土壤湿度和海拔高度对中国夏季边界层高度的影响及其区域性差异

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大气边界层高度(PBLH)是表述边界层结构的关键变量之一,在垂直湍流混合、大气边界层对流运动和陆-气耦合中起着决定性的作用。然而鲜有研究能系统地阐述边界层高度在大区域复杂地表状态下的空间差异及其影响因素。本文基于高垂直分辨率的5年(2012-2016年)夏季L波段全国秒级探空资料网络,结合三种主流的再分析资料,采用Liu-Liang法研究了全国范围内不同时次不同热力状态下PBLH的空间特征及区域性差异。在此基础上,重点探讨了土壤湿度及海拔高度对其作用的区域性差异,并从热力、动力的角度探讨了相关物理机制,主要结果如下:(1)主流的ERA5、FNL以及CERA-SAT再分析资料均无法刻画出PBLH的日循环及同一时次不同热力状态下PBLH特征。中国PBLH日循环中,1400BJT(日间)PBLH最高,呈“西北高东南低”的空间型,有较大的区域性差异。进一步将边界层按热力状态分为对流(CBL)、中性(NBL)以及稳定边界层(SBL),研究发现日间边界层多以对流状态为主,但仍存在相当数量的SBL,而异常偏湿的整层大气和较多的云量会抑制边界层的发展,很可能会导致日间SBL的发生,而全国范围内,ERA5更接近实际观测的日间CBL及NBL高度。(2)边界层高度对土壤湿度(SM)的依赖性存在区域性差异,日间CBL与NBL高度在干区与气象要素更密切,在湿区与SM更密切。日间CBL与NBL高度和SM之间普遍存在较强的负相关,呈“西北弱东南强”的空间型,区域性差异较大,这与SM和感热通量(SHF)之间的负相关关系有关;相反,日间SBL高度与SM呈正相关。此外,多云、潮湿、稳定的大气导致CBL与NBL变浅。SHF在干区和边界层高度之间的相关性强于湿区(干区CBL:0.25,NBL:0.33;湿区CBL:0.16,NBL:0.18)。(3)全国范围内,海拔高度与日间CBL高度呈正相关,这种相关性有较强的区域性差异,日间CBL高度在干区对海拔高度变化更敏感。同纬度带海拔高度与感热潜热通量总和(SHF+LHF)及100m风速也呈一定的正相关,相关系数分别为:0.59和0.49。高海拔地形区有更大的SHF以及风速,它们的共同作用导致边界层内湍流混合作用增强,从而促进CBL发展。干区低的SM导致LHF占比较少,SHF占比较高,而湿区相反。SHF加热大气,抬升边界层,而LHF会抑制边界层的发展,因此干区日间CBL高度对地形变化更敏感。可以得到SM与海拔高度联合作用于边界层高度的两条途径:第一,热力途径:海拔高度影响陆面接收总能量,而SM影响能量分配,从而影响PBLH;第二,动力途径:海拔高度升高导致风速增加,进而湍流混合作用增强,边界层变厚,反之亦然。(4)区域天气气候研究和预测模式能较好地模拟中国边界层高度日平均特征,在模式中采用多参数化方案的集合平均可以显著地减少偏差。中国夏季边界层高度对模式的物理过程非常敏感,其中对边界层参数化方案最为敏感,其次是陆面过程和辐射方案。模式的模拟结果有较大的区域性差异,因此我们为不同地理、干湿分区推荐了不同的模式参数化方案配置。本文主要关注了土壤湿度及海拔高度对中国夏季边界层高度影响的空间差异,为研究不同区域边界层高度的影响因子提供基础,并为模式参数化方案及再分析资料的选择提供依据。
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