Plateau Meteorology

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2025 , Vol. 44 >Issue 5: 1339 - 1351

DOI: https://doi.org/10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00009

Analysis of the Atmospheric Boundary Layer Vertical Structure in Chongqing on Summer Afternoon

  • Ping JIANG , 1, 2 ,
  • Danhua ZHAI , 3 ,
  • Haonan ZHU 1, 4 ,
  • Yao WU 1, 4 ,
  • Fen ZHANG 1, 4
Expand
  • 1. Chongqing Climate Center，Chongqing 401147，China
  • 2. Chongqing Meitian Technology Co. ，Ltd，Chongqing 401121，China
  • 3. CMA Economic Transformation of Climate Resources Key Laboratory，Chongqing 401147，China
  • 4. Chongqing Meteorological Observatory，Chongqing 401147，China

Received date: 2024-07-25

  Revised date: 2025-01-09

  Online published: 2025-06-16

Copyright

© Editorial Department of Plateau Meteorology （CC BY-NC-ND）
Fold

Abstract

In this paper， the vertical structure of the atmospheric boundary layer in Chongqing on summer afternoon is analyzed using the sounding data with intensive observation.The general features of the vertical structure of the atmospheric boundary layer under different weather conditions are also given.The results show that the atmospheric boundary layer depicts a typical convective boundary layer structure under clear and cloudy conditions.On clear days， the development of convective boundary layer is very vigorous， the surface transpiration/evaporation is strong， and there is obvious upward water vapor transport.The near-surface superinsulation layer is thick， and the potential temperature lapse rate is large.The height of the boundary layer can reach 1.5 km on average and up to 2.1 km， while the height under cloudy conditions is relatively low， with an average height of 1.0 km.Under sunny and cloudy conditions， the wind speed in the boundary layer is generally low with the values less than 5.0 m·s-1.On cloudy days， the atmospheric boundary layer presents a classic morning boundary layer structure， which means that there is a stable boundary layer and a residual mixed layer between the convective boundary layer and the entrainment layer.Under this condition， the thickness of the convective boundary layer is relatively low， with a magnitude of less than 0.8 km.The specific humidity profile presents a feature opposite to the potential temperature profile， and the boundary layer wind speed is relatively low.When it rains， the potential temperature depicts a neutral stratification feature and shows no obvious convective boundary layer structure.Due to the influence of different weather systems and processes， the characteristics of specific humidity and wind profiles are relatively complex and changeable.

Key words： summer afternoon; atmospheric boundary layer; vertical structure; synoptic conditions

Cite this article

Ping JIANG , Danhua ZHAI , Haonan ZHU , Yao WU , Fen ZHANG . Analysis of the Atmospheric Boundary Layer Vertical Structure in Chongqing on Summer Afternoon[J]. Plateau Meteorology, 2025 , 44(5) : 1339 -1351 . DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2025.00009

1 引言

大气边界层是地球大气中最靠近地面且与人类关系最为密切的气层， 其受下垫面直接影响并直接作用于下垫面， 同时还对天气、 气候和水文循环有重大影响（Dang et al， 2016； 车军辉等， 2021； 李玲萍等， 2024）。研究边界层结构的重要手段之一是观测试验（张强和胡隐樵， 2001）。国外早期的野外观测试验摸清了大气边界层的基本结构（Deardorff， 1972）。中国于1979年后陆续开展了包括青藏高原气象科学试验在内的多个综合性观测试验， 对青藏高原等特殊地区的地气相互作用和边界层结构进行了深入研究， 积累了大量的观测数据和科研成果（Liu et al， 2002； 李茂善等， 2004）。近些年， 激光雷达等先进仪器设备的应用大大提升了边界层观测的时间和空间精度， 为边界层结构的研究提供了新的探测手段（任阵海等， 2008； 王倩倩等， 2020）。
观测研究表明， 大气边界层的结构及其变化非常复杂， 既有明显的日、 月、 季节等不同时间尺度的变化， 又随着地理位置和下垫面属性的不同而产生差异（张强等， 2007； Darand and Zandkarimi， 2019； Xu et al， 2021； 王冠添等， 2023）。基于观测的大气边界层研究大都集中在其垂直结构的日变化上， 并且主要关注晴朗少云或者没有明显天气过程的时段， 以归纳出大气边界层的一般特征。然而， 大气边界层除了固有的随时间变化的特征以外， 还受当时具体天气状况和天气过程的调节， 从而呈现出不一样的特征（张强和王胜， 2008； 伏薇等， 2022）。杜一博等（2018）基于野外探空资料对晴天和阴天的边界层进行对比分析， 发现边界层高度以及近地面比湿廓线存在较大差异。王倩茹等（2018）对一次霰过程的大气边界层进行分析， 并与典型的晴天特征进行对比， 发现两者在温度、 风速和风向廓线上具有明显不同。可见， 大气边界层的结构与天空状况和天气过程密切相关。总体而言， 针对大气边界层在晴空、 多云、 阴和降雨等不同天气条件下的综合分析， 还比较少。
重庆市位于四川盆地的盆东平行岭谷地带， 山地和丘陵密布， 是典型的山地型城市， 其特有的地形、 地貌和位置造就了特殊的天气气候（程炳岩等， 2012）。然而， 针对重庆山地型城市大气边界层的观测研究还很初步， 大都集中在其特征的定性分析和描述上。刘建西等（1999）利用探空数据给出了不同月份重庆大气边界层层结状态以及风速等要素的整体特征。马力和张银廷（2008）基于探空资料对重庆早晨时段的大气边界层的逆温情况进行了统计， 指出全年逆温日数比例接近50%。张峥子等（2020）利用多年探空数据分析了重庆最大混合层厚度的季节和月变化， 指出其最大混合层厚度可达1841 m。这些工作并没有对重庆山地大气边界层本身的垂直结构（如位温廓线）进行细致分析。在夏季午后， 重庆经常受高温热浪侵袭， 是长江流域受高温灾害影响最大的城市之一。除了大气环流以外， 两江环绕和山地地形等复杂下垫面也是重要的影响因素。大气边界层作为下垫面影响局地天气的主要媒介， 在高温热浪的发生发展中扮演着重要角色。因此， 研究重庆夏季午后大气边界层的结构对揭示重庆高温事件发生的原因有一定的促进作用。
本文以重庆山地大气边界层作为研究对象， 关注夏季午后这个特定时段， 利用雷达探空加密观测资料分析大气边界层的垂直结构， 并给出不同天气条件下大气边界层的一般特征。

