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.     

基于无线电掩星数据,探空资料以及再分析资料估算大气边界层高度的比较

用11年的全球无线电掩星数据(COSMIC),无线电探空数据(IGRA)以及欧洲中心再分析资料(ERA-Interim)对全球大气边界层高度(PBLH)进行估算比较.结果表明:(1)在1200 UTC和0000 UTC,由ERA-Interim和IGRA数据估算得到的全球PBLH空间分布较为一致,相关性较好,在白天正午...     

利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

以往关于青藏高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区高度降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始升高,大部分地区超过1.8 km;秋季又开始回落。青藏高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最高,南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。青藏高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。      

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。     

我国西部高原大气边界层中的对流活动

利用 1 998年第 2次青藏高原野外试验中的多普勒声雷达探测、低空探测观测以及卫星观测资料对高原大气边界层内的对流现象进行分析研究。声雷达探测到了高原边界层内有强烈的对流活动。这种对流泡中心的垂直速度可超过 1m/s,并存在尺度为 1个多小时的周期性 ,表现为中小尺度的有组织的湍流活动。高原边界层强对流得以发展和维持的物理机制是 :强辐射加热、复杂的地形地貌形成的下垫面不均一性造成边界层斜压性、边界层内的平流活动等 ,这些现象都有利于对流的发展。在这些条件的作用下 ,边界层内可以产生一系列有组织的强湍流大涡旋活动 ,这些大涡旋形成的热泡在向上发展的过程中有的能够发生合并 ,变得更大也更为猛烈 ,达到凝结高度以上可形成对流云 ,并发生充分的对流混合。成云过程凝结潜热释放更有利于对流运动进一步发展 ,使对流云逐步发展成更大的对流云团 ,从而产生卫星云图中显示的云团发展过程。     

基于探空风资料的大气边界层不同高度风速变化研究

利用1981—2014年我国资料齐全的93个高空气象观测站(距离雷达300、600、900 m高度)的探空风资料,按照气象地理区划,借助GIS分析了边界层内不同高度风速及其趋势的时空变化,得到以下结论:300～900 m,东北和华北地区累年平均风速较大,西南和西北地区累年平均风速较小;边界层内各高度同一地区平均风速的月变化趋势基本一致,但各地区季节风速变化不同,同一地区月平均风速的年较差随高度上升而增大;300 m.各地区年平均风速均显著减小:在600和900 m.华北、西北、华中地区年平均风速呈增加趋势,东北地区年平均风速呈减小趋势,但均未通过显著性水平检验;各高度年平均风速空间分布均为东北地区较大,尤其大兴安岭和东北平原地带;从沿海到内陆,由东至西风速逐渐减小;在300 m.全国年平均风速以减小趋势为主;在600 m,全国大部分地区年平均风速呈增加趋势,尤其是中部、西北和华东沿海地区;在900 m高度,全国年平均风速变化趋势呈现由边界向内部的包围态势,中心地区呈增加趋势,边界地区均呈减小趋势,但是通过显著性水平检验的地区不多。     

青藏高原大气边界层结构特征研究综述

青藏高原对我国东部地区的天气和气候、亚洲季风乃至全球大气环流和天气气候都有重要影响,而高原大气边界层作为连接高原独特下垫面和自由大气的桥梁,在上述影响过程中扮演了重要作用。高原大气边界层观测资料的匮乏严重制约着青藏高原天气与气候研究。本文回顾了青藏高原大气边界层结构特征的研究历史,将这些成果进行了总结和分析,并对目前研究中存在的不足之处进行了探讨。     

青藏高原大气边界层湍流特征量分析

采用１９７９年青藏高原气象科学实验资料,研究高原陆面上总体湍流送系数ＣＤ和ＣＨ的特征及边界层高度受高原地形的影响。结果表明用廓线法计算的高原上局地的ＣＤ和ＣＨ值比同样粗糙度长度条件下平原地区的值大得多,而且日较差也大于平原地区。     

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。     

结合激光雷达和探空资料研究青藏高原地区混合层高度特征

利用那曲地区的微脉冲激光雷达探测资料,采用梯度法获取了那曲地区白天混合层高度随时间的演变信息及混合层特征参数,结果表明混合层在上午发展缓慢,中午以后发展迅速,14:00（北京时）前后达到稳定;强烈的对流热泡活动导致混合层高度起伏较大,参数化反演得到的卷夹层厚度达到0.4~0.5 km,卷夹比在0.2左右。利用探空资料结合日最大位温资料,采用气块法得到了高原地区7个站点的每日最大混合层高度数据集。通过对由激光雷达和探空资料得到的最大混合层高度结果进行对比,发现二者有很好的一致性（相关系数0.85,均值偏差0.11 km,均方根误差0.30 km,并通过0.05显著性水平的t检验）。最大混合层高度在7个站点均有明显的逐日变化特征。从年均值看,最大混合层高度与海拔高度之间没有明显相关关系。从季节均值看,格尔木与都兰站表现出明显的春高冬低的分布特征,而其它五个站点则表现为春高夏低,表明高原地区的盆地地形和山地地形对混合层高度有显著而不同的影响。通过定义热力稳定度和确定特征气压层高度,利用热力稳定度与最大混合层高度之间良好的线性关系,获取了一种简便地获取最大混合层高度的统计方法。     

