【摘要】：大氣邊界層在整個(gè)大氣層中是最重要的部分之一,而且邊界層結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,它與天氣、氣候的形成和發(fā)展互相影響。同時(shí),大氣中能量、動(dòng)量、各類(lèi)物質(zhì)在近地層通過(guò)邊界層交換。在我們生活的環(huán)境中,邊界層結(jié)構(gòu)不僅有突出的日變化,而且有地表分布不勻稱(chēng)帶來(lái)的空間變化。我國(guó)西北干旱荒漠區(qū),處于夏季風(fēng)影響的邊緣地帶,由于地形復(fù)雜,并且干旱區(qū)白天地表強(qiáng)烈的加熱作用,使得該地區(qū)大氣邊界層形成和發(fā)展過(guò)程具有明顯的特點(diǎn)。目前,對(duì)于西北地區(qū)典型天氣背景下邊界層的發(fā)展消亡過(guò)程,該地區(qū)獨(dú)特的陸面過(guò)程對(duì)東亞夏季風(fēng)進(jìn)退的響應(yīng)還有待進(jìn)一步的深入研究。本文利用1979-2016年ERA-Interim再分析資料,2006年夏季敦煌野外觀測(cè)的探空資料,全國(guó)661個(gè)站點(diǎn)降水資料以及中國(guó)西北地區(qū)96個(gè)站點(diǎn)1982-2010年逐月地面平均觀測(cè)資料,采用了經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解、雙線(xiàn)性插值方法、線(xiàn)性趨勢(shì)分析、空間相關(guān)合成分析以及位溫廓線(xiàn)法研究了西北干旱區(qū)夏季不同典型天氣大氣邊界層特征及其對(duì)陸面過(guò)程的響應(yīng),著重討論了西北干旱、半干旱地區(qū)夏季邊界層高度和近地面溫度與感熱通量的關(guān)系,還分析了西北地區(qū)地面感熱場(chǎng)對(duì)夏季風(fēng)進(jìn)退的響應(yīng)及其物理機(jī)制。得到如下主要結(jié)論:(1)夏季晴天對(duì)流邊界層厚度可達(dá)3.5km,穩(wěn)定邊界能厚度達(dá)到900m左右,而陰天對(duì)流邊界層厚度能到2.5km,穩(wěn)定邊界層只有200m。造成晴天、陰天邊界層不同的原因主要是熱力因子和動(dòng)力因子差異。首先,強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射、較大的感熱通量轉(zhuǎn)化率使得晴天比陰天熱對(duì)流發(fā)展更加旺盛;其次,近地面水平風(fēng)速晴天的速度比陰天大,這種以湍流形式的動(dòng)力作用也為晴天邊界層的發(fā)展高度大于陰天提供了一定的動(dòng)力背景。(2)對(duì)流邊界層在發(fā)展初期對(duì)凈輻射、地表溫度和感熱通量具有很強(qiáng)的依賴(lài)性,但是一旦沖破了穩(wěn)定邊界層的限制,邊界層高度就會(huì)迅速增長(zhǎng)。凈輻射、地表溫度以及感熱通量的日變化過(guò)程基本上和邊界層的厚度有契合的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但是邊界層的發(fā)展過(guò)程在時(shí)間上與這三者均表現(xiàn)出一定的滯后性,這可能與能量的轉(zhuǎn)化和傳輸有關(guān)。(3)夏季西北干旱、半干旱地區(qū)感熱通量強(qiáng)度的LV1為東-西反向型,PC1反映感熱通量變化強(qiáng)度的變化趨勢(shì)在1998年左右發(fā)生轉(zhuǎn)折,1998年以后西(東)部感熱通量開(kāi)始增強(qiáng)(減弱)。LV2表現(xiàn)出東、西部感熱通量強(qiáng)度的一致性,但是負(fù)值顯著區(qū)域在東部,PC2從90年代初期轉(zhuǎn)為負(fù),進(jìn)入21世紀(jì)后有正有負(fù)。(4)夏季西北干旱半干旱地區(qū)近地面2m溫度自1980年開(kāi)始為顯著的增加趨勢(shì)(0.057℃/a),在1998年左右近地面溫度發(fā)生突變。夏季近地面溫度的變化與感熱通量有關(guān),在感熱通量更大的西北干旱區(qū)尤為明顯,感熱通量的大(小)導(dǎo)致大氣熱對(duì)流發(fā)展強(qiáng)(弱),垂直擴(kuò)散加熱率強(qiáng)(弱),進(jìn)一步影響近地面溫度的增加(減小)。在西北的東部地區(qū)處于夏季風(fēng)過(guò)渡區(qū),陸面特性顯著,陸面過(guò)程復(fù)雜。(5)夏季由于獨(dú)特的陸面過(guò)程和邊界層空間分布,在西北干旱、半干旱地區(qū)對(duì)流層下層為上升運(yùn)動(dòng),對(duì)流層上層為下沉運(yùn)動(dòng),這是由于該區(qū)域夏季陸面感熱和對(duì)流層低層的垂直擴(kuò)散加熱率很強(qiáng),輻射冷卻無(wú)法平衡垂直擴(kuò)散加熱,只能靠絕熱上升冷卻來(lái)平衡,600hPa以上輻射冷卻起主要作用,因此主要靠絕熱冷卻下沉來(lái)平衡。(6)夏季風(fēng)向北推進(jìn)越快、向南撤退越慢,對(duì)西北地區(qū)感熱通量強(qiáng)度的發(fā)展有抑制作用。向北推進(jìn)越慢、向南撤退越快,對(duì)西北地區(qū)感熱通量強(qiáng)度的發(fā)展有促進(jìn)作用。造成這種現(xiàn)象的機(jī)理是:西北地區(qū)感熱異常與大范圍的大氣環(huán)流有關(guān),在西北感熱強(qiáng)(弱)年,西太副高的位置就偏東(西),而副高位置的不同影響環(huán)流形勢(shì)導(dǎo)致水汽輸送變化。從水汽通量來(lái)分析,感熱異常強(qiáng)年我國(guó)主要受日本海和長(zhǎng)江淮海流域水汽的影響,夏季風(fēng)過(guò)渡區(qū)沒(méi)有充足的水汽;感熱異常弱年我國(guó)中、東部受日本海、東海和長(zhǎng)江淮河流域水汽影響,南部受來(lái)自南海的水汽影響。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：P421.3;P425.42
【圖文】：