2 资料来源和方法介绍

本文所使用的资料来自重庆沙坪坝探空站的探空资料， 探空站位于重庆市主城区内的沙坪坝区歌乐山镇， 测站海拔541 m（图1）。资料使用L波段GFE（L）1型二次测风雷达（主要技术参数见表1）进行探空测量， 该仪器能连续自动获取从地面到高空不同高度处的风向、 风速、 气温、 气压、 湿度等5个气象要素数据。2016年夏季， 除了每日08:00（北京时， 下同）和20:00的常规观测以外， 还在每日13:00进行了加密观测。观测过程完全符合中国气象局《常规高空气象探测规范》（中国气象局， 2010）， 观测资料的质量也按照中国气象局《无线电探空资料质量控制》（中国气象局， 2011）进行控制。本文使用2016年6 -8月每日13:00的探空资料作为午后边界层特征分析的基础资料。为便于后续分析， 温度资料通过位温公式转化成位温。
图1 沙坪坝探空站周边卫星影像图

Fig.1 Satellite image around Shapingba radiosonde station

表1 L波段探空雷达主要技术参数

Table 1 Main technical parameters of L-band sounding radar

技术参数 描述
雷达型号 GFE（L）1型二次侧风雷达
测量精度

当风速≤10.0 m‧s-1时， 风向误差≤5.0°； 当风速10.0 m‧s-1时， 风向误差≤2.5°。

当风速≤10.0 m‧s-1时， 风速误差≤1.0 m‧s-1； 当风速10.0 m‧s-1时， 风速相对误差≤10%

探测高度 最低探测高度： 近地面0 m； 最高探测高度： ≥5.5 km
气球升速 400 m‧min-1
测风原理 属Lagrangian测量， 在不同时间对不同高度和地点进行探测
为了探究不同天气条件下边界层垂直结构特征， 本文对2016年6 -8月逐日的天气状况进行分类。分类标准主要参考重庆市气象台在实际天气预报业务中对不同天空状况的定义并做适当调整确定， 具体如下： 首先提取沙坪坝国家级气象站13:00前后1 h即12:00 -14:00的逐时降水资料， 若该时段内出现降水， 则将当日午后天气类别划分为“雨”； 若该时段内未出现降水， 则再根据当日14:00观测的总云量成数将午后天气状况划分为 “阴”、 “多云”和“晴”三个类别。午后天气条件类别划分标准如表2。
表2 重庆夏季午后天气条件类别划分标准

Table 2 Classification criterion of weather conditions in Chongqing on summer afternoon

标准 天气类别
12:00-14:00累计降水量P/mm 14:00总云量C/成
P=0.0 0≤C≤3 晴
P=0.0 4≤C≤7 多云
P=0.0 8≤C≤10 阴
P≥0.1 - 雨

-表示无数据（-indicates no data available）

边界层高度是刻画边界层特征的重要指标之一。目前， 使用探空资料确定边界层高度的方法以廓线法为主（张鑫等， 2006）， 即可采用位温、 风速等要素廓线来确定边界层高度。由于重庆主城区地形比较复杂， 局地环流比较明显， 如姜平等（2019）指出在复杂下垫面的热力作用影响下， 重庆存在明显的山谷风环流， 因此不大适合使用风速廓线来确定边界层高度。特别是本文关注的时间段是夏季午后， 相较而言， 地表的热力作用对于边界层的发展变化更加突出， 其位温廓线的特征也更加明显， 使用位温廓线来确定边界层高度相对比较可行。按照张鑫等（2006）的方法， 针对具有典型特征的对流边界层和稳定边界层， 分别使用混合层上的逆温层底部高度和贴地逆位温层顶部高度作为对应边界层的高度。

