1 引言
青藏高原（下称高原）是世界上海拔最高的高原， 高原太阳辐射强、 地气温差大和地形复杂等因素而形成独特的边界层。高原上开展的许多观测研究项目中， 大气边界层的观测和研究是十分重要的。1998年5 -8月第二次青藏高原大气科学试验（TIPEX）在具有高原代表性的昌都、 当雄和改则3个观测站， 首次获得关于高原边界层物理数据（徐祥德和陈联寿， 2006）。中日合作的 “全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验”（GAME/Tibet， 1996 -2000）（王介民和邱华盛， 2000）、 “全球协调加强观测计划（CEOP）亚澳季风之青藏高原试验研究”（CAMP /Tibet， 2001 -2005 ）（马耀明等， 2006）和2013年开始的第三次青藏高原大气科学试验（TIPEX-Ⅲ）（赵平等， 2018）将大气边界层结构研究作为重要内容之一。
大气边界层高度是判断湍流混合、 垂直扰动、 对流传输、 云带形成等的重要指标之一（Liu and Liang， 2010； Teixeira et al， 2008）。已有很多国内外的学者对不同地区的大气边界层特征进行了深入的研究（ Saeed et al， 2014； Guo et al， 2016； Chandra et al， 2018； 赵采玲等， 2019； Mamtimin et al， 2020； 李雪洮等， 2020）。高原地区边界层高度在2000~3000 m 之间（叶笃正和高由禧， 1979； 周明煜等， 2000）。徐祥德等（2001）根据（TIPEX）昌都、 当雄和改则观测站资料综合分析了高原地-气物理过程及其动力学模型， 发现高原边界层热力结构异常、 对流边界层较为深厚及高原边界层埃克曼“抽吸泵”动力机制。关于珠峰大气边界层结构的研究， 几乎都观测到了谷风和冰川风存在并影响大气边界层结构的现象（刘宇等， 2004； 陈学龙等， 2007； 孙方林和马耀明， 2007； 王树舟和马耀明， 2008）。李茂善等（2011）利用2004年CAMP-Tibet预试验期和加强期的无线电探空仪观测资料研究发现了藏北高原地区干季的对流混合层高度在2211~4430 m， 雨季对流混合层高度在1006~2212 m， 干季比湿明显小于湿季比湿。苏彦入等（2018）利用 2000-2016年高原夏季再分析资料分析发现高原夏季整体大气边界层高度明显降低， 潜热通量明显增大， 感热通量呈先增后降。周文等（2018）利用COSMIC掩星资料发现高原边界层高度呈西高东低， 西部边界层高度1800~2300 m， 东部边界层高度1400~1800 m。目前高原大气边界层的研究资料主要来自无线电探空、 雷达、 飞机观测、 星载遥感以及再分析数据等。高原边界层无线电探空多集中于2010年以前（李家伦等， 2000； 宋星灼等， 2006； 马伟强等， 2007； 朱春玲等， 2011； 李英等， 2012； 徐桂荣等， 2014）， 近几年高原大气边界层关于再分析资料、 星载遥感、 WRF模式模拟等研究较多（苏彦入等， 2018； 周文等， 2018； 李斐等， 2017； 许鲁君等， 2018）。鉴于此， 本文利用2019年第二次青藏高原科考探空资料及ERA5再分析风场、 感热潜热通量资料， 分析讨论在西风南支和高原季风不同风场下高原对流边界层高度、 湿度、 风速、 风向和感热潜热通量等基本特征， 以期深入了解西风季风相互作用区地气相互作用过程对高原大气边界层结构的影响， 对气候变化背景下高原天气气候的预报预警提供一定的理论依据。
2 观测场地和资料选取
本文使用了第二次青藏高原科考“地-气相互作用与气候效应”立体综合加强期观测试验珠峰、 林芝、 那曲和狮泉河4个站点的探空观测资料， 探空观测每隔6 h一次， 数据采集频率为2 s。站点位置分布、 基本信息和探空具体时段分别如图1 和表1 所示。环流风场、 感热潜热通量资料均来自ERA5再分析资料， 水平分辨率为0.25°×0.25°。若没有特殊说明的情况下， 本研究使用的所有数据时间均为北京时。
表1 站点基本信息和探空试验时段Table 1 Basic information of stations and sounding test period |
