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本论文采用飞机观测湍流数据,通过分析大气边界层(ABL)顶的小尺度湍流结构,来研究层积云覆盖边界层(STBL)顶部的夹卷层特征,尤其是云顶多界面层分布结构；进而研究ABL高度的确定方法,为模式中ABL过程的参数化奠定基础。全文包含以下三个方面的内容:STBL顶部夹卷层的结构特征分析,风切变对STBL顶部夹卷层结构的影响以及ABL高度确定方法的研究。各部分的研究内容和主要结论概括如下:
1)STBL顶部夹卷层结构特征分析.采用(Atlantic Stratocumulus Transition Experiment ASTEX)试验飞机探空数据,通过分析云顶过渡层的热动力学特征和夹卷混合特征,将夹卷层定义为虚位温存在明显扰动的区域。而后采用Harr小波变换方法,通过计算连续小波变换系数以及经验概率和累计概率分布确定了云顶各界面高度,给出其分布结构。结果表明,夹卷层包括固态云层下方14m至其上方25m的区域。夹卷层内一直存在湍流,只是湍流强度在逆温层底部开始向上逐渐减弱。因此,采用与云顶或者逆温相关的界面定义夹卷层时会低估夹卷层厚度。
2)风切变对STBL顶部夹卷层结构的影响.采用Physics of the Stratocumulus Top(POST)试验飞机探空数据,分析了强弱风切变下夹卷层的热动力学特征和夹卷混合特征,研究了风切变对云顶各界面层厚度,各界面高度及其空间分布的影响。结果表明,云顶风切变有助于产生湍流,能够增强云顶过渡层内大气的夹卷混合,进而减弱逆温强度,缩小逆温高度与湍流层顶之间距离。风切变产生的湍流能够促使云顶多界面分离,使夹卷层、稀薄云层和逆温层厚度明显增加。当云顶处存在强风切变时,局地强风切变还能够在云顶上方产生间歇性湍流。
3)ABL高度确定方法研究.采用四种基于温度,风和湿度的常用廓线方法估算ABL高度,通过与飞机探空湍流数据定义的“真值”ABL高度相比较,确定这四种廓线方法对于不同类型边界层(陆地稳定边界层,陆地对流边界层,海洋对流边界层和云覆盖边界层)的适用性。还通过将初始飞机探空数据进行不同程度平滑处理,研究了ABL高度确定方法对数据垂直分辨率的敏感性。结果表明,即使在数据垂直分辨率较低时,理查森数法所得估算结果也相比其它方法较差。对于所有类型ABL,温度梯度法都可以给出合理的ABL高度估算值。基于此研究结果,将温度梯度法应用于Surface Heat Budget of the Arctic Ocean Experiment(SHEBA)期间获取的一年连续性GPS探空观测资料,分析了北极地区ABL高度特征。结果表明,北极地区ABL高度特征不同于其它地区,春季ABL高度明显高于夏季。