西北干旱区夏季大气边界层结构及其陆面过程特征

在中国西北干旱区影响大气边界层形成和发展的气候环境和大气环流背景都具有一定特殊性。文中用外场观测试验资料,分析了位于西北干旱区的敦煌荒漠夏季大气边界层气象要素结构特征,发现该地区无论白天的对流边界层还是夜间的稳定边界层均比一般地区更深厚。在夏季晴天,夜间稳定边界层厚度超过900 m,最厚可以达到1750 m,其上的残余层一般能达到4000 m左右的高度;白天混合层最高达3700 m,混合层顶的逆温层顶盖的厚度大约450 m,甚至更厚,对流边界层厚度能够超过4000 m,对流边界层进入残余层后发展十分迅速。研究表明,白天深厚的对流边界层是夜间保持清晰而深厚的残余混合层的先决条件,夜间深厚的残余混合层又为白天对流边界层的发展提供了一个非常有利的热力环境条件。该地区经常性出现连续性晴天使得大气残余层的累积效应得以较长时间持续发展,创造了比较有利于大气对流边界层发展的大气热力环境条件。同时,该地区陆面过程和近地层大气运动特征也为这种独特的大气热力边界层结构提供了较好的支持。就该地区发展超厚大气对流边界层的物理机理而言,地表显著增温是强有力的外部热力强迫条件,近地层强感热通量提供了较充足的能量条件,较大的对流运动和湍流运动的速度是必要的运动学条件,大气残余层的累积效应提供了有利的热力环境条件。     

西北干旱区夏季大气边界层逆温强度和高度的频率密度研究

利用敦煌干旱区陆气相互作用外场加强观测试验数据,分析了夏季干旱区边界层高度、逆温层逆温强度以及频率密度的特征.结果表明,虚位温垂直变化的极值可以确定对流边界层(CBL)、稳定边界层(SBL)和残留层顶(RLT)的高度.夏季敦煌干旱区CBL、SBL和RLT的高度平均为2.09 km、594 m和3.53 km,三者逆温层强度(△θv,zi)平均为0.084～0.088 K·(10 m)-1.CBL高度基本遵从均匀分布,SBL和RLT高度分别遵从显著的伽玛分布和极值分布,三者的△θv,zi均遵从显著的伽玛分布.CBL高度与△θv,zi的联合频率密度在0.05≤△θv,zi≤0.1 K·(10 m)-1的线状区域中最大,SBL高度与△θv,z.的联合频率密度在SBL高度＜1 km、△θv,zi=0.1 K·(10 m)-1和0.025 K· (10 m)-1附近的两区域中较大,RLT高度与△θv,zi的联合频率密度则在RLT高度等于3.5 km附近且△θv,zi=0.11或△θv,zi=0.06～0.08 K· (10 m)-1的区域中较大.     

大气边界层高度确定及应用研究进展

大气边界层高度是表征边界层特征的重要参量,影响边界层内水热、物质、能量的垂直分布,也是数值模拟、环境评估中的重要参数。从湍流运动、热力作用、动力作用以及物质分布等多视角总结了大气边界层高度的定义及确定方法,回顾了采用直接观测手段和遥感手段确定大气边界层高度的不同方法,对比了大气边界层高度不同获取手段的优缺点,梳理了大气边界层高度参数化方案,探讨了大气边界层高度确定中存在的问题,并提出未来相关研究和应用可能突破方向。     

青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析

利用2007年8月8~19日期间系留气球低探空和GPS无线电探空资料,分析了纳木错湖区大气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达1750 m;在晴天条件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层内比湿变化呈V型变化,白天减小,夜间增大,早晨08:00出现峰值。     

青藏高原东部及下游关键区大气边界层高度的观测分析

利用2007年12月10-24日在红原、温江和宜昌同步观测的3小时加密探空资料,分析了青藏高原东部及下游关键区大气边界层位温廓线日变化特征,以及对流边界层高度和稳定边界层高度的变化特征.分析结果表明,不同地形位温廓线具有相同的日变化特征,对流边界层在白天出现和发展,而稳定边界层在夜间出现和发展;对流边界层的发展史和发展高度与海拔高度有关,高海拔地区对流边界层的发展史较短但发展高度较高,而低海拔地区对流边界层的发展史较长但发展高度较低;稳定边界层的发展史和发展高度也与海拔高度有关,高海拔地区稳定边界层的发展史较长且发展高度较高,而低海拔地区稳定边界层的发展史较短且发展高度较低;对流边界层的最大发展高度多出现在地方时17时,而稳定边界层的最大发展高度多出现在地方时02时;红原、温江和宜昌的对流边界层高度分别可达4 930 m、1 000 m和710 m.而其稳定边界层高度分别可达1 100 m、920 m和650 m.     

