北冰洋及其邻近海域极昼期间大气边界层结构特征试验研究

1年7-月中国"雪龙"号破冰船首航北极科学考察期间,利用TMT(系留式气象塔)大气边界层探测系统,对北冰洋及其邻近海域不同下垫面进行较长时间的连续多次观测. 观测到的大气边界层廓线,其中包括比湿廓线的多层、逆湿结构(逆湿强度最强为0.7g/(10m·kg));风向、风速廓线的切变结构(风向切变为1.1°/m,风速切变为0.11(m·s-1)/m. 特别是持续数日、厚达几百米、其平均逆温强度有时高达1.4℃/10m的逆温结构,这种北冰洋海域特有的大气边界层结构,与地球气候系统中其他圈层的大气边界层结构有明显差别. 据此,提出了对该海域大气-海冰-海洋间动量、感热和潜热等湍流通量垂直交换以及热量平衡等有重要影响的大气逆温的屏障过程. 这为研究北极地区对全球气候影响、模拟北极地区现代气候和未来气候等提供一条新的思路. 此外,文中还给出该海域不同下垫面稳定大气边界层的高度.     

北冰洋及其邻近海域极昼期间大气边界层结构特征试验研究

1年7-月中国"雪龙"号破冰船首航北极科学考察期间,利用TMT(系留式气象塔)大气边界层探测系统,对北冰洋及其邻近海域不同下垫面进行较长时间的连续多次观测. 观测到的大气边界层廓线,其中包括比湿廓线的多层、逆湿结构(逆湿强度最强为0.7g/(10m·kg));风向、风速廓线的切变结构(风向切变为1.1°/m,风速切变为0.11(m·s^-1)/m. 特别是持续数日、厚达几百米、其平均逆温强度有时高达1.4℃/10m的逆温结构,这种北冰洋海域特有的大气边界层结构,与地球气候系统中其他圈层的大气边界层结构有明显差别. 据此,提出了对该海域大气-海冰-海洋间动量、感热和潜热等湍流通量垂直交换以及热量平衡等有重要影响的大气逆温的屏障过程. 这为研究北极地区对全球气候影响、模拟北极地区现代气候和未来气候等提供一条新的思路. 此外,文中还给出该海域不同下垫面稳定大气边界层的高度.     

夏季北极平流层大气基本结构特征

北极地区(60°N~90°N)平流层纬向风和气压场有明显的季节变化,不同高度层季节变化的时间有差异.北极平流层从冬至夏,季节转换从上向下推进,从夏至冬,季节转换从下向上推进.以20 hPa为例,平均而言,4月上旬以前,北极被极涡控制;4月中旬北极地区高压的势力开始超过低压,5月上旬,北极高压正式建立;7月份达到最强,8月份开始减弱,8月底结束.北极高压中心位置随时间的变化可分为北美型、欧亚型和过渡型三种.平流层下层,气压场和风场的结构与平流层中上层有明显不同,而且南亚高压与北极高压连在一起;从垂直结构看,北极高压从上至下与100 hPa的南亚高压连在一起,高压中心轴线是倾斜的.     

北冰洋海冰厚度穿透雷达探测与下表面形态特征分析

通过对北冰洋海冰穿透雷达的探测与分析, 讨论了雷达电磁波探测海冰厚度和海冰下表面形态特征的能力. 结果表明, 雷达波可穿透超过6 m厚度的北极盛夏海冰, 雷达波在海冰内的传播速度是0.142~0.154 m/ns. 雷达图像表现出海冰下表面粗糙起伏的微形态特征, 这种微形态特征与海冰类型关系紧密, 反映出雷达探测有助于识别和划分海冰类型. 基于雷达图像同时显示海冰上、下界线的特点, 统计分析了二者界线实际长度的差异, 提出一个新的长度因子数值概念, 可用于海冰上、下表面面积差异的研究.     

民航气象观测的中国中东部大气边界层廓线数据的评估与应用

本文从民航气象报告(AMDAR)数据库中提取了2008—2019年期间我国中东部18个机场飞机起飞和降落期间的大气边界层(ABL)廓线数据,并利用常规探空数据评估了不同季节和高度范围的AMDAR数据准确性及其随探空站与机场距离和飞行状态的变化.与常规探空数据相比,低层(P>850 hPa)的AMDAR温度和风分量的均方根误差(RMSE)均比较高层(850~500 hPa)小,且各高度层上的温度和风分量的RMSE都随间隔距离的增加而增大.相对而言,飞行状态对AMDAR数据准确性的影响很小.在间隔距离小于50 km且P>850 hPa高度层范围内,温度、纬向风和经向风的平均RMSE分别为0.68~0.83 K、1.48~1.62 m·s^-1和1.73~1.81 m·s^-1.相比于RMSE,对应的平均偏差都显著更小,且随间隔距离无明显变化.数据应用示例表明,AMDAR廓线数据由于其较高的时间分辨率,不仅可以反映ABL结构的日变化特征,还可用于研究ABL局地环流特征.基于18个机场AMDAR廓线数据分析发现,我国远内陆、干燥地区大气边界层高度(ABLH)具有较强的日变化,尤其是在春夏两季,而沿海和近内陆地区ABLH的日变化强度和季节差异都较小.