| 站点 | 纬度 | 经度 | 海拔 | 下垫面类型 | 探空试验时段 |
|---|---|---|---|---|---|
| 珠峰 | 28.21°N | 86.56°E | 4276 m | 裸地为主， 植被稀疏、 矮小 | 5月14 -18日、 7月28日至8月2日、 10月21 -22日、 10月28 -30日 |
| 林芝 | 29.77°N | 94.74°E | 3326 m | 高山草甸 | 5月14 -19日、 7月28日至8月2日、 10月21 -25日 |
| 那曲 | 31.37°N | 91.90°E | 4509 m | 高山草甸 | 5月14 -17日、 7月28日至8月1日、 10月21 -25日 |
| 狮泉河 | 32.49°N | 80.10°E | 4278 m | 较平坦的裸土 | 5月14 -18日、 7月28日至8月1日、 10月21 -25日 |
关于探空数据处理， 位温计算使用泊松方程， 比湿根据湿度参量公式计算。边界层高度确定以位温廓线法为主， 将梯度明显不连续存在较强逆温的高度作为边界层高度（Sullivan et al， 1997； Seibert et al， 2000； Seidel et al， 2010； Wang et al， 2016）。夜间稳定边界层可参考边界层顶风速极大值高度作为边界层高度， 对流边界层高度可参考湿度梯度明显不连续的高度作为大气边界层高度。若无特殊说明的情况下， 文中所用高度均为相对高度。
3 西风南支与高原季风环流场
20世纪70年代末， 汤懋苍等（1979）研究认为高原确实存在一个独立的季风系统， 它在600 hPa最明显， 即是高原季风。高原季风是一个在夏季较强、 冬季较弱， 近地层较强、 高层较弱的季风系统。
从2019年1 -12月高原600 hPa风场（图2 ）中可以看出， 1 -5月和11 -12月高原主要处于西风带下（高原冬季风弱）， 6 -9月高原夏季风盛行。1 -5月西风南支环流逐渐减弱消失。6月高原主体区存在明显的气旋性环流（热低压）， 风场从高原主体四周向中心辐合， 高原夏季风形成。高原夏季风持续到9月消失， 西风环流开始出现并逐渐增强。
从2019年1 -12月高原200 hPa风场（图3 ）中可以看出， 1 -5月高原高空以西风急流为主， 高原周围没有表现出明显的绕流特征。6月高原高空南部出现反气旋， 反气旋持续到9月消失。10月后， 高原高空风场继续以西风为主。综合以上高原600 hPa和200 hPa的风场图分析， 林芝、 珠峰、 那曲和狮泉河各站点在2019年5月和10月的探空观测期间主要受西风南支风场控制影响， 在2019年7月的探空观测期间主要受高原夏季风风场控制影响。
4 结果分析
4.1 大气边界层结构特征
从珠峰、 林芝、 那曲、 狮泉河分别在2019年5月、 7月和10月探空观测中最高对流边界层高度位温廓线图（图4 ）中可以看出， 在5月西风南支风场下， 珠峰、 林芝、 那曲和狮泉河对流边界层顶最高分别为2800， 2250， 2760和2650 m。在7月高原夏季风风场下， 珠峰、 林芝、 那曲和狮泉河对流边界层顶最高分别为2000， 2100， 1650和2000 m。在10月西风南支风场下， 珠峰、 林芝、 那曲和狮泉河对流边界层顶最高分别为3250， 700， 2700 和3500 m。由于观测期间珠峰地区因冰川风的存在影响了大气边界层高度［图5 （a）］， 未探测到珠峰地区更高的边界层高度。但李茂善等（2006）探测到2005年5月21日14:00风向为偏北风时珠峰边界层最高为3888 m。因此， 西风南支风场下的对流边界层高度较高原夏季风风场下的对流边界层高度高， 西风南支风场下林芝地区边界层高度比其他3个站点边界层高度低， 高原夏季风风场下那曲地区边界层高度比其他3个站点边界层高度低。
图4 珠峰、 林芝、 那曲、 狮泉河分别在5月、 7月和10月探空观测中最高对流边界层高度位温廓线Fig.4 The height and temperature profiles of the highest convective boundary layer in the sounding observations of Mount Everest， Nyingchi， Nagqu， and Shiquanhe in May， July， and October |
