大气边界层物理研究进展

本文总结了近4年来(2009～2012)中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室在大气边界层物理理论、观测实验、数值模拟和超声风速温度仪等仪器研制领域的主要研究进展,并对未来几年内大气边界层物理的发展方向提出了一些建议.     

大气边界层物理研究进展(2012~2017年)

本文总结了2012~2017年中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室大气边界层物理研究的最新进展,主要包括不同下垫面（城市、青藏高原、草原、沙漠、湖泊、海洋等）大气边界层观测实验、大气湍流和阵风相干结构的理论研究以及大气数值模拟的参数化改进等,同时对未来几年内大气边界层物理的发展方向做了展望。     

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。      

湍流动能闭合方法在中尺度模式中的应用

湍流动能闭合方法是近年来发展起来的用以模拟大气边界层的一种方法,本文对其做了简化,仅在边界层内使用这一方法,进一步减少计算量,使之更适用于中尺度数值模拟。对一维旺加拉（Wangara）资料进行的试验表明,这种方法保留了边界层计算的精度,又能节省机时。然后将这种方法应用于三维中尺度钟形山地形的模拟,描述了湍流动能的分布,以及湍流活动对山后回流区面积和强度的影响。     

黑河绿洲区不均匀下垫面大气边界层结构的大涡模拟研究

采用RAMS模式中大涡模拟的方法,加入高分辨率的植被和土壤资料,模拟了黑河（张掖地区）不均匀下垫面条件下大气边界层演变过程。分析了模拟的地表通量、边界层的平均结构和湍流二阶量,并用黑河试验的观测资料检验了模式的模拟性能。结果表明,模拟的平均结构较好地展现了不均匀下垫面条件下边界层内从稳定层结到混合层发展,夹卷层形成,底层逆温层出现,混合层过渡到残留层等的演变过程,呈现出了从初始的稳定边界层发展到对流边界层,最后又形成夜问稳定边界层的日变化规律。湍流二阶量的分析显示,在非均匀下垫面条件下边界层内湍流二阶量的垂直分布与边界层的发展相对应,白天湍流二阶量出现两个峰值,分别位于近地层和混合层顶。与观测资料和现有研究的对比表明,RAMS中陆面模块（LEAF）地表参数不能较好地反映黑河地区的植被特征,模拟的白天地表感热和潜热通量偏小,气温白天偏低、夜间偏高,相对湿度也有偏差。     

北京市郊区及城区边缘的大气湍流结构特征

为了比较城市边缘地区和郊区大气边界层中湍流结构的差异,本文分析了1986年春、夏两季在北京市城市边缘地区和郊区两处大气湍流观测结果.结果表明,由于城市边缘地区的下垫表面具有较高数值的粗糙度,使其近地面层大气受到较强的动力影响,在其湍流速度分量谱曲线;无量纲化湍流速度分量标准偏差,σ_u/u*,σ_v/u*和σ_w/u*;以及无量纲化湍流耗散率φ_ε等湍流特征量在近中性层结条件下显示出与大气稳定度的关系比较微弱.     

夹卷对郊外大气边界层内臭氧影响的数值模拟研究

夹卷是大气边界层与自由大气进行能量和物质交换的重要途径,对边界层动力结构及边界层内温度、水汽和各种污染物浓度有重要影响。利用化学-地表-大气-土壤(CLASS)模式定量评估了夹卷过程对远郊地区大气边界层内臭氧（O₃）浓度的影响并与大气化学反应贡献进行了对比,结合地面O₃、NO_x及边界层高度、位温和比湿等观测资料和再分析资料对CLASS模拟结果进行了定量评估。结果表明:CLASS模式能较为真实地模拟夹卷和大气光化学反应对远郊地区大气边界层臭氧浓度的影响,且当自由大气层内臭氧浓度达到一定值时,两者对边界层内臭氧峰值影响相当。数值试验结果进一步揭示,夹卷对控制氮氧化物（NO_X）和可挥发性有机物(VOC_S)排放源控制效果有重要影响,且当夹卷区内O₃跳跃值增大到一定时,可完全抵消源排放减排控制的效果。本研究旨在表明,为有效控制近地层臭氧浓度,在制定人为污染源减排措施时必须考虑自由大气层臭氧的夹卷贡献。      

大气边界层物理与大气环境过程研究进展

总结了近5年来中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室(LAPC)在第二代超声风速温度仪研制、城市边界层研究、复杂地形大气边界层探测与数值模拟、湍流机理研究、大气污染模式发展与应用等领域的主要进展,其中,第二代超声风速温度仪的野外对比测试结果表明其主要性能完全达到了国际先进水平;北京城市化发展使得北京325 m气象塔周边近地面流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征,近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减趋势;北京沙尘暴大风时期湍流运动主要是小尺度湍涡运动,而大风的概率分布偏离高斯分布,风速较大的一侧概率分布呈指数迅速衰减,大风中风速很大的部分具有分形特征;珠穆朗玛峰北坡地区两次综合强化探测实验是迄今为止在青藏高原大型山地中实施的针对山地环流和物质／能量交换最为全面和连续的大气过程探测实验;白洋淀地区的观测研究表明,非均匀边界层具有一般边界层不具备的特点,无论是边界层结构还是湍流输送方面,水、陆边界层之间存在一定的差异,凸显其地表非均匀性的作用;为了解决不同尺度、不同类型的大气污染问题和实际应用,研制或发展完善了多套大气污染模式系统,包括全球大气化学模式、区域大气污染数值模式、城市大气污染数值模式和微小尺度(如街区尺度)范围内污染物输送扩散模式。     