3 不同天气条件下的大气边界层特征

按照天气类别划分标准， 重庆夏季午后的天气条件分为“晴” “多云” “阴”和“雨”四个类别。在2016年6 -8月3个月中， 出现“晴” “多云” “阴”和“雨”的日数分别为22、 29、 26和15天， 分别占夏季天数的23.9%、 31.5%、 28.3%和16.3%。

3.1　晴朗条件下大气边界层特征

图2给出了重庆夏季午后天气条件为“晴”时， 不同日期大气边界层位温的垂直分布。从图2中可以看到， 大气边界层表现为典型的对流边界层（CBL）结构。此时， 天空总云量为0~3成， 地面受强烈的太阳辐射加热， 近地面大气的位温随高度增加递减， 即在近地面存在超绝热递减层。该层位温递减率最大达到28.0 ℃‧km-1（8月18日）， 其厚度最高达到250 m（8月23日）， 该厚度与西北干旱区夏季午后的超绝热递减层厚度相当（杜一博等， 2018）。该层之上， 是位温随高度基本保持不变的混合层（ML）。混合层厚度在夏季不同月份有些许差异， 平均能达到1.5 km， 特别是在8月中、 下旬的连晴时段， 午后对流边界层的混合层高度可达2.1 km（8月18日）， 该高度较张峥子等（2020）提出的最大混合层高度高出近300 m。混合层之上， 是位温随高度增加而递增的逆温层， 即夹卷层（EL）。除了6月23日、 8月10日等少部分日期的夹卷层与其上部的自由大气（FA）不能严格区分以外， 大部分日期均存在明显的夹卷层。在不同日期， 夹卷层的厚度存在差异， 平均厚度约为400 m。夹卷层内的位温递增率平均为8.0 ℃‧km-1， 最高达到15.0 ℃‧km-1（7月29日）。由于夹卷层底部高度决定了对流边界层的高度上限， 因此天气条件为“晴”时， 夏季午后重庆山地大气边界层的高度能达到1.5 km以上， 最高可达到2.1 km（表3）， 该量级与大部分文献中提到的盛夏白天对流边界层的典型高度相当（吴雯璐等， 2024）。夹卷层之上， 为位温随高度增加而递增的自由大气。相对于夹卷层， 自由大气位温递增率相对较小， 在2.0~5.0 ℃‧km-1。
图2 2016年重庆夏季午后天气条件为“晴”时大气边界层位温（黑色实线， 单位： ℃）及比湿（黑色虚线， 单位： g‧kg-1）廓线

标志“CBL” “EL”和“FA”分别表示大气边界层的对流边界层、 夹卷层和自由大气， 灰色横线为大气边界层不同层次分界线

Fig.2 The profiles of potential temperature （black solid line， unit： ℃） and specific humidity （black dashed line， unit： g‧kg-1） in Chongqing at summer afternoon in 2016 under the weather condition of ‘clear’.The symbols ‘CBL’ ‘EL’ and ‘FA’ represent the convective boundary layer， entrainment zone and free atmosphere， respectively， and the horizontal grey lines depict the boundaries of different layers

表3 不同天气条件下大气边界层高度

Table 3 The height of atmospheric boundary layer under different weather conditions

天气类别 平均高度/km 最大高度/km
晴 1.5 2.1
多云 1.0 1.8
阴 0.6 1.2
雨 - -

-表示无数据（-indicates no data available）

进一步对不同日期的大气边界层湿度和风等其他要素的廓线进行分析。以8月18日（图3）为例， 边界层高度之下比湿与位温的变化较为一致， 即在超绝热递减层以内， 比湿由地面向上递减， 混合层以内比湿基本维持在13.0 g‧kg-1。进入夹卷层， 比湿迅速递减， 到达自由大气以后， 比湿降到了2.1 g‧kg-1。综合其他日期的比湿变化， 在混合层以内， 由于强烈的垂直混合作用， 比湿在不同高度均匀混合， 在部分日期的混合层中高层， 甚至出现逆湿现象（如7月24日）； 再往上到夹卷层， 自由大气中湿度较低的空气被夹卷进入边界层上部， 因此比湿明显减少。相对而言， 晴朗条件下的大气边界层内的风速和风向的变化较为简单， 大部分日期近地面风速较小， 基本都低于5.0 m‧s-1， 部分日期（如8月24日）甚至完全处于静风状态， 风向在不同日期有些许差异； 垂直方向上， 风速和风向在边界层内基本保持不变。在夏季午后晴朗天气条件下， 重庆低风速甚至静风的特点与刘建西等（1999）的研究较为一致， 这与重庆所处的地理环境和环流背景密切相关， 而且这种较小的风垂直切变特征非常有利于混合层的垂直混合， 从而使对流边界层伸展到一个较高的高度。
图3 2016年8月18日大气边界层位温（黑色实线， 单位： ℃）、 比湿（黑色虚线， 单位： g‧kg-1）和风场（黑色风向杆， 单位： m‧s-1； 短线代表5 m‧s-1）廓线

