大氣邊界層物理研究進展

大氣邊界層物理研究進展

1大氣邊界層物理過程的模擬與研究全球邊界層是指高度約為1.2km的低視角。由于大氣邊界層受地球表面的影響最大,該層大氣有著區(qū)別于上層自由大氣顯著不同的特征,例如各種氣象要素(氣溫、濕度和風(fēng)速等)日變化較大、垂直梯度較大等。大氣邊界層是人類的生活和生產(chǎn)活動主要場所。由人類活動帶來污染物的排放、傳輸和轉(zhuǎn)化大部分發(fā)生在該層,因此大氣邊界層的環(huán)境問題直接影響到人類的健康和生存。大氣邊界層同時也是地球各個圈層相互作用的關(guān)鍵區(qū)域。大氣邊界層的變化直接影響到地圈、水圈、冰雪圈和生物圈與大氣圈的能量和物質(zhì)交換過程,同時對天氣和氣候產(chǎn)生重要的影響。天氣及氣候模式中大氣邊界層物理過程參數(shù)化方案的改進是提高其模擬性能的關(guān)鍵科學(xué)問題之一,也是當(dāng)前大氣科學(xué)研究的基礎(chǔ)前沿問題。由于全球變化研究包括氣候異常、生態(tài)環(huán)境惡化、水資源短缺等問題以及可持續(xù)發(fā)展研究等的需要,大氣邊界層物理研究已成為大氣科學(xué)研究的前沿學(xué)科之一。中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點實驗室(簡稱LAPC)定位于低層大氣中物理和化學(xué)過程的基礎(chǔ)研究。自實驗室建立來,我們一直將大氣邊界層物理的基本理論作為重點研究方向。近年來,LAPC在大氣邊界層物理和大氣化學(xué)聯(lián)網(wǎng)觀測研究,大氣邊界層實驗、理論與參數(shù)化研究,大氣化學(xué)過程與氣候變化的相互作用模擬研究,陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳氮交換研究,空氣質(zhì)量多模式集合預(yù)報系統(tǒng)研制與應(yīng)用等方面取得了重要進展。對于大氣邊界層物理方面,近年來主要研究方向包括:(1)城市復(fù)雜下墊面湍流相干結(jié)構(gòu)和邊界層陣風(fēng)機理,非均勻下墊面大氣邊界層結(jié)構(gòu)和交換過程;(2)不同生態(tài)系統(tǒng)地—氣湍流物質(zhì)、能量交換規(guī)律及特征;(3)海洋大氣邊界層物理過程,數(shù)值模式中的大氣邊界層參數(shù)化。對于2008年之前的工作,胡非等(2003)和張美根等(2008)已作了較全面的總結(jié),因此本文將扼要介紹近4年來(2009~2012)LAPC在大氣邊界層物理方面取得的最新研究進展。2陣風(fēng)擾動參數(shù)化大氣邊界層氣象學(xué)是以湍流理論為基礎(chǔ)的,在湍流理論有了一定的發(fā)展之后才得以有邊界層氣象學(xué)的產(chǎn)生。大氣邊界層的基礎(chǔ)理論早在20世紀(jì)50年代末已經(jīng)基本形成。到20世紀(jì)70年代末,對均勻下墊面大氣邊界層物理結(jié)構(gòu)有了較全面的認(rèn)識,大氣邊界層物理學(xué)開始作為氣象學(xué)的一門相對獨立的分支學(xué)科出現(xiàn)。目前,大氣邊界層領(lǐng)域主要圍繞解決大氣數(shù)值模式中邊界層和地表通量參數(shù)化的問題上展開研究。LAPC近年來在深入認(rèn)識湍流機制和本質(zhì)的基礎(chǔ)上,在湍流相干結(jié)構(gòu)和邊界層陣風(fēng)機理方面取得了重要的進展。在我國華北地區(qū),春季常發(fā)生揚沙和沙塵暴天氣,通常伴隨有冷鋒過境及強風(fēng),嚴(yán)重影響著人們的生活和生產(chǎn)活動。對起沙揚沙過程基本物理規(guī)律的深入認(rèn)識是預(yù)報和減少沙塵災(zāi)害、改善空氣質(zhì)量的基礎(chǔ)。通過分析北京325米氣象塔觀測的風(fēng)速梯度資料以及渦動相關(guān)資料(Zengetal.,2010;Chengetal.,2011,2012a,2012b,2012c),曾慶存等(Zengetal.,2010)提出了自然界陣風(fēng)產(chǎn)生的一種新機制,即自然界陣風(fēng)產(chǎn)生的機制不僅有劇烈天氣的外部動力作用原因,同時也是邊界層湍流內(nèi)部自組織結(jié)構(gòu)發(fā)展的結(jié)果。