大气边界层又称行星边界层, 是靠近地球表面、直接受地面影响的大气层区域, 是整个大气层中最活跃的部分, 也是地气间能量与物质交换的桥梁。大气边界层过程是大气环流调整和气候变化的关键因素, 对极端天气气候事件和灾害性天气的发生具有重要的作用 (李岩瑛等, 2012; 张强和王胜, 2005)。而大气边界层高度是天气、气候和空气质量模式中判断湍流混合、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, 2008)。因此, 大气边界层高度一直是数值模拟、环境评价的重要物理参数之一。

在中国范围内, 不同地区大气边界层高度变化存在明显差异, 引起大气边界层高度变化的因素也是各不相同的 (孙继松, 2005; 钱敏伟和李军, 1996; Qian et al, 2000; 赵松年等, 1992)。例如, 在西北干旱区, 极强的陆面热力作用是该地区大气边界层形成发展的主要原因 (乔娟等, 2010; 张强等, 2007, 2011); 珠峰地区5月份大气边界层高度日变化明显, 能量交换特征因下垫面状况和站点的海拔不同而有所不同 (李茂善等, 2006); 青藏高原改则地区边界层内风速随高度呈多极值分布 (李家伦, 2000); 城市热岛效应和粗糙度增加有利于混合层发展 (孟庆珍和朱炳省, 1999; 叶堤等, 2008, Zhang et al, 2014); 上海城市混合层厚度的增加和风速加大导致动力作用加大有关 (杨勇杰等, 2006)。由于缺乏区域尺度上的观测数据集, 以往的研究工作多为利用特定时段的加强观测数据揭示特定地区边界层结构特征。近年来再分析资料开始运用于大气边界层研究:敦煌区域内大气边界层高度变化的主要热力因素是感热通量, 同时粗糙度和风速也是该地区大气边界层发展的主要动力因素 (张杰等, 2013); 盛行风和下垫面特征结合造成低空稳定性的变化是黄东海地区东高西低、南高北低的重要因素 (韩美等, 2012), 而海洋上空海气温差和风速季节变化产生的感热季节变化是黄东海地区大气边界层高度季节变化与陆地相反的主要原因 (涂静, 2011)。众所周知, 地表加热引起的热力不稳定及热力湍流是引起大气边界层高度形成和变化的主要热力原因 (李岩瑛等, 2012; Ma et al, 2008; 张强等, 2011), 大气边界层的发展和维持主要靠感热对热量的输送维持 (张强等, 2003)。另外, 大气边界层高度还受到垂直风切变产生的动力湍流作用的影响 (蔡新玲等, 2007)。模式中大气边界层高度一般可由参数化方案得到, 受多种因素影响, 不同条件下各因素所起到的作用不同, 因此, 有必要对各因素进行研究。

本文将利用再分析资料, 探讨近30年东亚地区大气边界层高度的变化特征, 并对影响大气边界层高度最主要的因素—感热通量与大气边界层高度的关系进行重点分析, 进一步揭示感热通量对东亚大气边界层高度的影响。

所用资料为NCEP/CFSR发布的19792009年全球大气边界层高度月平均资料 (PBLH)、感热月平均资料, 水平分辨率为2. 5°×2. 5°。NCEP/CFSR (Climate Forecast System Reanalysis) 是NCEP提供的覆盖全球的再分析资料, 其空间分辨率有了显著提高, 它考虑了大气和海洋的耦合、并加入海冰模式; 考虑了CO₂、气溶胶及其他痕量气体在19792009年间的变化; SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager) 对反演的海表风场进行了同化; 并使用GSI (Grid-point Statistical Interpolation) 方案对卫星观测辐射率 (包括TOVS、MSU、ATOVS、GOES) 进行了同化, CFSR是NCEP首次直接同化了卫星辐射率的全球再分析产品; 另外GLDAS (Global Land Data Assimilation System) 以及全球观测雨量资料的采用使得土壤湿度、地表能量和水收支更加合理 (Ek et al, 2003; Peters-Lidard et al, 2007; Saha et al, 2010)。虽然NCEP/CFSR地表感热通量和潜热通量资料是NCEP模式进行资料同化的输出结果, 属于C类资料, 但由于常规气象观测中没有地表通量的直接观测, 更不可能有全球范围的格点资料, 在缺少长时间序列、大空间尺度热源、大气边界层高度等实测资料的情况下, 再分析资料不失为一种可靠的代用资料; 而且竺夏英等 (2012)和韩美等 (2012)都通过研究指出NCEP/CFSR资料具有可用性。

