深厚大气边界层演变与湍流运动、沙尘滞空的研究

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2022.067

地球科学进展 ›› 2022, Vol. 37 ›› Issue (10): 991 -1004. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.067

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深厚大气边界层演变与湍流运动、沙尘滞空的研究

张璐 ¹(

), 李倩惠 ¹ ^, ², 孟露 ³, 张强 ⁴ ^, ⁵(

), 张宏昇 ¹, 何清 ³, 赵天良 ⁶

^1.北京大学物理学院大气与海洋科学系，气候与海—气实验室，北京 100871
^2.天津市气象服务中心，天津市海洋气象重点实验室，天津 300074
^3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地/新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站/新疆沙漠气象与沙尘暴重点实验室，新疆乌鲁木齐 830002
^4.中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃兰州 730020
^5.甘肃省气象局，甘肃兰州 730020
^6.南京信息工程大学大气物理学院，江苏南京 210044

收稿日期:2022-07-03 修回日期:2022-09-09 出版日期:2022-10-10
通讯作者: 张强 E-mail:luzhang19@pku.edu.cn;zhangqiang@cma.gov.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目“化学天气数值预报系统中大气成分与大气宏微观动力、热力和云过程的双向反馈机制与影响研究”(42090031);“青藏高原夏季热源‘北扩’与塔里木盆地‘滞空’沙尘气溶胶辐射加热的关联及对区域降水变异的影响”(4203000543)

Research on the Development of the Deep Atmospheric Boundary Layer, Turbulent Motion, and Dust Stagnation

Lu ZHANG ¹( ), Qianhui LI ¹ ^, ², Lu MENG ³, Qiang ZHANG ⁴ ^, ⁵( ), Hongsheng ZHANG ¹, Qing HE ³, Tianliang ZHAO ⁶

^1.Laboratory for Climate and Ocean-Atmosphere Studies, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China
^2.Tianjin Key Laboratory for Oceanic Meteorology, Tianjin Meteorological Service Center, Tianjin 300074, China
^3.Institute of Desert Meteorology, China Meteorological Administration, Urumqi / Taklimakan Desert Meteorology Field Experiment Station of China Meteorological Administration / National Observation and Research Station of Desert Meteorology, Taklimakan Desert of Xinjiang / Xinjiang Key Laboratory of Desert Meteorology and Sandstorm, Urumqi 830002, China
^4.Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration / Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing Disaster of Gansu Province / Key Open Laboratory of Arid Climatic Change and Disaster Reduction of China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China
^5.Gansu Meteorological Bureau, Lanzhou 730020, China
^6.School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China

Received:2022-07-03 Revised:2022-09-09 Online:2022-10-10 Published:2022-10-18
Contact: Qiang ZHANG E-mail:luzhang19@pku.edu.cn;zhangqiang@cma.gov.cn
About author:ZHANG Lu (1997-), female, Heze City, Shandong Province, Ph.D student. Research areas include atmospheric boundary layer and dust weather. E-mail: luzhang19@pku.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China “Study on the two-way feedback mechanisms and influences between the atmospheric compositions and the atmospheric macro and micro dynamics, thermodynamics and cloud processes in chemical weather numerical prediction system”(42090031);“The ‘northward expansion’ of the summertime heat source from the Tibetan Plateau induced by radiation heating of dust aerosols ‘persistently suspending’ over the Tarim Basin and the influence on regional precipitation variations”(4203000543)

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大气边界层是地球表面与大气之间水热、动量、能量和痕量气体等物质交换和输送的重要通道，在天气和气候的演变过程中有着重要作用。深厚大气边界层现象和特征、形成机理以及天气气候效应是大气边界层研究领域的热点问题，也是科学难题。着眼于对天气和气候高敏感、高影响的极端气候区和特殊地理区域，回顾梳理了深厚大气边界层的观测事实，归纳总结了不同地区深厚大气边界层的成因和影响因素，描述深厚大气边界层演变过程中独特的湍流运动图像，解析探讨了深厚大气边界层演变与沙尘滞空之间的关联。最后，提出了深厚大气边界层的未来研究关注重点和实现突破的4个关键科学问题，以期为更加系统地开展深厚大气边界层研究提供参考依据。