在強風(fēng)天氣中,當(dāng)風(fēng)速足夠大,使得地面摩擦速度大于某一臨界值時,在當(dāng)?shù)仄鹕硥m。但是大中尺度系統(tǒng)下沉氣流使沙塵只能積聚在大氣邊界層的低層(約200m厚)。由于陣風(fēng)存在明顯的相干結(jié)構(gòu)(圖1);陣風(fēng)風(fēng)速波峰期(即陣風(fēng)時)伴隨著下沉氣流,波谷期(即陣風(fēng)歇時)伴隨著上升氣流,當(dāng)陣風(fēng)停歇時上升氣流才能將沙塵傳入邊界層上層,然后借助大中尺度的系統(tǒng)性上升氣流再往上傳輸進入對流層?；趯﹃囷L(fēng)機理的深入認(rèn)識,發(fā)展了一個利用頻譜和混沌時間序列突變點檢測理論來提取陣風(fēng)信號的方法(Chengetal.,2012a),提出了一個新的一個陣風(fēng)擾動參數(shù)化方案(Chengetal.,2012b),導(dǎo)出地表摩擦速度新的理論公式,并以此改進了空氣質(zhì)量模式中的起沙和揚沙過程的模擬(Chengetal.,2012c)。在大氣邊界層物理結(jié)構(gòu)研究方面,發(fā)現(xiàn)了臺風(fēng)、寒潮大風(fēng)、沙塵暴過程和一般平穩(wěn)天氣大邊界層湍流結(jié)構(gòu)完全具有相同的概率密度分布型(Liuetal.,2010),即具有穩(wěn)定分布和標(biāo)度律,這一結(jié)果為強天氣條件下大氣邊界層湍流的理論建模和參數(shù)化提供了科學(xué)參考。另外,我們還給出了兩層大氣模式中滾軸渦漩(大氣中一種重要的有組織結(jié)構(gòu))的解析解,揭示出下層不穩(wěn)定層結(jié)對流活動與上層穩(wěn)定層結(jié)中重力波的相互作用是滾軸渦漩形成的機制之一(LiuandSang,2009)。此外,LAPC科研人員采用飛機觀測大氣湍流數(shù)據(jù),通過分析大氣邊界層頂?shù)男〕叨韧牧鹘Y(jié)構(gòu)來研究層積云覆蓋邊界層頂部的夾卷層特征(代成穎,2012),發(fā)現(xiàn)了:夾卷層內(nèi)一直存在湍流,只是湍流強度在逆溫層底部開始向上逐漸減弱;云頂風(fēng)切變有助于產(chǎn)生湍流,能夠增強云頂過渡層內(nèi)大氣的夾卷混合,進而減弱逆溫強度,縮小逆溫高度與湍流層頂之間距離;風(fēng)切變產(chǎn)生的湍流能夠促使云頂多界面分離,使夾卷層、稀薄云層和逆溫層厚度明顯增加;當(dāng)云頂處存在強風(fēng)切變時,局地強風(fēng)切變還能夠在云頂上方產(chǎn)生間歇性湍流。研究結(jié)果可為數(shù)值模式中邊界層過程的參數(shù)化提供科學(xué)的參考依據(jù)。3大氣邊界層觀測技術(shù)的發(fā)展均勻下墊面的大氣邊界層近地層特征在Monin-Obukhov相似性理論的指導(dǎo)下研究比較成熟,但地球表面最普通存在的非均勻和復(fù)雜下墊面大氣邊界層尚未得到很好的解決。近年來,大氣邊界層研究重點從均勻下墊面逐漸轉(zhuǎn)向非均勻非定常下墊面。另一方面,觀測技術(shù)的迅猛發(fā)展為非均勻下墊面的直接觀測研究提供可能性。為了揭示真實下墊面條件下大氣邊界層特征和規(guī)律,LAPC在發(fā)展大氣邊界層理論并為模式發(fā)展提供基礎(chǔ)性支持的同時,利用鐵塔、汽艇、雷達、飛機和衛(wèi)星遙感等手段,在我國各種典型地表下墊面開展了有針對性的綜合觀測試驗,例如城市(北京)、半干旱草原(吉林通榆、錫林浩特)、山地(青藏高原)、海洋(北冰洋)等下墊面。上述實驗獲得了區(qū)別于傳統(tǒng)水平均勻下墊面邊界層的新發(fā)現(xiàn),積累了大量寶貴的觀測資料。3.1大氣物質(zhì)交換在青藏高原的觀測研究方面,LAPC近年來聯(lián)合青藏高原研究所在喜馬拉雅山北側(cè)珠峰北坡絨布河谷地區(qū)聯(lián)合進行了兩次大氣強化觀測實驗(2006、2007年5~6月)。