大气边界层和大气环境研究进展

大气边界层物理和大气环境是大气科学的重要领域,中国科学院大气物理研究所自成立以来在这一研究领域取导了丰硕的成果.作者重点介绍最近十多年来在大气边界层探测、大气边界层结构特征、大气湍流理论、城市和区域大气污染预测预报模式研究等方面取得的重要进展,并对大气边界层和大气环境研究的未来发展作了展望.     

复杂下垫面模拟域大气边界层非局地闭合模拟研究

在非局地闭合大气边界层模拟研究基础上,选取黑河实验研究资料（HEIFE）,利用二维模式对绿洲和沙漠交界地区的内边界层结构进行了模拟研究,模式考虑了两种下垫面条件下动力、热力特性的不同,并加入了湿度及水汽通量的预报。模拟结果表明:二维非局地闭合模式能得到合理的TIBL结构的基本特征,包括平均场、湍流场等,并能模拟给出一些由下垫面特性形成的大气现象,如沙漠地区逆湿现象的生消过程、绿洲的冷岛效应、绿洲与沙漠因热力差异而形成的局部环流形势等细致结构,符合沙漠站白天观测事实的典型特征。     

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。      

谱模式SAMIL对南亚季风区大气季节内振荡向北传播的模拟

基于与NCEP资料结果的比较,研究了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的大气环流模式SAMIL对夏季南亚季风区季节内振荡（ISO）向北传播特征的模拟,并结合目前对ISO北传机制的理解对模拟结果进行了分析讨论。SAMIL在夏季南亚地区模拟出相当强度的季节内振荡的活动,并且模拟的ISO也表现出与NCEP资料相似的从赤道向北传播的特征,但传播的速度要慢于NCEP资料的结果。模拟的北传ISO具有与NCEP资料相似的结构特征,涡度和水汽场明显的呈经向不对称,涡度和水汽的正异常位于ISO对流的北面,最大的上升运动和最强的行星边界层辐合也位于ISO对流的北面。ISO 结构的经向不对称性正是模式模拟的ISO具有向北传播特征的原因;而模式对夏季南亚季风区高低层风场和行星边界层水汽的合理模拟起了关键的作用。同时,根据关于ISO北传机理的已有研究,模式的结果也表明南亚地区夏季风场的垂直结构是那里ISO向北传播的重要机制。     

白洋淀水陆不均匀地区能量平衡特征分析

应用2005年9月在河北白洋淀地区进行的大气边界层综合观测实验资料, 对水陆不均匀地表条件下的白洋淀地区陆地的能量平衡特征进行了分析。结果表明: (1) 该地区存在能量不闭合现象。涡动相关法得到的感热、 潜热之和仅为有效能的75%, 其中涡动相关法得到的潜热通量为Bowen比法得到的潜热通量的70%, 而涡动相关法得到的感热通量为Bowen比法得到的感热通量的77% 。 (2) 地表潜热通量和感热通量随着净辐射的变化而变化。但潜热通量明显比感热通量大, 净辐射主要消耗于地表的水汽蒸发。 (3) 该地区白天的Bowen比平均在-0.4~0.4之间, 总体平均为0.131。受天气条件影响较大, 有明显的日变化, 午后15:00以后近地面层会出现逆温, Bowen比变为负值。 (4) 能量闭合程度有一定的日变化, 随着太阳高度角的增大而增大。     

Study on Physical Mechanism of Influence on Atmospheric Boundary Layer Depth in the Arid Regions of Northwest China

Using the sounding data of wind, temperature, and humidity in the boundary layer and micrometeorological data on the earth's surface observed in the same period in Dunhuang arid region of Northwest China,this paper researches characteristics of potential temperature, wind, and humidity profiles, confirms the structure and depth of thermodynamic boundary layer in Dunhuang region, and analyzses the relationship of depth of thermodynamic boundary layer with surface radiation, buoyancy flux as well as wind speed and wind direction shear in the boundary layer. The results show that the maximum depth of diurnal convective boundary layer is basically above 2000 m during the observational period, many times even in excess of 3000 m and sometimes up to 4000 m; the depth of nocturnal stable boundary layer basically maintains within a range of 1000-1500 m. As a whole, the depth of atmospheric boundary layer is obviously bigger than those results observed in other regions before. By analyzing, a preliminary judgement is that the depth of atmospheric thermodynamic boundary layer in Dunhuang region may relate to local especial radiation characteristics, surface properties (soil moisture content and heat capacity) as well as wind velocity shear of boundary layer, and these properties have formed strong buoyancy flux and dynamic forcing in a local region which are fundamental causes for producing a super deep atmospheric boundary layer.     

