利用飞机和GPS探测对北冰洋上空大气边界层高度特征的分析外文翻译资料

ATMOSPHERIC AND OCEANIC SCIENCE LETTERS, 2011, VOL. 4, NO. 2, 124130

Analysis of Atmospheric Boundary Layer Height Characteristics over the Arctic Ocean Using the Aircraft and GPS Soundings

DAI Cheng-Ying1, 2, GAO Zhi-Qiu1, WANG Qing3, and CHENG Gang4

1

State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry (LAPC), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

2

Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

3

Naval Postgraduate School, CA 93940, USA

4

Department of Environment Science and Technology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China

Received 27 January 2011; revised 25 February 2011; accepted 28 February 2011; published 16 March 2011

Abstract Utilizing aircraft sounding data collected from the Surface Heat Budget of the Arctic Ocean (SHEBA, 1998) campaign, the authors evaluated commonly-used profile methods for Arctic ABL height estimation by validating against the lsquo;truersquo; ABL height from aircraft sounding profiles, where ABL height is defined as the top of the layer with significant turbulence. Furthermore, the best performing method was used to estimate ABL height from the one-year GPS soundings obtained during SHEBA (October 1997–October 1998). It was found that the temperature gradient method produces a reliable estimate of ABL height. Additionally, the authors determined optimal threshold values of temperature gradient for stable boundary layer (SBL) and convective boundary layer (CBL) to be 6.5 K/100 m and 1.0 K/100 m, respectively. The maximum ABL height during the year was 1150 m occurred in May. Median values of Arctic ABL height in May, June, July, and August were 400 m, 430 m, 180 m, and 320 m, respectively. Arctic ABL heights are clearly higher in the spring than in the summer.

Keywords: aircraft sounding, Arctic boundary layer, boundary layer height, GPS sounding, turbulence

Citation: Dai, C.-Y ., Z.-Q. Gao, Q. Wang, et al., 2011: Analysis of atmospheric boundary layer height characteristics over the Arctic Ocean using the aircraft and GPS soundings, Atmos. Oceanic Sci. Lett., 4, 124–130.

1 Introduction

The Arctic Ocean, being covered with ice for most of the year, is an area sensitive to global change. Its climate system includes interacting processes of the atmosphere, ocean, land, ice, and biosphere and plays an important role in global atmospheric circulation and climate change. The Arctic is also an important region with regards to energy exchange, the study of which helps inform the role of the Arctic in global climate and environmental change. Additionally, it is of great significance for improving weather, climate, and nature disaster forecasts (Adams et al., 2000). Investigation of atmospheric boundary layer (ABL) structure over the Arctic Ocean is an important

Corresponding author: GAO Zhi-Qiu, zgao@mail.iap.ac.cn

issue in Arctic science. ABL structure is different there than in middle and lower latitude regions because of the different thermal and dynamic characteristics over this particular underlying surface. Understanding the Arctic ABL structure can not only enrich ABL theory but also can contribute to improving the accuracy and precision of regional and global climate models. Revealing the characteristics of the Arctic ABL height contributes to our understanding of ABL structure over Arctic Ocean. Both modeling and experimental work on ABL height in the Arctic has been performed (Handorf et al., 1999; Steene-veld et al., 2006); however, the lack of a long time series of observational data prevented a better understanding of the characteristics of Arctic ABL height and its seasonal variation.

