《Atmospheric Research》：Vertical organization of counter-gradient momentum transport associated with heatwave evening cooling in the urban boundary layer over Beijing
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•热浪夜晚逆梯度对流分支被下游中间层所分隔。•仅下层存在的逆梯度对流与持续1–2小时的较弱近地表冷却相关。•下层分支的起始反映了动量通量的反转，而非风速梯度的反转。引言城市热浪给城市带来了日益严峻的挑战，因为热暴露效应可能持续超出日间最高温时段。这种持续性通常归因于城市热量的
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热浪夜晚逆梯度对流分支被下游中间层所分隔。
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仅下层存在的逆梯度对流与持续1–2小时的较弱近地表冷却相关。
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下层分支的起始反映了动量通量的反转，而非风速梯度的反转。
引言
城市热浪给城市带来了日益严峻的挑战，因为热暴露效应可能持续超出日间最高温时段。这种持续性通常归因于城市热量的储存与释放以及受限的通风条件（Oke, 1982; Grimmond and Oke, 1999; Li and Bou-Zeid, 2013; Oke et al., 2017），而地表干燥和大气热量积累则可能进一步延缓热浪期间热量的恢复（Miralles et al., 2014; Ramamurthy et al., 2017）。北京及其他城市的研究进一步表明，热浪的热响应随城市形态、湿度、热通量、风速、大气稳定性和热浪类型而变化（Wang and Li, 2019; Fenner et al., 2019a, Fenner et al., 2019b; Zong et al., 2021; Haeffelin et al., 2024; Huang et al., 2025; Guo et al., 2026; Patnaik et al., 2026; Duan et al., 2026）。这些研究阐明了日落后冷却为何可能被延迟的原因，但它们主要刻画的是地表或近地表的温度响应或边界层总热量收支，因此无法解析从日间加热过渡到夜间冷却过程中湍流交换如何随高度组织。
午后到傍晚的过渡并非仅由地表热通量反转而决定的瞬时变化。地表冷却和近地表稳定化可能开始发生，同时湍流、风和残余对流运动在高空继续演变（Busse and Knupp, 2012）。多平台观测表明，温度方差、垂直速度方差和水平风方差以不同速率衰减，表面层以上的变化可持续至日落之后（Wingo and Knupp, 2015）。Blay-Carreras等（2014）进一步观测到，在傍晚过渡期间，运动学热通量的变化与相应的局地温度梯度变化之间存在30–80分钟的延迟。这种时间偏移表明，随着日间湍流的衰减，局地通量-梯度关系可能会暂时出现不一致。在城市环境中，垂直方向的演变可能因地表不均匀性、热量储存、空气动力粗糙度和机械生成的湍流而更加复杂。城市高塔和遥感观测表明，剪切和浮力在不同高度可能做出不同的贡献，且高空的湍流可能不遵循从地表观测推断出的演变规律（Barlow et al., 2015; Halios and Barlow, 2018）。因此，地表温度、单层通量和整体湍流度量无法区分垂直方向一致的交换响应与分层配置——即低层和高层表现不同的情形。
逆梯度动量传输为诊断这种偏离局地流向通量-梯度关系的情形提供了工具。局地闭合通常将湍流动量传输表示为与局地平均风速梯度成正比且方向相反的关系（Stull, 1988; Kaimal and Finnigan, 1994）。在本研究采用的流向框架中，当动量通量与局地垂直风速梯度同号时，即发生逆梯度对流，这与局地顺梯度关系相反。然而，有组织的、非局地的、垂直再分配的运动仍然可以产生偏离局地梯度扩散的行为（Deardorff, 1966, Deardorff, 1972; Holtslag and Moeng, 1991; Holtslag and Boville, 1993）。浅对流和有组织的边界层流的数值模拟记录了逆梯度动量传输现象及其随高度显著变化的出现情况（Dixit et al., 2021; Savazzi et al., 2024）。最近，de Roode等（2025）发现，在有风剪切的晴朗对流边界层中存在负的诊断涡动黏性，表明即使在无云条件下，纯粹的顺梯度表示也可能失效。这些研究确立了动量传输并不总能从局地梯度推断，且逆梯度对流可能仅占据边界层的一部分。然而，城市热浪夜晚分层逆梯度动量传输的垂直分辨率观测仍然稀缺。此外，逆梯度对流的垂直位置是否与后续冷却相关联尚不清楚。
本研究利用北京325米气象塔上跨越8–280米的七个高度的同步湍流观测数据，考察热浪夜晚冷却过程中流向逆梯度对流随高度变化的组织特征。通过解析塔上各层偏离局地动量闭合的情况，我们评估了局限于不同高度范围的逆梯度对流或在多层同时出现的逆梯度对流是否对应于不同的热力状态和冷却轨迹。我们进一步考察了最低观测层逆梯度对流的涌现，以确定其反映的是局地风速梯度的反转还是近地表动量通量的重新组织。这一多层框架检验了逆梯度对流的垂直组织是否提供了超越地表或单层观测所能获取的城市热浪冷却信息。
章节摘要
数据与热浪定义
我们使用了北京325米气象塔（39.97°N, 116.37°E；海拔48.63米）2014–2016年6月至8月（JJA）的观测数据。该塔位于北京典型的城市建成区，周围的建筑和街道峡谷具有代表性的城市粗糙度环境（Wang et al., 2019），如图1所示。湍流参数来自8米、16米、47米、80米、140米、200米和280米七个超声风速仪高度，包括流向动量通量、湍流动能
热浪夜晚垂直逆梯度对流分支状态的出现
如图3a所示，热浪期间白天及整个夜晚的气温持续高于非热浪水平。在8米高度，平均热浪气温从傍晚约34–35°C下降至午夜附近约29°C。这一下降表明夜间持续冷却，尽管在分析时段内气温未恢复至非热浪水平。140米处运动学热通量在分析窗口前达到约0.15 K m s?1，且
分支位置与热浪夜晚冷却
先前的北京研究将热浪-城市热岛相互作用与地表能量收支、热量储存、通风条件和边界层结构联系起来。Li等（2015），Li等（2016）和Sun等（2017）强调了地表能量交换和热量储存的变化，而An等（2020）、Huang等（2025）和Tang等（2025）进一步记录了热浪期间城市边界层结构和湍流的变化。本研究的成果补充了一个高度分辨的交换
结论
本研究利用北京325米气象塔上2014–2016年间跨越8–280米的七层同步湍流观测数据，考察了持续热浪期间流向逆梯度动量传输的垂直分布与傍晚热力响应的关联。
仅下层逆梯度对流产生了短时提前冷却抑制的最大点估计值。8米处下一小时响应为+0.31°C，尽管其未能在统计上与
CRediT作者贡献声明
Linlin Wang（王玲玲）：原稿撰写、方法论、调查研究、经费获取、概念设计。Bingcheng Wan（万秉诚）：方法论、数据整理。Yuhong Weng（翁雨虹）：验证、数据整理。Xueling Cheng（程雪玲）：指导、调查研究、形式分析。
未引用参考文献
Acevedo and Fitzjarrald, 2003
Mahrt, 2014
Vercauteren and Klein, 2015
利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系，这些可能被视为潜在的利益冲突：Linlin Wang报告获得了中国国家自然科学基金的经费支持。如还有其他作者，则声明他们不存在已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作由中国国家自然科学基金（42375076）和中国科技部国家重点研发计划（2023YFC3705303）资助。
Linlin Wang|Bingcheng Wan|Yuhong Weng|Xueling Cheng