标志“CBL” “EL”和“FA”分别表示大气边界层的对流边界层、 夹卷层和自由大气， 灰色横线为大气边界层不同层次的分界线

Fig.3 The profiles of potential temperature （black solid line， unit： ℃）， specific humidity （black dashed line， unit： g‧kg-1） and winds （black barbs， unit： m‧s-1； half barb denotes 5 m‧s-1） on August 18， 2016.The symbols ‘CBL’ ‘EL’ and ‘FA’ represent the convective boundary layer， entrainment zone and free atmosphere， respectively， and the horizontal grey lines depict the boundaries of different layers

另外， 从8月17日开始， 重庆出现了持续9天的高温过程。沙坪坝气象站在13:00的平均气温为39.2 ℃， 最高达到41.0 ℃。高温过程持续时间内， 午后大气边界层表现为典型的对流边界层结构， 混合层高度普遍在1.2 km以上， 最高达到2.0 km。在混合层强烈的垂直混合作用下， 边界层内维持比较高的湿度水平， 平均可到15 g‧kg-1。整个边界层风速较低， 小于5 m‧s-1， 且风向维持在偏东风， 垂直切变小。此时， 由于地表的强烈加热， 对流边界层发展旺盛， 将地表热量传递给大气， 同时由于强烈的混合作用， 整个边界层表现为高热高湿特点， 加之边界层风速较小， 温度平流作用较弱， 使局地热量难以在水平方向上扩散。可见， 边界层结构特征与局地热环境密切相关， 对边界层结构的深入分析将有助于揭示重庆高温事件发生的原因。

3.2　多云条件下大气边界层特征

图4为重庆夏季午后天气条件为“多云”时， 不同日期大气边界层的位温及比湿廓线（限于篇幅， 8月8日、 8月9日、 8月11日、 8月13日以及8月14日等5天的廓线未给出）。多云条件下， 大气边界层位温的垂直结构与天气条件为“晴”时较为相似， 也具有较为明显的对流边界层特征， 但强度整体较弱（图4）。具体而言， 大部分日期在近地面存在较弱的超绝热递减层， 厚度较低， 在100 m以下， 递减率也较小， 普遍低于8.0 ℃‧km-1。其次， 对流边界层高度相对较低， 平均为1.0 km左右， 部分日期的边界层高度能达到1.8 km及以上（如7月18日）。另外， 有3天（6月3日、 6月14日和7月3日）在混合层顶部存在明显的超绝热递减现象， 这可能与该时段前后的天气系统有关。比如7月3日午后， 重庆西部受低层的低压系统控制， 西部的西北偏西气流携带较冷空气入侵低层（如850 hPa）， 造成低层位温廓线出现超绝热递减现象。与晴朗天气条件相比， 大部分日期的夹卷层相对较厚， 如6月5日的夹卷层厚度能达到1.0 km。
图4 2016年重庆夏季午后天气条件为“多云”时大气边界层位温（黑色实线， 单位： ℃）及比湿（黑色虚线， 单位： g‧kg-1）廓线

标志“CBL” “EL”和“FA”分别表示大气边界层的对流边界层、 夹卷层和自由大气， 灰色横线为大气边界层不同层次的分界线

Fig.4 The profiles of potential temperature （black solid line， unit： ℃） and specific humidity （black dashed line， unit： g‧kg-1） in Chongqing on summer afternoon in 2016 under the weather condition of ‘cloudy’.The symbols ‘CBL’ ‘EL’ and ‘FA’ represent the convective boundary layer， entrainment zone and free atmosphere， respectively， and the horizontal grey lines depict the boundaries of different layers

对多云条件下不同日期的边界层湿度和风等其他要素廓线进行分析， 归纳总结出大气边界层的共性特征。以7月8日（图5）为例， 此时地面的蒸腾/蒸发作用较弱。混合层内， 比湿随高度基本保持不变或略微增加， 在混合层上部， 存在明显的逆湿层； 夹卷层以内， 比湿迅速减少； 再向上到自由大气， 比湿则逐渐减少。可见， 除了近地面层以外， 比湿的垂直特征与天气晴朗时基本一致。在风速风向的变化上， 大部分日期都以5.0 m‧s-1以下的低风速或静风为主， 且风速垂直切变不明显； 在混合层以内， 风向则随高度顺时针旋转。
图5 2016年7月8日大气边界层位温（黑色实线， 单位： ℃）、 比湿（黑色虚线， 单位： g‧kg-1）和风场（黑色风向杆， 单位： m‧s-1； 短线代表5 m‧s-1）廓线

标志“CBL” “EL”和“FA”分别表示大气边界层的对流边界层、 夹卷层和自由大气， 灰色横线为大气边界层不同层次的分界线

Fig.5 The profiles of potential temperature （black solid line， unit： ℃）， specific humidity （black dashed line， unit： g‧kg-1） and winds （black barbs， unit： m‧s-1； half barb denotes 5 m‧s-1） on July 8， 2016.The symbols ‘CBL’ ‘EL’ and ‘FA’ represent the convective boundary layer， entrainment zone and free atmosphere， respectively， and the horizontal grey lines depict the boundaries of different layers

