1 引言
大气边界层是指大气层底部受地面影响最强烈的一层， 大气边界层由于地形强迫， 地面热力性质差异等作用产生湍流， 造成地面与大气之间产生热量、 动力、 物质交换。大气边界层的基本性质主要受下垫面影响。下垫面对大气边界层的主要作用有两类， 一类是与下垫面的几何状态有关的动力作用， 下垫面的粗糙与光滑、 起伏与平坦等都会使近地面大气受下垫面动力作用的影响不同， 进而影响大气边界层的性质； 另一类是与温度层结和太阳辐射有关的热力作用， 不稳定的温度层结有利于湍流发展， 稳定层结则会抑制湍流发展， 下垫面接收太阳辐射的差异会使下垫面的热力分布不均匀， 对边界层性质产生影响。针对平坦均一的下垫面已经开展了很多研究， 并形成了比较成熟的Monin-Obukhov相似理论（张强， 2003）； 但是针对于非均匀下垫面（城市下垫面、 山地下垫面等）边界层的研究依然是大气边界层研究面临的主要问题。
诸多学者对复杂下垫面边界层结构特征、 气象参数分布特征及边界层相关理论等方面进行了大量的研究工作（周明煜等， 2002； 陈继伟等， 2014； 赵艳茹等， 2015）。赵艳茹等（2017）利用欧洲中心再分析资料ERA-20C、 ERA-Interim和ERA40对1900 -2015年东亚、 北非干旱半干旱区边界层高度的年代际变化进行了研究； 王倩茹等（2018）基于CERA-20C全球大气边界层高度再分析资料对青藏高原的边界层高度的日变化特征， 包括日变化的季节变化、 年代变化与年际变化进行了研究； 杜一博等（2018）以2006年的夏季敦煌野外观测的探空资料为基础， 对比研究了西北的荒漠区晴天、 阴天大气边界层的构造以及对应的陆面过程， 结果表明， 西北荒漠晴天和阴天的对流边界层及稳定边界层均比中国中部、 东部地方发展旺盛， 晴天的对流边界层、 稳定边界层的高度分别比阴天的边界层高度高； Babi et al（2016）根据冬季非均一下垫面（农田、 森林、 工业用地）稳定边界层的观测资料， 评估了局地相似理论在非均一下垫面的适用性； Babi et al（2017）根据美国加利福尼亚州欧文斯谷的观测资料， 分析了日间山谷地区近地表风速的功率谱及谱隙特征； Nilsson et al（2012）利用大涡模拟（LES）数据， 研究了海洋区域随风涌浪的对流边界层和各种稳定状态下的大气边界层结构特征； 乔娟（2009）对比分析了敦煌荒漠、 民勤、 酒泉、 榆中和平凉这五个不同干旱程度地区的大气边界层结构特征， 结果表明西北干旱区白天深厚的对流边界层的形成机理是特殊环境下热力与动力因素共同作用的结果， 热力因素是影响白天对流边界层厚度的主要因子， 干旱程度越高的地区边界层厚度越大； 奥银焕等（2004）利用系留气球梯度探测资料， 分析了黑河地区三种不同下垫面（绿洲、 沙漠、 戈壁）边界层的风、 温度、 湿度场的分布规律， 结果表明河西干旱地区午夜均会出现低空急流， 低空急流的出现高度与下垫面性质有关， 绿洲上低空急流的出现高度较沙漠、 戈壁低； 孔令彬等（2014）利用榆中县的观测资料对比分析了城市同一区域草地下垫面与混凝土下垫面之间热量通量、 动量通量、 潜热通量及CO2通量的差异； 陈丽晶等（2017）利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）与中科院吉林通榆观测站的湍流资料， 比较分析了半干旱区不同下垫面湍流热通量和动量通量的日变化与季节变化特征， 结果表明排除热力因子影响， 相较于农田、 草原下垫面， 黄土高原下垫面对湍流活动的削弱作用更强， 在该下垫面上近地层大气更容易也更快趋于稳定； 张宏升等（2004）利用戈壁、 草原、 郊区及城区等不同下垫面的湍流观测资料， 分析研究了不同下垫面湍流统计特征； 茅宇豪等（2006）利用半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据， 计算出不同下垫面的边界层参数， 比较不同人为干扰草原生态系统条件下的空气动力学特征， 结果表明风速与摩擦速度成线性关系， 随着风速的增大， 摩擦速度也增大， 但增大的速度有所不同， 同样的风速， 草地的摩擦速度比沙丘要大。
