复杂地形城市冬季边界层对气溶胶辐射效应的响应

作者着眼于城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用问题,针对地形复杂的兰州市及周边地区,开发应用了WRF(Weather Research and Forecasting,天气研究和预报)模式,使之与包含了大气气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的综合大气边界层数值模式嵌套起来.通过个例分析,揭示了冬季气溶胶辐射效应对边界层结构的定量影响.主要特征为夜间气溶胶的长波辐射效应使地面附近的气温增高,增温幅度为0.1～0.3 K/h,使低空(25～300 m)大气层冷却,降温幅度为0.08～0.15 K/h,风速在150 m以下减小;白天气溶胶的短波辐射效应使地面层内明显增温,1 h内升温约0.5 K,增温最大值在混合层顶500～600 m高度.受增温影响,垂直风场和水平风场随之调整,风速在450 m以下增大约0.1 m/s左右,而在450 m以上风速减小0.1 m/s左右.     

高云和气溶胶辐射效应对边界层的影响

通过WRF(Weather Research and Forecasting) 模式嵌套包含了高云和气溶胶辐射效应的大气边界层模式, 结合激光雷达资料, 进行数值模拟, 定量分析高云和气溶胶辐射效应对城市边界层的影响。模式能很好地模拟出在高云和气溶胶辐射效应下城市边界层的特征。夜间, 气溶胶在低层起到保温作用, 高云使得保温作用得到加强, 地表增温达1.5 K。中高层, 气溶胶降低所在气层温度, 高云使得降温幅度减少, 降温达0.2～0.7 K。白天, 高云和气溶胶减少到达地面的太阳短波辐射, 导致低层温度降低, 地表降温达1.3 K。中高层, 气溶胶加热所在的气层, 高云使得这一增温幅度减少, 在500 m处增温最大, 达0.85 K。无论白天还是夜间, 气溶胶的辐射效应都会抵消一部分形成山谷风的热力条件, 使得中低层的风速减少, 这种影响在白天显得尤为明显。高云的存在使得这种抵消得到少量的补偿。     

基于激光雷达资料的气溶胶辐射效应研究

利用新型激光雷达气溶胶探测资料及综合数值模式,以地形复杂的兰州市及周边地区冬季典型天气形势下的大气边界层为研究对象,通过理想试验模拟研究了城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用。结果表明:夜间,低空(50~600 m)气溶胶所在气层冷却效应明显,温度降低0.13~0.18℃,600 m高度以上,气溶胶浓度较低,其冷却效应较小,温度降低不足0.1℃;白天,受气溶胶短波辐射效应影响,边界层内增温明显,增温最大值位于低层脱地逆温层顶300 m高度附近,600 m以上由于气溶胶浓度减小,加热率亦降低,增温由0.2℃减至0.1℃。此外,气溶胶的存在使得所在层的风速降低。可见,激光雷达探测资料在边界层模式中有很好的应用价值,对于研究气溶胶辐射效应的大气边界层响应有重要意义。     

沙尘暴过程中沙尘气溶胶对气象场的影响

沙尘暴是干旱区常见的天气现象,沙尘暴天气过程中,边界层内气象要素发生剧烈的变化。利用WRF/Chem模式结合Shao 2004的参数化方案,模拟了发生在2010年4月24—26日的一次沙尘天气过程,通过控制沙尘气溶胶是否排放到大气中,对比分析沙尘暴过程中沙尘气溶胶对边界层中气象要素的影响。结果发现,在沙尘暴过程中,夜间在沙尘层以下,沙尘气溶胶具有加热大气的作用,使得温度升高,最大值约1.8 K,这种"保温"作用还与地表反照率有关,反照率越大"保温"作用越强;而在沙尘气溶胶层内的中上部具有降温的作用,温度降低,最大值约3 K。夜间沙尘气溶胶能够抬升边界层高度,最大达1000 m;白天则降低,可降低700 m;沙尘气溶胶导致水平风速增大约1.0 m·s-1,使垂直风速在沙尘层下增大,在沙尘层以上减小。     

夜间城市大气边界层和气溶胶的相互作用

本文利用能量闭合的二维非线性、非定常模式，结合地面热量平衡方程，研究了夜间城市边界层和气溶胶的相互作用问题。结果表明:气溶胶在夜间对大气低层起保温作用，对大气上层起冷却作用；使大气低层稳定度减小，上层稳定度增加；此外，气溶胶还能够削弱贴地逆温强度。在正常城市气溶胶污染情况下，气溶胶对城市热岛强度影响不大，但可使城市热岛环流稍有增加。夜间城市边界层对气溶胶的反馈作用使大气下层气溶胶浓度减小，上层气溶胶浓度增加。上述部分结论得到了在天津取得的城市热岛观测资料的直接验证。     

