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京325m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。

白洋淀地区非均匀大气边界层的综合观测研究——实验介绍及近地层微气象特征分析

介绍了国家自然科学基金重点项目“地表通量参数化与大气边界层过程的基础研究”在河北省白洋淀地区进行的两次综合观测实验（时间分别是2004年11月16-22日和2005年9月8～27日），这两次实验获得了大量宝贵的资料，全面深入的资料分析正在进行中。此文主要限于白洋淀地区水陆不均匀地表近地面层微气象特征的分析。结果表明：陆地上近地面层的气温日变化比水域上的大，而风速比水域上的小，其中9月份陆地上白天的气温比水域上的高，夜间比水域上的低，11月份两地白天气温接近，但夜间陆地上的气温明显偏低；无论是9月还是11月，水域上近地面层都是以下沉气流为主，而陆地则在中午前后存在弱的上升运动；9月份，两地的近地面层短波射入辐射比较接近，但水域上的短波射出辐射比陆地上的大；长波射入辐射则是陆地比水域的大，而长波射出辐射则是水域的比陆地的大；两地的净辐射白天接近，夜间水域地区负的净辐射值明显比陆地的大；9月份，水陆两地的感热通量相差不大，为150～200W／m^2，而潜热通量比感热通量大，天气晴朗时可达到300W／m^2；11月份，陆地的感热通量比潜热通量大，为100-120W／m^2，而水域地区的感热通量则与潜热通量相当；两地的潜热通量相差不大，一般不超过50W／m^2。无论是9月还是11月，水域地区夜间都存在水汽向下输送的逆湿现象，而陆地只在9月份存在逆湿现象。2005年9月份的水温观测结果表明，白洋淀水体平均温度比水表平均温度明显偏高，而且日变化幅度很小，水表平均温度则日变化较大。

解析北京郊区一次典型臭氧污染的物理化学过程

臭氧污染是我国当前面临的重要大气环境问题,其不仅取决于大气化学反应过程,而且会受大气物理过程和各气象要素的影响,因此需要从化学和物理两个方向来研究近地面臭氧污染问题。本研究结合外场观测和欧拉光化学模式,解析了2022年秋季北京怀柔城区的一次光化学污染周期内的物理和化学过程。给出了温度、湿度和风速等气象因子,以及臭氧及其前体物挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NO_(x),x=1、2)在此期间的日变化特征。通过源解析得到VOCs主要来源为交通排放(46%)、植物源(25%)、溶剂挥发(23%)和燃烧源(9%)。通过欧拉光化学模式确定了区域传输和本地VOCs对臭氧的贡献,结果显示强北风天气条件下,怀柔区臭氧以外来水平输送为主(贡献超过70%);当以弱的南风或东南风为主时,天气处于稳定状态,臭氧主要来自VOCs和NO_(x)的二次转化。根据VOCs的臭氧潜势,在所有VOCs中对臭氧贡献最大的物质为烯烃,其贡献为67%,其次为芳香烃(16%)。通过敏感度分析,发现臭氧生成对物理因子中的光强、温度和边界层高度最敏感;在臭氧前体物中,活性较强的烯烃类物质的敏感度最高,烷烃最低。最后基于本地VOCs特征的EKMA曲线,提出了控制臭氧污染的减排策略。

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得了丰硕的成果。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。

陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

文中建立了一个研究陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了草原下垫面的土壤 环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征。并对主要的环境物理参数进 行了敏感性实验。结果表明，本模式能合理地模拟地表热量平衡、土壤体积含水量、植被蒸 发阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等。该模式还可 进一步应用于研究城市陆面物理过程与大气边界层相互作用机制，及与中尺度大气模式耦合用于区域气候的研究。