海面对流边界层垂直结构的数值模拟

冬季冷空气爆发进入暖海面时,海面边界层属与典型的对流边界层。此情况下,一般而言梯度输送理论(即一阶K闭合方法)是无能为力的。Wgnsaard(1984)提出了被动保守标量场的底直向上(bottom-up)和顶直向下(top-down)湍流交换模型。本文将它推广应用到风场相温度场,并用它模拟了冷气团入海期间海面边界层的结构。与实测资料比较,两者能吻合较好。     

中国西北地区大气边界层高度变化特征——基于探空资料与ERA-Interim再分析资料

利用中国西北地区2015年9月至2016年8月38个站点L波段探空观测、2016年7月加密探空观测和ERA-Interim边界层高度资料,对比分析了西北地区大气边界层高度变化特征。观测资料表明,在中国西北地区,08:00(北京时,下同)冬季边界层高度最高; 20:00春季边界层高度最高,边界层高度从西部到东部有显著降低的趋势。ERA-Interim资料基本能表现出边界层高度的区域分布,但相对于探空观测得到的边界层高度,除夏季20:00外,ERA-Interim再分析资料边界层高度均偏低。全年平均而言,08:00(20:00)偏低160 m(170 m),其中在08:00(20:00),冬季(春季)偏低最显著。08:00边界层高度与低层稳定度、近地层温度和风速相关更加显著; 20:00边界层高度与低层稳定度和相对湿度相关更加显著。2016年7月加密观测资料对比表明,ERA-Interim资料的对流(中性)边界层高度显著偏高;低层稳定度、相对湿度偏小,风速偏大可能是造成边界层高度偏高的原因; ERA-Interim资料的稳定边界层高度偏低,与低层稳定度和近地层温度偏低相关,但其影响因素相对更加复杂。     

稳定大气边界层结构演变的数值研究

本文应用二阶矩闭合模式研究了在不同的下垫面降温情况下稳定大气边界层结构的演变过程。结果表明:下垫面降温不同,稳定大气边界层内平均位温廓线的演变规律也不同,风廓线和脉动量廓线也相应地变化。影响温度廓线演变的因子除了湍流扩散作用以外,还有由于湍流交换作用在垂直方向的非均匀分布而产生的类似垂直平流作用的输送项。若下垫面经过一段时间的明显降温后降温停止或很少,则这种输送作用能改变位温廓线斜率在垂直方向上的分布规律。即由斜率在垂直方向的单调变化演变为非单调变化。     

利用探空气球升速判定敦煌夏季白天边界层高度的分析

大气边界层高度是表征大气边界层的一个重要参数。利用2009年8月20～23日在甘肃敦煌进行的9次探空试验资料,分析了位温和探空气球的上升速度随高度的变化特征。结果表明,探空气球的上升速度也可以作为大气边界层高度的判定指标。通过分析用位温与探空气球上升速度所定的边界层高度,得到敦煌盛夏的边界层高度最高可达到4 300 m...     

拉萨夏季大气边界层气溶胶垂直结构特征

大气污染物的垂直梯度观测是识别区域输送和本地贡献的必要手段。基于此,2020年8月在拉萨市利用光学粒子计数器（the Printed Optical Particle Spectrometer,简称POPS）在地面和系留气艇分别对0.13～3.39 μm粒径范围的气溶胶数浓度进行了测定。结果表明:（1）拉萨近地面气溶胶数浓度在16 cm?3到870 cm?3范围之间,比华北和珠江三角洲地区小2～3个量级;（2）气溶胶数浓度呈现两峰两谷的日变化结构,峰值通常以0.13～0.4 μm的小粒径粒子为主,且对应北京时间早（10:00）、晚（21:00）高峰时段;（3）气溶胶数浓度垂直分布与边界层演变密切相关,稳定边界层中的气溶胶随高度递减,粒子数浓度为194±94 cm?3,对流边界层和残留层中的气溶胶分布均一,数浓度分别为165±99 cm?3和123±95 cm?3,且显著低于稳定边界层。以上研究结果表明,拉萨的污染源主要为局地机动车排放,机动车污染物减排是打造高原生态旅游城市的必由之路。     

A Study of the Atmospheric Boundary Layer Structure During a Clear Day in the Arid Region of Northwest China

