戈壁下垫面大气边界层温、湿结构的数值模拟

本文利用二维大气边界层模式研究了平坦、均匀戈壁下垫面对流大气的位温和比湿廓线及其时间变化的垂直结构。与实测廓线资料比较表明，模拟结果基本反映了对流条件下，戈壁下垫面大气边界层中温、湿结构特征。     

戈壁下垫面大气边界层温,湿结构的数值模拟

本文利用二维大气边办层模式研究了平坦、均匀戈壁下垫面对流大气的位温和比湿廓线及共时间变化的垂直结构，与实测廓资料比较表明模拟结果表基本反映了对流条件下，戈壁下垫面大气边界层中温、湿结构特征。     

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。     

西昌2014年大气边界层风场特征分析

利用西昌探空站2014年高空风资料,对大气边界层内距地300、600及900 m的风向频率、平均风速按月、季度进行统计计算,以此分析西昌地区大气边界层风场特征。结果表明:西昌地区大气边界层内风随季节变化较大。对于风向:夏季,各高度上通常以SSW和N为主导并有多个次多风向;冬、春、秋季,300 m高度上主要是偏南风,600、900 m高度上风向主要集中在SSW方向上;风速最大出现在春季,最小在夏季。     

大气湿对流的类型和深厚湿对流触发机制综述

梳理大气湿对流和强对流天气的定义和特征,综述深厚湿对流(DMC)的触发机制研究进展。类似贝纳德对流的大气浅薄湿对流积云的组织形态取决于边界层大气垂直风切变强度。按照触发高度,可将DMC划分为地基对流和高架对流;按照强弱程度,也可以将DMC划分为强雷暴和普通雷暴。虽然强对流天气的定义具有一定的主观性,不同国家的定义标准存在差异,但都具有极端性和易致灾等特点。然而,全面监测这些天气的类型和强度的难题依然存在。地基对流的触发机制实际上位于边界层,最为复杂多样;很多DMC的触发是辐合线相互作用或不同机制共同作用的结果。未来需要加强边界层的精细探测能力,深入研究DMC触发机制的气候学特征和机理,更需要提升高时空分辨率资料同化水平和边界层过程的数值模拟能力。     

东莞地区冬季大气边界层结构对PM_(2.5)影响的观测研究

利用2013年12月在东莞地区开展大气边界层观测试验得到的垂直风温资料和逐时PM2.5质量浓度资料,研究了东莞地区大气边界层结构对PM2.5质量浓度的影响的。结果表明:在大陆冷高压控制下,东莞地区的边界层结构演化非常典型,而东莞地区冬季PM2.5污染事件通常由冷气团南下的天气形势引起。在PM2.5污染过程中,日平均边界层高度往往不足600 m,较低的大气边界层高度使得PM2.5持续累积,夜间稳定边界层高度约为100 m使得夜间出现PM2.5质量浓度峰值。东莞地区的垂直风场存在显著的三层结构,较小的底层风速有利于PM2.5聚集在边界层内难以扩散,而高度较低的小风中层使得PM2.5污染物进一步被压缩在大气底层,加剧了地表的PM2.5污染程度。在冬季大陆冷高压控制下,在PM2.5污染过程中,东莞逆温结构多发,低空逆温层底约在700m,而且厚度和强度都较大,夜间常见贴地逆温,且厚度约为100 m,持续稳定存在的较低的逆温层导致的稳定层结是造成PM2.5污染的重要原因。     

