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.     

西北干旱区地表辐射特性的初步研究

利用2000年5－6月敦煌（戈壁）陆面过程野外观测实验加强期的地表辐射观测资料以及HEIFE中绿洲（张掖）和沙漠两站1991年同期的地表辐射观测资料，分析了三种不同下垫面晴天地表辐射各分量的日变化特征。结果表明：绿洲地区和沙漠区总辐射略高于敦煌戈壁区；地表反射率沙漠区和敦煌区明显高于绿洲区，地面有效辐射戈壁区最大，张掖绿洲区最小，地表净辐射张掖绿洲区明显大于沙漠和戈壁区。     

敦煌夏末大气垂直结构和边界层高度特征

本文利用西北干旱区陆-气相互作用野外观测试验 (NWC－ALIEX) 2008年8月11～18日的探空试验资料, 分析了中国西北干旱区敦煌地区的大气垂直结构和边界层高度特征。结果表明, 对流层顶大约在距地15000 m高度左右, 为第二 (副热带) 对流层顶; 水汽主要集中在距地6500 m以下对流层, 0℃层在距地3000～4000 m高度波动, 逆湿层高度在0℃层左右摆动; 在距地5000 m以上的对流层基本被西北风或偏西风统治, 在距地9000～13000 m左右的对流层高层, 存在一个风速为25～50 m/s的西北风或偏西风极大值; 敦煌夏末存在特厚边界层, 对流边界层高度可达4200 m, 稳定边界层高度可达1300 m。     

西北干旱区荒漠水分循环特征及其模拟

利用"中国西北干旱区陆—气相互作用实验"观测的资料,分析了大气湿度、土壤含水量、与土壤含水量相关的陆面参数及其他陆面参数特征。为了验证新的陆面参数及参数化公式,将新陆面参数与参数化公式输入陆面模式进行模拟,将模拟值与观测值进行了比较。结果表明输入新参数及参数化公式的模拟效果更好。     

西北干旱区空中水资源的时空变化特征及其原因分析

利用1979—2008年NCEP/NCAR月平均再分析资料,从大气可降水量、水汽输送及收支等方面分析西北干旱区空中水资源的时空变化特征,并揭示其主要原因。研究表明,1979—2008年西北干旱区整层年水汽含量略呈增加趋势,而夏季水汽总收入呈现显著增加趋势。区域空中水资源的变化与中纬度西风水汽输送密切相关。尽管区域西风指数的年代际减弱反映了西北干旱区东、西边界西风水汽输送的减弱趋势;但受区域特殊地形的影响,区域东边界水汽收支的减弱趋势远强于西边界,使得大量的水汽滞留于西北干旱区,从而导致该区域夏季水汽总收入呈现增加趋势。     

气候变化及人类活动对西北干旱区水资源影响研究综述

本文回顾了西北干旱区气候变化事实及其对水资源影响的最新研究进展,从气候变化和人类活动两个角度综述了水资源变化的原因,以及未来西北干旱区水资源变化与适应对策。研究表明：1961年以来西北干旱区呈现明显暖湿化趋势,其中冬季增温最快,夏季降水增加速率最大。伊利河谷、塔城等地区增温趋势最大,北疆降水量增加最多。受气候变暖导致冰雪快速消融和山区降水增加的影响,西北干旱区西部河流黑河、疏勒河、塔里木河出山口径流量显著增加。由于东部河流石羊河径流的补给主要靠降水,降水的减少导致径流呈现下降趋势。不合理人类活动造成石羊河、黑河和开都河中下游径流减少。本文提出了西北干旱区亟待深入研究的任务：极端天气气候事件的变化规律及其对水资源影响;未来气候变化和水资源的预估;气候变化归因研究;气候变化-社会经济活动一体化适应策略选择;水资源科学合理定量分配等。     

全球变暖背景下西北干旱区雨季的降水时空变化特征

利用西北干旱区1961—2007年77个观测站的逐日降水资料序列,将西北干旱区分为5个主要气候区,分析了全球变暖背景下西北干旱区雨季的降水时空变化特征,并预测降水的未来变化趋势。结果表明：西北干旱区降水存在显著的年际和年代际变化,其西部降水量呈显著上升趋势,尤其在新疆北部与伊犁河谷地区。降水具有5～6年或2～3年的年际周期与8～11年的年代际周期,但河西走廊地区例外。干旱区降水转型时期的空间差异显著,最早在1980年代初期从南疆开始,1980年代中期新疆北部降水出现异常偏多,伊犁河谷和河西走廊地区降水突变期则出现在1990年代初,但变化趋势相反;阿拉善高原地区降水没有明显的突变时间。由周期外推方法得到,在未来一个年代际周期中,西北干旱区的西部降水将以偏少的气候特征为主,直到2015年前后才会再次回到偏多的周期中来;阿拉善高原地区在未来8～11年中有可能向着降水增加的趋势发展。     

