劉輝志 馮健武 王雷 洪鐘祥

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

1 引言

大氣邊界層是指離地球表面約1～2 km高度的低層大氣。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(shí)也是地球各個(gè)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(shí)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(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)、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(bào)系統(tǒng)研制與應(yīng)用等方面取得了重要進(jìn)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(jī)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—?dú)馔牧魑镔|(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(jìn)展。

2 大氣邊界層結(jié)構(gòu)和理論研究

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(dú)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(jī)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(jī)理方面取得了重要的進(jìn)展。

在我國華北地區(qū)，春季常發(fā)生揚(yáng)沙和沙塵暴天氣，通常伴隨有冷鋒過境及強(qiáng)風(fēng)，嚴(yán)重影響著人們的生活和生產(chǎn)活動。對起沙揚(yáng)沙過程基本物理規(guī)律的深入認(rèn)識是預(yù)報(bào)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（Zeng et al.，2010；Cheng et al.，2011，2012a，2012b，2012c），曾慶存等（Zeng et al.，2010）提出了自然界陣風(fēng)產(chǎn)生的一種新機(jī)制，即自然界陣風(fēng)產(chǎn)生的機(jī)制不僅有劇烈天氣的外部動力作用原因，同時(shí)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(qiáng)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(shí)，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200 m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(shí)）伴隨著下沉氣流，波谷期（即陣風(fēng)歇時(shí)）伴隨著上升氣流，當(dāng)陣風(fēng)停歇時(shí)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(jìn)入對流層?；趯﹃囷L(fēng)機(jī)理的深入認(rèn)識，發(fā)展了一個(gè)利用頻譜和混沌時(shí)間序列突變點(diǎn)檢測理論來提取陣風(fēng)信號的方法（Cheng et al.，2012a），提出了一個(gè)新的一個(gè)陣風(fēng)擾動參數(shù)化方案（Cheng et al.，2012b），導(dǎo)出地表摩擦速度新的理論公式，并以此改進(jìn)了空氣質(zhì)量模式中的起沙和揚(yáng)沙過程的模擬（Cheng et al.，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（Liu et al.，2010），即具有穩(wěn)定分布和標(biāo)度律，這一結(jié)果為強(qiáng)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(jī)制之一（Liu and Sang，2009）。此外，LAPC科研人員采用飛機(jī)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(qiáng)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(qiáng)云頂過渡層內(nèi)大氣的夾卷混合，進(jìn)而減弱逆溫強(qiáng)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(qiáng)風(fēng)切變時(shí)，局地強(qiáng)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 大氣邊界層物理觀測實(shí)驗(yàn)

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(diǎn)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(shí)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(shí)，利用鐵塔、汽艇、雷達(dá)、飛機(jī)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(yàn)，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(shí)驗(yàn)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。

圖1 2002年3月20日不同高度、不同時(shí)間間隔下1 min平均水平風(fēng)速和垂直風(fēng)速變化曲線。豎線表示陣風(fēng)的相干結(jié)構(gòu)：虛線代表陣風(fēng)峰期，實(shí)線代表陣風(fēng)谷期；陰影部分代表受對流和湍流影響的陣風(fēng)相干性；“×”代表與相干結(jié)構(gòu)相反的情況。（引自Zeng et al.，2010）Fig.1 1-min averaged horizontal downwind velocity and vertical velocities (u; w) at various heights and time intervals on 20 March 2002.Vertical lines show the coherent structure of gust-wind, dashed lines are the moments of the peaks in strong gust-wind, and solid lines are wind speed valleys.Shaded areas represent the coherent structures of gust-wind, but disturbed by convection or turbulence.Those marked “×” are out of phase from the coherent structure.(From Zeng et al., 2010)

3.1 青藏高原觀測實(shí)驗(yàn)