敦煌觀測(cè)站的探測(cè)場(chǎng)位置經(jīng)緯度為40°9′N(xiāo)和94°41′E，海拔是11均大氣壓為 873hPa，觀測(cè)場(chǎng)的下墊面以荒漠為主，能很好的反候特征（朱德琴，陳文等，2006）。站點(diǎn)布局及觀測(cè)數(shù)據(jù)站位于敦煌干旱區(qū)，試驗(yàn)通過(guò)氣象塔和超聲儀器對(duì)風(fēng)、溫、濕等通量進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)設(shè)有 GFE（L）1 型測(cè)風(fēng)雷達(dá)和 GTS1 型數(shù)空高度最高為 8.6km，這些觀測(cè)每 10m 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄，溫度，氣壓誤差僅為 10hPa，濕度誤差從之前的 10%縮小為 5%。本次 6 月 28 日至 7 月 17 日每天觀測(cè) 8 次，平均每次觀測(cè)的間隔為兩小 07:00 至夜間 21:00 時(shí)結(jié)束（以上時(shí)間均為北京時(shí)間）。采用位界層高度相對(duì)可靠而且邊界層內(nèi)比濕的分布也很有研究意義，所氣壓（hPa）、溫度 T（oC）以及相對(duì)濕度 （%）轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的位溫 θ（k）、和比濕 q（g·kg-1）。

陰天大氣邊界層結(jié)構(gòu)的差異期間，2006 年 7 月 5 日至 7 日有一次弱降水過(guò)程，7 月 其他時(shí)間為晴空天氣。為了進(jìn)一步對(duì)比晴天、陰天大氣邊 3.1 是整個(gè)觀測(cè)期間大氣邊界層的日際變化，在這 20 天定邊界層高度都較陰天的高，晴天對(duì)流邊界層超過(guò) 3km的一半，其中有 2 天的高度甚至接近 4km，陰天日整體對(duì)晴天穩(wěn)定邊界層高度基本在 1km 左右，而陰天的高度穩(wěn)定可見(jiàn)天氣變化對(duì)邊界層高度有舉足輕重的影響。本文選取 日陰天為研究樣本，因?yàn)榇藘扇涨昂蟮奶鞖舛紴檫B續(xù)晴天具有代表性。位溫屬于判斷大氣邊界層特征的重要因子（2）。由于局地風(fēng)受地形影響較明顯，風(fēng)速廓線(xiàn)法并不是很線(xiàn)法在未引入假設(shè)前提下，用觀測(cè)資料計(jì)算邊界層的高0）

圖 3.2 敦煌荒漠區(qū)夏季晴天、陰天大氣邊界層位溫廓線(xiàn)特征(a.07:00, b.09:00, c.11:00, d.13:00, e.15:00, f.17:00, g.19:00, h.21:00)圖 3.3 為晴天、陰天大氣對(duì)流邊界層、穩(wěn)定邊界層、殘余層以及夾卷層頂高度的日變化特征。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，晴天和陰天對(duì)流邊界層均從早上開(kāi)始增長(zhǎng)，至午后 15:00 左右厚度發(fā)展到鼎盛，17:00 以后開(kāi)始出現(xiàn)衰退趨勢(shì)。陰天時(shí)，對(duì)流邊界層發(fā)展早于晴天時(shí)，這可能由于前一晚云層的逆輻射使得第二天早上地面溫度高于晴天，反而比較有利于早晨對(duì)流邊界層的形成。晴天、陰天的穩(wěn)定邊界層均是晚上 19:00 開(kāi)始逐漸形成，晴天穩(wěn)定邊界層至第二天早晨 09:00 能發(fā)展到950m 左右的高度，但是 09:00 以后漸漸消失，對(duì)流邊界層從 11:00 開(kāi)始迅速成長(zhǎng)，一旦沖破穩(wěn)定邊界層到達(dá)殘余層后就會(huì)非常順暢的發(fā)展（韋志剛，陳文等，2010）。相比之下，陰天時(shí)夜間穩(wěn)定邊界層發(fā)展強(qiáng)度偏小，究其原因，是因?yàn)樵茖拥淖饔脺p緩了大氣的輻射冷卻強(qiáng)度，很不利于穩(wěn)定邊界層的擴(kuò)展。不管是殘余層

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2782258