塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴过程的大气边界层特征分析

利用系留探空、近地层梯度铁塔及地面气象站观测的数据,对塔克拉玛干沙漠腹地一次沙尘暴天气过程前后大气稳定度、混合层高度、地面气象要素及风、温、湿廓线等大气边界层特征量进行了分析。结果表明：沙尘暴发生时大气层结变得不稳定,沙尘天气过程中大气稳定度经历了稳定一不稳定一稳定的转变;沙尘暴的发生抑制了白天混合层高度的发展,维持了夜间混合层的存在,缩小了混合层高度的日变化;沙尘暴天气是一个降温增湿的过程;沙尘暴过境前后大气层结发生了转变,边界层风、温、湿廓线都打破了原有分布 规律,影响了大气边界层结构的发展变化。     

塔中一次强沙尘暴过程边界层风场变化特征

利用风廓线雷达探测资料对2010年4月19日塔中一次强沙尘暴过程中的边界层三维风场进行分析研究。沙尘暴爆发前,塔中1 000 m高度内空中风主导风向由偏东风转为偏西风;沙尘暴爆发时,地面至1 500 m高度内为偏东风。近地面风速在沙尘暴爆发初期迅速增大至18.3 m/s,中后期逐渐变小,但依然保持10 m/s左右的较大风速;300～1 000 m高度,沙尘暴爆发时段的风速小于过程前后;1 000～2 000 m高度内,沙尘暴爆发前风速达到最大,然后随时间变化呈递减趋势;3 000 m以上高空风在沙尘暴爆发期间风速可达20 m/s。沙尘暴过程中塔中上空存在明显的沙尘颗粒沉降运动,平均下沉速度为1.2 m/s。     

北京地区一次强沙尘暴过程的大气边界层结构和湍流通量输送特征

利用中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的风速和温度平均场观测资料和湍流资料,以及北京市气象台地面常规气象资料和逐日08:00和20:00(北京时间)的探空资料,分析了2002年3月18～22日沙尘暴过境前后北京城市边界层结构特征和湍流输送特征,结果表明:1)在沙尘暴爆发前,边界层中水平风速一直较小;气温较高,大气层结稳定,在边界层上部有强大的逆温层.随着冷锋过境,沙尘暴爆发,边界层中水平风速和平均湍流速度急剧增强;温度也突然变化,先迅速增强后又持续下降,逆温层迅速被破坏.2)沙尘暴初期,280 m上为系统性上升气流,而47和120 m则为系统性的下沉气流.随着沙尘暴爆发,湍流动能、向下传输的动量以及向上传输的感热也迅速增大,并且120 m高度的湍能、动量通量以及感热通量明显高于47和280 m,这与北京的局地环流有关.3)本次沙尘暴过程中,120和47 m层的摩擦速度都明显超过了北京的临界摩擦速度,表明局地起沙也是本次沙尘暴过程中北京沙尘的一个重要沙源.     

青藏高原大气边界层结构特征研究综述

青藏高原对我国东部地区的天气和气候、亚洲季风乃至全球大气环流和天气气候都有重要影响,而高原大气边界层作为连接高原独特下垫面和自由大气的桥梁,在上述影响过程中扮演了重要作用。高原大气边界层观测资料的匮乏严重制约着青藏高原天气与气候研究。本文回顾了青藏高原大气边界层结构特征的研究历史,将这些成果进行了总结和分析,并对目前研究中存在的不足之处进行了探讨。     

塔克拉玛干沙漠腹地晴天与沙尘暴天气大气边界层对比分析

根据2017、2019年7月塔克拉玛干沙漠腹地GPS探空和地面观测数据,利用位温廓线法等方法,对比分析了沙漠腹地夏季晴天和沙尘暴天气大气边界层结构变化特征。结果表明：晴天和沙尘暴天气大气边界层结构特征显著不同。晴天大气边界层各气象要素垂直分布较为均一,白天对流边界层深厚,高度接近5 km,夜间稳定边界层一般在500 m左右。沙尘暴天气边界层内位温和比湿垂直变化较小,风速较大,可达24.0 m/s,其白天对流边界层在1.5 km左右,夜间稳定边界层在1 km左右。晴天辐射强烈,地表升温迅速,湍流旺盛,是形成晴天深厚对流边界层的主要因素。大尺度天气系统冷平流的动力条件,以及云和沙尘减弱了到达地表的辐射强度是形成沙尘暴天气独特的大气边界层结构的主要因素。     