珠峰5月16日02:00逆温层厚度为300 m， 上部大气残留层保持着白天对流边界层的典型位温形态， 残留层上是逆温层顶盖。08:00地表加热作用下， 对流边界层开始发展。14:00对流边界层发展到了2800 m。20:00在高度1300~1400 m有一超绝热温度梯度， 可能受在此高度一偏西西南的急流影响 ［图6 （a）， 图7 （a）］。珠峰7月31日02:00夜间稳定边界层顶由风速极大值判断逆温层厚度为250 m。08:00地表加热对流开始发展。14:00低层有明显的超绝热层， 大气层结静力不稳定， 对流边界层达到了1800 m。20:00对流边界层的高度为2000 m。珠峰10月29日02:00稳定边界层高度为700 m。08:00结合风速风向廓线图［图6 （a）， 图7 （a）］低层50~200 m有风向为南东南转西南方向的急流影响， 使位温廓线变得复杂。12:00稳定边界层高度达到200 m。16:00和20:00结合风速风向廓线图［图6 （a）， 图7 （a）］因受南面冰川风影响， 产生很强的下泄流， 在下泄流的强迫下形成特殊的边界层结构， 这种边界层高度一般都被压到非常低。这与李茂善等（2006）的研究受南面珠峰吹来的冰川风的影响， 形成很强的下泄流， 该下泄流层上下的特殊边界层结构结果较为一致。
林芝5月16日02:00和08:00稳定边界层高度为50 m。14:00在150~200 m有一弱的超绝热温度梯度， 对流边界层高度为2250 m。20:00稳定边界层高度为230 m。林芝7月28日02:00逆温层厚度为50 m， 08:00位温廓线呈稳定状态。14:00对流边界层高为2100 m， 20:00稳定边界层高度为100 m。林芝10月25日02:00和08:00位温廓线呈稳定状态。14:00对流边界层高度为700 m， 20:00对流边界层高度为300 m。
那曲地区5月16日14:00、 20:00和7月31日08:00、 14:00的探空资料低层间隔较大， 但能根据位温廓线在低层走向判断其稳定和对流状态。那曲5月16日02:00稳定边界高度为700 m， 08:00稳定边界层高度为1000 m。14:00对流边界层高度为2500 m， 20:00对流边界层的高度为2500 m。那曲7月31日14:00对流边界层高为1650 m， 20:00对流边界层高为1000 m。那曲10月25日02:00的稳定边界层高度为250 m， 14:00对流边界层高度为2700 m。狮泉河5月16日02:00稳定边界层高度为250 m， 08:00稳定边界层高度为150 m。14:00对流边界层高度为2550 m， 20:00对流边界层的高度为2650 m。狮泉河7月28日02:00稳定边界层高度为500 m。14:00对流边界层高为1350 m， 20:00对流边界层高为1700 m。狮泉河10月23日02:00稳定边界层高度为100 m， 08:00稳定边界层高度为150 m。14:00对流边界层高度发展到了2150 m， 20:00对流边界层的高度为3500 m。
以上各站点的个例都具有在西风南支与高原季风不同风场控制下不同大气边界结构特征的代表性。各站点地区的位温都具有明显的日变化特征， 稳定边界层结构基本在08:00都还持续存在。珠峰地区边界层结构常受到急流和冰川风影响， 在冰川风影响下可能形成边界层高度非常低的边界层结构。林芝地区5月和7月在20:00出现稳定边界层结构， 较其他3个站点的稳定边界层发展较早。狮泉河地区的对流边界层高度的最大值通常在20:00出现。本文仅限于晴朗天气条件下大气边界层结构的分析研究， 对不同大气层结条件下大气边界层结构的讨论， 及大气边界层上部夹卷作用的研究有待下一步深入研究。如能获取更高时间分辨率的探空数据， 将有助于更加精细地描述高原大气边界层结构的演变特征。
4.2 比湿、 风速、 风向垂直分布特征
各站点的大气边界层低层比湿具有明显的日变化特征， 夜间近地层比湿比白天大， 近地层比湿特征为7月>5月>10月（图6 ）。5月和10月， 狮泉河近地层比湿比其他3个站点的比湿小。7月， 珠峰近地层比湿比其他3个站点的比湿小。林芝地区近地层比湿明显比其他地区的比湿大， 其最大比湿能达到12.88 g·kg-1。珠峰10月29日08:00受低空急流和16:00和20:00低空风速极大值的影响， 低层比湿有逆湿现象出现。珠峰和林芝地区常出现逆湿现象， 稳定边界层的逆温和对流边界层顶附近的逆温、 低空急流对水汽输送、 存在下沉气流， 这些都有可能形成近地层内的逆湿。