On the Possible Impact of a Following-Swell on the Atmospheric Boundary Layer

A simple model of the atmospheric boundary layer over the ocean where the swell impact on the atmosphere is explicitly accounted for is suggested. The model is based on Ekman’s equations, where the stress in the wave boundary layer is split into two parts: the turbulent and wave-induced stress. The turbulent stress is parameterized traditionally via the eddy viscosity proportional to the generalized mixing length. The wave-induced stress directed upward (from swell to the atmosphere) is parameterized using the formalism of the wind-over-waves coupling theory. The model can be seen as an extension of the model by Kudryavtsev and Makin (J Phys Oceanogr 34:934–949, 2004) to the scale of the entire atmospheric boundary layer by including the Coriolis force into the momentum conservation equation and generalizing the definition of the mixing length. The regime of low winds for swell propagating along the wind direction is studied. It is shown that the impact of swell on the atmosphere is governed mainly by the swell parameter—the coupling parameter that is the product of the swell steepness and the growth rate coefficient. When the coupling parameter drops below − 1 the impact of swell becomes significant and affects the entire atmospheric boundary layer. The turbulent stress is enhanced near the surface as compared to the no-swell case, and becomes negative above the height of the inner region. The wind profile is characterized by a positive gradient near the surface and a negative gradient above the height of the inner region forming a characteristic bump at the height of the inner region. Results of the model agree at least qualitatively with observations performed in the atmosphere in presence of swell.     

一次华北暴雨过程中边界层东风活动及作用

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°逐6 h分析资料、微波辐射计资料及FY-2E气象卫星及雷达探测资料,针对2013年6月4日发生在北京及周边地区的一次暴雨过程中边界层东风活动及作用进行了天气学诊断分析,结果表明:对流性暴雨过程伴随有源自东北平原的边界层东风活动,东风活动具有尺度小、降温明显和湿度大等特点。暴雨过程是边界层东风和中低空暖式切变线、偏南风急流和500 hPa短波槽共同作用的结果;东风湿冷空气的锋面抬升和地形抬升作用共同加强了中低层暖湿气流的辐合上升运动,同时东风冷垫和地形抬升作用触发了雷暴的再次发生,相应雷暴具有高架对流特点。东风气流起到了边界层水汽输送作用,中低层偏南暖湿气流为暴雨的产生提供了充足的水汽和不稳定层结条件。     

西北干旱区水循环与水资源问题

从现实条件和可持续发展的角度初步归纳了全国水资源短缺的空间格局,评述了西北干旱区水资源的现状和趋势,简要分析了西北干旱区水循环和水资源利用的特点和规律,概括了西北干旱区水循环和水资源高效利用研究的进展和动态,初步探讨了西北干旱区水资源高效率利用的科学对策。最后,提出了西北干旱区水循环和水资源高效利用研究方面的某些重要科学问题。     

关于用台站资料估算西北干旱区夏季感热通量的热力参数化比较

气象台站观测的气象要素可能受城市化等因子的影响而与野外试验站的观测存在一定的差异,这影响野外试验获取的热力参数直接应用于西北干旱区台站感热通量的估算。本文选取了一些常用的热力参数化方案(包括Z10、B82、Z98、Y08和Z12等方案),通过敦煌站夏季估算的感热通量与野外观测的比较以及对整个西北干旱区夏季感热通量的估算,评价了这些热力参数化对动量粗糙度的敏感性和在西北干旱区的适用性。结果显示,热力输送系数取定值的方案计算西北干旱区的感热通量可能存在较大不确定;台站的动量粗糙度可能受城市化等因子的影响,但在感热通量计算时建议取台站下垫面的动量粗糙度;Y08方案估算的感热通量相对比较合理,可以用来研究西北干旱区的夏季地表感热输送特征。     

北京地区一次特大强风过程边界层结构的研究

利用北京325 m气象塔资料对1993年4月9日北京地区出现的一次特大强风过程的边界层结构（风、温、风切变及阵风特征）进行了分析。随着该次大风的过境，边界层内风场出现数个风速高值中心，高度位于200～300 m，时间间隔1～3 h。伴随上层风速垂直切变和阵风特性。湍流能谱的计算结果表明了大尺度涡旋对边界层湍流微结构的影响。     

中国西北地区大气气溶胶散射光学厚度分析

提出一种利用地方气象台站测得的地表宽谱 ( 0 .3～ 4 μm)逐日太阳辐射日总量资料 (包括太阳总辐射和漫射太阳辐射 )来估算晴空无云天气条件下背景大气中大气气溶胶散射光学厚度的方法 ,这主要是基于地表的太阳总辐射和漫射太阳辐射对大气气溶胶散射光学特性的敏感性。该方法建立在观测数据和模式计算结果相互比较的基础上 ,而不需要知道某地相关的云、臭氧或水汽的探空资料。利用此方法 ,我们使用来自我国西北干旱地区 6个地方气象台站 (兰州、敦煌、民勤、格尔木、乌鲁木齐、喀什 ) 1986— 1992年的逐日太阳总辐射和漫射太阳辐射日总量资料 ,得到了大气气溶胶散射光学厚度在年际和月际间的时空变化特征     