考虑湿度影响的城市气溶胶粒子白天温度效应

利用一维晴空大气边界层模式，在详细计算气溶胶短波辐射增温率的 基础上，研究了环境相对湿度和气溶胶粒子浓度对边界层气溶胶白天温度效应的影响。 结果表明，相对湿度的增加与气溶胶粒子浓度的增加在边界层中具有一致的温度效应， 均使边界层中上层增温，近地层降温，从而稳定度增大。     

考虑湿度影响的城市气溶胶夜晚温度效应

本文利用一维非定常模式，研究了城市上空干、湿气溶胶粒子对夜间边界层温度的影响。结果表明，湿气溶胶粒子对低层大气有明显的升温作用，而对中上层大气则起降温作用，同时改变了贴地逆温层结构和边界层稳定度。     

考虑湿度影响的城市气溶胶液晚温度效应

本文利用一维非定常模式，研究了城市上空干、湿气溶胶粒子对夜间边界层温度的影响。结果表明，湿气溶胶粒子对低层大气有明显的升温作用，而对中上层大气则起降温作用，同时改变了贴逆逆温层结构和边界层稳定度。     

春季晴日蒙古高原半干旱荒漠草原地边界层结构的一次观测研究

在科技部公益专项"沙尘气溶胶辐射模型及气候环境生态效应研究"支持下,执行期间在二连浩特气象站用GFE(L)1型二次测风雷达和GTS1型数字式探空仪,于2006年4月24~25日对内蒙古高原半干旱荒漠化草原地区春季典型晴日边界层特征进行了加密探测。结果表明:二连浩特地区边界层的日变化大,对流边界层最大高度可以达到2000 m,超绝热层平均高度为270 m,夜间稳定边界层高度可达到900 m;白天在4000 m附近存在高空急流,最大风速达到29 m.s-1;夜间近地面层有东风急流,其高度在250 m左右,观测日低空急流最强时间是在23:00,风速达到16 m.s-1;边界层内湿度变化较大,呈现多层逆湿结构。     

气溶胶粒子对城市夜间边界层温度影响的模式研究

用一维非定常模式模拟大气气溶胶粒子对城市夜间边界层大气温度场的影响。结果表明：气溶胶粒子对近地层大气地增温作用，对１５０ｍ以上大气起降温作用，并削弱近地逆温层的强度。     

边界层温度廓线遥感反演的本地化改进研究

采用MODIS资料和美国发展的MODIS大气温、湿度廓线统计反演算法,估算大气温度、湿度廓线作为初始场,应用101层快速透过率模式(PFAAST)估算了大气透过率,并采用Newton非线性迭代算法反演中国西北荒漠戈壁地区大气温度廓线。结果表明:该方法对边界层高度及以上部分的大气温度反演得比较好,误差基本都在2 K范围内,边界层范围内的温度反演误差较大,反演误差与气溶胶光学厚度增量和地表温度估算误差呈显著正相关关系,与大气水汽混合比的关系较差。文中从敏感性试验和理论分析角度阐述了地表温度和气溶胶光学厚度估算误差对大气温度反演误差的影响,发现不同光谱波段的地表温度权重均随地表温度的增加有不同程度增加,地表温度反演误差增加将增加地表温度权重,提高地表温度估算误差有助于提高地表温度权重的精度;荒漠戈壁地区大气边界层中气溶胶浓度较高,光学厚度较大,使边界层大气透过率降低,进而降低卫星红外遥感波段的地表温度权重和空气温度权重。由于该模式没有很好地考虑边界层中沙尘气溶胶的影响,使卫星反演的大气透过率偏高,以至于高估地表温度权重和大气温度权重,使得反演的表面温度和空气温度偏低。该研究结合太阳光度计获得的光学厚度资料,采用统计方法对气溶胶效应引起的大气透过率误差和表面温度估算误差进行校正,并对物理算法进行本地化改进,实现了边界层温度廓线的反演。     