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。

冷锋天气大气边界层内臭氧及氮氧化物的观测研究

利用北京 32 5m气象塔作为高空平台 ,于 1997年 10月观测到一次冷锋过程大气边界层内O3及NOx 体积分数的变化 ,研究了O3及NOx 体积分数与气象要素之间的关系 ,着重讨论了冷锋过境前后O3及NOx 的体积分数变化及其与输送过程的关系。研究表明 :北京大气边界层中下层存在明显的O3体积分数垂直梯度 ,O3的垂直输送与风速及温度梯度密切相关。冷锋过程有利于高层O3向低层输送 ,使O3体积分数垂直梯度明显减小 ,并使NOx 体积分数显著降低。

大气边界层内羽流扩散研究

主要研究了高架点源的污染,即"羽流扩散".由于大气边界层内的湍流运动,引起污染物扩散的主要因素是湍流扩散,研究湍流扩散有两种基本方法:统计理论和梯度理论.采用拉格朗日粒子扩散模型(Lagrangianparticle dispersion model,LPDM)来评价羽流扩散的平均浓度,分别计算了表征扩散程度的3个参数:沿烟轴方向的着地浓度、水平方向的羽流扩散宽度和垂直方向的羽流扩散宽度.从计算结果和风洞实验的数据对比来看,用该模式可以较好地模拟大气边界层内复杂气候条件下的羽流扩散.

北京地区严重污染状况下的大气边界层结构与参数研究

利用北京３２５ ｍ 铁塔资料对出现在１９９８ 年９ 月２６～３０ 日的一次严重污染过程的边界层结构和决定大气污染物扩散稀释的边界层参数作了分析和研究。分析发现， 这段时间边界层稳定层结占绝大多数， 白天在近地面的不稳定层结上还时有逆温盖， 另外在此期间风速较小。

实验室模拟研究大气二次有机气溶胶的形成

二次有机气溶胶(SOA)是大气中重要的气溶胶组分,主要由挥发性有机物(VOCs)经化学转化形成,对天气、气候、大气环境和人体健康有重要影响,但至今其确切的化学成分和形成机制还十分不清楚。研究SOA的方法主要采用实验室单个物种或多物种的化学过程的模拟研究,野外实际大气的SOA化学成分、源汇和多尺度分析的观测研究,以及大气中SOA形成的数值模拟的回报和预报研究。实验室研究是对SOA形成过程中获取基础数据和推究SOA生成机制的最主要手段。在过去的几十年中,特别是近五年,SOA的研究取得了较大的进展,其中包括SOA前体物、SOA形成机制及影响因子的进一步理解。本文就这些方面展开了概要性的综述,重点强调了我国研究人员所做的研究工作。在采用实验室烟雾箱系统模拟研究SOA方面,首先简述了烟雾系统的发展以及表征,讨论了跟烟雾箱箱体相关的壁效应问题,重点综述了萜烯类、芳香烃类、小分子类等化学物种转化形成SOA的研究进展。在采用流动管和其他反应器类模拟研究SOA方面,重点讨论了挥发性有机物在颗粒物表面或在液相中所形成的SOA的主要化学成分及其可能的作用。

大气边界层剪切湍流统计特性的风洞实验及其层次相似律

对风洞模拟的大气边界层的剪切湍流场的速度脉动时间序列信号以及某一高度位置上的小波变换分解重构的信号进行了系统的统计分析。结果表明,在非均匀下垫面大气边界层的不同垂直高度上的信号,SheLeveque湍流层次相似律都成立,层次相似指数β和最高激发态的奇异标度指数γ随垂直高度的变化而变化,并给出不同尺度的分解重构信号的一些层次结构特点。

混沌理论与大气边界层湍流研究

简述了混沌理论的发展及其判别方法 ,阐明混沌理论的建立给大气科学中的湍流研究带来了新的启示 ;介绍了近期混沌理论在大气边界层湍流研究中的应用结果 ,这些结果表明大气边界层湍流具有很强的混沌特性 ,且存在低维奇怪吸引子。最后提出了有待进一步研究的问题。

