夏季巴丹吉林沙漠区域残留层与对流边界层的关系研究

There has been reported that a convective boundary layer with its maximum depth more than 4000 m, as well as a residual layer with its top above 3000 m height during daytime can exist over arid region in Northwest of China. The deep convective layer was usually considered to be responsible for the appearance of the deep residual layer existing in the nighttime. However, if the residual layer can exist until the next day, then it may affect the development of convective boundary layer significantly as well. Unfortunately, since it is difficult to monitor the atmospheric motion and thermal characteristics near the top of a planetary boundary layer, such process has not been well concerned. In order to confirm the relationship of the convective boundary layer and the residual layer above, by using the observation data over Badanjilin desert, the reanalysis data, and the large eddy simulation results, four objects are planning to discuss during the implementation of this project: 1,the vertical structure of the lower atmosphere when there was a residual layer capping on a convective boundary layer; 2, the essential condition for that the residual layer can hold until next day; 3, the frequency of occurrence for a residual layer capped on a convective layer in the region; 4, the characteristics of the development of convective boundary layer when it was coupling with the residual layer. The effect of residual layer on the diurnal cycle of development of the planetary boundary layer over a desert should be more explicit when the project was accomplished. Furthermore, a more reasonable explanation for the existence of a so deep convective boundary layer over the desert can be given.

中国西北干旱地区白天经常观测到最大厚度超过4000m的对流边界层，同时在白天也观测到顶部位于3000m以上的残留层。通常认为白天深厚对流边界层是夜间深厚残留层出现的前提，但由于观测条件的限制，白天残留层对对流边界层的发展所起的作用还没有充分的研究。为了进一步明确沙漠地区对流边界层与残留层之间的关系，本项目利用在巴丹吉林沙漠的探空观测资料与再分析资料，结合大涡模拟，重点分析如下4个问题：1，对流边界层上覆盖有残留层的整体大气垂直结构；2，夜间残留层维持至白天的必要条件；3，当地对流边界层上残留层的出现频率；4，对流边界层与残留层发生耦合时所表现出的结构变化特征。通过这样的分析，探讨沙漠地区夜间残留层在整个边界层发展的日循环中的作用，从而对当地白天深厚对流边界层的成因给出更加完整的认识。

本项目利用两次巴丹吉林夏季观测数据，结合再分析资料以及数值模式探讨了巴丹吉林沙漠附近干旱半干旱地区深厚边界层的结构特征以及发展成因，得到了一些有益的结果。(1) 首先，在分析2009年和2012年两次连续探空观测实验的基础上，发现了在上午时刻，大气边界层上是否覆盖有深厚且近中性层结的残余层可以很大程度上决定当天边界层的最终高度。这种影响，在某些时候甚至超过地表感热通量。区域气候模式（WRF）对观测区域进行模拟发现，残余层层结率与日最大边界层厚度不仅在时间变化上，在空间分布上同样呈现很好的负相关。（2）其次，通过大涡模拟发现，残余层层结率主要控制边界层侵入残余层后的发展速度，二者呈现负e指数关系。这个过程中大气边界层厚度增长速度比由夹卷占主导时的增长速度大一个量级。（3）再次，研究利用边界层增长速度重新定义了残余层以及其内部结构。通过在东亚区域进行对比发现，残余层与边界层的逐年相关主要体现在中国北部（包含巴丹吉林沙漠）以及蒙古国内，且主要发生在夏季。而从逐日变化相关性上看，初夏和夏末是二者最有可能发生耦合的时段；残余层在初夏起到了使得边界层累积发展的作用，而在夏末则是减缓了由于感热减弱引发的当地边界层高度降低的过程。（4）最后，在对比巴丹吉林沙漠与塔克拉玛干沙漠的边界层后发现，尽管塔克拉玛干沙漠夏季平均地表感热通量比巴丹吉林高约20 Wm-2，但后者的夏季平均大气边界层厚度却比前者高约200 m。低层大尺度平流加热在垂直方向上的差异可能上影响了残余层稳定度，使得高感热的塔克拉玛干沙漠地区总覆盖有较稳定的残余层，而低感热的巴丹吉林地区则是较中性的残余层。经典的认识一般认为大气边界层是大气运动的热量源，物质源，动量汇，而本研究则是突出了一些区域的大气边界层（发展）同样会对大尺度环流进行响应。这对于加深理解陆气相互作用对气候变化的响应和影响具有一定的启发性。在项目支持下，在评估耦合模式给出的全球气候变化，以及对于实际观测的地表能量通量特征的研究也取得了一定进展。