該實驗在一個由海拔5800m水平截面和沿河谷中部地區(qū)的垂直截面組成的封閉型河谷中進行。河谷中部架設(shè)了自動氣象站和風(fēng)溫廓線儀,觀測地面風(fēng)、大氣輻射、熱力狀況和垂直風(fēng)廓線等參數(shù)。根據(jù)大氣物質(zhì)守恒定律,通過分析研究穿越河谷中部垂直截面的大氣物質(zhì)通量可初步定量估計河谷內(nèi)外大氣物質(zhì)的交換量。此外,結(jié)合同期的大尺度環(huán)流資料,該實驗可為研究珠峰北坡絨布河谷地區(qū)局地環(huán)流導(dǎo)致的地氣間物質(zhì)交換過程以及觀測期間南亞夏季風(fēng)活動對地氣交換過程的影響提供第一手觀測資料。上述的資料分析得出了許多有意義的結(jié)果和發(fā)現(xiàn)(Zouetal.,2009;Zhouetal.,2009;Maetal.,2009;周立波等,2010;Zhouetal.,2011),揭示了以喜馬拉雅山區(qū)為代表的青藏高原大型山地“山谷風(fēng)”和“冰川風(fēng)”環(huán)流的耦合機理。喜馬拉雅山區(qū)特殊的局地環(huán)流系統(tǒng)是強烈的太陽輻射在復(fù)雜下墊面上形成的熱動力復(fù)合環(huán)流,主要是“山谷風(fēng)”和“冰川風(fēng)”相互耦合的產(chǎn)物(Zouetal.,2009)。該環(huán)流明顯有別于傳統(tǒng)山地氣象學(xué)理論以及世界其它山地中的觀測結(jié)果,耦合環(huán)流系統(tǒng)的物質(zhì)輸送能力遠遠大于過去學(xué)術(shù)界的傳統(tǒng)認(rèn)識,表明了以喜馬拉雅山區(qū)為代表的青藏高原大型山地中以局地環(huán)流為媒介的低層大氣與自由大氣間的物質(zhì)交換過程的重要性。分析結(jié)果表明:喜馬拉雅山區(qū)的近地面湍流熱交換接近高原其他地區(qū),其感熱輸送為69.9Wm3.2半干旱區(qū)地表物理特性的變化為了研究半干旱區(qū)不同下墊面地氣相互作用過程,LAPC和東亞中心的科研人員在吉林省通榆縣建立了地氣交換過程長期觀測實驗站(簡稱通榆實驗站)。該實驗站是國際能量和水分循環(huán)加強觀測計劃(CEOP)的地面觀測基準(zhǔn)站之一,目前已經(jīng)積累了多年連續(xù)的半干旱區(qū)地表過程觀測資料。該觀測實驗與過去在我國進行陸面過程大氣邊界層觀測實驗HEIFE及IMGRASS最大的區(qū)別在于:改變了過去僅在加強期(一般在夏季)進行湍流通量的加強觀測,而采取一年四季連續(xù)的觀測地氣間通量交換,研究地氣通量交換過程的日、月、季及年變化,為氣候模式中半干旱地區(qū)陸面過程參數(shù)化的改進提供了可靠的驗證數(shù)據(jù)。通過分析通榆實驗站的觀測資料,我們在半干旱區(qū)近地層地氣之間能量和物質(zhì)交換以及水循環(huán)特征研究方面取得了一些有意義的結(jié)果(涂剛等,2009;Liuetal.,2012a),并給出了該半干旱區(qū)地表基本物理參數(shù)(空氣動力學(xué)粗糙度、熱力學(xué)粗糙度和整體輸送系數(shù))的變化特征(馮健武等,2012)。地氣之間的水循環(huán)過程是陸面過程中關(guān)鍵過程之一,直接影響到地表水分收支、植被的生產(chǎn)力和碳循環(huán)等重要的生態(tài)過程,從而間接地影響天氣和氣候。通過分析通榆站觀測資料,發(fā)現(xiàn)了地表實際蒸散在生長季的日總量最大值在退化草地下墊面為2.0~4.5mmd在中德合作項目“不同放牧強度對內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流的影響”支持下,我們于2006~2009年在中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位站開展內(nèi)蒙古半干旱草原下墊面地氣能量和物質(zhì)交換過程的觀測實驗。