大气边界层研究进展

基于2013—2015年6—8月“第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX-Ⅲ）”和常规气象业务探空观测资料、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第5代再分析（ERA-5）数据以及“国际卫星云气候计划（ISCCP）”云量资料,采用统计分析和物理量诊断分析方法,研究了夏季青藏高原（简称高原）大气对流边界层高度东西差异对高原地区天气尺度环流的影响。结果表明：高原对流边界层高度东西差异表现出明显的日变化,且这种差异呈现西高东低的分布特征,主要由西部对流边界层高度明显增大所致。当中午对流边界层高度东西向差异增大时,午后地面虚位温6 h变差呈西部高、东部低的特征,且西部变化更明显,高原西部对流边界层内温度升高,东部略降低,并伴随着高原西部对流边界层内气压降低、高层升高且低压系统较浅薄,而东部低层气压升高;高原低层东高西低的气压场特征产生了异常东西向气压梯度,引起高原中部低层出现偏南风异常,伴随着西部的低层异常辐合和高层异常辐散;同时,浅薄的低压有助于当地低云发展。     

Nocturnal stable boundary layer height model and its application

A model of the evolution of the nocturnal stable boundary layer height, based on the heat conservation equation for a turbulent flow, is presented. This model is valid for nights with weak winds and little cloudiness in rural areas. The model includes an expression of vertical profile of potential temperature within the boundary layer, which is obtained using micrometeorological information from Prairie Grass, Wangara and O'Neill Projects. The expression turned out to be a second-grade polynomial of the dimensionless height of the nocturnal stable boundary layer. The resulting model is a function of the Monin–Obukhov length, the surface potential temperature of air and the roughness length. This model was satisfactorily compared with micrometeorological data. It was applied at three stations of Argentina, using surface hourly meteorological information. From the results that were obtained, the monthly average values of the stable boundary layer thickness were analysed. The maximum monthly average values occur during the cold season and the minimum ones take place during the hot season. It was observed that the monthly average thickness increases with latitude.     

边界层参数化方案对暴雨数值模拟的影响

大气边界层(Atmospheric Boundary Layer,ABL)是自由大气和地球表面(陆地和海洋)的连接层,它对于降水的发生发展有重要影响。ABL高度是ABL的一个重要参数,主要应用于大气数值天气(或气候)模式中的ABL过程的参数化,获取准确的ABL高度数据对于提高数值天气预报模式、空气污染物预报模式等的预报精度具有重要作用。概述了利用常规探空资料、卫星遥感资料、气溶胶后向散射资料、全球导航卫星系统GNSS (Global Navigation Satellite System)掩星探测资料等数据估计ABL高度的主要方法及进展情况,提出在同时具有多种观测资料时如何处理ABL高度的三个基本原则,并以目前广泛应用的数值天气预报模式WRF (Weather Research and Forecasting)为例重点介绍ABL高度数据在数值天气(或气候)预报模式中的应用,对相关的发展情况进行了总结展望。

     

青藏高原夏季边界层再分析资料的偏差分析及订正

青藏高原对流边界层的热力、动力过程对下游地区甚至整个东亚地区的天气气候有重要影响。以2017年夏季为例分析ERA-Interim、JRA-55和MERRA-2再分析数据在青藏高原边界层研究中的适用性,并进一步利用数值模式物理框架的约束作用来订正其分析误差。2017年夏季青藏高原东南部边界层内,3套再分析资料对于气象要素的描述能力为气温>露点温度>水平风场,研究时段内适用性较好的再分析资料为ERA-Interim。比较12种模式参数化方案组合,模拟结果对于再分析资料在晴空和中雨情景下水平风场的误差离散程度均有明显改善。对于模拟改进的关键物理量水平风场而言,研究时段内本地适用性最高的参数化方案组合是ACM2+WSM6+BMJ。再分析资料中的风场经模拟结果调整后可以更好地描述青藏高原夏季边界层发展,证实模式参数化方案可以减小其在高原地区季节分布偏差。     

冷空气过程对黄海东海区域海洋大气边界层结构影响的个例分析

利用一次冷空气过程的14组GPS探空数据,采用位温梯度法确定了冷空气过境前后大气边界层高度,并分析了冷空气过程对大气边界层结构的影响。结果表明：冷锋过境加大了海洋大气边界层的静力不稳定度,使边界层内对流活动增强,且锋面过后距离锋面越近的区域边界层的静力不稳定度越大;冷锋过境使边界层的平均高度升高,边界层顶处逆温梯度增大。结合ERA-Interim再分析资料,分析认为大气边界层高度与静力稳定度（海气温差）存在显著的正相关关系（相关系数达0.73）,海气温差越大,大气边界层高度越高。     

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。      

Double-layer structure in the boundary layer over the baltic sea

Double-layered structures found over the Baltic Sea are investigated using radiosoundings and lidar measurements. Situations with double-layer structures are also simulated with the regional model REMO in a realistic manner. The double layer consists of two adjacent well-mixed layers, with a sharp inversion in between.Results from radiosoundings show that the double-layer structure over the Baltic Sea mainly occurs during the autumn with thermally unstable stratification near the surface. The structure is present in about 50 % of the radiosoundings performed during autumn. The presence of the double-layer structure cannot be related to any specific wind direction, wind speed or sea surface temperature.The lidar measurements give a more continuous picture of the time evolution of the double-layer structure, and show that the top of the lower layer is not a rigid lid for vertical transport. Two possible explanations of the double-layer structure are given, (i) the structure is caused by `advection' of land boundary-layer air over the convective marine boundary layer or, (ii) by development of Sc clouds in weak frontal zones connected to low pressure systems. Also the forming of Cu clouds is found to be important for the development of a double-layer structure.