西北干旱区冬、夏季大气边界层结构对比研究

利用2006年6月28日至7月17日和2007年1月1日至1月10日敦煌加强观测期的探空资料,对比分析了位于西北干旱区的敦煌荒漠冬、夏季大气边界层的结构特征和变化规律。分析认为,该地区冬、夏季大气边界层结构一致,但夏季边界层的厚度明显大于冬季。夏季,白天对流边界层顶最高超过3 500 m,夜间稳定边界层的最大高度平均达到900 m左右,而冬季,对流边界层和稳定边界层日最大高度分别较夏季低约2 350 m和500 m,这说明西北干旱区夏季晴天的确存在极端深厚的大气边界层,但这种超厚大气边界层现象在冬季并不出现。冬、夏季大气比湿和风速在边界层的分布特征符合一般规律,夏季比湿普遍大于冬季,且夏季大气比湿随高度变化幅度明显大于冬季。冬季从地表开始就出现逆湿现象,夏季逆湿则出现在60~100 m高度范围内。冬、夏季白天与夜间的风速均能呈现出Ekman螺线特征,且夏季地转风风速值与地转偏差均远高于冬季。     

河套干旱区夏季晴天与阴雨天大气边界层特征对比分析

利用2013年7月1~31日气象站常规、探空观测资料和K/LLX802J型机动式边界层风廓线雷达加密观测试验资料,对河套干旱区夏季典型晴天和阴雨天大气边界层的结构特征进行了对比分析。结果表明:(1)河套干旱区夏季晴天边界层高度一般在1 644.3~3 024.5 m之间,平均为2 309.4 m;阴雨天一般在494.2~2 187.5 m之间,平均为1 457.2 m;该地区夏季晴天最大边界层厚度为3 024.5 m。(2)河套干旱区夏季边界层,晴天位温在700 m以下随高度增加显著增大,递增率平均为0.76℃·(100 m)~(-1);阴雨天易在50~1 500 m之间出现多层悬空位温逆温现象,位温随高度递增率平均为0.51℃·(100 m)~(-1)。在700 m以下大气位温随高度递增率晴天比阴雨天大,700 m以上则是阴雨天比晴天大。(3)河套干旱区夏季晴天和阴雨天边界层比湿随高度总体上均呈减小趋势;边界层平均比湿晴天为4.88~9.13 g·kg~(-1),阴雨天为6.64~12.35 g·kg~(-1),阴雨天比晴天高;阴雨天在地面到1 500 m之间易出现多层悬空逆湿现象。(4)河套干旱区夏季边界层平均风速晴天为3.0 m·s~(-1),阴雨天为3.85 m·s~(-1);晴天100 m以下近地层风速随高度递增速率平均为1.30 m·s~(-1)·(100 m)~(-1),阴雨天为1.35 m·s~(-1)·(100 m)~(-1)。离地500 m高度以上边界层主要吹偏东风和偏南风,晴天和阴雨天分别易在离地100 m和400 m以下发生风速、风向切变。     

半干旱荒漠化草原春季边界层特征的一次综合探测

利用“沙尘气溶胶辐射模型及气候环境生态效应研究”项目加强观测期在二连浩特气象站进行的温、风、湿探空观测资料及架设在朱日和气象站的气象激光雷达资料,采用综合评定法分析了内蒙古半干旱荒漠草原地区大气边界层的厚度、结构特征和变化规律,同时利用气象激光雷达回波资料及气溶胶消光系数在垂直高度上的分布特征,确定了朱日和地区边界层的高度及日变化特征。结果显示,用探空资料综合评定得到的二连浩特地区大气边界层总体厚度偏大,边界层最大厚度达到2 300 m,稳定边界层高度在300 m左右;1 000 m附近为风向的转变高度,其下全为偏东风,其上全为偏西风,边界层风速切变较大;午后到夜间,近地层有东风急流出现,急流最强可达12 m·s-1,急流高度在300 m;在600 m高度附近出现逆湿,低层逆湿现象夜间比白天显著。气象激光雷达资料显示,朱日和地区春季晴日混合层最大厚度可达2 400 m,出现在16:00左右。     

