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。

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。

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。

青藏高原西部改则地区大气边界层特征

利用第二次青藏高原大气科学考察试验 (TIPEX)改则站大气边界层物理观测资料 ,着重揭示了该地区边界层结构的观测事实 ,尤其是近地层风、温、湿特征和土壤温、湿特征。主要结果如下 :( 1 )边界层内风速随高度呈多极值分布 ,即使在白天混合层内 ,空气上下混合也较差 ;( 2 )边界层内白天温度递减率较大 ,可达到 1 .6℃ /1 0 0m ;( 3)白天 ,边界层常出现逆湿现象。

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。

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。

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。

沙漠土壤和大气边界层中水热交换和传输的数值模拟研究

为了解沙漠土壤和大气边界层系统中的水分和能量的交换和传输特征，本文发展了一个一维耦合模式，其中包括一个同时考虑土壤中液态水及气态水运动的沙漠土壤模式和一个基于非局地过渡湍流闭合方案的大气边界层模式。用这一耦合模式对沙漠土壤和大气界面的水热交换及沙漠土壤和大气边界层中的水热输送过程进行了模拟，同时与ＨＥＩＦＥ（ＨｅｉｈｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎＦｉｅｌｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）沙漠站的有关资料进行了对比。模拟结果表明约６５％的净辐射能以感热（５０％）和潜热（１５％）的形式提供大气，约３５％的净辐射能以地热流量的形式进入土壤。土壤表层２ｃｍ的范围表现为水热传输的活跃层，水分和温度廓线呈现剧烈的日变化。模拟结果同时表明沙漠土壤中水分传输以气态水为主，如果忽略土壤中的气态水运动。

白洋淀湿地夏末大气边界层温湿廓线特征对比分析

2005年9月北京大学与中国科学院大气物理研究所联合在白洋淀湿地地区开展非均匀下垫面的大气边界层综合野外观测实验,利用新型高精度温湿度探空系统分别在陆地和水面两种下垫面进行连续观测。实验结果显示水陆两种下垫面的大气边界层结构具有明显特征不同时刻、不同高度出现多层逆湿、逆温现象及清晰的边界层顶位置。同时发现该地区的陆地下垫面上空湿度较水面大、温度较低;水面上空湿度较小,温度较高,且水面上空边界层厚度要大于陆地。作者从盛行风向、局地能量平衡、陆气相互作用等方面对实验结果进行分析,结果有助于研究和了解夏秋季节白洋淀湿地地区大气边界层特性和演变规律,为进一步认识白洋淀湿地的水循环及能量平衡提供了参考。观测结果也检验了北京大学自行研制的新型高精度温湿度探空系统的性能。

由地基遥感资料确定大气边界层特征

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拥有用于边界层垂直结构探测的相控阵声雷达（ＰＡ２）、低层大气廓线仪（ＬＡＰ－３０００）以及无线电声雷达（ＲＡＳＳ）。本文研究如何利用这些设备获取的遥感观测资料，确定边界层湍流热通量的垂直分布、地面热通量以及边界层高度等问题。

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。

低层不稳定大气边界层中的地形阻力

采用两层大气模式，通过求解线性化大气动力学—热力学方程组，得到在上层稳定层结覆盖的不稳定大气边界层中，简单三维地形引起的地形波及其波动阻力的解析表达式。讨论了地形及大气条件对地形波及波动阻力的影响。结果表明：即使在大气低层为不稳定边界层时，三维地形引起的波动在大气动量平衡中仍可起明显作用。

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.

夏季北京城市大气边界层湍流通量的塔层观测

利用2003年8月13-26日期间中国科学院大气物理研究所大气边界层气象塔47、120和280m3层高度上三维风速和温度脉动的观测资料，结合涡动相关方法，分析了夏季北京市城市下垫面的动量和感热等湍流通量。结果表明：3层高度上动量通量和感热通量的日变化彼此非常接近，且3层高度上最大感热通量达到200-250W·m^-2。观测期间盛行南风，120m高度的水平风速小于10m·s^-1同时分析了由慢响应传感器采集的15个高度上的气温和8个高度上的相对湿度。结果表明：受地表加热影响，320m高度上气温和相对湿度的日变化非常显著。不同高度上动量通量和感热通量的比较表明：城市下垫面的空气动力不均匀性比热力不均匀性显著。用廓线法计算了32和65m高度之间的湍流通量，结果表明：1）夏季晴好天气情况下，北京城市下垫面能量输送以感热为主；2）由廓线法计算得到的动量通量、感热通量和由涡动相关法直接测量结果相近。此外还初步讨论了大气边界层温度、湿度垂直廓线随时间的演变。

大气边界层风速脉动的分形模拟

应用曲线分数维计算方法计算大气边界层实际风速观测资料的分数维值，并根据分形理论构造出一个理论模型来模拟真实的大气边界层风速时间序列。将模拟和真实数据的一些重要的统计特征，例如方差、风速概率分布、谱密度函数和自相关函数等，进行了比较，结果表明二者具有很好的一致性。

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。