     

北极大气偶极子异常与冬季北极海冰运动

依据国际北极月平均浮冰观测资料(1979~1998)、美国国家环境预测中心和国家大气研究中心再分析资料(1960~2002), 研究了一个以前被忽略的大气环流异常——北极大气偶极子结构异常及其与冬季海冰运动的关系. 偶极子结构异常是冬季(10月~ 次年3月)70°N以北月平均海平面气压经验正交分析的第二个模态, 它解释了总方差的13%. 偶极子异常中心之一位于加拿大的北极地区, 另外一个中心位于欧亚大陆北部和西伯利亚边缘海区. 由于大气偶极子异常强的经向性, 它成为驱动北冰洋海冰和冷空气进入巴伦支海、北欧诸海以及北部欧洲的重要机制.     

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰厚度变化研究

北极海冰是地球气候系统的重要因子,获取精确的海冰厚度及其变化信息对于开展北极和全球变化研究等有着重要的意义.卫星测高是获取连续、大范围海冰厚度的主要方法之一.冰间水道识别是卫星测高方法估算海冰厚度的关键之一.基于CryoSat-2数据,利用遥感影像对两种主要的冰间水道识别方法进行了对比,发现波形特征法能够更好地识别冰间...     

北京首都机场的人工消雾及大气边界层特征的演变

在首都机场人工消雾作业过程中进行了大气边界层特征的观测,观测结果表明：用喷洒液氮进行人工消雾可以形成小面积降雪从而提高能见度,达到安全飞行的目的．人工消雾作业过程可影响小面积大气湍流特征,使湍流谱略偏离-5／3规律．人工消雾作业期间潜热通量明显大于作业期后．     

一个大气边界层非线性三维数值模式及其在太湖流域的应用

本模式用以K半经验理论为基础的闭合方程组求解,引进了地形作用、动量、热量和水汽的侧向扩散和垂直湍流交换以及凝结加热等物理过程,其中湍流交换系数K是地表粗糙度、几何高度、大气稳定度及风速切变等因子的函数。本模式还考虑了山地、平原和水面在地形高度、地表粗糙度、辐射、蒸发及热交换等方面的差异,在下垫面上建立热平衡方程与边界层内控制方程耦合。将模式应用于太湖流域,计算得到的该流域边界层内温、压、湿、风的分布特征与实际情况相似,模式具有一定的实用性。     

一个大气边界层非线性三维数值模式及其在太湖流域的应用

本模式用以K半经验理论为基础的闭合方程组求解,引进了地形作用、动量、热量和水汽的侧向扩散和垂直湍流交换以及凝结加热等物理过程,其中湍流交换系数K是地表粗糙度、几何高度、大气稳定度及风速切变等因子的函数。本模式还考虑了山地、平原和水面在地形高度、地表粗糙度、辐射、蒸发及热交换等方面的差异,在下垫面上建立热平衡方程与边界层内控制方程耦合。将模式应用于太湖流域,计算得到的该流域边界层内温、压、湿、风的分布特征与实际情况相似,模式具有一定的实用性。     

北京城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响

为克服针对一次或几次天气过程研究城市化对边界层结构及降水影响的局限性,尝试研究北京城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响,本文首先总结了2006年8月份的主要天气过程,分析了气象站观测的10 m高度风速、2 m高度气温、2 m高度比湿和24 h降水的月平均分布特征,然后利用WRF/Noah/UCM模拟系统,进行了该月30个个例的高分辨率数值模拟及检验分析,并通过多组不同城市化情景的敏感性试验对比分析了城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响.研究表明:本文所用对高分辨率数值模拟结果进行月平均的方法可以较合理地模拟出城市化对大气边界层结构及降水的影响,并再现观测到的各站风频差异.8月份,北京城市化对气温的影响高度白天约为800 m,近地面气温升高1℃以上;夜间约为200 m,对近地面气温的影响达到最大(1.4℃以上).白天,城市化使城市及下风向的一些区域风速略有减小;夜间,城市及周边区域200 m以下风速明显减小,且在100 m左右高度处风速减小最明显,减小达0.8 m/s以上.城市化白天使700 m以下比湿减小,近地面处减小达1.2g/kg以上,夜间使近地面空气比湿略有减小.城市化对城市区域平均降水量的影响随城市发展的不同阶段而不同.初步模拟分析表明, 北京城市化已使上风向区域以及城区三环以内降水量减少,海淀和昌平降水明显增加.     

