大气边界层是地气能量、物质与动量垂直-水平交换最剧烈的圈层，深刻影响着天气过程的触发、气候系统和长期演变与环境污染的时空分布，是与人类活动联系最为紧密的圈层。探测研究复杂下垫面大气边界层热力、动力与物质结构演变可为相关研究提供基础依据。
我所辛金元研究团队与内蒙古自治区生态环境监测总站合作，在我国西部乌海地区（贺兰山、甘德尔山、桌子山组成的三山两谷地形，以及与乌兰布和沙漠、黄河、乌海湖交错分布，构成了非常复杂的下垫面）开展高分辨率探测发现：热力边界层高度与地面温度的日变化密切相关，夏季白天对流边界层可达3500米，夜间稳定边界层高度可达1500米，脱地逆温层出现在100-400米高度。动力边界高度白天湍流发展可上升至1500米，夜间层流下降到1000米左右波动，且因局地山谷风影响，在100-800米高度也出现层流，近地面与边界层上层出现较大风切变。物质边界层探测可以清晰判断夏季日间混合层高度最高可达3500米，夜间残留可维持在2000-2500米，1500米以下气溶胶分布受稳定边界层发展影响。
研究表明，分钟级/10米级高分辨率探测可以发现边界层与自由大气的交换区域，其中热力交换区域大于动力交换区域，而物质边界层与自由大气的气溶胶层分界线相对稳定且清晰，物质交换弱于热力与动力交换。阴雨天气过程对热力边界层与物质边界层高度发展影响较大。整体而言，大气边界层发展主要受热力驱动，下垫面和地形调节动力边界层结构演变，物质边界层发展受控于局地热力与动力的共同作用。
该研究得到中国科学院战略先导专项（XDB0760100）与内蒙古自治区重点研发（2022YFHH0116）等项目的联合资助，近期发表于美国地球物理学会期刊Journal of Geophysical Research: Atmospheres，并被收录于Recent Progress in Atmospheric Boundary Layer Turbulence and Implications to Surface-Atmosphere Exchange学术特辑新进展。文章第一作者为联培博士生谭玉龙，通讯作者辛金元研究员。
图1. 乌海复杂下垫面地形特征与大气边界层高分辨率垂直探测
图2. 热力边界层在1分钟分辨率下的不同垂直分辨率（50、100、150m）结构演变
图3. 动力边界层在5分钟分辨率下的不同垂直分辨率（50、100、150m）结构演变
图4. 物质边界层不同时间分辨率（5分钟、20分钟、60分钟）下的结构演变
图5. 大气边界层热力、动力、物质结构日变化特征及不同类型边界层之间的关系
图6. 复杂下垫面不同类型边界层日夜发展差异示意图
Yulong Tan, Jinyuan Xin, Xiang Qin, Yongjing Ma, Jianzhong Xu, Yuming Du, Chunlin Shang, Liyuan Zhao, Yongli Tian, Qingyun Fan, XingjunZhou, Yuanzhe Ren, Peng Wang, Feng Hao, Ninglu Yin, Xinbing Ren, Kecheng Peng, Danjie Jia, Xiaole Pan, Jie Li, Zifa Wang, Asim Qayyum Butt. Differences among Thermal, Dynamic, and Material Boundary Layers over Complex Terrain. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2025, 130(9), e2024JD043043 .
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发表于 2025-5-13 10:39:08