西北干旱区感热异常对中国夏季降水影响的模拟

利用最新版的RegCM3模式通过增加西北干旱区地面向大气的感热输送,模拟了西北干旱区春、夏季感热异常对中国夏季降水的影响。结果表明:西北地区地面向大气的感热输送增加后,西北干旱区低层空气温度升高,空气密度减小使得空气有上升运动距平,减弱了空气的下沉运动,从而在新疆地区降水增加。西北地区下沉气流减弱使得高空气压更强,形成反气旋气流距平,导致高原地区上升气流减弱,在青藏高原降水减少。高原地区上升气流减弱导致在长江中下游和东北北部分别有负的气压距平中心,使得这里有气旋式距平环流,降水增加;而在华南、西南、华北南部和东北南部降水减少。     

陆面过程模式SSiB在中国西北典型干旱区使用性能的检验

利用2000年5月25日～6月15日敦煌试验加强期的观测资料，检验了SSiB模式在我国西北典型干旱区的使用性能。结果表明，在无降水强迫的情况下，模式对净辐射、感热、潜热和地表温度有较好的再现能力；但当加入降水强迫时，模式输出的模拟值与实测值有较大的差别，究其原因这可能与该模式对干旱区土壤水运动过程描述不准确有关。因此，要将此模式应用于典型干旱区，需要做进一步的改进工作。     

北京城市化发展对大气边界层特性的影响

利用中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室的北京325 m气象塔1993年～2003年夏季 (7月～9月) 的观测资料, 统计分析了各年的风速与温度廓线分布特征。统计分析结果表明, 随着城市化的发展, 相对风速有逐年减小的趋势, 并且越靠近地面, 相对风速的减小越明显, 这反映了城市建筑对近地面层空气流动的摩擦作用。对风速廓线进行线性拟合得到风速随高度的垂直递增率, 发现无论是100 m以下的近地面层还是较高层, 风速的垂直递增率都随城市化发展存在逐年增大的趋势, 表明粗糙下垫面的影响已经向高层扩展。根据温度廓线计算了各年的温度垂直递减率, 发现其有增大的趋势, 这表明城市化发展对边界层热力结构同样有显著影响。本文还依据统计整理得到的近中性层结下的风速廓线资料, 利用莫宁-奥布霍夫相似理论计算了下垫面的空气动力学参数, 结果表明, 地表粗糙度、 零平面位移随着城市化发展皆有明显增加的趋势。同时, 分析了各空气动力学参数与平均风速及无量纲风速的关系。其中, 摩擦速度和平均风速二者基本成正相关, 且摩擦速度随平均风速的增大而增大的趋势越发明显。本文研究结果对研究城市化发展对区域大气边界层结构、 气候和环境影响有参考意义, 可为城市大气边界层模式和区域气候模式提供参数化依据。     

西北干旱区地气温差的时空特征分析

利用西北干旱区55个站1961—2000年0cm地温和气温资料,利用EOF、旋转EOF分析和小波分析方法．分析了西北干旱区地气温差的空间分布及时间演变特征。结果表明：西北干旱区地气温差6月份最大,1月份最小;春、夏、秋三季均为正值,冬季除个别站点外均为负值。西北干旱区春、夏、秋、冬四季地气温差的空问分布前三个特征向量均表现为三种分布型：全区一致型、南北差异型和东西差异型。在过去40年问,西北干旱区的地气温差表现为四种时间演变型：具有极小值的抛物线型、具有极大值的抛物线型、单调递增型和单调递减型。西北干旱区地气温差的周期振荡主要以3～6年和20年为主。这些周期振荡在不同区域不同时期的显著性不同。     

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。     

近50年西北干旱区极端降水的时空变化特征

利用西北干旱区1961-2010年76个测站的逐日降水量,采用线性趋势,Mann-Kendall（M-K）突变检验等现代统计诊断方法,研究我国西北干旱区极端降水的时空变化特征。结果表明:（1）过去50年北疆地区和天山山区极端降水量总体上呈增加趋势,河西-阿拉善地区变化不明显;（2）除南疆地区外,北疆、天山山区、河西-阿拉善地区极端降水量分别于1982年、1990年、1987年发生显著的上升突变;（3）极端降水量空间分布的区域差异性显著,在研究区西部表现为以天山山区大值为中心,呈现北高南低的特点;研究区的东部主要是自东南向西北递减的特点;（4）极端降水频率与极端降水量的空间分布基本一致。     

大气对流边界层发展的模拟研究

室内水槽模拟是大气边界层研究的一种重要手段。利用室内模拟水槽对大气边界层的发展进行了模拟,通过处理平均温度廓线和光斑图像得到了对流边界层顶部位置h2和边界层高度zi。结果表明,不同测量方法得到的结果一致性很好,与实际大气的边界层发展情况也较为接近。同时,根据试验情况确定初始条件和边界条件,使用边界层参数化模型进行了数值模拟,其结果与室内模拟的结果也较吻合。