3.3　阴天条件下大气边界层特征

图6为重庆夏季午后天气条件为“阴”时， 不同日期大气边界层的位温及比湿廓线（限于篇幅， 8月26日和8月29日等2天的廓线未给出）。阴天条件下， 大气边界层的结构有别于午后的对流边界层， 而与典型的上午时段（09:00 -11:00）的边界层结构类似（张强和王胜， 2008）（图6）。在近地面， 大部分日期仍然存在厚度较低的超绝热递减层。该层之上是混合层， 整体厚度不高， 基本都在800 m以下。之后位温随高度递增， 再往上位温随高度呈现短暂不变或略微上升的特征， 这两层类似于上午时段边界层的稳定边界层（SBL）和残余混合层（RML）。在阴天条件下的26天中， 有6月4日、 6月8日、 7月7日等总共10天均明显地表现出这两层的结构。
图6 2016年重庆夏季午后天气条件为“阴”时大气边界层位温（黑色实线， 单位： ℃）及比湿（黑色虚线， 单位： g‧kg-1）廓线

标志“CBL” “SBL” “RML” “EL”和“FA”分别表示大气边界层的对流边界层、 稳定边界层、 残余混合层、 夹卷层和自由大气， 灰色横线为大气边界层不同层次的分界线

Fig.6 The profiles of potential temperature （black solid line， unit： ℃） and specific humidity （black dashed line， unit： g‧kg-1） in Chongqing at summer afternoon in 2016 under the weather condition of ‘overcast’.The symbols‘CBL’ ‘SBL’ ‘RML’ ‘EL’ and ‘FA’ represent the convective boundary layer， stable boundary layer， residual mixed layer， entrainment zone and free atmosphere， respectively， and the horizontal grey lines depict the boundaries of different layers

以6月8日（图7）为例， 分析阴天条件下湿度和风的垂直变化。整体而言， 比湿的垂直变化与位温相反， 在混合层和残余混合层内， 比湿随高度基本保持不变， 在稳定边界层和夹卷层， 比湿随高度迅速减少。此时， 边界层风仍然维持在较小量级， 且风向随高度基本保持不变。整体来看， 比湿垂直结构与温度高度相关， 风速大都小于5 m‧s-1甚至为静风， 相较而言， 风向变化较为分散。
图7 2016年6月8日大气边界层位温（黑色实线， 单位： ℃）、 比湿（黑色虚线， 单位： g‧kg-1）和风场（黑色风向杆， 单位： m‧s-1； 短线代表5 m‧s-1）廓线

标志“CBL” “SBL” “RML” “EL”和“FA”分别表示大气边界层的对流边界层、 稳定边界层、 残余混合层、 夹卷层和自由大气

Fig.7 The profiles of potential temperature （black solid line， unit： ℃）， specific humidity （black dashed line， unit： g‧kg-1） and winds （black barbs， unit： m‧s-1； half barb denotes 5 m‧s-1） on June 8， 2016.The symbols ‘CBL’ ‘SBL’ ‘RML’ ‘EL’ and ‘FA’ represent the convective boundary layer， stable boundary layer， residual mixed layer， entrainment zone and free atmosphere， respectively， and the horizontal grey lines depict the boundaries of different layers

3.4　降水条件下大气边界层特征

在观测时段内， 有15天受天气过程或系统的影响而在午后出现降水。降水条件下， 大气边界层大都表现出典型的中性层结结构（图8）。在整个对流层下层（0~3 km）， 位温随高度递增， 平均递增率为6.0 ℃‧km-1。在部分日期， 近地面位温的递增速率相对较小， 体现了地表微弱的加热作用。另外， 在某些高度处， 位温有些许波动（如6月24日）， 这可能与具体的天气过程或系统的影响有关。
图8 2016年重庆夏季午后天气条件为“雨”时大气边界层位温（黑色实线， 单位： ℃）及比湿（黑色虚线， 单位： g‧kg-1）廓线

Fig.8 The profiles of potential temperature （black solid line， unit： ℃） and specific humidity （black dashed line， unit： g‧kg-1） in Chongqing on summer afternoon in 2016 under the weather condition of ‘rainy’

综合降水条件下的所有日期的湿度和风等要素的廓线特征， 虽然整体上比湿有递减趋势， 但在不同日期受不同天气过程和系统的影响， 比湿和风场的细节变化较为复杂。以6月24日（图9）为例， 在对流层下层， 风场为一致的西南风， 风速在1.6 km高度处达到极值， 出现15 m‧s-1的低空急流。该急流很可能将西南部的暖湿空气携带至目标区域， 从而导致位温和比湿的明显增加。
图9 2016年6月24日大气边界层位温（黑色实线， 单位： ℃）、 比湿（黑色虚线， 单位： g‧kg-1）和风场（黑色风向杆， 单位： m‧s-1； 短线代表5 m‧s-1）廓线

Fig.9 The profiles of potential temperature （black solid line， unit： ℃）， specific humidity （black dashed line， unit： g‧kg-1） and winds （black barbs， unit： m‧s-1； half barb denotes 5 m‧s-1） on June 24， 2016