所用的方法主要有奇异值 (SVD) 分解、趋势分析、相关分析等统计方法。

奇异值 (SVD) 分解是用于研究两个气象要素场之间相互关系的重要诊断工具 (施能, 1995; 魏凤英, 1999), 它可最大限度地从两个要素场中分离出多个相互独立的耦合模态, 从而揭示两个气象要素场所存在的时域相关性和空间联系。它以两个场的最大协方差为基础展开, 直接对交叉协方差阵进行奇异值分解, 可得到非零的按大小排序的奇异值及对应的左右奇异向量, 最大奇异值对应的奇异变量和时间系数为最佳的线性模态。由于SVD计算简便而被广泛应用于气候诊断研究中 (华维等, 2008; 严厉等, 2008; 张恒德等, 2006), 异性相关系数分布场的显著相关区代表了两个气象要素场相互影响的关键区。有关奇异值分解的方法详见文献 (施能, 1995; 魏凤英, 1999), 趋势分析方法详见文献 (魏凤英, 1999)。文中6-8月为夏季, 12月和次年1-2月为冬季。

下面分别计算东亚地区夏、冬季大气边界层高度和感热线性趋势系数。从东亚地区夏、冬季PBLH的趋势分布 (图 1) 可以看出, 夏季, 东亚地区PBLH大致为东部增加西部降低的趋势, 其中青藏高原、西北部分地区PBLH降低显著; 冬季PBLH大致呈东部降低、西部增高的趋势, 昆仑山主体以及青藏高原东南部PBLH增高显著。这与张杰等 (2013)得出的西北极端干旱区自1958年来, 夏秋季大气边界层高度有下降趋势, 而冬春季大气边界层高度有增加趋势的结论是一致的。

图 1(Figure 1)

图 1 东亚地区夏季 (a) 和冬季 (b) PBLH的趋势分布 浅、深阴影区分别表示通过了0. 05、0. 01显著性水平检验 Figure 1 The trend of PBLH in summer (a) and winter (b) in the East Asia. The light, dark shaded area have passed the confidence levels of 0. 05 and 0. 01, respectively

由感热的趋势分布 (图 2) 可以看出, 夏季, 青藏高原地区及西北干旱半干旱东部地区感热通量有减少的趋势, 其余大部地区感热有增加的趋势, 其中感热通量增加显著的区域在内蒙东部及云贵高原, 感热通量减少显著地区位于青藏高原地区; 冬季, 东部地区、新疆西部以及高原东南侧感热通量减少, 其余大部地区感热通量增加, 其中西北干旱半干旱区局地、青藏高原东南侧感热通量增加显著。这与西北干旱半干旱区夏季感热减少 (周连童和黄荣辉, 2008) 的结论相一致。但和王学佳等 (2013)得出的感热通量线性趋势的空间分布存在一些差异, 这可能是计算方法、所用资料之间存在差异而导致的。

图 2(Figure 2)

图 2 东亚地区夏季 (a) 和冬季 (b) 感热通量的趋势分布 其余说明同图 1 Figure 2 The trend of sensible heat in summer (a) and winter (b) in the East Asia. Others are the same as Fig. 1

综上所述, 在西北干旱半干旱区, 夏季PBLH有降低的趋势, 感热减少, 冬季PBLH有增高的趋势, 感热增加; 在高原附近, 夏季PBLH降低、感热减少, 冬季PBLH增高、感热增加; 东部地区夏季PBLH增高、感热增加, 冬季PBLH降低、感热减少。