塔中春季晴天近地层温度、湿度和风速廓线特征

利用最新安装的塔中"80 m观测塔梯度探测系统"资料,详细分析了塔中春季晴天近地层80 m高度内平均温度、湿度和风速廓线日变化分布特征,得出以下一些结果:(1)温度廓线有夜间辐射型、早上过渡型、白天日射型和傍晚过渡型四种.夜间近地层大气层结稳定,呈逆温特征;最强逆温出现在凌晨06时,此时,80 m高度温差为11.1 ℃.白天,近地层80 m内温度递减率在2.7～5.2 ℃/100 m之间,大气一直处于超绝热不稳定状态.(2)湿度廓线有日夜之分.夜间,30 m以下比湿随高度增高急剧变小,30 m以上比湿随高度增加而增大,大气呈逆湿特征.白天,比湿随时间一直逐渐变小.在近地层30～50 m之间有一个厚度约20 m的逆湿层,全天都存在.(3)风速廓线也有日夜之分.夜间稳定层结,廓线风速值以比对数关系更快的速度向上递增,曲线弯向风速轴.白天不稳定层结,廓线风速值以比对数关系较慢的速度向上递增,曲线弯向高度轴.只有在10 m以下高度,日夜间的风廓线近似遵循对数律关系.     

夏季不同天气条件下沙漠辐射和能量平衡的对比分析

利用2009 年7 月24 日-9 月12 日“巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验”资料,对比分析了典型晴天和阴天下巴丹吉林沙漠地表辐射、能量平衡和土壤温度的日变化规律.结果表明：①巴丹吉林沙漠典型晴天条件下总辐射、地表反射辐射、地表长波辐射、有效辐射、净辐射的峰值和日积分值都比典型阴天条件下大,大气长波辐射比阴天条件下小.两种天气条件下净辐射日积分值占太阳总辐射的1/3.②沙漠地区典型晴天地表反射率呈U型,白天均值为0.32;阴天变化较平缓,均值为0.29.③两种天气条件下地表热量平衡都以感热输送为主,波文比分别为4.55 和1.16.晴天不平衡能量达到净辐射的20%,阴天为30%.④晴天条件下有效能量夜间为负值,白天为正值,阴天全天为正值;湍流能量全天均为正值.能量闭合度(EBR)晴天平均为0.68,阴天为0.76.⑤土壤温度5~10 cm日较差逐渐减小,20、40 cm日变化不明显;5 cm土壤热通量日变化较大,20 cm土壤热通量振幅较小.     

洪河国家级自然保护区夏季晴天沼泽大气边界层温湿度变化特征

采用水平分辨率为0.5 km的WRF-CLM3.5中尺度数值模式,模拟研究了洪河国家级自然保护区及其周边地区(46.8°N~48.75N,132°E~135°E)2011年7月19~20日的大气边界层气温、相对湿度和风速的物理特征,以及2011年6月6~8日、7月18~20日和8月26~28日大气边界层高度的日变化特征。结果表明,WRF-CLM模式可以较精确地反映研究区沼泽及其周边农田的近地层气温和相对湿度的差异,与实际观测结果一致。在夏季晴朗的白天,湿地上空气温低于周边农田约1~3℃,相对湿度比周边区域高4%~8%;湿地上空呈现"冷湿岛"中心,相对湿度随高度先增加后降低,高度界线可达900~1 500 m;日落后,沼泽降温增湿作用逐渐削弱,0︰00~2︰00,沼泽与周边区域近地层都发展有较强的逆温层,厚度可达600 m,与之相对应的相对湿度则随高度的升高而降低,影响高度在400~800 m。夜间,沼泽近地层风速随高度的变化小于白天,低空风速小于高空风速;白天午后风速梯度最小,夜间逆温层顶出现低空急流中心。洪河国家级自然保护区大气边界层高度模拟结果显示,夏季沼泽区晴天大气边界层高度日变化曲线为单峰曲线,白天边界层发展高度大于夜间,最高值出现在13︰00左右,高度可达约1 900 m。     

北冰洋浮冰站大气边界层结构的观测研究

利用2003年8月23日-9月3日我国第二次北极科学考察队在北冰洋浮冰站探测的50次大气廓线及相关资料,对北冰洋的大气边界层垂直结构进行了研究。结果显示,观测期间北冰洋(78°N附近,143°-148°W)浮冰区白天的对流边界层高度大于夜间的稳定边界层高度。大气边界层可分为稳定型、不稳定型和多层结构等几种类型。个例分析表明来自高空较强的暖湿气流与冰面近地层冷空气强烈相互作用,会形成强风切变和逆温、逆湿过程,有时100m高度内的风切变达10m/s,逆温达8℃。此种过程会导致北冰洋高纬度地区的大块海冰破裂,形成新的无冰海域,加强了海/冰/气的相互作用。该观测事实将有助于进一步提高对北冰洋高纬度边界层特征及其影响的认识。     