南疆一次强沙尘暴前后塔中近地面各气象要素的变化特征

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中站2006年4月10日一次强沙尘暴前后连续5天地面、土壤中、以及80 m高塔站梯度观测系统的各气象要素资料,详细地分析了该沙尘暴前后不同沙尘天气日各要素的变化特征.结果表明:这次沙尘暴是南疆气温持续回暖、热低压强烈发展、沙尘暴和浮尘天气持续时间长的一次南疆东灌型强沙尘暴过程.温、湿廓线在沙尘暴过境时,因强湍流交换,整个近地层大气基本上处于中性层结,沙尘暴日为降温增湿的过程;沙尘暴日前后大气层结发生了转变,破坏了晴天正常的逆温、逆湿结构.风速廓线在沙尘暴日满足对数律关系,而在沙尘暴日前后的天气里,风速较小,规律性差.沙尘暴过境时0O cm和5 cm地温变化趋势与1.5 m气温相似,过境前1.5 m气温比5 cm地温达到峰值的时间约提前1～2 h,过境后反而又滞后1～2 h.     

温江站夏季大气边界层垂直结构特征

利用温江观测站边界层塔和探空获取的观测资料,从地表物理量的日变化、边界层的垂直结构及逐日变化这些方面分析该站夏季边界层特征,得到以下结论:(1)地表各物理量都具有明显的日变化特征,呈现一峰一谷的演变状态,其中地表热通量、动量通量、气温以及风速的峰值皆出现在午后,谷值出现在凌晨,湿度与气温日变化是反位相的。(2)近地层低层大气气温在早晚时段,随高度的增加而上升,呈逆温状态;午间时段随高度的增加而下降。9 m以下大气在午后的比湿梯度最大。风速值随着高度的增高而增大,风切变随着高度的增高而减小。(3)探空观测的边界层垂直结构显示:夏季温江站早晚边界层大气层结稳定,而午后表现为典型的混合边界层特征。大气温/湿度差异随高度增长而降低,各个时次温/湿度的差异都主要集中边界层低层,越靠近地面大气温/湿度差异越突出。8:00的温度最低,14:00最高。14:00的大气比湿最小,2:00和20:00较大。近地层风速随高度增长较快,在离地2~300 m左右高度达到一个极值,4个时次的风速差异不大。(4)地表温度、短波辐射、感热通量对边界层的高度和降水都有一定的影响。     

宜昌冬季两次降水过程大气边界层的观测分析

利用宜昌2007年12月10-25日的加密观测资料,分析了两次低值系统经过宜昌时大气边界层的温湿风廓线结构及其日变化特征。结果表明：位温廓线具有明显的日变化特征,对流边界层在白天出现和发展,其高度可达600m,而稳定边界层在夜间出现和发展,其高度可达300m,降水会抑制对流边界层和稳定边界层的发展;湿度廓线结构及其日变化与对流边界层的发展有关,总体上湿度随高度减小,贴近地面的薄层湿度随高度减小较快,而混合层内湿度随高度变化较小,出现降水时,近地层的湿度有明显增加,大气边界层内湿度随高度快速平稳减小;风速廓线结构比较复杂,总体上风速随高度增大,在大气边界层低层有时会出现一个风速极大值,风速廓线没有明显的日变化特征,大气边界层内风向变化较大,但以偏东风为主。     

民勤一次沙尘暴的观测分析

给出了2004年5月23~24日民勤站爆发沙尘暴前后以及沙尘暴内部的温度、比湿和风速垂直廓线,分析了沙尘暴发生前后及沙尘暴期间高空气象要素的演变特征,同时对大气的热力、动力稳定度参数进行了计算和分析。结果表明:沙尘暴来临前边界层内具有深厚的混合层,大气层结处于不稳定状态,温、湿结构及风的垂直分布有利于沙尘暴的发生、发展;沙尘暴发生期,出现了稳定与不稳定层相间的情形,对流减弱,抑制了沙尘暴的发展;沙尘暴天气结束后中低层大气湿度增加显著;沙尘暴的强度与相对风暴螺旋度具有良好的对应关系。     

南疆盆地1 96 1—2005年气温变化特征

通过对新疆南疆盆地近45a气温变化特征分析,发现南疆盆地年平均气温在1989年开始发生暖突变。从1980年代末夜间温度开始异常升高,白天温度也随之升高,从而导致南疆盆地整体温度异常暖突变。最高、最低气温和气温日较差的变化具有明显的季节差异。在各个季节中,秋季和冬季温度的异常偏暖对年平均温度异常暖突变的贡献最大。在各种温度升高过程中,升温幅度最大的是最低气温,而最高气温的升温幅度远小于最低气温,从而日较差表现为减小的趋势。     

