沿海地区大气边界层扩散特征探讨

利用辽东湾近地层三轴风速仪资料分别计算不同稳定度的大气扩散参数及湍流强度。并将不同情况下的大气扩散参数及湍流强度进行了比较。结果表明：在地形相对平坦的辽东湾,在不同的稳定度下,σy和σx值均略大于同级布里格斯公式的计算值。在不稳定条件(C、B类)下,湍强值重大。     

沿海地区大气边界层扩散特征探讨

利用辽东湾近地层三轴风速仪资料分别计算不同稳定度的大气扩散参数及湍流强度。并将不同情况下的大气扩散参数及湍流强度进行了比较。结果表明 :在地形相对平坦的辽东湾 ,在不同的稳定度下 ,σy 和σz值均略大于同级布里格斯公式的计算值。在不稳定条件 (C、B类 )下 ,湍强值最大。     

下垫面粗糙度突变时的内边界层研究

本文介绍了下垫面粗糙度突变时内边界层的形成过程,阐述了内边界层研究的意义,总结和分析了内边界层在理论研究、实验和观测以及数值模拟方面的主要成果。     

华南地区对流层顶和边界层顶高度特征分析

利用华南地区14个站点2010年1月1日至2015年12月31日六年逐日的L波段探空资料,对华南地区对流层顶、边界层顶的时空分布特征及其高度的变化特征进行分析。结果表明,华南地区平均对流层顶高度5月最高,8月最低,对流层顶的变化与夏季风爆发的时间节点有较好的对应;平均边界层顶高度3月最高,8月最低,沿海站点与内陆站点边界层顶高度变化规律明显不同;华南地区四季的平均边界层高度的空间分布与对流层顶高度的空间分布反相,西沙上空与广西西北部两块区域始终存在极值中心。     

精细的城市边界层模拟中热力粗糙度引入的初步研究

运用南京大学城市尺度边界层模式（UBLM）以100 m水平网格距的精细高分辨率，诊断分析小规模城市（水平范围在一二十公里）的气象环境与边界层结构。就高分辨率精细模拟分析研究了两个问题:（1）在模式中引入热力粗糙度，就引入热力粗糙度前后的模拟结果与实测结果进行对比，结果表明引入后的模拟结果与自动气象站的观测结果吻合较好，能够很好地反映出地面气温的日变化规律。冬季，白天不引入热力粗糙度比引入热力粗糙度会高估小规模城市地区感热通量约60 W/m2，而对乡间农作物地区约10 W/m2。（2）以四种不同水平网格距对同一下垫面及气象条件进行诊断分析，结果表明以100 m网格距精细模拟效果明显优于以较大网格距进行的模拟效果。以这样的精细高分辨率模式所获模拟结果分析了小规模城市的边界层特征，表明:冬季白天和夜间小规模城市与乡村气温差分别为0.8℃和0.6℃；风速明显低于乡村地区；湍能高于乡村地区，白天和夜间湍能一般为乡村的3倍左右；白天混合层发展较乡村迅速，且高度高于乡村地区。这样的特征在当今城市规划布局工作中，为特大型城市的卫星城市的建设规划提供了有益的科学实验依据。模拟效果表明以如此高的水平分辨率实施的模式和模拟是可行和有意义的。     

基于激光云高仪反演全天边界层高度的两步曲线拟合法

大气边界层高度是天气、气候、大气环境研究中的一个重要参数,目前尚缺少基于激光雷达探测系统反演全天边界层高度的有效方法。文中利用北京朝阳站、大兴站的激光云高仪数据,首先评估了梯度法、标准偏差法、曲线拟合法和小波协方差法反演边界层高度的适用性和局限性,发现梯度法容易受环境噪声的影响,曲线拟合法稳定性较好,但在夜间弱湍流条件下会将残留层高度误判为夜间边界层高度。提出两步曲线拟合法,将一天中边界层结构划分为白天的对流边界层、夜间的残留层和稳定边界层,通过用不同的理想曲线对其进行两步拟合,获取全天边界层高度的变化。将两步曲线拟合法的反演结果与基于L波段探空雷达的位温梯度法的探测结果进行比较发现:两者相关系数为0.91,证明了两步曲线拟合法的可行性以及激光云高仪探测边界层高度的应用潜力。采用该方法反演2017年5—6月朝阳站与大兴站边界层高度,对比发现:城区特殊的下垫面性质使朝阳站日间对流边界层发展更早,边界层高度更高,全天朝阳站边界层高度的变化在308—1391 m,大兴站在197—1302 m。     

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.     