鄂陵湖湖滨地区夏季近地层微气象特征与碳通量变化分析

利用2010年夏季鄂陵湖湖滨地区试验观测资料,从中选取资料较好的5个连续晴天,分析了该地区高寒草甸夏季局地气候、辐射与能量平衡特征以及碳通量的日变化。结果表明：①夏季晴天湖滨地区近地层气象要素受到湖陆风的较大影响,风向昼夜交替变化,垂直风速和摩擦速度明显大于玛曲草原,全天盛行上升气流,昼夜温差较小;②湖滨地区日均太阳总辐射与净辐射高于玛曲草原和金塔绿洲,地表能量不平衡现象较显著,湍流输送以潜热为主,夜间近地层存在明显的逆温和逆湿现象;③夏季湖滨草甸碳吸收的日最大值出现在上午11时前后,碳吸收显著大于碳排放,其水分利用效率与海北草甸生态系统接近,总体偏低。     

绿洲荒漠过渡带夏季晴天地表辐射和能量平衡及小气候特征

利用张掖试验基地2006年6月24日至7月17日的加密观测资料,系统分析了夏季典型晴天张掖绿洲荒漠过渡带地表辐射收支和地表能量平衡特征及小气候特征。结果表明:夏季晴天绿洲荒漠过渡带总辐射值还是比较大的,并且净辐射值也很大,这说明绿洲荒漠过渡带地表具有比较充足的可利用热能,为加热大气和土壤提供了必要的热能条件。在地表能量分配中,晴天绿洲荒漠过渡区主要用于大气运动引起的感热交换,其次是土壤交换,用于水蒸发相变的能量相对较小。近地层空气温度和湿度的变化刚好相反。气温白天随高度的增加而递增,夜晚随高度的增加而递减。近地层大气温度变化要比地表温度缓慢。白天土壤辐射增温,越接近地表增温越快,夜间辐射冷却,地表温度下降最为明显。近地层水平风速在白天较大,夜间逐渐减小。在绿洲荒漠过渡带全天以上升气流为主,水平风速随高度增加明显递增。     

乌鲁木齐市城区和郊区近地层比湿分布和廓线特征

利用乌鲁木齐市城区和郊区的5座100 m气象铁塔10层比湿数据和乌鲁木齐气象站L波段探空雷达资料,详细分析了边界层2 km内比湿廓线特征,城区和郊区近地层比湿季节变化和日变化特征,揭示了乌鲁木齐逆湿的原因,得出以下结果：（1） 乌鲁木齐市比湿季节差异明显,冬季最小,春季、秋季稍大,夏季最大,夏季比湿约为冬季的4~5倍,但秋季仅比春季大1 g·kg^–1。除冬季外,比湿均随高度增加而趋于减小,夏季减小最显著,冬季比湿的垂直变化很小。比湿廓线极小值白天和夜间出现高度相近,且有多个极小值。夏季和冬季比湿日变化最大,且位相相反;夏季夜间大、白天小,冬季与之相反。冬季,郊区比湿小于城区;其余季节城、郊比湿差异不明显。（2） 2 km内存在逆湿现象,逆湿出现概率高于35%,概率1月最大、7月最小。1月逆湿最大高度超过1 500 m,7月逆湿最大高度可达到1 900 m,且最大厚度可达到1 550 m。逆湿强度最大在7月和10月可达2. 5 g·kg^–1·（100 m）^–1,而1月最小。（3） 1月逆湿往往与逆温相伴随,逆温层改变了水汽的垂直分布结构,从脱地逆温层顶起出现逆湿现象,逆湿还与水汽输送有关。本研究可以有效地揭示空气湿度的季节特征,为研究城市大气污染形成的气象因素提供了一个思路。     