為了揭示放牧對地氣交換過程的影響,我們在該地區(qū)三種典型的羊草樣地(冬季放牧、持續(xù)放牧和過度放牧)進行了對比實驗。通過對觀測資料進行分析(王雷等,2009;王雷等,2010;Wangetal.,2012),發(fā)現(xiàn)了不同的放牧強度在季節(jié)尺度上都顯著減少了地氣間的實際蒸散(圖3),主要原因是:(1)放牧使地表反照率增大,從而減小了有效能量;(2)放牧導(dǎo)致土壤濕度的降低,減少了有效能量分配為潛熱通量的比例(Wangetal.,2012)。此外,Gaoetal.(2009a)對內(nèi)蒙古典型草原下墊面地氣之間能量和物質(zhì)交換特征進行了研究,發(fā)現(xiàn)了該地區(qū)近地層能量平衡四分量具有顯著的日和季節(jié)變化特征,能量的不平衡問題主要是由于能量平衡四分量的不同相位造成的。3.3北京氣象塔的建設(shè)近十年來,隨著城市化發(fā)展加快,北京城市規(guī)模不斷擴大,城市建筑物逐漸向高空發(fā)展。城市下墊面變得更加復(fù)雜,動力學(xué)粗糙度日益增大。下墊面熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)的改變使該地區(qū)下墊面與大氣進行能量和物質(zhì)交換的特征發(fā)生變化,從而使大氣邊界層對天氣和氣候產(chǎn)生不可忽略的影響。針對城市邊界層理論研究,大氣物理研究所早在上世紀(jì)70年代起建立了北京325m氣象塔(簡稱氣象塔)。目前,該氣象塔已經(jīng)積累了二十多年城市邊界層氣象數(shù)據(jù),為城市邊界層的研究提供寶貴數(shù)據(jù)。為了獲取城市冠層不同高度處大氣湍流脈動數(shù)據(jù),該氣象塔從2000年開始在47m、120m和280m高度處增加了三層超聲風(fēng)速溫度儀,為城市邊界層結(jié)構(gòu)和湍流交換特征研究提供連續(xù)的湍流觀測資料。在城市邊界層湍流通量研究方面,通過分析氣象塔的渦動相關(guān)資料,發(fā)現(xiàn)了2008年奧運期間CO在城市邊界層湍流統(tǒng)計特征研究方面,利用氣象塔的渦動相關(guān)資料,分析了城市邊界層的陣風(fēng)和湍流積分尺度以及湍流的垂直結(jié)構(gòu)(王丙蘭,2012),發(fā)現(xiàn)了陣風(fēng)因子的大小與陣風(fēng)持續(xù)時間、風(fēng)速平均時間和平均風(fēng)速的大小有關(guān),陣風(fēng)因子隨陣風(fēng)持續(xù)時間的增大而減小,隨風(fēng)速平均時間的增大而增大,隨平均風(fēng)速的增大而減小,當(dāng)平均風(fēng)速足夠大時,陣風(fēng)因子為常數(shù);湍流積分尺度隨樣本長度的增大而增大;各種穩(wěn)定度條件下的上沖下掃運動對動量通量的貢獻不同,在城市冠層內(nèi)(47m),下掃運動對通量的貢獻要大于上沖運動,但是在140m和280m高度處,均是上沖運動的貢獻略大于下掃運動。3.4北冰洋地區(qū)的大氣邊界層在海洋下墊面大氣邊界層研究方面,LAPC科研人員利用1998年在北冰洋地區(qū)大氣邊界層觀測實驗(SHEBA)獲取的觀測資料,研究了該地區(qū)大氣邊界層高度的演變特征并取得了一些有意義的發(fā)現(xiàn)(Daietal.,2011)。由于下墊面熱力學(xué)和動力學(xué)特征的差異,北冰洋地區(qū)的大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征有別于中低緯度的大氣邊界層。由于觀測資料十分缺乏,該地區(qū)的大氣邊界層演變特征尚不清楚。通過分析該實驗期間獲取的飛機和GPS探空數(shù)據(jù)(圖4),發(fā)現(xiàn)了:溫度梯度方法較適用于估算該地區(qū)的大氣邊界層高度,并且給出了穩(wěn)定邊界層和對流邊界層的閾值(分別為6.5K/100m和1.0K/100m);該地區(qū)大氣邊界層高度春季大于夏季,最大高度出現(xiàn)在5月份(1150m)。這些研究結(jié)果在一定程度上彌補了高緯度海洋下墊面大氣邊界層研究的空白。