【摘 要】
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大气边界层是地表和自由大气间能量和物质交换的重要通道。青藏高原的大气边界层运动能影响高原上对流层和下平流层区域的大气过程。青藏高原冬春季深厚边界层（边界层高度达到4000 m以上）为对流层-平流层之间的物质交换（STE）提供有利的条件。本文首先利用1979-2018年ERA5再分析资料分析了青藏高原深厚边界层的时空分布特征,探究了热力与动力因子对边界层发展的影响,并利用“中日气象灾害合作中心”研究
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大气边界层是地表和自由大气间能量和物质交换的重要通道。青藏高原的大气边界层运动能影响高原上对流层和下平流层区域的大气过程。青藏高原冬春季深厚边界层（边界层高度达到4000 m以上）为对流层-平流层之间的物质交换（STE）提供有利的条件。本文首先利用1979-2018年ERA5再分析资料分析了青藏高原深厚边界层的时空分布特征,探究了热力与动力因子对边界层发展的影响,并利用“中日气象灾害合作中心”研究项目（JICA）在青藏高原改则地区开展的季风前第一阶段（IPO1）期间2008年3月10日的探空和地表热通量的资料,以及英国气象局的大涡模式（LEM-version2.4）模拟了高原大气边界层的结构和演变特征。通过改变LEM模式大气急流高度的敏感性试验,分析了高空风切变对高原边界层湍流结构以及深厚边界层形成的影响;进一步通过改变大气密度的敏感性试验,探究了高原较低的空气密度对深厚边界层形成的影响。在此基础上,利用ERA5再分析资料,探究了青藏高原深厚边界层对近地面臭氧浓度的影响;并利用WRF-Chem模式模拟研究了青藏高原2008年2月27日边界层顶与对流层顶折卷区的相对位置的变化对高原近地面臭氧的定量影响,进一步利用LEM模式模拟该个例的湍流传输特征,揭示了深厚边界层湍流将高空臭氧向地面输送的机理。论文研究得到的主要结论如下:（1）冬春季青藏高原深厚边界层的发生频率明显高于夏秋季,从12月到3月逐渐增加,之后逐渐减少。在空间分布上,深厚边界层主要发生在高原西部地区。高原冬季地表感热通量较小,风切变对对流边界层的发展起主要作用;在春季地表感热通量增大,成为驱动边界层发展的主要因素。当高空风切变较大时,高空的大气稳定度减小,其水平方向的湍流动能明显较垂直方向的强,由风切变形成的高空湍流向下混合,与边界层向上发展的湍流耦合,有利于深厚边界层的发展。（2）青藏高原海拔较高,空气稀薄,较低的空气密度也是高原深厚边界层形成的重要原因。通过改变大气密度的LEM敏感性试验,发现当大气密度减小时,边界层明显增厚。湍流动能收支项中的浮力项与切变项增加,在夹卷层中的增加最明显。青藏高原稀薄的空气受到热力和动力扰动,更容易形成湍流,边界层顶的夹卷作用增强,促进了深厚边界层的形成。（3）WRF-Chem模式模拟的2008年2月27日青藏高原改则上空边界层顶与对流层顶相互接近,边界层内臭氧显著增加,部分区域形成了从对流层顶到地面的臭氧柱。当对流层顶折卷空气进入边界层时,由湍流混合导致的臭氧垂直输送会使得高原近地面臭氧在短时间内出现5 ppb左右的增量,而且影响臭氧变化趋势的混合项的增加速率随着对流层顶与边界层的距离减小而增加。LEM的模拟结果显示,在模拟过程中,6000 m高度出现了与边界层不连续的湍流层,并且高空湍流随时间向上向下发展。该湍流层是由对流层顶附近较强的水平风速切变形成的,平流层内的臭氧通过该湍流层的垂直混合作用向下传输,当高空湍流与边界层湍流耦合时,边界层内较强的湍流将高层臭氧向近地面传输,使得近地面臭氧浓度增加。
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