巴丹吉林沙漠夏季大气边界层结构

利用国家自然科学基金项目“巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验和研究”于2009年7—9月在巴丹吉林沙漠取得的系留气球、GPS探空等加强观测资料,分析了沙漠夏季大气边界层位温、比湿及风等的日变化特征。研究表明：（1）巴丹吉林沙漠近地面气温日较差较大,比湿的变化与气温相反,白天风速变化大。（2）昼（夜）不平衡能量差额R_d>0（R_d<0）,莫宁-奥布霍夫长度L<0（L>0）,大气层结趋于不稳定（稳定）;白天大部分净辐射能量转换为感热通量,为深厚大气边界层的发展提供热力条件。（3）午前稳定边界层经历了从重建到消退的过程,其上残留层较厚;午后混合层打通残留层发展迅速,近地面层出现明显的超绝热递减层;夜间稳定边界层迅速发展,最大厚度达900 m;（4）从整个边界层来看,午前出现的5层结构在午后变为3层,稳定边界层消失,混合层迅速发展,厚度达到3 000 m。夹卷层厚度最大值为1 500 m,近地面的超绝热层最大达200 m。     

夏季不同天气背景条件下黑河中游不同下垫面的辐射特征

 利用2005年“绿洲系统能量水分循环观测实验”（JTEX）获得的资料分析了夏季晴天和阴天西北干旱区金塔绿洲不同下垫面的辐射收支特征。结果表明:由于下垫面的水热特性不同,绿洲与沙漠、戈壁的辐射特征有很大差异,而沙漠和戈壁的差异则较小。相同天气背景条件下,不同下垫面的向下辐射基本一致,绿洲的向上辐射最小,净辐射最大。地表辐射特征会随天气状况有较大变化。     

稀疏植被地表反照率及土壤热传导率特征研究

利用“敦煌试验”稀疏植被站2002年典型晴天的资料,分析了与地表能量平衡最密切的两个参数：地表反照率和土壤热传导率的特征。分析发现稀疏植被下垫面的地表反照率日变化具有明显的不对称特征,这与以往在戈壁或沙漠上的地表反照率的研究明显不同,这可能是由于早晨的露水造成的。另外分别用定义法和加权平均法分别计算得到典型晴天敦煌稀疏植被的平均地表反照率基本为0.25,两种方法计算得到的地表反照率非常接近,得到的地表反照率的值与敦煌戈壁的值较接近,但比“黑河试验”的结果大。这也从一个侧面反映出稀疏植被区是一个气候敏感区。得到的稀疏植被下垫面的地表反照率应该可以作为遥感反演和陆面过程模式的一个参考值。另外还得到了敦煌稀疏植被干燥土壤的热传导率的平均值为0.20 W\5m-1\5K-1,在晴天,干燥土壤的执传导率基本分布在0.164~0.24 W\5m-1\5K-1范围内,平均值与敦煌戈壁2.5 cm处的土壤执传导率接近,但稍大一些;比“黑河试验”在戈壁观测的值小近一倍,而比权威的文献给出的干燥沙漠的值要小一些。     

夏季不同土壤湿度和天气背景条件下绿洲土壤温湿特征的个例分析

 利用在甘肃省酒泉金塔地区开展的“绿洲沙漠能量和水分循环观测试验(JTEX)”获得的2005年5—7月的补充观测资料,分析了在不同土壤湿度和天气背景条件下的夏季绿洲农田土壤温、湿场特征。结果表明：一般来说,对于5—40 cm深度的土壤,随着深度的增加其湿度也随之增加。5 cm、10 cm的土壤湿度具有明显的日变化,且在中午时最为湿润;20 cm土壤湿度的日变化幅度小于上两层,变化趋势却与5 cm的相反;40 cm土壤湿度的日变化不明显。晴天浅层的土壤湿度日变化大于阴天。晴天个例中,土壤湿度较大时,5 cm土壤在白天比10 cm的湿润;当土壤较为干燥时,全天浅层土壤湿度都小于较深层的。各层土壤温度在一个中心值周围分布, 40 cm深度以上土壤温度均具有明显的日变化;土壤温度的极值出现时间滞后于地表温度,离地面的距离越大,峰值出现的时间比地表温度滞后的越长,且变化幅度越小。晴天的土壤湿度越小,浅层土壤湿度日变化幅度就越大,各层土壤温度也就越高。土壤深层基本不受天气情况的影响,但受灌溉的影响较大。     

北冰洋浮冰区的气象要素特征

利用中国首次北极科学考察队观测的气象资料 ,初步分析研究了 1 999年 8月 1 9～ 2 4日北冰洋浮冰 ( 75°N,1 60°W)上的温、压、湿、风、云量、辐射、海表温度、冰面及冰中温度等气象要素变化特征 ,并结合 50 0 h Pa高度场分析了该期间的天气过程。结果表明 :在考察期间海面与冰面温度日变化差异明显。除晴天夜间出现逆温外 ,气温随高度增大而减小 ,冰面为热源 ,不断有向上的热量输送。海温则稳定少变。冰中热交换主要发生在冰下 0～ 40 cm深度。由于有海上湿平流等影响 ,存在“逆湿”现象。晴天反射率具有明显日变化 ,早晚大 ,中午小。海冰表面平均反射率约为 0 .76。辐射与云量特别是低云量的关系密切     