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(jìn)行了兩次大氣強(qiáng)化觀測實(shí)驗(yàn)（2006、2007年 5～6月）。該實(shí)驗(yàn)在一個(gè)由海拔5800 m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(jìn)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(jì)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(shí)驗(yàn)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)（Zou et al.，2009；Zhou et al.，2009；Ma et al.，2009；周立波等，2010；Zhou et al.，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(jī)理。喜馬拉雅山區(qū)特殊的局地環(huán)流系統(tǒng)是強(qiáng)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（Zou et al.，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(yuǎn)遠(yuǎn)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69.9 W m?2，潛熱輸送為 32.2 W m?2，總熱通量為102.1 W m?2，波文比為2.17。由于局地環(huán)流的存在，極大提高了該地區(qū)的地氣交換能力，其物質(zhì)交換能力可以達(dá)到6.4×1011m3d?1，約為整個(gè)封閉河谷體積的 36倍。該地區(qū)地氣間的物質(zhì)輸送與南亞夏季風(fēng)活動密切相關(guān)（周立波等，2010）。南亞夏季風(fēng)活動弱（季風(fēng)中斷期）則物質(zhì)交換量大（9.7×106m3s?1)，季風(fēng)活動強(qiáng)（季風(fēng)活躍期）則物質(zhì)交換量?。?.6×106m3s?1），表明南亞夏季風(fēng)可能通過改變局地大氣輻射和熱力狀況影響到該地區(qū)地氣間的物質(zhì)交換過程（圖2）。

3.2 半干旱區(qū)地氣相互作用觀測實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)站（簡稱通榆實(shí)驗(yàn)站）。該實(shí)驗(yàn)站是國際能量和水分循環(huán)加強(qiáng)觀測計(jì)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(shí)驗(yàn)與過去在我國進(jìn)行陸面過程大氣邊界層觀測實(shí)驗(yàn)HEIFE及IMGRASS最大的區(qū)別在于：改變了過去僅在加強(qiáng)期（一般在夏季）進(jìn)行湍流通量的加強(qiáng)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(jìn)提供了可靠的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。通過分析通榆實(shí)驗(yàn)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；Liu et al.，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(shí)際蒸散在生長季的日總量最大值在退化草地下墊面為2.0～4.5 mm d–1，在農(nóng)田下墊面為1.5～5.5 mm d–1。降雨量的季節(jié)分布是地表實(shí)際蒸散季節(jié)變化的一個(gè)重要的影響因子。在半小時(shí)時(shí)間尺度上，大氣水分需求是地表實(shí)際蒸散的主要控制因子。生物控制因子在季節(jié)尺度上對半干旱區(qū)地表實(shí)際蒸散的影響較顯著，主要是通過表面導(dǎo)度季節(jié)和年際變化來實(shí)現(xiàn)。地表實(shí)際蒸散在年尺度上取決于年總降雨量（Liu et al.，2012a）。

在中德合作項(xiàng)目“不同放牧強(qiáng)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(shí)驗(yàn)。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(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。通過對觀測資料進(jìn)行分析（王雷等，2009；王雷等，2010；Wang et al.，2012），發(fā)現(xiàn)了不同的放牧強(qiáng)度在季節(jié)尺度上都顯著減少了地氣間的實(shí)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（Wang et al.，2012）。此外，Gao et al.（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(jìn)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。

圖2 2006 年5月1日至7月31日南亞夏季風(fēng)指數(shù)變化曲線（a），季風(fēng)中斷（b）和活躍期間（c）南亞地區(qū)500 hPa天氣形勢變化。星號代表絨布河谷的位置。（引自Zou et al.，2009）Fig.2 Variations of the South Asia summer monsoon index from May 1 to July 31 (a), 500 hPa streamlines in the SASM break period (b), and 500 hPa streamlines in the SASM active period (c).The star denotes the Rongbuk Valley.(From Zou et al., 2009)

3.3 城市邊界層觀測實(shí)驗(yàn)