非均匀下垫面局地气候效应的数值模拟

使用美国NCAR非静力平衡模式MM 5V3,模拟了黑河地区非均匀下垫面局地小气候效应 ,再现了山谷风环流及夏季“绿洲效应”、沙漠上的“逆湿”和由于地表热力分布不均匀引起的绿洲—沙漠垂直环流等绿洲—沙漠相互作用的典型特征 ,较全面地揭示了非均匀地表大气边界层内的风、温、湿度场与陆面相互作用的物理机理 ,验证了野外实验的结果     

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。     

青藏高原纳木错湖区大气边界层结构分析

利用2007年8月8~19日期间系留气球低探空和GPS无线电探空资料,分析了纳木错湖区大气边界层高度、风、温、湿等要素的垂直结构。结果表明:纳木错湖的冷湖效应推迟了边界层湍流混合及对流边界层出现的时间,边界层高度日变化非常明显,对流边界层高度最高可达1750 m;在晴天条件下,边界层内湖陆风日变化非常明显,湖陆风控制范围常超过边界层高度,可达对流层中部;边界层内比湿变化呈V型变化,白天减小,夜间增大,早晨08:00出现峰值。     

Numerical simulations of the tropical air-sea planetary boundary layer

A one-dimensional numerical model of the planetary boundary layer was used to investigate thermal and kinetic energy budgets. The simulation experiments were based on two sets of data. The first set was based on a ‘typical’ June with climatological data extracted for the oceanic region slightly northeast of Barbados. The second set used data from the third phase of project BOMEX, for approximately the same area and time of year as the first set. Comparison with observations of three simulated elements (viz., sea surface temperature and wind and humidity at 6 m) which are important in determining the near-interface energy transports shows that:

1. the model is capable of realistic simulations of both ‘typical’ conditions, and conditions for a specific four-day period;
2. the model is capable of realistically simulating the differences between prevailing values of these parameters in the two cases (‘typical’ and specific four-day period).

The simulated interface fluxes are those of incoming and outgoing short- and long-wave radiation; transmitted radiation at -0.5 m in the ocean, sensible heat transfer into the ocean and air, and latent heat flux of evaporation. Comparison with observational analyses shows that the diurnal variations in net radiation and heat storage in the mixed layer are realistically simulated. The simulated values of evaporation are consistent with other estimates for both ‘typical’ conditions and specific conditions during this four-day period. The rate of heat storage varies between +51 and -37 percent of the diurnal maximum incoming radiation, and the evaporation varies between +16% and -13% of this term. The non-dimensional transfer coefficients (C _D, C_T, C_q) computed from the model show general agreement with the coefficients calculated from observations in the simulated region (Pondet al., 1971). The simulated vertical profiles of temperature are in general agreement with observed profiles, except in the uppermost portions of the atmospheric boundary layer where deviations of approximately 1.5C occur. Simulated vertical profiles of wind speed are generally consistent with observed profiles, with the largest deviations appearing to be of the order of 0.5 m s^-1. Simulated vertical profiles of the eddy fluxes of sensible heat, water vapor, and momentum are generally consistent with Bunker's (1970) aircraft-based measurements of these quantities. The time averages of these simulated profiles show regular decreases with height, while simulated profiles for specific hours of the day show intermediate maxima and minima, which are also seen in the measured profiles. The vertically integrated kinetic energy budgets of the modelled atmospheric layer are presented through the four terms of the kinetic energy budget, viz., the upper and the lower boundary drags, dissipation, and potential-to-kinetic conversion. The dominant terms in the atmospheric energy budgets are the production and dissipation terms, with kinetic energy being exported both to the overlying atmospheric layer and to the underlying oceanic layer at rates of about 2 to 6% of the production, respectively. Comparisons between the climatological and BOMEX simulations are presented. The vertically integrated humidity budgets are presented for the two simulation experiments. Under ‘typical’ conditions, the humidity budget reveals an upper boundary flux of about +29% of the lower boundary flux with the vertically integrated advective flux being -59% of the lower flux. For the specific four-day simulation, the upper boundary flux and advection are about +28 and -70%, respectively, of the lower boundary flux.     

A Study On Atmospheric Boundary-Layer Characteristics At Anand, India Using Lsp Experimental Data Sets

An attempt is made to study the planetary boundary layer (PBL) characteristics during the winter period at Anand (22.4°N, 72.6°E), a semi-arid region, which is located in the western part of India. A one-dimensional turbulent kinetic energy (TKE) closure model is used for the study. The structure of the PBL,which consists of profiles of zonal and meridional components of wind,potential temperature and specific humidity, is simulated. A one-dimensional soil heat and moisture transport parameterization scheme is incorporated for the accurate representation of the energy exchange processes at the soil-atmosphere interface. The diurnal variation of fluxes of sensible heat, latent heat, shortwave radiation, net radiation and soil flux, soil temperature at different depths, Richardson number and TKE at the height of the constant flux layer is studied. The model predictions are compared with the available observations obtained from a special Land Surface Processes (LSP) experiment.