随着计算机技术的迅速发展， 数值模式成为研究大气边界层的重要工具， 很多相关研究（王瑾等， 2012； 张龙等， 2012； 张碧辉等， 2012； 赖锡柳等， 2017； 王腾蛟等， 2013； 王澄海等， 2011； 李斐等， 2017）验证了WRF模式模拟边界层特征的能力。本研究利用WRF模式模拟了2014年1月10 -16日兰州市西固区河谷盆地与兰州新区低丘缓坡地形的边界层特征， 分析了两种下垫面近地面的风场、 温度场、 湍流通量和边界层高度等特征， 探析不同下垫面的边界层特征差异及成因。
2 资料来源与方法介绍
2.1 研究区域
兰州市地处黄河上游、 青藏高原东北部、 黄土高原丘陵沟壑地带。地势呈西北高、 东南低。主城区位于南北两山夹持的黄河河谷盆地内， 河谷盆底东西长40 km， 南北宽2~8 km， 呈哑铃状， 海拔在1400~1620 m， 黄河自西向东流经市区， 为典型河谷盆底； 区域内以城镇建设用地为主， 工业用地主要分布在西固区， 总建设面积为249.0 km2。
西固区位于兰州市主城区西侧， 是兰州石化产业主要分布区， 地势总特征是西南及南部高、 东北低， 黄河由西向东贯穿全境， 南北两山对峙并向黄河谷底倾斜。兰州新区距离兰州市区38.5 km， 地处秦王川盆地， 该盆地南北长约42 km， 东西宽15~20 km， 面积达720 km2； 区域中部南侧以城市建设用地为主， 北侧以耕地为主。盆地北部为低山， 东西南三面为低缓的黄土丘陵， 相对高度差为40~60 m。境内地势平坦开阔， 平均海拔2100 m。
因此， 本研究以西固区河谷盆地作为复杂地形的代表， 以兰州新区作为低丘缓坡地形的代表。西固区和兰州新区的土地利用现状及地形分布如图1所示。
2.2 资料来源
采用全球30 s地形资料和NCEP提供的水平分辨率为1°（纬度）×1°（经度）的FNL全球再分析（Final Operational Global Analysis）资料作为WRF模式的初始场。
表1 观测站点位置及仪器信息Table 1 Location of observation station and instrument information |
| 地点 | 经度 | 纬度 | 仪器 | 精度 |
|---|---|---|---|---|
| 兰炼宾馆 | 103.63°E | 36.10°N | 美国 WS313E1T505103V 气象五参数仪 | 温度0.2 ℃、 湿度2%、 风向5°、 风速0.3 m·s-1 |
| 兰州气象站52889 | 103.88°E | 36.05°N | EL15-1C 型风速传感器、 EL15-2C 型风向传感器、 WZP2型温度传感器 | 风向3°、 风速0.3 m·s-1、 温度0.1 ℃ |
| 兰州新区W1 | 103.71°E | 36.59°N | EL15-1C 型风速传感器、 EL15-2C 型风向传感器、 DHC1 型温湿度传感器 | 风速0.3 m·s-1、 风向3°、 温度0.2 ℃、 湿度5% |
| 兰州新区W2 | 103.72°E | 36.55°N | EL15-1C 型风速传感器、 EL15-2C 型风向传感器、 DHC1 型温湿度传感器 | 风速0.3 m·s-1、 风向3°、 温度0.2 ℃、 湿度5% |
2.3 模式设计
模拟区域： 模拟区域的中心点位于103.71°E， 36.33°N， 模式水平方向采用三重嵌套网格， 第一重嵌套网格区域的格点为200×150， 格距25 km； 第二重嵌套网格的区域格点为120×100， 格距5 km； 第三重嵌套网格区域的格点为150×200， 格距1 km； 垂直方向分为不等距的35层。
模拟时间： 模拟时间为2014年1月10 -16日， 时间步长为60 s， 每隔l h输出一次模拟结果。