北疆春季沙尘暴极多与极少年环流场特征

应用1961—2015年春季北疆地区52个气象站的沙尘暴资料,分析了其时空分布和沙尘暴极多与极少年的环流场特征。结果表明:春季沙尘暴极多年欧亚500 hPa高度距平场上,在北疆东西两侧分别是气旋性和反气旋性距平环流,东亚大槽弱,贝加尔湖附近脊减弱,乌拉尔山东部槽减弱,脊加强,而500 hPa和850 hPa风场距平场上,北疆上游都有反气旋性距平气流,东部都有气旋性距平气流加强,高纬冷空气易入侵,同时北疆是气流辐合区;700 hPa湿度距平场上影响北疆湿度较大的本地和周边地区湿度距平场都为负,负值中心有2个,分别位于北疆精河和吉尔吉斯至阿克苏之间,北疆水汽较多年平均偏少0.1 g/kg,欧洲与亚洲北部基本为正,中心在红海北部,对北疆湿度影响较小。春季沙尘暴极少年500 hPa高度距平场中亚到新疆的高压脊不强,东亚槽偏弱,贝加尔湖附近脊增强,而500 hPa和850 hPa风场距平场上,北疆以北都有反气旋和气旋距平气流加强,高纬冷空气不易进入北疆,北疆是气流辐散区。春季欧亚700 hPa湿度距平场基本为正,湿度正距平大值区在北疆及周边,北疆和周边的湿度比多年平均高1~2 g/kg。     

南疆夏季异常高温的气候背景分析

利用1951-2005年若羌、且末及和田3个代表站55 a气温和北半球500 hPa高度及北太平洋海温资料,分析了南疆地区夏季高温年的气候变化,并对其形成进行海温场背景分析。发现南疆地区夏季高温的形成与北半球大气环流和北太平洋海温异常变化相联系。前期10月和2月相关的北半球副高特征指数对南疆地区夏季温度有很好的指示性;南疆地区夏季高温年发生的前期1月份开始,即在北太平洋建立西南海区高东北海区低的海温距平分布型,这种分布型持续到5月份结束。但这2个海区前期海温的异常变化不同,表现为:1-2月份西南海区海温变化幅度小,东北海区海温变化幅度大。3-5月份则西南海区海温变化幅度大,东北海区海温变化幅度小。     

南疆西部一次突发极端暴雨成因分析

利用常规观测、NECP1°×1°再分析、FY2D卫星高分辨率云图及多普勒雷达产品等资料,对2015年8月31日南疆西部突发极端暴雨进行天气诊断及中尺度分析。结果表明:突发暴雨发生在蒙古至贝加尔湖的高压脊经向发展,西西伯利亚低压底部分裂短波槽影响南疆西部的环流背景下,500 h Pa以低槽后干冷的西北气流为主,翻山冷空气和低层高温高湿的环境条件有利于强对流天气的发生发展。突发暴雨与持续性暴雨的水汽输送、水汽辐合及路径均有差异,突发暴雨水汽主要来自南疆盆地前期高能高湿的环境。中低层中尺度切变及辐合是导致暴雨落区及强度不同的原因之一。"人字形"切变,θse能量锋区,中尺度气旋与暴雨中心有很好的对应关系,雷达出现的"逆风区"、VIL大值区和云图出现的干舌在短临预报预警中有一定的指示意义。     

天山山区与南北疆夏季温度变化对比分析

利用新疆1959～2000年夏季温度资料,采用滑动平均、最大熵谱、经验正交、线性回归方法,分析天山山区近42年来夏季温度变化的基本特征,并与南疆、北疆进行比较。结果表明：①天山山区在夏季温度的冷暖变化阶段以及最炎热、最凉爽年出现的年份与南疆和北疆不同;②夏季温度空间分布的同向性变化北疆最大,天山山区居中,南疆最小;夏季温度空间反向变化南疆和天山山区较大,北疆较小;③夏季温度的年代际变化趋势不同,天山山区持续增温,北疆波动增温,南疆变化稳定;④三种夏季增温的覆盖范围以最低温度为最广,其增温率天山山区最大,南疆最小,北疆居中。     

