华北北部半干旱地区夏季大气边界层特征的实验研究

2016年7月3—16日在内蒙古自治区科尔沁地区大气科学与大气环境综合实验站开展科尔沁半干旱下垫面大气边界层野外综合观测试验, 利用 GPS大气边界层精细探空资料, 分析华北北部半干旱地区晴天、阴天和雨天等不同天气条件下的大气边界层结构。采取不同的方法和判据对比确定大气边界层高度, 统计实验期间低空急流特征, 并对近地面湍流特征及地表能量收支状况进行初步的探讨。结果表明: 晴天, 白天的大气边界层平均高度约为1790 m, 夜间约为250 m; 阴天和雨天, 白天的大气边界层平均高度约为980 m, 夜间约为430 m。夜间, 近地面层湍流动能与边界层高度有较强的相关性。低空急流多发生在午夜, 平均高度约为390 m, 强度与高度正相关。     

林网地区动量、感热和潜热通量的观测研究

本文根据北京大学地球物理系和中国科学院沈阳生态研究所,1989年5月在吉林省乾安县防风林带区农田中进行的大气边界层及微气象观测得风、温、湿、气压及热量平衡等资料,利用近地面层相似理论的通量廓线关系和能量平衡方程,导出的波文比方法、空气动力学方法、能量平衡方法以及廓线梯度法,计算了林网内上下层的动量通量、感热通量和潜热通量。结果表明:(1)2—4m处动量通量一般小于0.5kgm~(-1)s~(-2),14—16m处一般小于3.0kgm~(-1)s~(-2),并且波动较大;(2)感热通量有较强的日变化规律,并且2—4m处的值大于14—16m处的值,(3)潜热通量在2—4m处小于1—16m的值,在中午前后2—4m并出现负的值;(4)空气动力学方法、能量平衡方法与波文比方法计算结果比较吻合,而梯度法应用于2—4m处的计算结果偏小,因此,梯度法不适用于防护林树冠下层通量的计算。     

北冰洋浮冰上的能量分量的估算

根据1999年8月中国首次北极科学考察队在北冰洋高纬度浮冰区联合冰站(75°02′N,160°51′W)获得的近冰层大气边界层观测资料,通过通量-廓线方法和SiB2(SimpleBiospheremodelversion2)模式对冰面的能量平衡分量和湍流交换参数进行了估算和模拟.结果表明,北冰洋浮冰区在消融期间冰面释放的感热和融化有效耗热之和超过了冰面所吸收的净辐射,超出的部分热量主要来源于冰深层的热量向冰面传导.模拟的净辐射比实测值系统性高估18%,模拟的感热通量比计算结果系统性低估3%,模拟的冰面热通量误差较大.尽管观测资料序列不长,表明SiB2对北冰洋地区冰面的净辐射和感热通量模拟能力较好,对其他通量的模拟需作改进.     

混合层顶覆盖逆温层变化规律研究

论文利用无线电探空仪获取了合肥市西郊一百多份温度和湿度探空资料，统计分析得到该地区大气边界层覆盖逆温的特点：覆盖逆温层底平均高度为1220m、覆盖逆温层的平均厚度为200m、覆盖逆温层的温度跃变平均值为0．7℃等。覆盖逆温层底的高度具有季节变化趋势，与太阳直接辐射的时间积分有较好的相关。根据边界层高度和感热通量的关系，可知感热通量约占地面接收到的太阳直接辐射的30％。     

长三角城市群区大气污染对气象要素及地表能量平衡的影响研究

利用2012年4-6月南京溧水野外观测站近地层微气象、地表辐射和通量交换数据,结合南京大学地球系统区域过程综合观测研究站(SORPES-NJU)的PM2.5质量浓度以及环境保护部发布的逐日API资料,使用聚类分析、合成分析和个例分析的方法,定量分析了南京地区不同大气污染程度下气象要素和地表能量平衡的响应特征.结果表明,观测期间南京地区污染天盛行偏南风,且风速较清洁天气低约30%.气溶胶白天对到达地面的太阳辐射的削弱作用大于对地面有效辐射的减弱作用,使得地面净辐射减小(日均值约46.3 W·m-2).气溶胶减弱感热通量、潜热通量,并影响二者在能量平衡中的比重.个例分析表明气溶胶通过减小白天地面净辐射,减弱地气系统能量,导致近地层气温降低(最大差值约1℃),湍流运动减弱,从而进一步抑制污染物的扩散,形成空气污染-地表能量收支-边界层结构间的正反馈过程.     