The local climate and atmospheric circulation pattern exert a clear influence on the atmospheric boundary layer （ABL） formation and development in Northwest China. In this paper, we use field observational data to analyze the distribution and characteristics of the ABL in the extremely arid desert in Dunhuang, Northwest China. These data show that the daytime convective boundary layer and night time stable boundary layer in this area extend to higher altitudes than in other areas. In the night time, the stable boundary layer exceeds 900 m in altitude and can sometimes peak at 1750 m, above which the residual layer may reach up to about 4000 m. The daytime convective boundary layer develops rapidly after entering the residual layer, and exceeds 4000 m in thickness. The results show that the deep convective boundary layer in the daytime is a pre-requisite for maintaining the deep residual mixed layer in the night time. Meanwhile, the deep residual mixed layer in the night time provides favorable thermal conditions for the development of the convective boundary layer in the daytime. The prolonged periods of clear weather that often occurs in this area allow the cumulative effect of the atmospheric residual layer to develop fully, which creates thermal conditions beneficial for the growth of the daytime convective boundary layer. At the same time, the land surface process and atmospheric motion within the surface layer in this area also provide helpful support for forming the particular structure of the thermal ABL. High surface temperature is clearly the powerful external thermal forcing for the deep convective boundary layer. Strong sensible heat flux in the surface layer provides the required energy. Highly convective atmosphere and strong turbulence provide the necessary dynamic conditions, and the accumulative effect of the residual layer provides a favorable thermal environment.     

高原东南缘大气近地层湍能特征与边界层动力、热力结构相关特征

基于云南省大理2008年3、5、7月GPS加密探空试验时段(14和02时)资料,结合边界层铁塔综合观测资料,采用温度梯度法、逆温强度法和涡动相关法分别计算高原东南缘对流边界层(convective boundary layer,CBL)及稳定边界层(stable boundary layer,SBL)顶高度,通过计算获取感热通量、潜热通量、湍流动能、切变项以及浮力项与大气动力、热力过程垂直相关特征综合分析,可发现湍能方程中浮力项、感热、潜热通量与NCEP再分析资料计算获取的大气视热源相关特征显著,这某种程度反映了高原东南缘近地层大气湍流动量、热量输送对低层大气视热源Q_1的重要贡献。低层视热源Q_1亦表现出与湍能方程分量类似的日变化周期,此特征反映了高原东南缘大气热源变化与下垫面水热过程及其湍流输送日变化密切相关;浮力项与湍能等项对大气低层热源与涡动特征、热力混合结构的形成有重要作用;低层大气视热源、水汽汇均与边界层高度有显著相关,综合分析结果某种程度描述了青藏高原东南缘近地层湍流动量、热量输送状况与低层大气热源,热力混合边界层结构的综合相关物理图像,初步探索了高原东南缘对流活跃区大气湍流运动与大气动力、热力过程相互作用特征。研究表明近地层湍流通量变化某种程度可反映未来局地大气视热源垂直结构变化的"强信号"特征。本文上述研究结论也可启发我们进一步关注近地层湍流通量异常变化特征及其对局地降水过程大气热源结构演变的影响问题。     

Determination of the Atmospheric Boundary Layer Height from Radiosonde and Lidar Backscatter

The height of the atmospheric boundary layer is derived with the help of two different measuring systems and methods. From radiosoundings the boundary layer height is determined by the parcel method and by temperature and humidity gradients. From lidar backscatter measurements a combination of the averaging variance method and the high-resolution gradient method is used to determine boundary layer heights. In this paper lidar-derived boundary layer heights on a 10 min basis are presented. Datasets from four experiments – two over land and two over the sea – are used to compare boundary layer heights from both methods. Only the daytime boundary layer is investigated because the height of the nighttime stable boundary layer is below the range of the lidar. In many situations the boundary layer heights from both systems coincide within ±200 m. This corresponds to the standard deviation of lidar-derived 10-min values within a 1-h interval and is due to the time and space variability of the boundary layer height. Deviations appear for certain situations and depend on which radiosonde method is applied. The parcel method fails over land surfaces in the afternoon when the boundary layer stabilizes and over the ocean when the boundary layer is slightly stable. An automatic radiosonde gradient method sometimes fails when multiple layers are present, e.g. a residual layer above the growing convective boundary layer. The lidar method has the advantage of continuous tracing and thus avoids confusion with elevated layers. On the other hand, it mostly fails in situations with boundary layer clouds     

Analysis of Atmospheric Boundary Layer Height Characteristics over the Arctic Ocean Using the Aircraft and GPS Soundings

Utilizing aircraft sounding data collected from the Surface Heat Budget of the Arctic Ocean (SHEBA, 1998) campaign, the authors evaluated commonly-used profile methods for Arctic ABL height estimation by validating against the’true’ABL height from aircraft sounding profiles, where ABL height is defined as the top of the layer with significant turbulence. Furthermore, the best performing method was used to estimate ABL height from the one-year GPS soundings obtained during SHEBA (October 1997-October 1998). It was found that the temperature gradient method produces a reliable estimate of ABL height. Additionally, the authors determined optimal threshold values of temperature gradient for stable boundary layer (SBL) and convective boundary layer (CBL) to be 6.5 K/100 m and 1.0 K/100 m, respectively. The maximum ABL height during the year was 1150 m occurred in May. Median values of Arctic ABL height in May, June, July, and August were 400 m, 430 m, 180 m, and 320 m, respectively. Arctic ABL heights are clearly higher in the spring than in the summer.     