我国副热带地区夏季深对流活动气候分布特征

利用1996?2007年(无2004 年) 11 年 6?8 月具有较高时、空分辨率与很好时、空完整性的静止卫星红外亮温(TBB) 资料, 给出了我国副热带地区(94 °?124 °E, 24 °?36°N) 夏季的深对流活动气候分布特征。该地区夏季深对流活动存在 3 个活跃中心: 青藏高原东部的川西高原及云南北部部分区域, 云贵高原东北部的云南、贵州交界区域以及广西北部区域, 浙江、福建与江西大部区域。深对流活动与地势分布、东亚夏季风和大气环流密切相关,不同区域的深对流活动具有不同的月际和候际变化特征, 深对流活动具有显著的间歇性发展特征。江淮流域的候变化特征清楚地反映了该区域的梅雨期降水和二度梅降水。深对流活动 日变化演变表 明川西高原、云贵高原、浙闽地区等不同地区的深对流活动具有不同的传播特征。这种深对流活动的日变化传播特征与区域地势分布密切相关。我国副热带地区存在单峰型和双峰型两类 日变化特征深对流, 但不同地区同类型日变化深对流也具有不同的日变化特点。川西高原、云贵高原与浙闽地区深对流日变化都为单峰型, 但川西高原与云贵高原深对流 比浙闽地区持续活跃时间更长。四川盆地东部、江淮流域、湖南与广西区域都属于双峰型深对流活动区域, 但 四川盆地东部深对流活动主峰在 日出前( 22 UTC) , 不同于江淮流域、湖南与广西在 日落时段( 09?10 UTC) 的深对流活动主峰。     

对流边界层高度预报方案的改进

基于对流边界层“一阶模型”,并考虑机械湍流和夹卷过程对对流边界层发展的贡献,提出了对流边界层顶部夹卷速度参数化的改进方案.理论分析表明,在对流边界层受热力湍流和机械湍流共同驱动的情况下,夹卷速度的参数化方案中应该包括机械湍流、热力湍流、夹卷过程和边界层顶上自由大气的逆温强度.用1979年7月美国CIRCE试验的边界层观测资料对改进后的参数化方案进行了对比验证,结果表明新方案能很好地预报对流边界层高度的演变过程.这一改进不仅使物理意义更加合理,也使夹卷速度参数化方案与实际大气状况符合得更好.     

我国副热带地区夏季深对流活动气候分布特征

利用1996—2007年(无2004年)11年6—8月具有较高时、空分辨率与很好时、空完整性的静止卫星红外亮温(TBB)资料,给出了我国副热带地区(94°—124°E,24°—36°N)夏季的深对流活动气候分布特征。该地区夏季深对流活动存在3个活跃中心:青藏高原东部的川西高原及云南北部部分区域,云贵高原东北部的云南、贵州交界区域以及广西北部区域,浙江、福建与江西大部区域。深对流活动与地势分布、东亚夏季风和大气环流密切相关,不同区域的深对流活动具有不同的月际和候际变化特征,深对流活动具有显著的间歇性发展特征。江淮流域的候变化特征清楚地反映了该区域的梅雨期降水和二度梅降水。深对流活动日变化演变表明川西高原、云贵高原、浙闽地区等不同地区的深对流活动具有不同的传播特征。这种深对流活动的日变化传播特征与区域地势分布密切相关。我国副热带地区存在单峰型和双峰型两类日变化特征深对流,但不同地区同类型日变化深对流也具有不同的日变化特点。川西高原、云贵高原与浙闽地区深对流日变化都为单峰型,但川西高原与云贵高原深对流比浙闽地区持续活跃时间更长。四川盆地东部、江淮流域、湖南与广西区域都属于双峰型深对流活动区域,但四川盆地东部深对流活动主峰在日出前(22UTC),不同于江淮流域、湖南与广西在日落时段(09—10UTC)的深对流活动主峰。     

新疆博斯腾湖地区气溶胶光学厚度特性地基遥感

为加强新疆戈壁地区沙尘监测,为区域气候变化研究和局地卫星遥感精度验证提供地基观测依据,利用CE-318太阳光度计在博斯腾湖地区2010年4～12月测得的太阳直接辐射数据,应用消光法反演了大气气溶胶光学厚度(AOD)和Ångström波长指数α并分析其变化特征。结果表明,该地区550 nm AOD平均值为0.33±0.22。当α>0.5时,550 nm AOD日均值小于0.25; 当α<0.5时,550 nm AOD日均值大于0.3。AOD日变化在非沙尘天气时有3种类型:平稳型、上升型和下降型。沙尘天气时有3种类型:上升型、早晨傍晚高且午时有低值、早晨傍晚低且午时有高值。AOD季节变化是春季最大,冬秋次之,夏季最小。当地年均大气透明度较好,气溶胶成分单一,沙尘天气是影响当地大气浑浊度的主要原因。     