塔克拉玛干沙漠腹地冬季地面反射光谱特征初探

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区冬季453个光谱观测数据,进行了初步的分析探讨,得到了一些新认识,主要有:①碧空条件下,塔中地区沙漠的地面可见光通道反射率约为25.8%,近红外通道反射率约为28.6%;②碧空条件下,沙丘可见光及近红外通道的反射率具有在沙丘各部位,近红外通道的反射率大于可见光通道的反射率,而在沙丘的不同部位间,可见光通道的反射率变化较小,沙丘朝阳坡的可见光及近红外通道的反射率略大于背阴坡;③碧空、昙天、阴天中,可见光与近红外通道的反射率,均是以阴天为最大;④在较晴朗的天气条件下,沙丘的可见光及近红外通道的反射率均随着太阳高度角的增大而减小;⑤霜对沙面可见光及近红外通道的反射率起增加的作用,与无霜时比,可见光通道反射率增大约2.6%,近红外通道的反射率增大约3.5%。     

甘肃敦煌雅丹地质公园区风蚀气候侵蚀力特征

风蚀气候侵蚀力是潜在风力侵蚀强度的重要表征。基于2013年和2014年风速、降水和空气温度、湿度等气象要素的实地观测数据,对甘肃敦煌雅丹地质公园区的风蚀气候因子指数进行了逐月的计算和分析。结果表明：（1）研究区风蚀气候因子指数为151.98±0.13,是全国的三大极大值区之一;（2）研究区风蚀气候因子指数不同于全国干旱半干旱区基本季节变化特征,夏季最大,春夏季明显高于秋冬季,与新疆和田地区的季节变化特征相似;（3）研究区风蚀气候因子指数具有4—8月持续高值、9月至翌年3月持续低值的月变化特征;（4）风蚀气候因子指数的决定性气象因子是风速,而降水的减弱作用甚微;（5）一般来说,雅丹地貌分布区风蚀气候因子指数≥150。     

阿尔金山-祁连山山地植被垂直带谱分布及地学分析

本文揭示阿尔金-祁连山区垂直带谱空间分布模式并进行地学解释。研究表明:北坡荒漠草原带的上限具有随经度变化的二次曲线分布模式,草原带的上限分布为线性模式,亚冰雪带的分布与7月份气温的零度层分布模式基本相同;北坡镜铁山以西的带谱中没有森林带,以东含有森林带,分布在2500³300米的高度范围内。利用气象台站的地面及高空数据,计算了湿度———生长季平均温度露点差随海拔变化的梯度、多年平均温度、1月多年均温、多年平均降水指标以解释带谱分布,结果表明:由东向西,湿度梯度增大,以酒泉为界,西侧的露点温度差梯度大于0.12℃/100米,东部小于0.09℃/100米,与北坡山地森林带分布基本吻合。     

中国西北地区荒漠绿洲大气内边界层的数值模拟

本文用二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模拟了黑河地区绿洲和周围荒漠袒上垫面物理特征差异引起的内边界层结构。得到了绿洲上游荒漠至绿洲和从绿洲至其下游荒漠两重下垫在突变过程大气运动所产生的风速内边界层，温度内边界层和湿度内边界层的空间和时间特征及其这两种情况边界层的结构差异。     

塔克拉玛干沙漠北缘辐射分量特征

利用塔克拉玛干沙漠北缘肖塘自动站2011年直接探测的辐射资料,对该地区辐射状况进行了初步分析。结果表明:短波辐射各个分量的月总量最大值均出现在7月,总辐射瞬时最大值为1 329.6 W·m-2,出现在6月。晴天天气下,辐射分量均为夏季最大,冬季最小,除大气长波辐射外,其他分量均呈现出标准的倒“U”型。大气长波辐射浮尘、扬沙天气时的日总量,均与晴天时一致;而地面长波辐射日总量则是晴天时最大,浮尘天气次之,阴天最小。肖塘地区地表反照率冬季较大,夏季较小,年均值为0.27,比塔克拉玛干沙漠腹地（0.3）低10%,但远高于绿洲和高原。