参数化方案： 微物理过程参数化方案选取Lin等方案； 大气辐射参数化方案选取RRTM长波辐射方案与Dudhia短波辐射方案； 积云对流参数化方案在第一重、 二重区域选取Kain-Fritsch （new Eta）， 第三重区域分辨率较高（1 km）未采用积云对流参数化方案； 近地层方案选取Monin-Obukhov （Janjic Eta）方案， 陆面过程参数化方案选取热量扩散方案； 边界层参数化方案选取MYJ， MYJ方案（Wang et al， 2010； Xie et al， 2012）为Mellor-Yamada的2.5阶湍流局地闭合方案， 引入湍流动能方程。MYJ方案边界层高度由湍流动能廓线决定， 定义边界层高度为湍流强度下降到临界值0.001 m2·s-2时的高度； 该方案适用于所有稳定边界条件和弱稳定边界层， 对于对流边界层误差较大（王丽霞等， 2017）。
2.4 模拟结果检验方法
为了定量分析WRF模式的模拟效果， 本研究选用平均绝对误差MBE、 均方根误差RMSE、 相关系数R三个常用的统计量对模式模拟的结果进行检验。
式中： 为第i时刻的模拟值； 为第i时刻的观测值； 为模拟平均值； 为观测平均值； N为时间序列的长度。
2.5 模拟期间天气形势
根据NCEP（1°×1°）再分析资料绘制的东亚区域模拟期间08:00（北京时， 下同）的500 hPa天气形势图［图3， 该图及文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2016）1569号的中国地图制作， 底图无修改］可知， 阿尔泰山脉区域存在一个高压脊， 兰州处于高压脊前， 受西北气流控制， 天气晴好。
3 模拟结果的检验
为了验证WRF模式的模拟效果， 本研究将WRF模式模拟的近地面温度和风速与四个气象自动观测站的观测值进行对比分析。
3.1 近地面温度
由WRF模式模拟的兰州市主城区（兰炼宾馆、 兰州气象站52889）和兰州新区（W1、 W2）的四个观测点的近地面温度逐日变化（图4）可知， 模式模拟的四个气象自动观测站的温度与观测值比较一致， 可以很好的反映温度的日变化周期； 模式模拟的日最大温度与实测值较为接近， 模拟的日最低温度则明显高于观测值。
表2 WRF模式模拟的近地面温度误差统计Table 2 Error statistics of near-surface temperature simulated by WRF |
| 地点 | 平均绝对误差/℃ | 均方根误差/℃ | 相关系数 |
|---|---|---|---|
| 兰炼宾馆 | 1.9 | 2.37 | 0.816** |
| 兰州气象站52889 | 2.1 | 2.51 | 0.928** |
| 兰州新区W1 | 2.8 | 3.29 | 0.935** |
| 兰州新区W2 | 2.4 | 2.93 | 0.954** |
**在0.01水平上双侧显著 |
3.2 近地面风速
从WRF模式模拟的兰州市主城区（兰炼宾馆、 兰州气象站52889）和兰州新区（W1、 W2）的四个观测点的近地面风速逐日变化（图6）可以看出， 由于土地利用类型数据的及模式系统性偏差， 模式模拟的四个自动站的风速值较观测值整体偏高， 可以大致反映风速的日变化周期；
选取平均绝对误差MBE、 协方根误差RMSE及相关系数R三个统计量对模拟结果进行统计分析（表3）， 并绘制模拟风速与观测风速的散点（图7）。由表3及图7可知， 由于兰州新区下垫面相较于兰州市主城区更为平坦， 城市建筑面积占比低于兰州市主城区， 模式对兰州新区的风速的模拟结果明显优于兰州市主城区。WRF对2 m·s-1风速的模拟较差， 模拟风速偏高， 低估低风速出现的频率， 高估高风速出现的频率（张碧辉等， 2012）。
表3 WRF模式模拟的近地面风速误差统计Table 3 Error statistics of near-surface wind speed simulated by WRF |
| 地点 | 平均绝对误差/(m·s-1) | 均方根误差/(m·s-1) | 相关系数 |
|---|---|---|---|