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。     

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。      

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。     

基于COSMIC资料的边界层高度时空特征分析

利用2007-2012年的COSMIC掩星折射率资料,结合改进的折射率断点法,分析了全球海上边界层高度的季节、日变化特征,并引入尖锐系数对结果进行了评估。边界层高度大值区水平分布呈纬向不对称,中低纬度地区的几个区域边界层最高,由赤道向南北两极递减。在副热带高压控制的部分地区,边界层高度季节变化不明显,而在大陆西海岸的盛行层状云地区,表现出一定的季节变化特征。边界层高度的日变化相对较弱,并且在不同地区略有差异。尖锐系数的评估结果表明:尖锐系数在亚热带最大,折射率断点法能获取准确的边界层高度,而在赤道辐合带和南太平洋辐合带最小,边界层高度定义相对模糊。     

下垫面特性突变时的内边界层数值研究

本文建立了一个考虑层结的二维内边界层数值模式,研究了下垫面粗糙度、温度、湿度突变引起的内边界层。结果表明:下垫面温度突变引起的温度内边界层与下垫面粗糙度突变引起的速度内边界层具有明显的差异。     

基于风廓线雷达的广东登陆台风边界层高度特征研究

针对8个登陆广东省的热带气旋,利用经过数据质量控制的风廓线雷达连续、高时空分辨率的风场观测数据,对热带气旋边界层特征进行了分析。研究结果表明:热带气旋边界层中切向风速大值区垂直范围越大、风速越强、持续时间越久,则热带气旋强度越大、登陆后强度维持时间越久。眼区外入流层厚度越大,入流层气流越强,热带气旋登陆后强度维持时间则越久。风廓线雷达信噪比垂直梯度对大气湍流信息有一定的指示作用,对于入流层高度在2000 m以下的热带气旋,其入流层顶所在高度与信噪比梯度最大值所在高度相近,对于入流层较为深厚的热带气旋,用信噪比垂直梯度确定的边界层高度虽接近入流层顶高,但仍有一定差距。不同特点的热带气旋其边界层高度并不相同,对于登陆后强度迅速减弱的热带气旋边界层高度在500~1000 m;登陆后强度持续时间短的热带气旋,其边界层高度约1000~2000 m;登陆后强度持续时间长的热带气旋,其边界层高度在2000 m之上,最高可达5000~7000 m。这些结果加深了对登陆台风边界层高度演变特征的认识。     

西北干旱区对流边界层发展的热力机制模拟研究

观测发现,西北干旱区对流边界层高度在夏、冬两季极大值分别达到4 km和800 m.利用热力学方法对西北干旱地区深厚对流边界层的原因进行了定量分析.用建立的热力数值模型模拟表明,平均而言,夏季和冬季对流边界层高度的51.5％和61.4％分别由感热产生,对于夏、冬季对流边界层高度可分别达到4 km和800 m的极大值,感热贡献更大,为63.4％和73.1％,感热对对流边界层的贡献率冬季明显大于夏季;夏、冬季浮力夹卷对对流边界层的贡献是18.1％和9.4％;包括感热和浮力夹卷的热力因素可以解释夏、冬季对流边界层高度的69.6％和70.8％,而对于对流边界层极大值,则其解释可高达81％和84.6％.热力因素是西北干旱区对流边界层产生的主要原因,其中,感热又是最根本原因.     

东亚、北非干旱半干旱区边界层高度的特征研究

采用再分析资料ERA-20C对东亚、北非干旱半干旱区一百多年边界层高度(Boundary Layer Height,BLH)的时空变化特征进行比较研究,结果揭示了两个地区不同气候区BLH空间分布和时间变化的差异性。结果表明,BLH的空间分布与气候干湿程度密切相关,同时受海拔以及河流、湖泊分布等的影响;干旱区、半干旱-半湿润过渡区的BLH在东亚和北非均为升高趋势;极端干旱区、干旱-半干旱过渡区、半干旱区的BLH在东亚为升高趋势,在北非为降低趋势;极端干旱区对干旱半干旱区整体BLH年际变化贡献最小,东亚为11. 05%,北非为3. 68%;东亚半干旱区年际变化贡献最大23. 74%,北非半干旱-半湿润过渡区年际变化贡献最大28. 89%。两个地区BLH的变化均包含周期为60年、30年、10年、5～7年和2～4年的振荡,在长时间尺度的周期变化中,两个地区的BLH基本呈反位相关系,在短时间尺度的周期变化中,呈反位相、同位相交替转换的关系; BLH的长期变化趋势,东亚各季节均为升高趋势,北非只有冬季为升高趋势; BLH年际变化,夏季占主导地位,东亚年际变化贡献率是58. 50%,北非年际变化贡献率是57. 52%,北非秋季年际变化贡献率是东亚地区的2倍多。     