4參數(shù)化+高速模擬近地層湍流通量參數(shù)化方案是氣候和中尺度數(shù)值模擬研究中一個十分重要的課題。數(shù)值模式中湍流通量參數(shù)化一般有兩種計算方案,即迭代方案和非迭代方案。迭代方案完整地保留了MoninObukhov相似理論,但迭代過程需要耗費大量的CPU時間。為了讓數(shù)值模式的通量計算方案具備更高的計算精度,同時花費更少的CPU時間,可采用非迭代方案計算湍流通量。非迭代方案是目前湍流通量參數(shù)化計算方案研究的熱點?；诙嘣貧w分析方法,發(fā)展了一套湍流通量參數(shù)化方案的非迭代方法(李煜斌等,2009;Lietal.,2010)。新方法具有計算量少、高精度和允許z氣候模式幾乎都是基于能量平衡的原理,近地面可利用能量,即凈輻射與土壤熱通量之差(有時還考慮植被冠層熱儲存等),應(yīng)與所分配的感熱通量和潛熱通量之和相等。然而,觀測實驗中普遍存在能量不平衡的問題,此問題在上世紀(jì)90年代的陸面過程觀測實驗中被證實并得到國內(nèi)外科學(xué)家們的重視。Gaoetal.(2010)分析了青藏高原安多站的觀測資料,發(fā)現(xiàn)土壤表面溫度與土壤熱通量日變化曲線的波相位差存在0至π/4的差異,此相位差對地表能量平衡的影響十分顯著。在海面湍流參數(shù)化研究方面,發(fā)展了一個可以用于氣候模式的海面湍流通量參數(shù)化方案(Banetal.,2010)。該方案能夠給出更接近觀測事實的通量模擬結(jié)果。將新的湍流通量參數(shù)化方案應(yīng)用到氣候模式CAM3中,不僅使得CAM3給出了更為精確的模擬結(jié)果,而且提高了CAM3的模擬時效(圖5)。此外,Gaoetal.(2009b)在海/湖面摩擦系數(shù)、粗糙度和拖曳系數(shù)參數(shù)化方案的改進方面做了一些研究,并利用實際觀測資料評估了新的參數(shù)化方案。新的參數(shù)化方案使模擬結(jié)果更貼近真實值。在風(fēng)場模擬和風(fēng)能資源評估方面,利用擬合對數(shù)風(fēng)廓線法和Davenport土地類型系統(tǒng)劃分法,結(jié)合風(fēng)能資源利用的特點,估算了內(nèi)蒙東部草原地表粗糙度(李軍等,2011)。分析結(jié)果表明:該地區(qū)地表粗糙度長度有明顯月份和季節(jié)變化,夏秋植被茂盛期和冬春植被枯萎期粗糙度長度分別為0.138m和0.088m;細(xì)微的地形起伏也會對粗糙度的評估造成影響;兩類方法估算的粗糙度長度大致相當(dāng),且估算的風(fēng)能密度只相差2%左右。5uat-2超聲檢測系統(tǒng)LAPC第二代超聲風(fēng)速溫度儀(UAT-2)是在第一代的基礎(chǔ)上研發(fā)的新一代大氣湍流觀測系統(tǒng)。近年來,LAPC在利用多臺UAT-2構(gòu)建湍流觀測系統(tǒng)方面取得了重要的進展。該系統(tǒng)可實時、同步完成對多點三維風(fēng)速和溫度的脈動測量。系統(tǒng)擁有以下特點:(1)采樣頻率可達100Hz。采樣頻率是超聲風(fēng)速溫度儀的主要技術(shù)指標(biāo)之一。UAT-2觀測系統(tǒng)最高采樣頻率提高至100Hz。采樣頻率的提高有兩點重要意義:儀器可以在單位時間內(nèi)獲取更多測風(fēng)數(shù)據(jù),能更好地、真實反映大氣中三維風(fēng)速和溫度脈動值;采樣頻率的提高,反映儀器整體設(shè)計水平和工藝,以及相關(guān)最新技術(shù)的應(yīng)用。(2)GPS信號的引用和實時同步組網(wǎng)觀測。隨著超聲風(fēng)速溫度儀應(yīng)用的深入與發(fā)展,需要多臺超聲實時、同步組網(wǎng)觀測。只有多臺超聲采用高精度同源時鐘,才可以保證此關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)。為此,系統(tǒng)引進了GPS秒信號作為網(wǎng)絡(luò)的共同時基。GPS秒信號的引進有兩個重要意義:可以把超聲有線局域網(wǎng)實