The data most frequently used to estimate ABL height (h) is from rawinsondes, which are the most commonly used tool for sensing ABL structure and have long been operationally deployed globally. The defining difference between the ABL and the free atmosphere is the presence of turbulence in the ABL. Turbulence measurements are normally not available from rawinsondes, thus, h is usually obtained from rawinsonde temperature, humidity, or wind profiles. For a given type of ABL, there are some common characteristics in the gradients of mean temperature, humidity, and wind; however, the separation between the ABL and the free troposphere is not always clear from these mean profiles. Hence, the choice of variable and the value of detection criteria may introduce large variations in the resultant h. Aircraft observations that include simultaneous measurements of mean and turbulent quantities can provide this capability; bound-ary-layer top is defined as the highest level of continuous turbulence, which can be determined by these aircraft with accuracy of about 10 m or less (Wang et al., 1999). Using turbulence measurements provided by aircraft observations, we①1 evaluated the limitations of several frequently used approaches for defining h from vertical pro-

1

①

Dai, C., Q. Wang, D. H. Lenschow, et al., 2011: Detecting boundary layer height from aricraft and rawinsonde measurements, 19th Sympo-

sium on Boundary Layers and Turbulence: Session 11B Boundary-layer Processes V, Bound.-Layer Meteor., under revision.

NO. 2 DAI ET AL.: ABL HEIGHT OVER THE ARCTIC OCEAN 125

files and identified the optimal threshold value for each method under different ABL conditions. In that paper, we used data collected over several underlying surfaces in low and middle latitude regions, but data over the Arctic sea-ice surface were not presented.

Surface Heat Budget of the Arctic Ocean Experiment (SHEBA) provided an

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

《大气与海洋科学快报》，2011年，第4卷，第2期，124 -130

利用飞机和GPS探测对北冰洋上空大气边界层高度特征的分析

代成颖^1,2，高志球¹，WANG Qing³，程刚⁴

（1 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室，北京100029；2中国科学院研究生院，北京100049；3 海军研究生院，CA 93940，美国；4 南京信息工程大学环境工程学院，南京210044）

2011年1月27日收到;2011年2月25日修订;2011年2月28日批准;2011年3月16日出版

摘要 利用从北冰洋表面热量平衡(SHEBA,1998)运动收集的飞机探测数据,作者通过与从飞机探测廓线中得到的“真实”ABL高度做验证,评估了常用的估计北极ABL高度的廓线方法， “真实”的ABL高度被定义为有明显湍流的气层的顶部。此外根据1997年10月至1998年10月在希巴（SHEBA）获得的一年GPS探测结果，采用最佳的方法估计ABL高度。结果表明，采用温度梯度法可以得到一个可靠的ABL高度估计值。此外，作者还确定了稳定边界层(SBL)和对流边界层(CBL)的最优的温度梯度阈值分别为6.5 K/100 m和1.0 K/100 m。一年内最高ABL高度为1150米，发生在5月份。5月、6月、7月、8月北极ABL高度中值分别为400 m、430 m、180 m、320 m。北极的ABL高度在春季明显高于夏季。

关键词 飞机探测；北冰洋边界层；边界层高度；GPS 探测；湍流

引文 代成颖，高志球，WANG Qing，等，2011:利用飞机和GPS探测对北冰洋上空大气边界层高度特征的分析.海洋科学.图书页码,4,124 - 130。

1 引言

北冰洋是一个对全球变化敏感的地区，其一年中大部分时间都被冰所覆盖。其气候系统包括大气、海洋、陆地、冰和生物圈的相互作用过程，在全球大气环流和气候变化中发挥着重要作用。北极也是一个重要的能源交换地区，此研究有助于确定北极在全球气候和环境变化中的作用。此外，它对于改善天气、气候和自然灾害预测具有重要意义(亚当斯，等，2000)。北冰洋上空的大气边界层（ABL）结构的研究在北极科学中一个重要的问题。由于在这一特定的下垫面上的不同的热力和动力特性，ABL结构不同于中纬度和低纬度地区。了解北极ABL的结构不仅可以丰富ABL理论，而且有助于提高区域和全球气候模型的准确性和精确性。揭示北极的ABL高度特征有助于我们对北冰洋上空ABL结构的理解。北极的ABL高度的建模和实验工作已经完成(汉多夫，等，1999;斯泰恩-维尔德，等，2006);然而，由于缺乏长时间序列的观测数据，无法更好地了解北极ABL高度的特征及其季节变化。