近十年來，隨著城市化發(fā)展加快，北京城市規(guī)模不斷擴(kuò)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(jìn)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年代起建立了北京325 m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47 m、120 m和280 m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(yùn)期間CO2通量在量值上明顯小于過去同期的 CO2通量（Song and Wang，2012），分析結(jié)果證實(shí)了奧運(yùn)期間所采取的車輛限行等政策取得了較顯著的效果。另外，通過分析多年（2006～2009）CO2通量資料（Liu et al.，2012b），發(fā)現(xiàn)了CO2通量在量值上與車流量關(guān)系密切，CO2通量日變化曲線的兩個(gè)峰值出現(xiàn)在上下班期間車流量最多的時(shí)次。結(jié)合氣象塔風(fēng)場資料，發(fā)現(xiàn)了CO2通量最大值出現(xiàn)的方位在兩條車流量最多的公路交叉處。同時(shí)通過對比2006～2009年CO2排放總量，發(fā)現(xiàn)了2008年CO2排放總量明顯小于其他年份（表1），分析結(jié)果可為減少溫室氣體的排放提供參考依據(jù)。

圖3 2005和2006年生長季（a）凈輻射日平均值，（b）LE/LEeq，（c）實(shí)際蒸散（ET）和潛在蒸散（PET）的季節(jié)變化。（引自Wang et al.，2012）Fig.3 Seasonal variation of (a) daily net radiation (Rn), (b) LE/LEeq, (c) ET and PET of the four sites during the growing seasons of 2005 and 2006.(From Wang et al., 2012)

在城市邊界層湍流統(tǒng)計(jì)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(shí)間、風(fēng)速平均時(shí)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(shí)間的增大而減小，隨風(fēng)速平均時(shí)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(shí)，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(yùn)動對動量通量的貢獻(xiàn)不同，在城市冠層內(nèi)（47 m），下掃運(yùn)動對通量的貢獻(xiàn)要大于上沖運(yùn)動，但是在140 m和280 m高度處，均是上沖運(yùn)動的貢獻(xiàn)略大于下掃運(yùn)動。

表1 2006～2009年北京325 m氣象塔觀測的CO2排放總量估算值（引自Liu et al.，2012b）Table 1 Total annual CO2 flux estimated using EC data from Beijing 325 m meteorological tower (2006–2009)(From Liu et al., 2012b)

3.4 海洋邊界層觀測實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)（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)（Dai et al.，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(shí)驗(yàn)期間獲取的飛機(jī)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6.5 K/100 m 和 1.0 K/100 m）；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（1150 m）。這些研究結(jié)果在一定程度上彌補(bǔ)了高緯度海洋下墊面大氣邊界層研究的空白。

4 大氣邊界層數(shù)值模擬

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(gè)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(jì)算方案，即迭代方案和非迭代方案。迭代方案完整地保留了 Monin-Obukhov相似理論，但迭代過程需要耗費(fèi)大量的CPU時(shí)間。為了讓數(shù)值模式的通量計(jì)算方案具備更高的計(jì)算精度，同時(shí)花費(fèi)更少的 CPU時(shí)間，可采用非迭代方案計(jì)算湍流通量。非迭代方案是目前湍流通量參數(shù)化計(jì)算方案研究的熱點(diǎn)?；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；Li et al.，2010）。新方法具有計(jì)算量少、高精度和允許 z0/z0h為大值等優(yōu)點(diǎn)。

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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中被證實(shí)并得到國內(nèi)外科學(xué)家們的重視。Gao et al.（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(gè)可以用于氣候模式的海面湍流通量參數(shù)化方案（Ban et al.，2010）。該方案能夠給出更接近觀測事實(shí)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(shí)效（圖5）。此外，Gao et al.（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(jìn)方面做了一些研究，并利用實(shí)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(shí)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(diǎn)，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0.138 m和 0.088 m；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。

