利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

摘要

青藏高原地区特殊的地形造就了高原边界层的独特性和复杂性。其强大的热力和动力作用对中国东部、南部地区甚至全球天气和气候都有着重要影响。而青藏高原对大气的作用是通过其边界层对大气造成影响的。受到青藏高原观测条件的限制，以往关于高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测，对青藏高原边界层的整体性认识受限。 GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性，其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007-2013年COSMIC掩星资料，通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度，并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上，对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究，比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别，讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。 结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786，平均值偏差为0.049 km，均方根误差为0.363 km，COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。 青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征，高原中西部边界层高度主要为1.8-2.3 km，而高原东部边界层为1.4-1.8 km，最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异，冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区在降低，但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升，最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始增大，大部分地区超过1.8km;秋季又开始回落。高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区，北部的沙漠地区边界层高度在夏季最强，南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。 高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动，为边界层的发展提供了动力条件，而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比，空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候，或者云中液态水或冰水含量较大时，用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。 本文利用COSMIC掩星观测资料研究高原边界层高度，探讨了其形成机制，从整体上认识了高原边界层特征，弥补了以往观测资料的不足，以期为青藏高原边界层的参数化提供一些参考和依据。在将来的研究工作中还将发展更为完善的算法，将更多的GPS掩星资料应用于青藏高原边界层的研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 边界层气象学的发展

1．2．2 边界层的分类

1．2．3 边界层的研究方法和观测手段

1．2．4 边界层对天气和气候影响的研究进展

1．2．5 青藏高原边界层的研究进展

1．3 论文主要研究内容

第二章 COSMIC掩星资料介绍

2．1 COSMIC系统介绍

2．2 COSMIC掩星探测原理

2．3 COSMIC掩星反演原理

2．4 本章小结

第三章 利用COSMIC掩星资料研究边界层的方法

3．1 研究数据

3．2 研究方法

3．3 有效性验证

3．4 尖锐度分析

3．5 本章小结

第四章 边界层高度时空分布分析

4．1 青藏高原边界层空间分布特征

4．2 温度和水汽对折射率梯度的相对重要性

4．3 边界层高度季节变化

4．4 本章小结

5．1 形成机制

5．2 最小梯度法检测边界层高度的不确定性分析

5．2．1 系统性逆温的影响

5．2．2 云的影响

5．3 低层大气稳定度特征

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

6．3 存在的问题与未来研究

参考文献

附录

致谢