除了位温和比湿外， 风也是大气边界层的能量、 物质输送交换过程的主要气象要素之一。珠峰5月16日和7月31日14:00风向受谷风的影响为偏北风， 5月16日、 7月31日和10月29日20:00受冰川风的影响近地层出现风向为偏南风、 风速较强的现象［图7 （a）， 图8 （a）］， 这与孙方林和马耀明（2007）研究发现的结果吻合。珠峰5月16日14:00和20:00在1200 m以上以偏西西南风为主， 10月29日1000 m以上以偏西风为主。林芝风速随高度增大， 近地层14:00和20:00风速较其他时刻大。林芝5月16日1500 m以上以偏西南风和西北风为主， 7月28日1200 m以上以偏南风为主， 10月25日1500 m以上以偏西南风为主。狮泉河5月16日和10月23日以偏西西南风为主， 近地层20:00都出现了偏西风的低空急流， 7月28日风向以偏西西北风为主， 5月16日和10月23日的低层风速比7月28日低层风速强的多。珠峰、 林芝和狮泉河5月和10月高空的风速较7月高空风速强的多， 且以偏西风或西南风为主。各站点低层风向、 风速受地形影响较大， 而高层风向、 风速的变化与大尺度的西风绕流和高原季风影响有关。
5 大气边界层结构特征与地表加热场的关系
大气边界层的形成发展与近地面层的感热潜热通量密切相关。感热通量是近地层中因湍流运动引起的地面和大气之间的热量输送， 潜热通量是大气中水发生相变时引起下垫面与大气之间的热量输送。下面本文将分别对在西风南支绕流主导风场下和高原夏季风主导风场下珠峰、 林芝、 那曲、 狮泉河站点感热潜热通量进行比较分析。
图9 基于再分析资料的5月（a~f）， 7月（g~l）， 10月（m~r）高原感热通量分布（单位： W·m-2）Fig.9 Distribution of plateau sensible heat flux based on reanalysis data in May （a~f）， July （g~l）， October （m~r）.Unit： W·m-2 |
6 结论与讨论
综合上述分析， 西风南支与高原季风环流场下青藏高原大气边界层结构有明显的不同， 且与地表加热有着明显的联系， 得到以下主要结论：
（1） 西风南支风场下： 珠峰、 林芝、 那曲和狮泉河最高对流边界层顶分别为3250， 2250， 2760和3500 m。高原夏季风风场下： 珠峰、 林芝、 那曲和狮泉河最高对流边界层顶分别为2000， 2100， 1650和2000 m。在西风南支风场下的大气边界层高度较高原夏季风风场下的大气边界层高度高。
（2） 各站点的大气边界层低层比湿具有明显的日变化特征， 夜间近地层比湿比白天大， 近地层比湿特征为7月>5月>10月。5月和10月狮泉河近地层比湿较林芝、 那曲和珠峰站点的比湿小， 7月珠峰近地层比湿最小。林芝地区近地层比湿明显比其他地区的比湿大， 其最大比湿能达到12.88 g·kg-1。5月和10月， 珠峰和林芝分别在1200 m、 1500 m以上以偏西风为主。林芝7月风向1200 m以上偏南风为主。狮泉河5月和10月风向以偏西西南风为主， 7月风向以偏西西北风为主。珠峰、 林芝和狮泉河5月和10月高空的风速较7月高空风速强的多， 且以偏西风或西南风为主。各站点低层风向、 风速受地形影响较大， 而高层风向、 风速的变化与大尺度的西风绕流和高原季风影响有关。
（3） 在西风南支绕流风场下各站点的感热通量更大， 各站的大气边界层高度更高。而在高原夏季风风场下各站点的潜热通量更大， 抑制边界层的发展， 大气边界层高度相较低些。
综上各站点在西风南支与高原夏季风不同风场下的大气边界层基本变化特征， 也代表了高原中部和南部地区大气边界层高度、 比湿和风速风向的特征， 进一步了解了不同风场下大气边界层高度、 比湿和风速风向的变化特征。由于青藏高原自然条件恶劣的影响和观测仪器精度有限， 使各个气象要素廓线表现为不平滑的曲线形态， 影响了分析的准确性。同时， 本文利用的探空资料有限， 缺乏更加长期时间和广泛空间上的研究， 还需要更多的探空资料和通过大量的观测研究来改进和完善。