青藏高原中部地区不稳定大气边界层高度的确定与分析

利用1998年第2次青藏高原大气科学实验（Tibet Plateau Experiment, TIPEX）当雄大气边界层加强观测站的湍流观测资料,计算了青藏高原中部地区不稳定大气边界层的高度;结合低空探空获取的温度随高度的探测资料,对比分析了高原边界层演变规律,以及实验站干季、雨季不同时期的高原边界层发展规律异同;讨论了高原边界层厚度受高原地形的影响。得到高原边界层演变规律及高原边界层发展迅速,持续时间长等特点。     

城市水泥下垫面能量平衡特征的观测与分析

水泥下垫面是城市各种人为下垫面类型中占比重最大的一种,且具有典型的城市化特征,其热力性质明显有别于自然下垫面,是局地天气、气候变化的主要因素之一.利用2005.7与2006.3夏、冬两季,在南京进行的城市边界层外场试验通量观测资料,初步分析了水泥下垫面能量平衡方程中各项特性.结果表明:(1)夏、冬两季水泥下垫面净辐射通量(Rn)白天差异较大,通常有100 W/m2左右,但峰值差异却仅有10 W/m2;虽然夏季夜间地、气温度高于冬季,但夏季夜间水泥下垫面向外释放的净辐射通量小于冬季.(2)由于水泥下垫面的不透水性,潜热通量(LE)通常很小,感热通量(H)则成为水泥下垫面加热大气的最主要方式.夏、冬两季H在白天表现为量值差异;夜间表现为符号差异,即夏季夜间H通常为正值,表明下垫面仍在加热大气,而冬季夜间H为负值,表明下垫面对大气起冷却作用.该特征也是夏季夜间热岛强度明显强于冬季的主要成因.(3)储热项(△Qs)成为城市下垫面能量平衡方程中主要的源汇项,无论是冬季还是夏季,水泥下垫面△Qs在能量收支过程中所占份额明显大于(H LE);而自然下垫面通常是(H LE)大于△Qs,这正是城、乡下垫面热力性质最主要的差异.     

从不稳定到近中性大气边界层的大涡模拟

用大涡模拟方法对不稳定到近中性层结的大气边界层情况进行模拟。模拟条件为：地面运动学热通量0.0001～0.2 K·m·s^-1、地转驱动风速0～15 m·s^-1,对应的无因次稳定度参数 - z/L 为0.0062～368。模拟结果显示,大气边界层直到 - z/L＝0.668的近中性情况,其热通量和动量通量等仍保留着典型对流边界层的基本特征,可由模式较好地求解,且在近地面与观测结果相符较好。对更接近中性的情况,模式分辨率限制了对边界层湍流特性的求解。在大风、弱不稳定边界层条件下模拟发现有滚动涡现象出现,其稳定度范围大致对应- z/L 的取值0.668～24.6。     

白洋淀湿地夏末大气边界层温湿廓线特征对比分析

2005年9月北京大学与中国科学院大气物理研究所联合在白洋淀湿地地区开展非均匀下垫面的大气边界层综合野外观测实验,利用新型高精度温湿度探空系统分别在陆地和水面两种下垫面进行连续观测。实验结果显示水陆两种下垫面的大气边界层结构具有明显特征：不同时刻、不同高度出现多层逆湿、逆温现象及清晰的边界层顶位置。同时发现该地区的陆地下垫面上空湿度较水面大、温度较低;水面上空湿度较小,温度较高,且水面上空边界层厚度要大于陆地。作者从盛行风向、局地能量平衡、陆气相互作用等方面对实验结果进行分析,结果有助于研究和了解夏秋季节白洋淀湿地地区大气边界层特性和演变规律,为进一步认识白洋淀湿地的水循环及能量平衡提供了参考。观测结果也检验了北京大学自行研制的新型高精度温湿度探空系统的性能。     