南疆西部沙尘天气长期变化及突变特征分析

利用南疆西部15个国家气象站1961—2019年逐日沙尘天气资料,采用气候倾向率和统计检验等方法对南疆西部沙尘天气的时空变化特征进行分析。研究表明：春季为南疆西部沙尘暴及浮尘天气出现最多的季节、扬沙天气出现次多的季节,分别占全年沙尘暴、扬沙、浮尘的49%、38%、43%;夏季为扬沙天气出现最多的季节、是沙尘暴、浮尘天气出现次多的季节,分别占全年沙尘暴、扬沙、浮尘的35%、43%、35%;冬季为低频季节,发生占比分别为7%、6%、14%。南疆西部沙尘天气呈东多西少特征,山区沙尘天气日数明显少于平原,浮尘天气平原地区分布均匀,沙尘暴、扬沙平原东部和南部区域多于平原腹地。沙尘天气日数年际变化振幅较大,沙尘暴、扬沙、浮尘日数整体呈明显减少趋势。浮尘年际变化周期显著,其次为扬沙与沙尘暴,1984和1977年为沙尘暴、浮尘统计定义上的突变年份,扬沙存在2个突变点,分别为1982和1992年。沙尘暴和扬沙的主导风向为偏西北风,浮尘主导风向为偏东北风,主导风向与地形影响关联密切。     

南疆西部初雪气候特征及典型强初雪天气分析

基于1961—2020年南疆西部16个气象站初雪资料、利用ERA5再分析资料、全球资料同化系统（GDAS）分析资料及常规气象资料,分析了南疆西部近60 a初雪的气候特征,以2020年11月20—22日典型强初雪天气为例分析了异常降水的大尺度环流背景、暴雪高低空环流配置、水汽特征及雨雪转换机制。结果表明,近60 a南疆西部平原初雪变化稳定,山区初雪呈显著延迟趋势。强初雪发生在中高纬度大尺度环流呈现异常“+-+”的距平分布和500 hPa典型的“东西夹攻”形势下,深厚的中亚低涡为暴雪提供有利的水汽条件,高低空急流的耦合作用和地形的动力抬升作用为暴雪提供动力条件。暴雪区中高层水汽主要来自偏西路径的欧洲大陆、西西伯利亚及黑海、里海、客拉海等洋面,低层水汽主要来自塔里木盆地内部回流的水汽。低层环境湿度、边界层温度平流及云层属性差异是造成此次暴雪相态差异的主要原因,云顶发展旺盛的冰晶云在干燥的低层环境下更有利于降雪。850 hPa气温＜0℃可作为此次南疆西部暴雪天气雨雪相态转换指标。     

东疆黑戈壁近地大气边界层气象要素季节变化规律

利用东疆红柳河黑戈壁下垫面陆气相互作用观测站2017年近地大气边界层梯度探测资料和红柳河气象站天气现象观测数据,分析该地区典型晴天条件下的近地层风速、温度和比湿的四季廓线特征。结果表明:四季近地层风廓线变化规律明显。典型晴天条件下,在0.5～4 m高度内风速随高度的增加而变大的速度较快,在4～32 m范围内,白天风速随高度增大较缓慢,但夜间出现快速增大;存在明显的夜间逆温,逆温层主要集中在4～32 m,冬季逆温强于夏季,晨间0.5～32 m间的温度差可达4.6℃,且红柳河四季的气温日较差均较大,秋季可达到15.7℃;夜间比湿高于白天,秋、冬季夜间逆湿层出现在10～32 m,其比湿差为0.15 g/kg左右,夏季无逆湿现象。     

南疆夏季不同降水类型预报及递进式服务思考

南疆作为气候干旱区,夏季常发生不同类型的降水,2013年6月南疆短历时、高强度、小范围降水事件和2016年8月长时间、持续型、大范围降水事件在预报和服务方面有较大差异。分析两次强降水事件,南亚高压双体型是南疆夏季强降水的大尺度环流背景。高强度降水事件环流经向度大,高、中、低纬低槽同位相叠加,是造成强降水的直接影响系统;持续型强降水事件在500 hPa高空平均环流场上显示,欧亚范围内中高纬度地区为两脊一槽的经向环流,西西伯利亚至中亚地区的副热带大槽呈东北—西南向分布,长波槽底伸至38°N附近,是造成持续型强降水和气温持续下降或偏低的直接影响系统。本文在预报基础上,从气象服务的角度出发,结合长期、中短期、短时临近天气预报,重点分析在时间、范围和强度等方面存在明显差异的不同类型强降水过程中气象服务的递进式思路和方法,为精细化气象服务提供参考。