通讯作者:高志球，zgao@mail.iap.ac.cn

最常用的估计ABL高度(h)的数据来自无线电探空测风仪, 它是检测ABL结构最常用的工具并且长期以来在全球范围内被广泛应用。ABL和自由大气的定义区别是ABL中存在湍流。湍流测量通常无法从无线电探空测风仪中获得，因此，高度h通常从无线电探空测风仪的温度、湿度或风廓线获得。对于一种给定的ABL类型，平均温度梯度、湿度和风有一些共同的特征;然而，从这些平均廓线上看，ABL和自由对流层之间的区别并不总是清晰的。因此，变量的选择和探测标准的取值可能会给最终的h带来很大的变化。包括同时测量平均量和湍流量的飞机观测可以提供这种能力;边界层顶部被定义为存在连续湍流的最高层，这个高度可由这些精度约10米或更低的飞机确定(Wang，等，1999)。使用由飞机观察所提供的湍流测量,我们①评估了几个常用的通过垂直廓线定义高度h的方法的局限性，并确定了不同ABL条件下每种方法的最优阈值。在那篇论文中，我们使用了在低纬度和中纬度地区的几个下垫面收集的数据，但是没有提供北极海冰表面的数据。北冰洋实验(希巴)的地表热量收支为北极地区提供了一个前所未有的大数据库。在这篇文中，通过利用从SHEBA采集的飞机探测数据，我们确定了一种估算北极ABL高度的稳定的廓线方法。此外，为了检验北极ABL高度的特征，从SHEBA运动(1997年10月- 1998年10月)获得的一年GPS探测数据中，我们使用这种方法来估算ABL高度。

1. 代成颖, WANG Qing , D. H. Lenschow, 等, 2011: 从飞机和无线电探空测风仪测量中探测边界层高度,第19届边界层与湍流的专题讨论会: 11B边界层过程V的会话, 边界层气象学, 修订中.

2 资料

2.1 GPS探测数据库

希巴冰站位于加拿大格罗塞利群岛破冰船附近，它被冻结在北冰洋的浮冰中(图1a)。从1997年10月中旬到1998年10月初,它从75.43°N,144.01°W 漂移到80.28°N,165.49°W(图1b)并且生成一年的高分辨率GPS探测数据。在实验过程中，无线电探空测风仪在夏季每天被释放4次(当地时间5:15、11:15、17:15、23:15)，在其他时间每天释放2次(当地时间11:15、23:15)，偶尔再释放1次(当地时间5:15或17:15)。总共有568个GPS探测结果是有用的，包括263个稳定边界层(SBL)和305个对流边界层(CBL)情况。

图1 (a) 活动场地(b) GPS测深位置(c) SHEBA实验RF02和RF16的飞行轨迹。

2.2飞机探测数据库

SHEBA飞机数据集包括在春季(1998年5月4日至27日)和夏季(1998年7月8日至29日)进行的16次飞行(RF01 - RF16)。飞机的测量通常在日间进行，航速约为100米每秒;测量内容包括ABL中的水平飞行和穿透ABL顶部的垂直探测。在这里，我们使用在25hz抽样的高速率垂直探测数据来研究北极地区的ABL高度特征。由于现有的高速湍流数据不是连续的，所以只使用了RF02、RF04、RF05和RF16四次飞行，其中RF04和RF05的飞行轨迹与RF02相似。RF02的飞行轨迹和RF16的飞行轨迹(图1c)显示飞机领域站点位于约76°N,165°W。六次飞机探测的详细信息列于表1。