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。     

青藏高原边界层高度特征对大气环流动力学效应的数值试验

利用NCAR的全球气候模式 (CCM3) 及第二次青藏高原边界层观测试验的研究结果, 对青藏高原上大气边界层高度的作用进行了研究, 分析了夏季青藏高原地区与长江流域上空的环流状况。研究表明:青藏高原的边界层高度特征对高原东南部地区以及长江流域出现强烈的垂直上升运动及其低层辐合、高层辐散存在着显著的动力效应, 深厚的高原边界层特征将使长江流域夏季区域性的云量及降水明显增加, 河套地区与黄河流域的夏季云量及降水有所减少。     

基于微波辐射计和气溶胶激光雷达的边界层高度研究及应用

分别基于微波辐射计温湿度廓线资料的气块法、位温法和比湿法,地面气象资料的罗氏法及气溶胶激光雷达数据的梯度法,计算得出广州地区大气边界层高度,对比分析5种边界层高度结果及其与气象条件、空气质量之间的关系,结合典型大气污染过程分析边界层高度对PM_2.5、O₃浓度的影响。结果显示：(1)利用位温法、气块法、罗氏法、比湿法和梯度法计算得出广州地区平均边界层高度分别为2 207 m、1 239 m、901 m、717 m和660 m,位温法显著高估了广州地区的边界层高度;(2)利用气块法得出的混合层高度日变化能够较好地表征白天大气边界层演变特征,利用气块法和比湿法得出的白天混合层高度与近地面O₃浓度有显著的正相关关系,相关系数在0.5以上,在O₃污染防治中,应同时考虑边界层内垂直输送的影响;(3)利用梯度法得出的边界层高度在污染天气时与PM_2.5浓度的相关性较好,能较好地表现出大气污染情况,在PM_2.5污染天气过程分析中具有较好的应用价值。     

探空观测的边界层高度时空变化特征

基于2010—2018年我国119个站点L波段探空秒级资料,通过对位温廓线法所得边界层高度进行Kmeans聚类,将我国分为青藏地区、西北地区、中部地区和东部地区4个分区,分析我国边界层高度及边界层状态（对流、中性和稳定边界层）发生频率的变化特征。结果表明：2010—2018年08：00我国年平均边界层高度均为200~600 m,以稳定边界层为主,20：00年平均边界层高度从青藏地区、西北地区、中部地区到东部地区逐渐减小,其中青藏地区和西北地区全年以对流和中性边界层状态为主,中部地区和东部地区以中性边界层为主;4个分区的月平均边界层高度在08：00逐月变化不明显,且各分区间差异不大,而4个分区20：00月平均边界层高度随时间呈单峰结构,最大值出现在春夏季,最小值出现在秋冬季,从青藏地区、西北地区、中部地区到东部地区变化幅度逐渐减小;青藏地区、西北地区和中部地区的边界层高度日变化幅度春夏季大、秋冬季小,而东部地区边界层高度日变化在不同季节特征相近。     

气溶胶激光雷达和无线电探空观测边界层高度的对比分析

利用北京地区2017年11月至2018年1月连续3个月的激光雷达资料和无线电探空数据,按照清洁天、污染天和多云天3种天气条件,对大气边界层高度的计算方法和结果进行对比分析。结果表明,基于激光雷达消光系数的梯度法、标准差法和小波法都能够较好地提取边界层高度。清洁天标准差法计算的边界层高度高于梯度法和小波法,08:00（当地时间,下同）和20:00由无线电探空得到的清洁天边界层高度平均值分别为1176 m和1224 m。污染天标准差法的计算结果要低于梯度法和小波法,污染天无线电探空得到的边界层高度平均值约为956 m,和清洁天相比降低了两百多米,重污染时最低降低至562 m,逆温层高度和PM2.5浓度具有明显的反相关关系。有云时,梯度法和小波法确定的边界层高度和云高非常接近,标准差法计算的结果略低。总体而言,气溶胶激光雷达计算的边界层高度随着污染等级的提高没有明显的降低趋势,相反在重度污染情况下反而有所增加,这可能是由于污染物的不断堆积导致的。梯度法确定的边界层高度易受到污染物传输过程的影响,略高于逆温层高度。另外,激光雷达确定的边界层高度受到残留层影响时,也会高于逆温层。