3.5　不同天气条件下大气边界层的一般特征

基于同一天气条件下大气边界层温度、 湿度和风场在大部分日期内的共性表现， 以及边界层不同层次高度的平均数值， 本文给出对应天气条件下边界层的一般结构和特征， 供后续相关分析和研究参考使用。这里需要说明的是， 在“晴”、 “多云”和“阴”三类天气条件中， 虽然风速都比较小， 但风向分布较为分散， 因此在共性特征中并没有给出风向的垂直分布； 在天气条件为“雨”时， 由于受不同天气系统和过程的影响， 比湿和风场的变化都极为复杂， 难以归纳出共同的基本特征， 因此只给出了位温的垂直分布。
图10 夏季午后“晴”（a）、 “多云”（b）、 “阴”（c）、 “雨”（d）等不同天气背景下重庆大气边界层垂直结构的一般特征

（a~c）中左侧黑色实线和黑色虚线分别表示位温（单位： ℃）和比湿（单位： g‧kg-1）， 标志“CBL” “SBL” “RML” “EL”和“FA”分别表示大气边界层的对流边界层、 稳定边界层、 残余混合层、 夹卷层和自由大气， 灰色横线为大气边界层不同层次的分界线； （a~c）中右侧黑色实线表示风速（单位： m‧s-1）； （d）中黑色实线表示位温（单位： ℃）

Fig.10 General features of atmospheric boundary layer structure in Chongqing under different weather background of ‘clear’（a）， ‘cloudy’ （b）， ‘overcast’（c） and ‘rainy’ （d） on summer afternoon.Black solid lines and dashed lines in left panels in （a-c） depict potential temperature （unit： ℃） and specific humidity （unit： g‧kg-1）， and the symbols ‘CBL’ ‘SBL’ ‘RML’ ‘EL’ and ‘FA’ represent the convective boundary layer， stable boundary layer， residual mixed layer， entrainment zone and free atmosphere， respectively， and the horizontal grey lines depict the boundaries of different layers.The solid lines in right panels in （a-c） depict the wind speed （unit： m‧s-1）.The black solid line in （d） depicts the potential temperature （unit： ℃）

4 结论

利用雷达探空加密观测资料， 分析了夏季午后重庆山地大气边界层的垂直结构， 给出了不同天气条件下大气边界层的一般特征。主要结论如下：
（1） 晴朗及多云天气条件下， 受地面强烈的净辐射加热作用， 大气边界层表现为典型的对流边界层结构。晴天对流边界层发展更为旺盛， 近地面超绝热层更厚、 位温递减率更大， 且边界层上部的夹卷层厚度相对更薄， 位温递增率更大。晴天边界层高度平均可达1.5 km， 最高达到2.1 km， 而多云条件下的边界层高度平均只有1.0 km， 最高达到1.8 km。晴天地表蒸腾/蒸发作用较强。晴天及多云条件下， 边界层风速整体较低， 小于5.0 m‧s-1， 部分日期出现静风。
（2） 阴天， 大气边界层表现为典型对流边界层发展阶段（上午时段）的结构， 即在对流边界层与夹卷层之间存在稳定边界层和残余混合层。此时对流边界层厚度较低， 在800 m以下， 比湿廓线大致呈现与位温廓线相反的变化特征， 边界层风速也较低。
（3） 降水条件下， 大气边界层位温表现出中性层结结构， 即不存在明显的对流边界层。由于受不同天气系统和过程的影响， 比湿和风场特征相对比较复杂和多变。
上述结论可为后续面向重庆边界层结构的进一步分析和研究提供一定的参考。特别是， 针对重庆地区夏季午后常出现的高温热浪事件， 边界层作为下垫面与近地面大气能量交换的主要媒介， 其结构的深入分析将有助于提升对重庆局地热环境的认知。然而， 本文所使用的资料长度有限、 时间覆盖度不足， 仅仅只有2016年夏季6 -8月3个月时长， 并且仅仅关注午后这个时间点， 因此难以完整地给出大气边界层在不同季节、 不同时段的垂直结构特征。本文使用云量和降水观测对天气类别进行了较为粗略地划分， 云量与探空数据在观测时间上的不一致可能导致天气类别的错误归类。另外， 本文对于影响边界层结构的天气过程和系统并未进行细致地分类和分析， 特别是在“阴”和“雨”天气条件下， 大气常常被各类天气现象和过程所控制， 使大气边界层呈现出多样且独特的垂直结构， 这也是本文难以归纳总结出阴天和雨天大气边界层基本特征的主要原因。除此之外， 因分析方法的局限， 本文给出的大气边界层的一般结构仅仅为对应天气条件下大部分日期所呈现的共性特征， 并不代表所有的情形。后续， 还需要使用更加完备的观测资料和分析方法， 对不同天气背景下大气边界层的垂直结构进行深入研究。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
Dang R J， Li H， Li Z G， et al， 2016.Statistical analysis of relationship between daytime lidar-derived planetary boundary layer height and relevant atmospheric variables in the semiarid region in Northwest China［J］.Advances in Meteorology， 2016： 5375918.DOI： 10.1155/2016/5375918

Darand M， Zandkarimi F， 2019.Identification of atmospheric boundary layer height and trends over Iran using high-resolution ECMWF reanalysis dataset［J］.Theoretical and Applied Climatology， 137（1-2）： 1457-1465.DOI： 10.1007/s00704-018-2691-2 .