| 兰炼宾馆 | 1.6 | 1.93 | 0.250** |
| 兰州气象站52889 | 0.7 | 0.96 | 0.216** |
| 兰州新区W1 | 1.5 | 2.02 | 0.399** |
| 兰州新区W2 | 1.6 | 2.10 | 0.458** |
**在0.01水平上双侧显著 |
4 不同下垫面边界层特性的模拟结果分析
为了对比兰州西固区河谷盆地（简称西固区）与兰州新区两个地区的边界层特征的差异， 本章从气象要素日变化特征、 水平气象场特征、 垂直气象场特征等方面进行比较， 分析差异形成原因。
4.1 气象要素日变化特征
4.1.1 温度日变化
由模拟期间兰州市西固区与兰州新区2 m平均温度日变化特征（图8）可知， 兰州市西固区与兰州新区的2 m平均气温的日变化特征基本一致， 日最高温度出现在16:00左右， 日最低温度出现在09: 00左右； 但西固区的平均温度值整体高于兰州新区， 主要原因为： 白天， 由于兰州新区的平均海拔高于兰州市西固区， 兰州新区接收到的太阳辐射比处于河谷盆地的兰州市西固区更加充足， 兰州新区在增温过程中的增温速率比兰州市西固区大； 夜间， 由于河谷盆地的保温效应使兰州市西固区的辐射降温幅度低于兰州新区； 因此剔除海拔的影响， 兰州市西固区与兰州新区的夜间温度的差异明显大于白天。
4.1.2 风速日变化
4.2 气象场空间分布特征
模拟期间兰州市主城区和兰州新区的14:00与02:00的平均2 m温度场和10 m风场分布（图10）显示， 兰州市主城区河谷内2 m温度在白天与夜间均比周围高， 表现为明显的城市热岛效应； 而兰州新区气温大致呈南高北低的变化趋势。白天， 河谷内的主导风向为偏东风， 兰州市主城区两侧山体受辐射增温影响， 山坡增温比山谷快， 地形作用形成的谷风环流加强了城区中心的下沉气流， 但城市热岛效应对下沉气流有一定的抑制作用， 从而使白天辐散流场较夜间的辐合流场弱。夜间， 主城区河谷内风速明显比周围风速小； 一方面由于辐射冷却， 南北两侧山体迅速降温， 空气沿山坡下滑形成下坡风， 在河谷盆地形成地面辐合流场， 另一方面， 由于城市的热岛效应， 形成由城市周围空气向城市中心辐合； 辐射冷却与城市热岛效应共同作用加强了河谷内的低层辐合流场。上述结果与王颖等（2010）运用WRF模拟结果一致。兰州新区受南低北高的地形影响， 白天为偏南气流， 夜间为偏北气流。
图10 兰州市主城区、 兰州新区模拟期间平均的近地面温度场（彩色区, 单位: ℃）及风场（矢量, 单位: m·s-1）分布等值线为地形（单位: m） Fig.10 Distribution of average near-surface temperature field (color area, unit: ℃) and wind field (vector, unit: m·s-1) during simulation in the main urban area and Lanzhou New district.Contour is terrain (unit: m) |
4.3 廓线特征
4.3.1 位温廓线
白天， 随着地面净辐射的升高， 地面温度迅速上升， 14:00近地面形成超绝热层， 中层是近似等位温的混合层， 边界层顶部为稳定层结。兰州新区的混合层厚度明显大于兰州市西固区。
夜间， 兰州新区和西固区整层大气基本为稳定层结， 但近地面温度层结差异明显。由于河谷的保温效应， 西固区的感热、 潜热通量明显高于兰州新区（图14）； 兰州市西固区与兰州新区地面辐射降温， 在近地面形成接地逆温。
图12 兰州市西固区与兰州新区14:00（a）、 02:00（b）的风速廓线Fig.12 Wind speed profile diagram of Lanzhou Xigu District and Lanzhou New District at 14:00 (a) and 02:00 (b) |