博斯腾湖流域戈壁地区大气边界层高度特征研究

位于新疆博斯腾湖流域戈壁地区的大气边界层过程受湖泊和戈壁的共同作用, 大气边界层结构具有特殊性。利用2013 年5 月21 日至8 月28 日在博斯腾湖流域戈壁地区获得的大气边界层探测试验资料, 分析该地区大气边界层结构特征。结果显示, 博斯腾湖流域戈壁地区大气边界层最突出的特征是在夏季典型晴天时对流边界层异常深厚, 在所统计的100 天探空资料中, 有45 天大气边界层高度达3000 m 以上, 最高可达4400 m。同时, 探讨深厚对流边界层的形成机制, 认为博斯腾湖流域戈壁地区特殊的大气热力环境以及湖风切变等因素是形成深厚对流边界层的重要原因。     

北京市秋季大气边界层结构与特征分析

利用2000年9—10月北京市西部城、郊3个站点的探空资料,分析该地区秋季边界层高度的平均变化规律,探讨边界层内温度、风向、风速的廓线性质和结构特征,了解其时空变化和差异。结果表明,北京市秋季白天边界层最大高度平均约1km,夜间稳定层高度在200～400m之间。晴朗天气里,白天城区边界层温度高于郊区,反映出城市热岛的作用,夜间热岛现象不明显。较低的边界层高度和其顶部经常维持的强稳定层(强逆位温层)阻断上下层流动的关联,有利于近地面大气维持静稳状态和该季节雾、霾天气的出现。夜间约400m以下气层的流动大体分为3种形态,即整层小风型、低空急流型和贴地风速极大型。温度层结与夜间流动结构有密切对应关系。     

对流边界层水平温度场特征的水槽模拟研究

利用对流水槽模拟分析了均匀下垫面自由对流边界层的水平温度场结构特征.根据几何相似、运动相似和动力相似等要求设置初始条件和边界条件实施模拟.对流水槽的尺度为1.5 m×1.5 m×0.6 m,先加入具有一定温度层结的去离子水,然后底部加热形成对流,模拟对流边界层的发生和发展.利用快速响应的温度传感器测量温度廓线和不同高度上的温度起伏;利用准直光闪烁原理获得光学湍流场.根据温度廓线和光学湍流场的结果得到对流边界层厚度和稳定度等参数.根据不同高度的水平脉动温度,利用AR谱方法分析水平温度谱峰值频率所对应的尺度,该尺度对应于对流边界层的准二维对流热泡的水平尺度.统计分析结果表明,自由对流边界层大涡的水平尺度在边界层的下部随高度的增加而增加,约在0.65倍边界层厚度处达到最大,然后随高度的增加又逐渐减小.物理模拟与数值模拟和野外观测结果符合一致.根据对流热泡的这种特征,提出了一个自由对流边界层的热泡模型.     

干旱、半干旱地区蒸散过程的模式研究

利用建立的土壤-植被-大气系统水分散失耦合模式,研究了一定植被覆盖下区域近地面层的水分蒸散过程。模式对土壤水分传导和恢复过程的参数化引入了一些改进。利用此模式模拟了黑河实验(HEIFE)中1991-08-13—17日张掖观测站所在位置的能量通量和近地面温湿度的变化,得到了与观测值相一致的结果,合理地再现了此阶段内蒸散过程的变化趋势。此模式能比较有效的模拟区域复杂下垫面与大气边界层的相互作用,对于区域气候和生态效应的研究有一定的帮助。     

近地层能量闭合率异常的初步分析

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"和兰州大学半干旱气候与环境监测站的观测资料,对近地层能量闭合比率异常情况进行了初步分析.结果表明:实际观测的近地层能量近似平衡,EBR频数分布在1附近达到峰值.EBR异常负值是异常值的主要部分,异常负值和异常正值频次分布均在日出日落及大气弱稳定条件时达到峰值.EBR异常主要发生在净辐射0,湍流通量-40～40 W/m2,大气处于稳定的情况下.大气湍流结构和地表热通量数值大小不是造成EBR异常的主要原因.     