珠峰地区大气边界层结构及近地层能量交换分析

利用2005年中国科学院珠穆朗玛峰地区科学考察期间的无线电高空探测资料和超声风温仪观测资料,分析了珠穆朗玛峰地区边界层高度、风速、风向和比湿的日变化以及两个海拔高度不同的观测站(珠峰站和曲宗站)的近地层能量交换特征,得到珠穆朗玛峰地区5月份边界层高度日变化比较明显,因冰川风的存在影响了大气边界层,边界层高度最高为3888 m;白天珠穆朗玛峰地区低层都存在逆湿现象。因珠峰站和曲宗站海拔高度、下垫面状况不同,能量交换特征也不同:4~5月份白天珠峰站感热大于潜热,而曲宗站潜热大于感热;珠峰站土壤热通量转为正、负值的时间早于曲宗站。     

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。     

北京地区日最大边界层高度的气候统计特征

使用北京气象站探空观测数据和地面气温观测数据,以干绝热曲线法估算1984~2013年逐日最大边界层高度,同时计算对应的边界层平均风速和通风量。统计分析这3个边界层参量的平均特征,并利用2001~2012年的空气污染指数(API),探讨大气污染与边界层参量的关系。结果表明:(1)日最大边界层高度的30年月均值以春季和夏初(3~6月)最高,约1600 m;夏季和秋初(7~10月)次之,约1300 m;冬季(11月、12月和1月)最低,约1000~1200 m。(2)夏季,日最大边界层高度不同数值的频率大致为对称分布,峰值处于1000~1600 m范围;秋、冬季,频率分布系统性地向低值一方偏斜,600~800 m的出现频率大大增加;春季边界层高度的变化极大。(3)各季边界层平均风速以夏季为最小。(4)一年中春季通风量最大,秋季次之,冬季较低,夏季最小。(5)秋、冬季,北京中度和重污染个例(API200)集中分布于弱风、低边界层和小通风量条件,反映污染物局地累积的作用;春季污染个例半数以上以高风速、高通风量为特征,反映沙尘类外部输入性污染的作用。     

Vertical Structure in the Marine Atmospheric Boundary Layer and its Implication for the Inertial Dissipation Method

The structure of the marine atmospheric boundarylayer and the validity ofMonin–Obukhov similarity theory over the seahave been investigated using longterm measurements. Three levels of turbulencemeasurements (at 10 m, 18 mand 26 m) at Östergarnsholm in themiddle of the Baltic Sea have beenanalysed. The results show that turbulentparameters have a strong dependenceon the actual height due to wave influence.The wind profile and thus thenormalised wind gradient are very sensitiveto wave state. The lower part of theboundary layer can be divided into three heightlayers, a wave influenced layerclose to the surface, a transition layer andan undisturbed ordinary surfacelayer; the depth of the layers is determinedby the wave state. This heightstructure can, however, not be found for thenormalised dissipation, which is onlya function of the stability, except duringpronounced swell where the actualheight also has to be accounted for. Theresults have implications for the heightvariation of the turbulent kinetic energy(TKE) budget. Thus, the imbalancebetween production and dissipation willalso vary with height according to thevariation of wave state. This, in turn,will of course have strong implicationsfor the inertial dissipation method, inwhich a parameterisation of the TKEbudget is used.     

地基微波辐射计探测大气边界层高度方法

采用2013年中国科学院大气物理研究所香河大气综合观测试验站的地基微波辐射计和激光雷达观测数据,以激光雷达探测的大气边界层高度为参考,分别利用非线性神经网络和多元线性回归方法建立微波亮温直接反演大气边界层高度的算法,并对比两种方法的反演能力, 同时分析非线性神经网络算法在不同时段及不同天气状况下反演结果的差异。结果表明:非线性神经网络算法的反演能力优于多元线性回归算法,其反演结果与激光雷达探测的大气边界层高度有较好一致性,冬、春季的相关系数达到0.83,反演精度比线性回归算法约高26%;对于不同时段和不同天气条件,春季的反演结果最好,晴空的反演结果好于云天; 四季和不同天气状况的划分也有利于提高反演精度。