图13 模拟区域14:00(a)及02:00(b)平均垂直风场分布(单位： m·s-1)黑色阴影区为地形 Fig.13 Distribution of average vertical wind field at 14:00 (a) and 02:00 (b).Black shaded area is terrain.Unit: m·s-1 |
4.3.2 风速廓线
从模拟期间兰州市西固区与兰州新区风速廓线（图12）可知， 两个区域风速阔线特征基本一致， 整体随高度的升高而增大。
白天， 由于对流作用增强， 两地低层风速相差不大， 兰州新区低层风速略高于兰州市西固区； 兰州市西固区距地面200 m以下及兰州新区距地面400 m以下风速未出明显变化。
夜间， 由于兰州市西固区的下垫面较为粗糙， 且处于河谷盆地内的山风环流辐合区域， 低层风速明显小于兰州新区。
4.4 风场垂直特征
兰州市西固区位于东西走向的河谷内， 兰州新区为南高北低的地形， 因此沿经线绘制出兰州市西固区与兰州新区的风场垂直分布图。模拟期间兰州市西固区与兰州新区14:00、 02:00平均垂直风场特征如图13所示。
由图13（a）可知， 整个区域高层风场分布基本一致， 受地形影响会形成地形波； 低层风场存在明显的差异。低层， 兰州西固区由于河谷地形的影响出现明显的谷风环流， 南北两侧山坡为斜上升气流， 谷地中心为下沉气流； 兰州新区受地形走势影响为偏南气流， 低层风切变明显。
由图13（b）可知， 整个区域的风场大致分为三层， 高层的偏北风， 中层的偏南风及低层受地形影响的地形风。低层， 兰州市西固区由于河谷盆地影响形成山风环流， 南侧山坡为下沉气流， 谷地中心为上升气流； 兰州新区近地面为偏北气流， 随高度增加迅速转为偏南气流。
4.5 地面通量特征
本节对模拟期间兰州市西固区和兰州新区的感热通量、 潜热通量特征进行分析， 探讨不同下垫面的地面通量。
4.5.1 感热通量、 潜热通量日变化特征
模拟期间兰州市西固区与兰州新区的感热通量和潜热通量日变化特征（图14）可知， 两个区域感热通量、 潜热通量日变化特征明显， 且变化趋势基本一致； 但兰州市西固区的潜热通量值高于兰州新区。白天， 随着太阳高度角增大， 地面净辐射增加， 两地的感热通量、 潜热通量均增加， 在14:00左右达到最大； 午间， 兰州新区感热通量明显高于兰州市西固区。夜间， 西固区、 兰州新区感热通量均为负值， 大气加热地面。
4.5.2 动量通量
4.6 边界层高度
从WRF模式模拟期间兰州市西固区和兰州新区边界层高度日变化（图16）可知， 两个区域的边界层高度均呈现明显的单峰型变化趋势。白天， 日出后地面净辐射增大， 地面温度迅速升高， 对大气的热力作用增加， 稳定边界层逐渐演变为对流边界层， 边界层高度迅速增加， 其峰值出现在14:00 -15:00。夜间， 地面净辐射为负值， 对流边界层逐渐演变为稳定边界层。
日间， 兰州新区边界层达到的最大高度高于兰州市西固区， 因为兰州新区更为平坦及干燥， 其在接收到太阳辐射后对大气的热力作用比处于河谷盆底内的兰州市西固区更强； 夜间， 两个区域边界层高度无明显差异。
5 结论
利用WRF模式模拟了兰州新区与兰州市西固区河谷盆地内边界层的特征， 并将两个地区的模式模拟结果进行了对比， 分析两个不同下垫面边界层特性的差异， 主要结论如下：
（1） 不同下垫面近地面气温场的日变化特征基本一致， 温度峰值出现在16:00左右， 谷值出现09:00左右； 兰州市西固区河谷盆地内气温明显高于兰州新区的温度， 日变化幅度较兰州新区小。
（2） 由于山地阻挡及城市粗糙下垫面使兰州市西固区盆地内的低层风速明显小于兰州新区； 受河谷地形影响， 兰州市西固区河谷盆地内的辐合辐散气流明显。
（3） 兰州市西固区河谷盆地内的潜热通量整体高于兰州新区； 午间， 兰州新区感热通量高于兰州市西固区河谷盆地； 由于兰州市西固区河谷盆地下垫面更为粗糙， 其10:00 -16:00的动量通量明显高于兰州新区。
（4） 日间， 更为干燥的兰州新区在接收到太阳辐射后对大气的热力作用比处于河谷盆底内的兰州市西固区更强， 因此兰州新区的边界层高度明显高于兰州西固区。