北京首都机场的人工消雾及大气边界层特征的演变

在首都机场人工消雾作业过程中进行了大气边界层特征的观测,观测结果表明：用喷洒液氮进行人工消雾可以形成小面积降雪从而提高能见度,达到安全飞行的目的．人工消雾作业过程可影响小面积大气湍流特征,使湍流谱略偏离-5／3规律．人工消雾作业期间潜热通量明显大于作业期后．     

大气边界层湍流速度场的层次结构分析

对大气边界层的速度脉动时间序列进行了统计分析,发现在大气边界层湍流场中存在She-Leveque(SL)层次相似律,以及在水平速度场、垂直速度场和不同条件下垂直速度场的层次相似律所满足的情况不同,并给出了对应的可能解释.结果指出大气边界层自组织结构的复杂性以及层次相似律对大气边界层湍流脉动描述的有效性.     

北极海冰与夏季欧亚遥相关型年际变化的联系及对我国夏季降水的影响

本文利用NCEP/NCAR等再分析资料和CAM3.1数值模式研究了夏季欧亚中高纬遥相关型年际变率与前期春季北极海冰变化的联系及其对我国夏季降水影响的可能机制.结果表明,夏季北大西洋-欧亚中高纬地区500 hPa位势高度场自然正交分解第二模态表现为"-+-+"遥相关波列,其中格陵兰岛-北大西洋和乌拉尔山地区为异常高空槽区所控制,而欧洲和贝加尔湖附近地区则为异常高压脊区,这种波列分布与欧亚中高纬EU型遥相关型十分类似.当遥相关波列为"-+-+"（"+-+-"）型分布时,前期春季巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少（多）,同期夏季巴伦支海北部一带海冰亦持续偏少（多）,同时在我国东北北部地区、长江和黄河之间地区降水明显偏少（多）.深入分析发现,巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少后,由于该地区湍流热通量明显偏强,在动力过程影响方面会形成异常Rossby波源,准定常Rossby波活动通量将向东亚地区传播,使得夏季欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列出现.另外,海冰异常偏少后,在热动力过程影响方面,4-5月欧亚中高纬乌拉尔山-贝加尔湖以北地区积雪会出现"西少东多"偶极子型异常分布,其通过影响后期土壤湿度及下垫面热通量异常,也有利于夏季欧亚中高纬遥相关波列的维持.伴随着欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列的出现,乌山阻塞高压偏弱,东亚槽偏浅,且亚洲副热带急流随之加强,贝加尔湖以北的副极地地区出现西风异常,东亚副热带急流北侧出现东风异常,贝加尔湖以南地区为异常反气旋控制,南下冷空气活动减弱.受到上述环流形势影响,我国东北北部地区、黄河和长江之间地区降水明显偏少.当巴伦支海北部和巴芬湾区域海冰偏多时,结论则反之.最后,基于春季海冰指数和晚春偶极子型积雪指数,我们建立了江淮流域夏季降水的预测模型,回报结果表明其对江淮流域夏季降水的年际变率具有较高的预测技巧.     

我国干旱区深厚大气边界层与陆面热力过程的关系研究

大气边界层是地球大气重要物理特征之一.干旱气候背景下的大气边界层特征与人们以往对典型大气边界层的认识有很大不同,其形成机制也比较特殊.本文利用冬、夏两季典型时段在极端干旱区敦煌开展的大气边界层和陆面过程综合观测试验,对大气边界层厚度与净辐射、地-气温差和感热通量等陆面热力因素的日变化特征进行了对比分析,研究了大气边界层的发展和维持衰退过程与陆面热力和动力过程的关系,发现发展过程消耗的能量要比维持衰退过程高得多,而且进入残余层后对流边界层发展对陆面热力作用更敏感,发展也更迅速.风速的动力作用对大气边界层发展也有一定的影响,尤其对冬季稳定大气边界层影响较大.极强的陆面热力作用是我国干旱区形成深厚大气边界层的主导因素.     