太湖湖风个例分析

利用太湖周边19个气象站及太湖中尺度通量观测网4个涡动通量观测站逐时风向、风速及温度的数据,以及苏州市6 min一次的风廓线雷达观测数据,对太湖2012年6月7日湖风的风、温及边界层高度特征进行了分析。结果表明,由于北岸及东岸存在苏州、无锡等城市,城市热岛环流与湖风环流相耦合,北岸和东岸湖风产生时间早于西岸和南岸。在湖风旺盛发展时刻,北岸及东岸的风向偏转速度大于南岸及西岸。湖风环流的垂直高度变化显著,在湖风发展最旺盛的14:00,湖风边界层高度可达550 m。     

Water balance estimates of ten greatest lakes in China using ICESat and Landsat data

Lake level and area variations are sensitive to regional climate changes and can be used to indirectly estimate water balances of lakes. In this study, 10 of the largest lakes in China, ～1000 km² or larger, are examined to determine changes in lake level and area derived respectively from ICESat and Landsat data recorded between 2003 and 2009. The time series of lake level and area of Selin Co, Nam Co, and Qinghai Lake in the Tibetan Plateau (TP) and Xingkai Lake in northeastern China exhibit an increasing trend, with Selin Co showing the fastest rise in lake level (0.69 m/a), area (32.59 km²/a), and volume (1.25 km³/a) among the 10 examined lakes. Bosten and Hulun lakes in the arid and semiarid region of northern China show a decline in both lake level and area, with Bosten Lake showing the largest decrease in lake level (?0.43 m/a) and Hulun Lake showing the largest area shrinkage (?35.56 km²/a). However, Dongting, Poyang, Taihu, and Hongze lakes in the mid-lower reaches of the Yangtze River basin present seasonal variability without any apparent tendencies. The lake level and area show strong correlations for Selin Co, Nam Co, Qinghai, Poyang, Hulun, and Bosten lakes (R ² >0.80) and for Taihu, Hongze, and Xingkai lakes (～0.70) and weak correlation for East Dongting Lake (0.37). The lake level changes and water volume changes are in very good agreement for all lakes (R ² > 0.98). Water balances of the 10 lakes are derived on the basis of both lake level and area changes, with Selin Co, Nam Co, Qinghai, and Xingkai lakes showing positive water budgets of 9.08, 4.07, 2.88, and 1.09 km³, respectively. Bosten and Hulun lakes show negative budgets of ?3.01 and ?4.73 km³, respectively, and the four lakes along the Yangtze River show no obvious variations. Possible explanations for the lake level and area changes in these four lakes are also discussed. This study suggests that satellite remote sensing could serve as a fast and effective tool for estimating lake water balance.     

戈壁下垫面空气动力学参数确定的再研究

提出一种确定地表粗糙度z0的方法。该方法仅需利用精细风廓线资料进行计算,误差较小,尤其适用于近中性层结观测较困难的情况。根据2006年夏季河西走廊戈壁地区的大气边界层观测资料,利用该方法确定的z0为0.60mm左右,和前人方法计算结果0.78mm接近,证实了此方法和z0估值的可靠性和可信度。此外,由于不同测量高度代表不同区域尺度上的特征,地表粗糙度的确定还应和风廓线的观测高度及分布状态有关。     

Seasonal transition and its boundary layer characteristics in Anduo area of Tibetan Plateau