地气耦合模式中云和气溶胶温度效应的数值模拟

本文利用—维地气耦合模式研究了大气边界层气溶胶和云的气候效应。模拟结果表明,边界层内低云和气溶胶都能使地面和土壤温度下降;而低云还能使云下大气降温。当云和气溶胶并存时,气溶胶的作用不明显。云和气溶胶的温度效应不仅取决于它们的光学厚度和光学特性,还与下垫面的物理特性有关,沙漠下垫面所受的影响要比一般性裸土下垫面的大。      

一次浮尘过程气溶胶光学特性及其辐射效应的研究

利用激光雷达对2006年6月17日出现浮尘天气进行观测,反演分析浮尘天气气溶胶消光系数特征,并将其消光系数放入LOWTRAN模式中模拟了大气长波冷却率。结果表明:浮尘刚出现时沙尘的消光系数较小,其峰值在地面附近,相应光学厚度也较小。浮尘发展时沙尘的消光系数增大,沙尘粒子慢慢从地面上升至高空,边界层高度达1 500 m左右,边界层内部沙尘气溶胶充分混合,消光系数趋于一致,光学厚度最大达0.41;17日浮尘期间(19:00—23:00),2 200 m以下20:00 h和21:00 h冷却率较其它时刻大,这两个时刻的沙尘浓度也较大;有浮尘时长波冷却率较无浮尘时增加,最大增加值在2 250 m的高度层达到0.04 K/h。      

一次沙尘天气过程中沙尘气溶胶对辐射的影响

沙尘气溶胶对辐射有显著影响,利用耦合了Shao2004起沙参数化方案的WRF/Chem(大气/化学全耦合模式),模拟分析了沙尘天气过程中沙尘气溶胶对辐射的影响。结果发现沙尘气溶胶可以导致地面向下的短波辐射通量减小42.51%,平均减小-3.30~-49.46 W·m~(-2),最大可达-162.67 W·m~(-2);沙尘气溶胶可以通过自身向外发射长波辐射,导致地面向下的长波辐射通量增大,地面向下的长波辐射通量平均增加为17.49~50.49 W·m~(-2),最大可达99.17 W·m~(-2)。当PM10浓度为10~20 mg·m-3,沙尘气溶胶能够减小地面向下的长波辐射通量,即沙尘气溶胶在该地区对大气具有"保温"作用;白天沙尘气溶胶主要增加大气层顶向上的长波辐射通量,夜间则减少大气层顶向上的长波辐射通量,大气层顶向外的长波辐射通量平均变化为-25.29~28.83 W·m~(-2),最大可达87.22 W·m~(-2)。     

复杂地形城市冬季边界层气溶胶扩散和分布模拟

着眼于城市冬季气溶胶扩散特征问题,针对地形复杂的兰州市及周边地区,开发了WRF模式,使之与包含了大气气溶胶辐射效应和气溶胶粒子扩散的综合大气边界层数值模式嵌套,以模拟城市冬季边界层气溶胶的扩散和分布规律。通过一个个例的模拟结果分析,揭示了兰州冬季气溶胶的扩散分布的如下特征;市区盆地内100 m以下存在东、西两个浓度高值中心,中心值为0.6~3.0 mg.m-3,往上浓度递减,1000 m高度处仅为0.02 mg.m-3。受排放源强、源高、气象场等因素的共同影响,白天盆地内气溶胶浓度随高度和时间的变化强烈,白天浓度随时间最大变化幅度为1.0 mg.m-3。气溶胶输送扩散高度可达到600~800 m,此高度以上浓度值很小。代表性测点上模拟的气溶胶浓度廓线表明,中午浓度达到最高,垂直扩散最强。这些结果与以往的烟雾层高度观测和气溶胶光学厚度观测结果吻合。夜间,盆地内气溶胶浓度随高度和时间的变化减弱,气溶胶输送扩散高度在400~500m,夜间浓度随时间变化平均幅度为0.05 mg.m-3。     