关键词: 深厚大气边界层, 陆—气相互作用, 湍流运动图像, 干旱地区, 青藏高原

The atmospheric boundary layer connects the land surface to the atmosphere through the turbulent exchange of heat, momentum, and trace gases. In addition, it plays an important role in the formation and evolution of weather and climate. The characteristics and formation mechanisms of the deep atmospheric boundary layer have been key focus areas in atmospheric boundary layer research. Focusing on extremely arid regions and special geographical locations, the observational facts and influencing factors of the deep atmospheric boundary layer were reviewed and summarized. Furthermore, a physical description of turbulent motion in the development of the deep atmospheric boundary layer was provided. Using the Taklimakan Desert as an example, the effects of the interactions between the deep atmospheric boundary layer and dust stagnation on weather and climate were discussed. In order to provide a roadmap for future research, this study identified and outlined four key scientific problems related to deep atmospheric boundary layer research.

Key words: Deep atmospheric boundary layer, Land-atmosphere interaction, Turbulent characteristics, Arid regions, Tibetan Plateau.

中图分类号:

P421

图1 敦煌荒漠戈壁地区夏季晴天深厚大气边界层位温廓线特征^{［

36
］}
FA：自由大气；RML：残余混合层；CBL：对流边界层；SBL：稳定边界层；CIL：逆温层顶盖；RCIL：残余逆温层顶盖

Fig. 1 Diurnal variation of potential temperature profile in the atmospheric boundary layer in Dunhuang Gobi Desert under fair-weather conditions in summer^{［

36
］}
FA：Free Atmosphere；RML：Residual Mixed Layer；CBL：Convective Boundary Layer；SBL：Stable Boundary Layer；CIL：Capping Inversion Layer；RCIL：Residual Capping Inversion Layer

图2 青藏高原地区冬季深厚大气边界层（a）和夏季浅薄大气边界层（b）示意图^{［

27
］}
深蓝色虚线：位温（ θ）；黑色实线：水汽（ q）；绿色箭头：地表感热加热

Fig. 2 Schematic illustration of deep atmospheric boundary layer in winter （a） and shallow atmospheric boundary layer in summer （b） over the Tibetan Plateau^{［

27
］}
Dark blue dashed line： potential temperature （ θ）； black solid line： water vapor （ q）； and green arrow： surface sensible heating

图3 大气边界层湍流运动过程示意图^{［

53
］}
CBL：对流边界层，RL：残余层，FA：自由大气；红色实线为位温廓线；数字代表不同的边界层过程：

①

贯穿对流；

②

热泡溢出对流边界层顶，到达残余层并返回；

③

热泡穿透残余层，到达自由大气并返回

Fig. 3 Schematic illustration of turbulent motions in the atmospheric boundary layer^{［

53
］}
CBL： Convective Boundary Layer， RL： Residual Layer； FA： Free Atmosphere； Red line represents the profile of potential temperature； The numbers indicate different boundary-layer processes：

①

penetrative convection；

②

overshooting thermals detrain from the CBL top， reach the RL， and return；

③

overshooting thermals penetrate the RL， reach the FA， and return

图3 大气边界层湍流运动过程示意图^{［

53
］}
CBL：对流边界层，RL：残余层，FA：自由大气；红色实线为位温廓线；数字代表不同的边界层过程：

①

贯穿对流；

②

热泡溢出对流边界层顶，到达残余层并返回；

③

热泡穿透残余层，到达自由大气并返回

①

penetrative convection；

②

overshooting thermals detrain from the CBL top， reach the RL， and return；

③

overshooting thermals penetrate the RL， reach the FA， and return

图4 对流边界层与残余层之间的正反馈循环增长形成深厚大气边界层示意图^{［

79
］}

Fig. 4 Schematic illustration of deep atmospheric boundary layer formed by the positive feedback between the convective boundary layer and the residual layer^{［

79
］}

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