半干旱区边界层顶的界面交换过程及其对边界层发展的影响

Affected by .the Asian summer monsoon and Qinghai-Xizang Plateau monsoon, the weather is very sophisticated in the Loess Plateau semi-arid region, which has a contribution to the regional and global climate change. In this region, land-atmosphere interaction severely heat the boundary layer and obvious boundary layer top interface exchange can be observed, which gives a great impact on the formation and development of the regional disastrous weather. Because of the limited observation data, most of the previous researches were focused on the land energy process, and a few on the impact of boundary layer top interface exchange. Based on the intensive field observation test data, we use of the large eddy simulation to analysis of structural characteristics and evolution process of boundary layer in semi-arid region of Loess Plateau. Moreover, research on the effects of thermal and dynamic factors on interface exchange at the top of boundary layer, reveal mechanism of this process impacts on boundary layer development. The project will significantly deepen our understanding in formation mechanism of boundary layer, and also provide important theoretical basis for the improvement of the boundary parameterization scheme in regional climate model as well as development of the regional disastrous weather prediction and forecasting technology.

我国黄土高原半干旱区既受亚洲夏季风的影响，又受青藏高原季风的调制，天气系统复杂，其剧烈的陆-气相互作用对边界层的加热作用更显著，强烈的边界层顶界面交换对区域灾害性天气气候的形成和发展具有重要影响。以往由于观测资料的限制，对边界层形成机制的研究多集中于陆面能量过程，而对边界层顶界面交换的作用关注较少。本项目基于黄土高原半干旱区开展的野外加密观测试验资料，利用大涡模拟技术手段，在分析半干旱区边界层结构特征和演变规律的基础上，研究热力和动力机制对半干旱区边界层与自由大气之间物质、能量交换和输送的作用，揭示半干旱区边界层顶的界面交换过程对边界层发展的影响机理。该项目完成会加深对半干旱区边界层形成、发展及影响机制的认识，可为区域气候模式中边界层过程参数化方案的改进和区域灾害性天气预测、预报能力的提高提供重要的理论支撑。

项目以黄土高原半干旱区边界层顶的界面交换过程为主体研究内容，利用大涡模拟研究了黄土高原半干旱区边界层结构特征及发展变化规律，探讨了热力和动力机制对半干旱区边界层顶界面交换过程的作用，从热力和动力两方面揭示了半干旱区边界层顶的界面交换过程影响边界层发展的关键因素及机理。.项目的主要研究成果包括：1）梳理了近几十年来大气边界层数值模拟研究取得的重要进展，指出了边界层顶界面交换过程是当前该领域亟待解决的关键科学问题和未来重点研究方向之一，为今后更深入系统地开展相关研究提供了参考。2）给出了黄土高原半干旱区夏季对流边界层（CBL）热对流泡和稳定边界层（SBL）间歇性湍流结构特征；探讨了地表温度、边界层风切变和背景气压等热、动力因子对半干旱区边界层（ABL）顶界面交换的作用，指出气压对ABL顶部夹卷过程和抽吸作用的影响最大，气压降低导致ABL顶附近夹卷强度、夹卷速度明显增强，并引起了ABL及其顶部强烈的上升运动，加快了上下层空气的交换；揭示了不同的热、动力机制对半干旱区ABL顶界面交换及ABL发展的贡献和影响机理，发现气压减小使得整个ABL的湍流动能（TKE）增强最为显著，ABL与其上部大气形成了强烈的局地环流，引起了上下层之间强烈的能量和物质交换。当气压较标准试验减小100hpa时，对流层、混合层和夹卷层厚度增加分别达32.0%、26.5%和70.5%。3）通过对比不同气候区ABL结构及发展机制发现，热浮力是导致不同气候区ABL结构和高度存在差异的主要原因，半干旱区ABL同时兼具干旱区和湿润区的特点，湍流发展及其与上部大气的交换过程更加复杂和特殊。4）对青藏高原地区特殊ABL结构及湍流特征分析发现，该地区上下层不连续湍流在垂直方向的耦合有助于其深厚ABL的发展和平流层臭氧向下输送。这些成果可为黄土高原半干旱区ABL顶界面交换过程的认识以及其对ABL发展机理的深入理解、并完善和改进区域气候模式中边界层参数化方案提供重要的理论支撑。