地球-大气-海洋系统熵收支的估算

地球-大气-海洋系统的能量收支遵循热力学第一定律(能量守恒定律),是守恒的;而系统的熵收支却遵循热力学第二定律(熵增加原理),是不守恒的. 文中给出并讨论了地球-大气-海洋系统的熵平衡方程并根据新近的全球多年平均的能量收支和海-气界面通量气候资料,重新对地球、大气和海洋系统界面上的年平均熵收支作出估计,以期为进一步研究系统内部不可逆过程导致的熵产生及其局域熵的时-空变化提供一个定量依据.     

飞机测风资料在大气边界层研究中的应用

利用飞机和风廓线雷达2009年8月至2010年6月的连续观测资料, 讨论上海地区飞机测风资料在大气边界层风场研究中的适用性, 探究造成飞机资料偏差的可能原因并给出初步的修正方法。结果表明: 与风廓线雷达观测结果相比, 飞机观测得到的水平风速偏小, 这主要与仪器系统偏差有关; 在300 m高度以下, 1500 m高度以上, 以及气温低于-8℃, 风速小于1 m/s的低温小风情况下, 飞机观测得到水平风速的差异显著增大, 在这些条件下飞机对大气风场的探测具有局限性。用修正后的风速资料分析上海地区低层大气的风场结构, 得到的结果符合风场的一般变化规律。     

河北省中南部一次持续性大雾过程分析

利用常规观测资料、加密观测资料、微波辐射计资料以及NCEP再分析资料等,对河北省中南部2018年11月11—15日大雾过程的形成维持原因和边界层特征等方面进行分析.结果表明:此次大雾性质复杂,经历了辐射雾-平流辐射雾-平流雾的转换,且持续时间长,范围广;短波槽过后的晴空条件有利于夜间辐射降温,大尺度的下沉运动和槽前暖平流的输送使得逆温层发展,稳定层结建立并维持;近地层弱风条件和风场的明显辐合有利于大雾的长时间维持;中南部1000 hPa水汽辐合区的维持为大雾的发生发展创造了有利的水汽条件;雾层的湿度和温度垂直结构特征明显,300 m以下相对湿度达85%以上,边界层有逆温存在,大雾发展期间逆温层顶伸展至1000 m左右;雾层中的冷中心及低温区与相对湿度的高值区基本吻合.     

北京市海淀公园绿地CO2通量变化特征

为了定量评估城市绿地吸收CO2改善城市生态环境的效果,2006年4月—2007年3月在北京海淀公园绿地使用涡度相关系统连续观测CO2通量、总辐射、大气温度,并使用冠层分析仪测量叶面积指数,研究CO2通量的变化及其影响因素.结果表明,绿地CO2通量受植被生物活动的影响呈现明显的季节变化特征,晴天天气状况下CO2通量日均值FCO2在4—10月为负值,绿地是CO2汇,在6—9月是CO2强吸收汇,FCO2约-0.100—-0.120mg/m2.s,而在11—3月FCO2为正值,绿地为CO2源,12—2月是CO2强排放源,FCO2约0.100mg/m2.s.绿地CO2通量受总辐射、LAI、大气温度的显著影响,净辐射的影响明显大于大气温度,净辐射越大、LAI越大、大气温度越高,绿地光合作用吸收CO2的能力越强.观测期间一年海淀公园绿地CO2的净吸收量约为615gCO2/m2.     

薄边界层法与静态通量箱法估算水-气界面CH_4通量对比

采用薄边界层法与在线测量-静态通量箱法对三峡库区水-气界面温室气体甲烷(CH_4)通量进行比较,得到两种估算方法差异性.结果显示:静态通量箱法结果多数点高于薄边界层法,一般为薄边界层法的1.2~12倍;极少数点薄边界层法高于静态通量箱法.     

海-气交界面的湍流边界层

海洋与大气的相互作用是在海-气交界面的湍流边界层(大气边界层和海洋边界层)内进行的,因此探讨海-气交界面湍流边界层的物理机制是很重要的。本文采用一个简单的模式进行数值计算,讨论大气和海洋湍流边界层的切向应力和湍流系数的垂直结构,并将理论结果和实测资料作了比较。