时间长、强度大,其中PM2.5浓度超过75 μg/m3的时次共计126 h,超过150 μg/m3共计116 h,小时最高PM2.5浓度为522 μg/m3。在高低空环流场配置的影响下,近地面静风和多层逆温结构抑制了污染物在水平和垂直方向上的输送,加上边界层内的深厚湿层,使得其中气溶胶不断吸湿增长,高PM2.5浓度得以维持。在重污染期间,湍流动能较低,不利于污染物的水平和垂直扩散。垂直方向的湍流动能一直占水平方向的15%~20%左右,水平湍流动能占主要贡献。摩擦速度与湍流动能呈现出相似的变化趋势,不同高度之间的摩擦速度差别不大。超出前后时次一个数量级的湍流强度尖峰的出现是湍流场发生调整的一个信号,是PM2.5浓度发生剧烈转变的前兆,预示着污染状况更加糟糕。重污染过程中感热通量的输送方向为从地面向大气输送,感热通量和潜热通量都大幅减少,并且表现出明显的日变化特征。对湍流功率谱计算和分析表明,在重污染过程期间,时间尺度为5 min至6 h的中尺度过程对从地面到大气方向的动量和热量通量输送做出了重要贡献。     

大理地区晚霜冻灾害前后大气边界层特征分析

研究晚霜冻灾害的成因不仅能提高灾害性天气预测能力,而且可为此类灾害性天气的准确预报以及做好大、小春农作物的防灾减灾工作提供依据。对2009年3月14日云南省大理地区发生晚霜冻灾害期间大气边界层探测资料变化特征的分析结果表明：①此次晚霜冻是在降雨过程后以及前期偏暖的背景下发生的,由高空冷平流和夜间辐射降温形成的混合型霜冻;②晚霜冻发生前,近地层受冷空气影响,各类气象要素呈现出显著的变化特征,白天大气透明度高、无云、风速小、气压高、湿度小,太阳对地表的辐射较强,地表储存的热量较多,气温升高且达到最高值的时间较晚,地面以湍流方式向大气输送的能量以潜热通量为主,傍晚日落后,地表释放的热量开始增多而且远远超过白天吸收的热量,加之水汽放射的长波辐射稳定,获得大气逆辐射补偿的热量相对较少,气温迅速下降,从而近地面空气中的水汽发生凝结现象。     

大气边界层物理与大气环境过程研究进展

总结了近5年来中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室(LAPC)在第二代超声风速温度仪研制、城市边界层研究、复杂地形大气边界层探测与数值模拟、湍流机理研究、大气污染模式发展与应用等领域的主要进展,其中,第二代超声风速温度仪的野外对比测试结果表明其主要性能完全达到了国际先进水平;北京城市化发展使得北京325 m气象塔周边近地面流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征,近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减趋势;北京沙尘暴大风时期湍流运动主要是小尺度湍涡运动,而大风的概率分布偏离高斯分布,风速较大的一侧概率分布呈指数迅速衰减,大风中风速很大的部分具有分形特征;珠穆朗玛峰北坡地区两次综合强化探测实验是迄今为止在青藏高原大型山地中实施的针对山地环流和物质／能量交换最为全面和连续的大气过程探测实验;白洋淀地区的观测研究表明,非均匀边界层具有一般边界层不具备的特点,无论是边界层结构还是湍流输送方面,水、陆边界层之间存在一定的差异,凸显其地表非均匀性的作用;为了解决不同尺度、不同类型的大气污染问题和实际应用,研制或发展完善了多套大气污染模式系统,包括全球大气化学模式、区域大气污染数值模式、城市大气污染数值模式和微小尺度(如街区尺度)范围内污染物输送扩散模式。     

大气边界层和大气环境研究进展

大气边界层物理和大气环境是大气科学的重要领域,中国科学院大气物理研究所自成立以来在这一研究领域取导了丰硕的成果.作者重点介绍最近十多年来在大气边界层探测、大气边界层结构特征、大气湍流理论、城市和区域大气污染预测预报模式研究等方面取得的重要进展,并对大气边界层和大气环境研究的未来发展作了展望.     

珠峰地区大气边界层结构的一次观测研究

利用2005年8月31日~9月5日中国科学院珠穆朗玛峰综合观测研究站的LAP3000风廓线仪的观测资料,分析了该地区气温日变化和大气边界层风廓线结构。结果表明,该地区1500 m以下大气边界层主要受高原山地地形及珠峰地区冰川环境的影响,冰川风可能是引起观测期间下午强风天气的主要原因;1500 m以上高空受西风气流影响程度增大,但东南风仍占有一定比例。     

辐射雾的大气边界层特征

利用ＡＤＡＳ对一次连续５天辐射雾进行探测,获得了辐射雾生消过程中的温度、湿度、风场等要素的垂直分布。通过对这些资料的详尽分析,讨论了辐射雾在不同发展阶段的边界层特征。结果表明：逆温层对雾的形成和维持起着重要的作用,而雾又对大气边界层中的温、湿、风结构产生重要影响。     

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。     

辐射雾的大气边界层特征

利用ADAS对一次连续5天辐射雾进行探测,获得了辐射雾生消过程中的温度、湿度、风场等要素的垂直分布。通过对这些资料的详尽分析,讨论了辐射雾在不同发展阶段的边界层特征。结果表明：逆温层对雾的形成和维持起着重要的作用,而雾又对大气边界层中的温、湿、风结构产生重要影响。     

大气边界层物理研究进展

本文总结了近4年来(2009～2012)中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室在大气边界层物理理论、观测实验、数值模拟和超声风速温度仪等仪器研制领域的主要研究进展,并对未来几年内大气边界层物理的发展方向提出了一些建议.