气象—化学双向耦合模式（WRF-NAQPMS）研制及其在京津冀秋季重霾模拟中的应用

为解析大气污染物与气象的双向反馈机制及其对气象和环境的影响,建立基于Mie散射理论的气溶胶—光学性质模块,研制气象-化学双向耦合器,以嵌套网格空气质量预报模式NAQPMS(Nested Air Quality Prediction Modeling System)为基础,建立了NAQPMS和中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)的双向耦合模式(WRF-NAQPMS)。利用此模式数值模拟了2013年9月27日至10月1日的北京-天津-河北地区一次秋季严重灰霾过程。结果表明,考虑气溶胶辐射反馈的双向耦合模式模拟的气象要素和细颗粒物(PM2.5)浓度与观测结果更为一致。灰霾期间,气溶胶直接辐射效应显著改变了边界层气象要素,北京-天津-河北地区地面接收的太阳短波辐射减少25%,2 m高度的温度平均下降1°C,湍流动能下降20%,10 m高度的风速降低超过0.2 m/s,边界层高度下降25%,使得边界层大气更加静稳,进而造成了重污染地区污染进一步加剧,如石家庄近地面细颗粒物浓度增加可达30%。分析表明灰霾与边界层气象要素之间存在一种正反馈机制,采用该机制的双向耦合模式有利于准确模拟和预报灰霾污染过程。     

宝鸡热电厂近地层温度场、风场及大气稳定度特征分析

根据2005-03-12—28在宝鸡热电厂建设区取得的大气边界层污染气象资料,以及MM 5中尺度气候数值模式,模拟了2004-07-13—27地面至1 500 m范围大气边界层温度场、风场资料,分析评价区近地层风场特征和温度场层结特征,为电厂工程设计、建设布局及大气污染治理提供依据。根据MM 5模式模拟结果,能较好反映近地层大气温度层结和风场主要特征,说明MM 5模式在近地层大气温度和风模拟中,有一定的应用前景。     

气溶胶辐射效应对边界层结构及夹卷特征影响的观测分析

2017年12月22日至2018年1月18日利用无人机携带温、湿和颗粒物浓度探测仪对南京地区灰霾污染条件下大气边界层垂直结构开展加密观测。通过比较不同灰霾污染条件下温度、湿度和PM_2.5（直径小于2.5微米的颗粒物）浓度的垂直结构差异,结合地面热通量、2米空气温度、相对湿度、风速、风向及主要大气污染物（如臭氧和PM_2.5）浓度,定量评估了气溶胶辐射效应对边界层和夹卷过程的影响。分析表明,灰霾或气溶胶削弱到达地表太阳辐射,减小地表感热通量,延迟边界层发展,增加近地层大气稳定度,降低边界层高度,并加重灰霾污染。灰霾污染物在混合层顶处累积,导致PM_2.5浓度最大变化出现在边界层顶部而不是近地层。气溶胶辐射效应对夹卷特征及其特征参数有重要影响。灰霾浓度升高时,夹卷区厚度增加;无量纲化夹卷速度随对流理查逊数的变化不再符合负1次方幂函数关系,与大涡模拟结果一致。本研究进一步指出,为提高重霾污染条件下天气和空气质量数值预报水平,必须考虑气溶胶辐射效应对边界层和夹卷参数化的影响。     

塔里木盆地一次“东灌”沙尘暴大气边界层特征

利用探空、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、地面气象站观测资料,对新疆塔里木盆地2014年10月28—29日的沙尘暴天气过程前、中、后大气稳定度、混合层厚度、风、温、湿廓线等边界层特征量进行分析。结果表明:此次天气过程为欧洲脊东移,推动西西伯利亚低槽快速进入北疆地区,随后东移翻越东天山进入南疆,造成"东灌"沙尘暴天气;沙尘暴造成边界层特征量表现为K指数减小,沙氏指数增大,理查逊数减小,混合层厚度降低等特征;风向由偏西风转为偏东风,风速则在静风转为30 m/s的偏东急流;温度为沙尘暴之前为贴地逆温,之后大气混合比较均匀,相对湿度为先增加后减小,沙尘暴天气是一个降温增湿的过程,边界层风、温、湿廓线都打破了原有分布规律;沙尘暴过程是大气不稳定层结变为稳定层结的过程。     

冬季北京城市近地层的气象特征

运用2001年1～3月北京大气边界层和大气化学综合试验期间,中国科学院大气物理研究所铁塔上所获得的8～320 m 15层风、温度和湿度梯度资料,对冬季北京城市边界层特征进行了诊断分析.结果表明,在冬季北京城市边界层中,平均而言地表粗糙度为1.34、零平均位移约为20 m;温度基本上随高度呈线性变化;风速随高度的变化并不总遵循对数关系,尤其是在午前和夜间,风速与高度之间对数关系的不显著率可达30%～40%.不能简单套用在Monin-Obuhov相似理论中由Businger-Dve风廓线层结订正获得的近地面层动量、热量和水汽湍流输送计算公式.