Deardorff J W， 1972.Numerical investigation of neutral and unstable planetary boundary layers［J］.Journal of the Atmospheric Sciences， 29（1）： 91-115.DOI： 10.1175/1520-0469（1972）0290091： NIONAU2.0.CO； 2 .

Liu H Z， Zhang H S， Bian L G， et al， 2002.Characteristics of micrometeorology in the surface layer in the Tibetan Plateau［J］.Advances in Atmospheric Sciences， 19（1）： 73-88.DOI： 10.1007/s00376-002-0035-7 .

Xu Z Q， Chen H S， Guo J P， et al， 2021.Contrasting effect of soil moisture on the daytime boundary layer under different thermodynamic conditions in summer over China［J］.Geophysical Research Letters， 48（3）： e2020GL090989.DOI： 10.1029/2020GL090989 .

车军辉， 赵平， 史茜， 等， 2021.大气边界层研究进展［J］.地球物理学报， 64（3）： 735-751.

Che J H， Zhao P， Shi Q， et al， 2021.Research progress in atmospheric boundary layer［J］.Chinese Journal of Geophysics， 64（3）： 735-751.DOI： 10.6038/cjg2021O0057 .

程炳岩， 李永华， 唐红玉， 等， 2012.重庆市气候业务技术手册［M］.北京： 气象出版社.Cheng B Y， Li Y H， Tang H Y， et al， 2012.Chongqing climate operational technical manual［M］.Beijing： China Meteorological Press.

杜一博， 张强， 王凯嘉， 等， 2018.西北干旱区夏季晴天、 阴天边界层结构及其陆面过程对比分析［J］.高原气象， 37（1）： 148-157.

Du Y B， Zhang Q， Wang K J， et al， 2018.The Northwest Arid Areas in summer sunny day， cloudy day boundary layer structure and land surface process comparison analysis［J］.Plateau Meteorology， 37（1）： 148-157.DOI： 10.7522/j.issn. 1000-0534.2017.0004 .

伏薇， 李茂善， 阴蜀城， 等， 2022.西风南支与高原季风环流场下青藏高原大气边界层结构研究［J］.高原气象， 41（1）： 190-203.

Fu W， Li M S， Yin S C， et al， 2022.Study on the atmospheric boundary layer structure of the Qinghai-Xizang Plateau under the south branch of the westerly wind and the plateau monsoon circulation field［J］.Plateau Meteorology， 41（1）： 190-203.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00016 .

姜平， 刘晓冉， 朱浩楠， 等， 2019.复杂地形下局地山谷风环流的理想数值模拟［J］.高原气象， 38（6）： 1272-1282.

Jiang P， Liu X R， Zhu H N， et al， 2019.Idealized numerical simulation of local mountain-valley winds over complex topography［J］.Plateau Meteorology， 38（6）： 1272-1282.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00019 .

李玲萍， 李天江， 李岩瑛， 等， 2024.陆面与大气边界层热力作用对河西走廊冷锋型沙尘暴的影响［J］.高原气象， 43（2）： 498-509.

Li L P， Li T J， Li Y Y， et al， 2024.The influence of thermal interaction between land surface and atmospheric boundary layer on cold front sandstorm in Hexi Corridor［J］.Plateau Meteorology， 43（2）： 498-509.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00055 .

李茂善， 马耀明， 胡泽勇， 等， 2004.藏北那曲地区大气边界层特征分析［J］.高原气象， 23（5）： 728-733.

Li M S， Ma Y M， Hu Z Y， et al， 2004.Study on characteristics of atmospheric boundary layer over Naqu region of northern Tibetan Plateau［J］.Plateau Meteorology， 23（5）： 728-733.

刘建西， 周和生， 魏袁立， 1999.四川盆地大气边界层风温场特征［J］.四川气象， 19（3）： 39-45.

Liu J X， Zhou H S， Wei Y L， 1999.Characteristics of the wind and temperature field in PBL in Sichuan Basin［J］.Journal of Sichuan Meteorology， 19（3）： 39-45.DOI： 10.3969/j.issn.1674-2184.1999.03.011 .

马力， 张银廷， 2008.L波段探空GFE（L）1型二次测风雷达资料在重庆大气边界层特征分析中的应用［J］.气象科技， 36（1）： 105-107.

Ma L， Zhang Y T， 2008.Application of L-band radar radiosonde data to characteristic analysis of ABL in Chongqing［J］.Meteorological Science and Technology， 36（1）： 105-107.DOI： 10.3969/j.issn.1671-6345.2008.01.020 .

任阵海， 苏福庆， 陈朝晖， 等， 2008.夏秋季节天气系统对边界层内大气中PM10浓度分布和演变过程的影响［J］.大气科学， 32（4）： 741-751.

Ren Z H， Su F Q， Chen Z H， et al， 2008.Influence of synoptic systems on the distribution and evolution process of PM10 concentration in the boundary layer in summer and autumn［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences， 32（4）： 741-751.DOI： 10.3878/j.issn.1006-9895.2008.04.04 .