WRF模式对青藏高原那曲地区大气边界层模拟适用性研究

采用WRF(Weather Research and Forecasting)模式4种边界层参数化方案对青藏高原那曲地区边界层特征进行了数值模拟,并利用"第三次青藏高原大气科学试验"在青藏高原那曲地区5个站点的观测资料对模拟结果进行验证,分析不同参数化方案在那曲地区的适用性。研究表明,YSU、MYJ、ACM2和BouLac方案对2 m气温和地表温度的模拟偏低。BouLac方案模拟的地表温度偏差较小。通过对能量平衡各分量的对比分析发现,温度模拟偏低可能是向下长波辐射模拟偏低以及感热通量和潜热通量交换过强导致的。对于边界层风、位温和相对湿度垂直结构的模拟,局地方案的模拟效果均优于非局地方案。BouLac方案对那曲地区近地层温度、边界层内位温和相对湿度的垂直分布模拟效果较好。

北京市大气细粒态气溶胶的化学成分研究

2000年6月在北京北郊中国科学院大气物理所气象塔观测场采集了大气中细粒态气溶胶样品.用质子诱导X射线荧光分析法(PIXE)对样品进行了分析,得到Al、Si、P、S、Cl、K等19种元素的浓度及其谱分布并对当前北京市大气气溶胶的来源、化学元素成分的变化进行了研究.结果表明,这19种元素中的许多元素的浓度与过去相比有不同幅度的降低,说明北京市对大气污染的防治是有效果的.

大气臭氧化学研究进展

臭氧是大气化学中的核心物种。在平流层中,臭氧层可以吸收对生物有害的紫外辐射,对地球生命起保护伞作用。在对流层大气中,适量臭氧对清洁大气是有益的。但是,由于对流层中臭氧前体物排放量的增加,特别在大城市,产生的高浓度臭氧会对大气环境造成严重污染,对人类、动植物和生态环境具有极大危害。臭氧的研究一般结合外场观测、实验室烟雾箱模拟和计算机数值模拟进行。深入开展大气臭氧化学研究,不仅有助于全面深入理解大气氧化过程以及全面掌握区域乃至全球大气自净能力,而且能为对流层污染控制提供科学依据和方案。本文总结了近年来有关臭氧化学的研究进展,论述了臭氧问题与人类当前面临的一些主要环境问题间的相互关系;重点综述了近年来有关南极臭氧空洞、中纬度地区臭氧低值和北极地区臭氧的损耗机理及其发展趋势;综述了臭氧与大气光化学和气溶胶间的耦合关系,并结合我国实际情况,提出了大气臭氧化学尚待深入开展研究的一些重要科学问题。

民航气象观测的中国中东部大气边界层廓线数据的评估与应用

本文从民航气象报告(AMDAR)数据库中提取了2008—2019年期间我国中东部18个机场飞机起飞和降落期间的大气边界层(ABL)廓线数据,并利用常规探空数据评估了不同季节和高度范围的AMDAR数据准确性及其随探空站与机场距离和飞行状态的变化.与常规探空数据相比,低层(P>850 hPa)的AMDAR温度和风分量的均方根误差(RMSE)均比较高层(850~500 hPa)小,且各高度层上的温度和风分量的RMSE都随间隔距离的增加而增大.相对而言,飞行状态对AMDAR数据准确性的影响很小.在间隔距离小于50 km且P>850 hPa高度层范围内,温度、纬向风和经向风的平均RMSE分别为0.68~0.83 K、1.48~1.62 m·s^(-1)和1.73~1.81 m·s^(-1).相比于RMSE,对应的平均偏差都显著更小,且随间隔距离无明显变化.数据应用示例表明,AMDAR廓线数据由于其较高的时间分辨率,不仅可以反映ABL结构的日变化特征,还可用于研究ABL局地环流特征.基于18个机场AMDAR廓线数据分析发现,我国远内陆、干燥地区大气边界层高度(ABLH)具有较强的日变化,尤其是在春夏两季,而沿海和近内陆地区ABLH的日变化强度和季节差异都较小.

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(TibetPlateauExperiment,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。

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京325m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，280m上为系统性上升气流，而47和120m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120m高度的湍能、动量通量以及感热通量明显高于47和280m，这与北京的局地环流有关。3）本次沙尘暴过程中，120和47m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。