陇东黄土高原土壤湿度对大气边界层结构和对流触发影响的观测和数值研究

Losses Plateau in East Gansu is an area with frequent convective storms. A synthetic observation including land surface processes, boundary layer structure and convective activities is the key to further understanding the triggering mechanisms of these storms, which is very important for improving the ability of mesoscale models for severe weather forecasting. The limited understanding of the role of land surface and boundary layer processes in triggering convections in this area have largely delayed our prediction skills in short, disaster weathers. This project considers the land surface process, boundary layer development and convection initiation as a whole to analyze the spatial distribution of convection preferential areas and its relation to surface conditions; evaluate the effect of surface radiation and energy budget on boundary layer development and convection initiation with focus on the role of entrainment on top of boundary layer in the establishment of pre-environment for convection initiation; discuss the effect of soil moisture status and spatial distribution on boundary layer development and convection initiation. Results from the project will improve our understanding on the role of land surface and boundary layer processes in the formation of severe weather and offer a way for further development of weather forecasting models.

陇东黄土高原是西北强对流天气多发地之一，对该地区陆-气能量水分过程、大气边界层结构和对流天气进行综合观测，是深入认识该地区对流触发机制的前提，对改进中尺度数值模式对灾害天气预报能力具有重要科学意义。目前对该地区陆面能量水分过程和大气边界层过程在对流触发中角色的认识还十分有限,制约了短时、突发性灾害天气监测预测技术的提高。本项目将陆面过程、大气边界层过程和对流触发作为整体，在分析对流活动时空变化及其与地表温度、土壤湿度等关系基础上,分析土壤湿度对地表能量通量、边界层发展和对流参数的影响，探讨边界层顶部夹卷在建立对流前期大气环境场中的角色；通过数值模拟，探讨土壤干湿状况和空间分布对大气边界层结构及对流触发的影响，加深该地区陆面过程和大气边界层过程在短期灾害性天气中作用和角色的认识。本项目的实施对探寻改进天气气候模式在研究区模拟能力的途径，提高短期灾害性天气预测的准确率具有重要的意义。

陇东黄土高原是西北强对流天气多发地之一，对该地区陆-气能量水分过程、大气边界层结构和对流天气进行综合观测，是深入认识该地区对流触发机制的前提，对改进中尺度数值模式对灾害天气的预报能力具有重要科学意义。目前对该地区陆面能量水分过程和大气边界层过程在对流触发中角色的认识还十分有限，制约了短时、突发性灾害天气监测预测技术的提高。本项目将陆面过程、大气边界层过程和对流触发作为整体，利用多普勒天气雷达、卫星遥感、大气边界层和陆面过程观测资料，结合常规气象资料和数值模拟，获得了研究区大气边界层结构及高度的日变化特征以及影响边界层高度的因子，分析了黄土高原地区大气边界层高度的时空变化特征；在分析研究区土壤湿度对地表能量通量和大气边界层发展影响的基础上，分析了对流活动的时空变化特征及其与地形和土壤湿度空间变化关系；探讨了中小尺度对流触发对陆面过程和大气边界层过程的可能响应过程。研究发现相对湿度、地面气温、土壤湿度以及感热通量都会影响对流边界层的发展，其中感热通量是边界层大气的主要热量来源，土壤湿度通过影响地面气温、相对湿度和感热通量间接影响边界层的发展；研究还得到了整个黄土高原正午大气边界高度的空间分布特征及其多年变化趋势，发现黄土高原夏季正午大气边界层高度在2003-2016年间有下降趋势，且主要出现在6月，且在黄土高原南部的甘肃、陕西一带最显著；研究还发现六盘山东麓丘陵平原是对流形成和增强的有利地区，地形对对流的演变有直接的影响，而土壤湿度对对流发生的时间和位置也有一定的影响。研究填补了半干旱/半湿润过渡区复杂地形区利用长期天气雷达反射率数据揭示对流活动特征研究的空白，加深了研究区陆面过程和大气边界层过程在短期灾害性天气中作用和角色的认识。本项目研究结果对验证和改进中尺度天气模式对研究区对流活动发生时间、地点和落区的模拟能力，以及提高短期灾害性天气预测的准确率具有重要意义。