城市边界层的垂直结构与湍流交换是影响城市通风、污染物扩散及高温持续的关键物理过程。阐明其动力热力特征与演变规律，对认识城市大气环境变化和改进边界层参数化具有重要意义。依托北京325 m气象塔长期多层观测，中国科学院大气物理研究所王琳琳研究团队开展了城市夜间边界层垂直结构长期演变及热浪期间动量逆梯度输送与降温响应研究。

城市发展背景下夜间边界层垂直结构的长期变化及其环境意义

基于北京325 m气象塔1991—2021年冬季夜间多高度风温观测，研究城市边界层风场垂直结构、热力稳定度及其长期演变，采用隐马尔可夫模型识别通风型、弱风型和层结型三类典型垂直结构，进一步分析其出现频率、湍流交换特征及转换路径的变化。研究发现，通风型出现比例由26%增至35%—36%，层结型由35%降至21%—24%，弱风型始终保持较高比例。弱风型稳定度逐渐接近通风型，而层结型仍保持较强稳定层结和显著的垂直风速差异。层结型上层虽具有较高湍流动能，垂直动量交换仍受到限制。层结型直接向通风型转换前具有更强的上层风场，转换过程中伴随整层风速增强、稳定度降低及水汽减少 (图1)。

图1 城市夜间边界层不同垂直结构转换过程的动力热力演变特征

研究揭示了城市化进程中边界层长期变化不仅体现在平均风速和整体稳定度上，还涉及不同垂直结构的出现频率、湍流动量交换及转换路径的调整。特别是提出热力稳定度与垂直动量交换的不同步变化，以及上方风场对稳定层结向通风状态转换的重要作用。本研究为深化认识城市夜间热量、水汽和大气物质的垂直输送与滞留条件提供了观测依据。

该成果以Long-term Evolution of Winter Nocturnal Urban Boundary-Layer Regimes and Transition Pathways over Beijing during 1991–2021 Using 325-m Tower Observations为题发表于Urban Climate期刊，第一作者为中国科学院大气物理研究所王琳琳副研究员和硕士研究生翁羽翃。研究得到中国科学院先导项目（XDB0760200）和国家自然科学基金（42375076）的资助。

热浪期间城市边界层动量逆梯度输送及其降温效应

基于北京325 m气象塔2014—2016年夏季7个高度的高频湍流观测，分析热浪傍晚动量通量与局地风速梯度的关系，研究逆梯度输送（CG）的垂直分布、形成过程及其温度响应。研究发现，热浪期间近地层或上方出现CG的频率由非热浪期间的58.2%增至77.8%，且上下层CG可同时存在，中间高度仍以顺梯度输送为主。近地层CG的形成主要源于湍流动量通量符号反转，而非局地风速梯度反转。不同CG垂直配置对应不同的降温响应，其中仅下层出现CG时，随后1小时8 m气温相对偏高0.31 ℃，相当于参考状态中位数降温幅度的38% (图2)。

本研究揭示了热浪傍晚城市边界层动量逆梯度输送的垂直分层特征及其形成途径，建立了近地层动量通量方向变化与短时降温受限之间的观测联系，为认识城市热浪期间的动力热力交换过程及改进湍流动量输送参数化提供了科学依据。

图2 热浪期间城市边界层动量逆梯度输送的垂直分布及其降温响应

该成果以Vertical organization of counter-gradient momentum transport associated with heatwave evening cooling in the urban boundary layer over Beijing为题发表于Atmospheric Research 期刊，第一作者为中国科学院大气物理研究所王琳琳副研究员，通讯作者为程雪玲研究员。研究得到国家自然科学基金（42375076）和国家重点研发专项（2023YFC3705303）的资助。

文章信息：

Wang, L., Weng, Y., Cheng, X., Gao, Z., Yang, A., Tao, Y., and Wan, B., 2026: Long-term evolution of winter nocturnal urban boundary-layer regimes and transition pathways over Beijing during 1991–2021 using 325-m tower observations. Urban Climate, 70, 103189. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2026.103189.

Wang, L., Wan, B., Weng, Y., and Cheng, X., 2026: Vertical organization of counter-gradient momentum transport associated with heatwave evening cooling in the urban boundary layer over Beijing. Atmospheric Research, 345, 109366. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2026.10936.