大气边界层湍流的动力非平稳性的验证

首次用验证时间序列中是否存在动力非平稳性的一种简单图示方法——space time-index法来分析大气边界层湍流的动力平稳性特征.本文以取自淮河流域和威斯康星森林下垫面条件下的三维高精度风速和温度、湿度湍流脉动资料对大气边界层湍流的平稳性特征进行了分析.结果表明space time-index方法能有效地检验大气边界层湍流信号中是否存在动力平稳性.另外,均匀下垫面条件（水稻田）及复杂下垫面条件（森林）下的大气边界层湍流信号中几乎都存在动力非平稳性,大气湍流动力学非平稳性可能是边界层湍流信号相当普遍具有的一种特性.大气边界层湍流中的间歇性和相干结构使得其非平稳性图形的特征不同于一般时间序列非平稳性图形的“V”型特征;森林下垫面条件下的湍流信号比相对均匀下垫面（水稻田）下的湍流信号更有组织性,相干结构更强.     

电场作用与大气增温效应的再试验

６０多次对比模拟试验结果表明，大气电场对大气增温效应的“促进”作用是相当可观的；“促进”作用的大小与电场强度和大气成分有关，也和静电场还是交流电场有关。在本文中还对这些现象的成因机理作了分析和讨论     

北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污染物浓度关系的研究

利用2001年3月19~29日和2003年8月11~25日中国科学院大气物理研究所325m大气边界层观测塔资料,分析研讨了北京城市大气边界层低层的垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系.对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料,综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征及其与污染物浓度空间分布的关系,同时分析了北京地区沙尘天气过程中城市边界层低层垂直结构特征及其污染物浓度的分布与变化特征.分析结果表明,在不稳定层结条件下,47和120m高度上无因次速度湍流方差和温度湍流方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,并给出相应的拟合公式.稳定大气边界层可按层结参数z′/L分成二分区,z′/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z′/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大的趋势,而无因次温度方差则保持不变.白天近地层包含了47和120m,而280m已在近地层之上.对2001年3月北京地区一次沙尘天气过程的城市边界层资料分析发现,320m高度上总悬浮颗粒物浓度最高达到913.3μg/m3,在边界层内大气颗粒物从上层向低层输送,这与锋面过境时低空急流从上层向下发展过程并伴随的强下沉运动有关.     

南极大气臭氧和温度垂直结构及其季节变化的研究

利用南极中山站2008年2月至2009年2月臭氧和温度探空等资料,对中山站上空大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征进行了研究.结果表明,在中山站上空热对流层顶和臭氧对流层顶的高度相近,年平均高度分别为7.9和7.4km.对流层顶的气压和温度都存在位相相反一波型季节变化.春季和冬季对流层顶的温度转折没有夏季和秋季明显,而依据臭氧变化恰能更好地确定对流层顶高度.在对流层臭氧垂直分布的季节变化不显著;而平流层却十分明显.春季下平流层臭氧严重耗损,14km处的臭氧最小分压仅为1.57MPa,最大分压出现在上平流层,其他季节下平流层臭氧随高度增加而升高.春季下平流层臭氧的严重损耗,与极夜过后低温条件和平流层冰晶云表面消耗臭氧的光化学过程有密切关系.大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征,对春季南极臭氧洞的形成和发展具有重要意义.     

秋季北极海冰与欧亚冬季气温在年代际和年际尺度上的不同联系

北极海冰的急剧消融在近年来欧亚大陆频发的低温事件中扮演着关键角色.秋季北极海冰的偏少对应着冬季欧亚大陆的低温天气,然而二者的联系在年代际和年际两种时间尺度上存在显著区别.本文运用1979—2012年哈德莱中心第一套海冰覆盖率(HadISST1)、欧洲中心(ERA_Interim)的2 m温度、风场、海平面气压场、高度场等资料,分别研究了年代际和年际时间尺度上前期秋季北极海冰与欧亚冬季气温的联系.结果表明,欧亚和北极地区(0°—160°E,15°N—90°N)的冬季气温具有显著的年代际和年际变化.在年代际尺度上,温度异常分布在21世纪初由北极冷-大陆暖转为北极暖-大陆冷.这一年代际转折与前期秋季整个北极地区的海冰年代际减少联系密切.秋季北极全区海冰年代际偏少对应冬季欧亚大陆中高纬地区的高压异常,有利于北大西洋的暖湿气流北上和北极的冷空气南侵,造成北极暖-大陆冷的温度分布;在年际时间尺度上,温度异常分布主要由第一模态的年际变化部分和第二模态组成,且第一模态包含的年际变率信号也存在显著的年代际变化.年际尺度上全区北极海冰对欧亚冬季气温的影响远不及位于北冰洋西南边缘的巴伦支海、喀拉海和拉普捷夫海西部(30°E—120°E,75°N—85°N)的关键区海冰影响显著.关键区内海冰的偏少会引发冬季的北大西洋涛动负位相,导致北大西洋吹往欧亚大陆的暖湿气流减弱和欧亚大陆中高纬地区的气温偏低.