Using the data, especially the GPS rawinsode data, observed in Anduo area of the Tibetan Plateau during the intensive observation period of GAME/Tibet in 1998, the transition from the dry to the rainy season along with their boundary layer characteristics is analyzed comprehensively. The result shows that the formation of the rainy season in Anduo area is related closely to the general atmospheric circulation. The westerly belt moving north and the southeast damp current are basic conditions for development of the rainy season in Anduo area. In the dry season, the air is drier, air temperature higher, and the atmospheric boundary layer is strongly developed to cause its maximum height to reach about 3550 m. Moreover the sensible heat flux is dominant, and the latent heat flux is small in the interaction of land-atmosphere energy exchange, and a reverse humidity phenomenon occurs frequently. In the rainy season, the air is damper, air temperature lower, and the ABL height, with maximum of only about 2300 m, is lower. And the sensible heat flux becomes much smaller, the latent heat flux much larger in the interaction of land-atmosphere energy exchange. The reverse humidity phenomenon disappears.     

北京低边界层雨滴谱的垂直分布特征

基于安装在气象铁塔不同高度的3台Parsivel激光雨滴谱仪, 研究2020年6—8月北京地区31次降雨过程低边界层的雨滴谱垂直分布特征及其对雷达测量降雨的影响。结果表明, 在雨滴从280 m下落到140 m的过程中, 雨滴破碎占据主导地位, 大尺度雨滴减少, 小尺度雨滴大量增加; 从140 m下落到地面的过程中, 雨滴合并占据主导地位, 大尺度和小尺度雨滴均减少, 中等尺度雨滴增加; 对流型降雨中, 随着高度降低, 大尺度雨滴迅速减少, 雨滴破碎对雨滴谱分布的影响较大。北京地区对流型降雨的雨滴谱特征介于海洋型与大陆型之间。由于雨滴谱的分布随高度变化, 不同降雨特征量也随高度发生非线性变化, 因此使用地面的降雨测量结果对气象雷达进行校准以及联合反演降雨会产生Z-R错配误差, 这种误差在稳定型降雨和弱降雨中更显著。     

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。     

海南岛地区大气边界层高度的时空变化特征

利用WRF模式模拟分析海南岛及其邻近海区的大气边界层高度时空变化特征。结果表明, 海南岛春夏季北部开阔地区平均边界层较高, 约500~600 m; 秋冬季海岛的西北?东?东南沿岸的半环绕地带平均边界层较高, 约500~700 m; 岛内中南部山区平均边界层高度较低且季节变化不大, 数值约200~500 m。各季盛行风向及海风发展因素与平均边界层的空间分布之间有良好的对应关系。海岛周边海区秋冬季平均边界层高度约500~800 m, 春夏季约100~500 m, 呈秋冬季高、春夏季低的季节变化特征。岛内边界层高度最大值出现在春夏季, 可达1800 m以上; 沿岸地区边界层高度最大值出现在秋冬季, 约1300~1500 m。海南岛岛内区域具有典型的陆面大气边界层日变化规律; 沿海地带受盛行风向的影响, 向岸流和离岸流时边界层日变化分别表现为海洋性和陆地性的特点。     

北京大学大气环境模式PUMA的改进及其在沈阳地区的应用研究

为拓展北京大学大气环境模式(PUMA)的应用, 对其进行两方面的改进。首先, 用新一代中尺度气象模式WRF提供气象场驱动PUMA; 其次, 新增非局地湍流扩散系数Grisogono方案。 为验证改进后的模拟能力, 将PUMA运用于沈阳地区冬季大气SO₂污染研究。模拟结果和观测比对表明: WRF可以提供合理的气象场; PUMA可以模拟出SO₂浓度月尺度变化和日变化; Grisogono方案在中午对流边界层条件下对模拟结果有所改善。SO₂浓度有明显的日变化, 白天浓度低, 夜间浓度高, 模拟结果表明SO₂浓度和边界层高度的日变化成负相关。改进后的PUMA可以在大气环境预报预警中得到应用。