表1 从SHEBA获得的飞机探测的数据信息

3结果与讨论

3.1用湍流法确定ABL高度

由平均风切变和浮力通量所产生的湍流是定义ABL特征的。ABL高度定义为湍流减小的高度。图2显示了探测的两个例子，它们代表了来自希巴的典型的稳定边界层高度SBL和对流边界层高度CBL的垂直廓线。探测信息详见图2和表1。带有初始变量的面板(如u， v， w)显示了对应的风分量(u, v, w)扰动场的垂直变化，这些可以表示湍流的强度的扰动，是通过高通量小波滤波器去除缓慢变化的波所得到的(Wang et al., 1999; Wang and Wang,2004).。由图2e1-g1和2e2-g2可知，湍流强度随上边界层高度的增加而急剧减小。这里,连续小波方法①被用来自动检测湍流的大幅下降并求出所有小波尺度下小波振幅最大的位置/高度，用图中红线表示。下标“Tur”表示湍流法的结果，被认为是“真实”ABL高度，可作为评价其他廓线法的标准。

图2

从希巴飞机测量得到的SBL和CBL垂直廓线的例子:(a)虚位温(K), (b) u风速分量(K / 100 m), (c) v风速分量(), (d) w风速分量(), (e) u微扰动(), (f) v微扰动()和(g) w微扰动();(e1-g1)和(e2-g2)上的黑线表示。

3.2 CBL高度

在探测数据的基础上，很多方法被用来估算CBL高度;例如，常用的是温度梯度法(TGRD)和理查森数法(Ri)。TGRD方法用于将水平温度梯度第一次超过一定的阈值的h作为大气边界层高度。基于连续湍流在临界理查森数以上消失的假设，提出了一种利用探测数据求h的方法——Ri法。然而,有相当大的不确定性在这两个方法①选择一个合适的临界值有相当大的不确定性。

使用了在北方生态-大气研究(BOREAS,1997)和太平洋大气硫实验(PASE,2007)期间，在CBL中的大量的飞机探测,我们系统地测试了在TGRD 和Ri方法中h的标准敏感性和变量①。结果表明，Ri方法在CBL的h估计中存在较大的误差。类似的结果如图3 a1-d5所示，这是从SHEBA运动中得到的5个CBL探测结果，其中Ri方法在SHEBA CBL情况下效果较差。因此，我们不推荐用这种方法估计CBL高度。对于北风和PASE情况下的温度梯度法,显示最优标准范围分别是0.6 - 0.8 K / 100m和1 - 1.8 K / 100 m。三种统计方法被用来作为高纬度地区海冰表面模型，从而检验这些临界值对SHEBA活动场地CBL的适用性(高，等， 2004)。

（1）

（2）

（3）

其中，n为样本数(n=5);、、为hTGRD对的偏差、标准差、归一化标准差。由表2可知，对于0.7-1.5 K/100 m范围的临界值，得到的hTGRD值变化不大，无显著差异。当临界值为1.0 K/100 m时，hTGRD的估计值优于其他临界值，偏差为35.67 m，标准差为53.77 m，归一化标准差为10%。

3.3 SBL高度

对于SBL情况，由于负浮力通量消耗湍流动能，表面附近的湍流仅由平均风切变产生。使用射流最大值来定义稳定边界层（SBL）顶有时会产生冲突的结果，并且与来自其他方法的结果不一致。Hyun，等.(2005)提出了一种风切变方法(WDS)来估计SBL高度，如式(4)所示，其中为风切变的检测标准，U和V分别为东西方向和南北方向的平均风分量。除了基于垂直风廓线和Ri的方法,SBL高度从使用各种标准的温度廓线中定义出来。大多数标准基于不同的垂直分辨率和可用数据集的准确性。

（4）

我们使用源于1999年的合作性的大气-地表交换研究(CASES99)和BOREAS实验①的飞机探测去系统地评估SBL高度的估算方法。由于和的廓线实质性差异，TGRD方法在SBL上的应用不同于CBL。如果SBL顶存在，与相比,SBL顶被定义为第一次变得小于指定阈值且大于当地最大值的高度。通过各种统计方法，TGRD、WDS和Ri方法的适用临界值范围(最优临界值)分别为5-8 (6.5)K/100 m、0.055-0.075 (0.065)和0.25-1.25(0.5)。利用

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[18494]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word