5 第二代超聲風(fēng)速溫度儀觀測系統(tǒng)研制

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(jìn)展。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)、同步完成對多點(diǎn)三維風(fēng)速和溫度的脈動測量。系統(tǒng)擁有以下特點(diǎn)：（1）采樣頻率可達(dá)100 Hz。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100 Hz。采樣頻率的提高有兩點(diǎn)重要意義：儀器可以在單位時(shí)間內(nèi)獲取更多測風(fēng)數(shù)據(jù)，能更好地、真實(shí)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(jì)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)、同步組網(wǎng)觀測。只有多臺超聲采用高精度同源時(shí)鐘，才可以保證此關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。為此，系統(tǒng)引進(jìn)了GPS秒信號作為網(wǎng)絡(luò)的共同時(shí)基。GPS秒信號的引進(jìn)有兩個(gè)重要意義：可以把超聲有線局域網(wǎng)實(shí)時(shí)、同步觀測的理念拓展至無線廣域網(wǎng)的實(shí)時(shí)、同步觀測；在大大降低組網(wǎng)成本的同時(shí)，可以提高系統(tǒng)的采樣頻率。（3）聲陣實(shí)時(shí)垂直度的獲取。超聲測量對其傳感器——聲陣的垂直度有嚴(yán)格的要求，特別是在各種通量測量中，更突顯其重要性。為此，本系統(tǒng)加裝了專門測量聲陣動態(tài)垂直度的傾角儀子系統(tǒng)。子系統(tǒng)按100 Hz的采樣頻率采集動態(tài)垂直度數(shù)據(jù)，保證了與超聲數(shù)據(jù)的同步，便于數(shù)據(jù)后處理時(shí)對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的訂正，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖 6為六臺UAT-2平行對比試驗(yàn)結(jié)果。多臺UAT-2在采樣頻率為100 Hz時(shí)，觀測的脈動值具有很好的一致性，表明該系統(tǒng)達(dá)到國際同行的先進(jìn)水平。

圖5 CAM3中的參數(shù)化方案和新的參數(shù)化方案（GLL）計(jì)算的海面湍流通量與實(shí)測資料的對比：（a）風(fēng)切應(yīng)力；（b）感熱通量和（c）潛熱通量。紅線和藍(lán)線代表回歸直線；k1和k2分別為CAM3方案和GLL方案與觀測值的比率。(引自Ban et al.，2010)Fig.5 Fluxes calculated with the flux subroutine of the original CAM3 and by the GLL scheme versus measurements: ID wind stress (a), covariance sensible heat flux (b), and covariance latent heat flux (c).The red and blue lines represent regression lines; k1 and k2 are the slopes of fluxes calculated by CAM3 and GLL versus measurement.(From Ban et al., 2010)

圖6 2011年8月6臺UAT-2超聲風(fēng)速溫度儀平行對比實(shí)驗(yàn)中觀測的垂直風(fēng)速脈動（w '）（羅衛(wèi)東提供）Fig 6 Vertical wind speed fluctuation (w') were compared with 6 ultrasonic anemometers on 6 August, 2011 (From Luo Weidong, personnel communication)

6 結(jié)論和展望

本文從理論研究、觀測實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和儀器研制四個(gè)方面，扼要總結(jié)了近4年來中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LAPC）在大氣邊界層物理領(lǐng)域的主要研究進(jìn)展。由于水平的限制，可能有不少不妥之處或不全面的地方。作者認(rèn)為未來一段時(shí)間內(nèi)大氣邊界層物理研究重點(diǎn)仍然集中在非均勻下墊面（復(fù)雜地形，例如高大山地、城市等）大氣邊界層結(jié)構(gòu)和特征、天氣和氣候模式中大氣邊界層參數(shù)化方案的改進(jìn)、強(qiáng)風(fēng)條件下海洋大氣邊界層參數(shù)化的方案及大型風(fēng)電場風(fēng)電量的短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。非均勻下墊面大氣邊界層的定量描述是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，因?yàn)榈孛鎲吸c(diǎn)觀測通量的代表性通常在公里尺度，而中尺度模式和遙感資料反演得到的面上湍流通量通常尺度為幾公里到幾十公里。如何將單點(diǎn)觀測到的湍流通量升尺度到面上的通量，或者將遙感反演得到的面上湍流通量降尺度到單點(diǎn)，與地面單點(diǎn)的觀測結(jié)果比較，從而校驗(yàn)和改進(jìn)遙感反演算法。因此，地面單點(diǎn)觀測、模式輸出以及遙感反演結(jié)果的匹配也是大氣邊界層物理未來幾年研究的重點(diǎn)。

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