王冠添， 胡泽勇， 孙根厚， 等， 2023.那曲地区不同季节陆面过程与大气边界层演变耦合关系的对比分析［J］.高原气象， 42（6）： 1361-1371.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00020.Wang G T ，

Hu Z Y， Sun G H， et al， 2023.Comparative analysis of coupling relationship between land surface processes and atmospheric boundary layer evolution in Nagqu area in different seasons［J］.Plateau Meteorology， 42（6）： 1361-1371. DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2023.00020 .

王倩倩， 余晔， 董龙翔， 等， 2020.基于激光测风雷达的兰州冬季风场特征及其与大气污染的关系［J］.高原气象， 39（3）： 641-650.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00009.Wang Q Q ，

Yu Y， Dong L X， et al， 2020.Characteristics of winter wind field in Lanzhou based on scanning lidar and its relation to air pollution［J］.Plateau Meteorology， 39（3）： 641-650.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00009 .

王倩茹， 范广洲， 赖欣， 等， 2018.西藏那曲地区一次霰过程的大气边界层特征分析［J］.气象， 44（3）： 396-407.DOI： 10.7519/j.issn.1000-0526.2018.03.006.Wang Q R ，

Fan G Z， Lai X， et al， 2018.Analysis of atmospheric boundary layer caracteristics of a graupel process in Nagqu region［J］.Meteorological Monthly， 44（3）： 396-407.DOI： 10.7519/j.issn.1000-0526.2018.03.006 .

吴雯璐， 陈海山， 郭建平， 等， 2024.中国夏季边界层高度及其主要影响因子的分区研究［J］.大气科学， 48（3）： 1201-1216.DOI： 10.3878/j.issn.1006-9895.2212.22183.Wu W L ，

Chen H S， Guo J P， et al， 2024.Regionalization of the boundary-layer height and its dominant influence factors in summer over China ［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences， 48（3）： 1201-1216.DOI： 10.3878/j.issn.1006-9895.2212.22183 .

张强， 胡隐樵， 2001.大气边界层物理学的研究进展和面临的科学问题［J］.地球科学进展， 16（4）： 526-532.DOI： 10.11867/j.issn.1001-8166.2001.04.0526.Zhang Q ，

Hu Y Q， 2001.Scientific problems and advance of atmospheric boundary layer physics［J］.Advance in Earth Sciences， 16（4）： 526-532.DOI： 10.11867/j.issn.1001-8166.2001.04.0526 .

张强， 王胜， 2008.西北干旱区夏季大气边界层结构及其陆面过程特征［J］.气象学报， 66（4）： 599-608.DOI： 10.11676/qxxb2008.057.Zhang Q ，

Wang S， 2008.A study on atmospheric boundary layer structure on a clear day in the arid region in northwest China［J］.Acta Meteorologica Sinica， 66（4）： 599-608.DOI： 10.11676/qxxb2008.057 .

张强， 赵映东， 王胜， 等， 2007.极端干旱荒漠区典型晴天大气热力边界层结构分析［J］.地球科学进展， 22（11）： 1150-1159.DOI： 10.11867/j.issn.1001-8166.2007.11.1150.Zhang Q ，

Zhao Y D， Wang S， et al， 2007.A study on atmospheric thermal boundary layer structure in extremely arid desert and gobi region on the clear day in summer［J］.Advances in Earth Science， 22（11）： 1150-1159.DOI： 10.11867/j.issn.1001-8166.2007.11.1150 .

张鑫， 蔡旭晖， 柴发合， 2006.北京市秋季大气边界层结构与特征分析［J］.北京大学学报（自然科学版）， 42（2）： 220-225.DOI： 10.3321/j.issn： 0479-8023.2006.02.014.Zhang X ，

Cai X H， Chai F H， 2006.Structures and characteristics of the atmospheric boundary layer over Beijing area in autumn［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis， 42（2）： 220-225.DOI： 10.3321/j.issn： 0479-8023.2006.02.014 .

张峥子， 冯鑫媛， 危诗敏， 2020.四川盆地最大混合层厚度与大气污染物浓度的关系［J］.高原山地气象研究， 40（4）： 90-96.DOI： 10.3969/j.issn.1674-2184 ·2020.04.015.

Zhang Z Z， Feng X Y， Wei S M， 2020.The relationship between the maximum mixing depth and the concentration of atmospheric pollutants in Sichuan Basin［J］.Plateau and Mountain Meteorology Research， 40（4）： 90-96.DOI： 10.3969/j.issn.1674-2184 ·2020.04.015.

中国气象局， 2010.常规高空气象观测业务规范［M］.北京： 气象出版社， 58.

China Meteorological Administration， 2010.Standard for routine upper-air meteorological observation［M］.Beijing： China Meteorological Press， 58.

中国气象局， 2011. QX/T 123-2011 无线电探空资料质量控制 ［S］.北京： 气象出版社， 15.China Meteorological Administration， 2011.QX/T 123-2011 Quality control for radiosonde data［S］.Beijing： China Meteorological Press， 15.

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