大气边界层高度受感热加热产生的热力湍流作用影响, 这一点也可从上面的分析中看出。下面采用SVD方法从空间尺度的角度对感热通量和PBLH两个场进行研究。选取1979-2009年东亚地区感热通量作为左场, 同时段PBLH为右场进行SVD分析, 结果如图 3~6所示。

图 3(Figure 3)

图 3 东亚地区夏季感热通量 (a) 与PBLH (b) SVD分析的第一模态异类相关分布及对应的时间系列变化 (c) (a)、(b) 中阴影区说明同图 1 Figure 3 The first mode of heterogeneous correlation coefficients for sensible heat (a) and PBLH (b) in summer, and their corresponding time series (c). In (a), (b), the shaded areas are the same as Fig. 1

图 4(Figure 4)

图 4 同图 3, 但为第二模态 Figure 4 The same as Fig. 3, but for the second mode

图 5(Figure 5)

图 5 东亚地区冬季感热通量 (a) 与PBLH (b) SVD分析的第一模态异类相关分布及对应的时间系列变化 (c) (a)、(b) 中阴影区说明同图 1 Figure 5 The second mode of heterogeneous correlation coefficients for sensible heat (a) and PBLH (b) in winter, and their corresponding time series (c). In (a), (b), others are the same as Fig. 1

图 6(Figure 6)

图 6 同图 5, 但为第二模态 Figure 6 The same as Fig. 5, but for the second mode

夏季第一模态可解释两个场之间总协方差的28. 74%。从图 3可看出, 两个场的分布比较相似, 一定程度上显示了感热和PBLH分布的东西差异。由感热通量的异性相关场 (图 3a) 可以看出, 东部地区为正相关区, 高相关区位于东北地区、内蒙古东部及华北北部等地区, 相关系数在0. 6以上, 通过了0. 01显著性水平检验。青藏高原地区和西南地区大部为负相关区, 高相关区在青藏高原地区。在PBLH异性相关场 (图 3b) 中, 东南沿海地区、西北和四川大部为负相关区, 高相关区主要在青藏高原地区及西北的甘肃地区。正相关区主要位于内蒙东部和东北地区, 且通过了0. 01显著性水平检验。以上的分布表明, 当青藏高原地区的感热通量减少时, 相应地区的PBLH降低; 内蒙古东部及东北地区的感热增加时, 相应地区的PBLH增加。对照第一模态的时间序列 (图 3c) 可以看出, 两个异性相关系数对应的时间序列的变化趋势比较一致, 年代际变化特征显著, 20世纪90年代中期之前为负位相变化, 之后为正位相变化。两个时间序列具有明显的同相变化, 青藏高原地区、内蒙古东部和东北地区的感热通量处于正 (负) 位相, 其相应地区的PBLH也处于正 (负) 位相。表明在西北干旱半干旱区, PBLH变化主要受地表加热影响。

夏季第二模态可解释两个场之间总协方差的12. 9%, 由感热的异性相关场 (图 4a) 可以看出, 华南地区为负相关区, 但是相关不明显; 其余地区为正相关区, 高相关区主要在青藏高原南侧, 通过了0. 01显著性水平检验, 另一个高相关区在华北局部地区, 也通过了0. 05显著性水平检验。由PBLH的异性相关场 (图 4b) 可知, 负相关区主要位于华南地区, 其余地区为正相关区。正相关显著的区域主要在青藏高原南侧和华北局部地区。这表明当青藏高原南侧、华北的感热增加 (减少) 时, 相应地区的PBLH增高 (降低), 而在华南地区虽然都为负相关区, 但感热场并没有通过显著性检验。第二模态左右场对应的时间系数年际变化特征表现更为明显。20世纪80年代中前期之前、20世纪90年代中期至后期、2007年以后多以负位相为主, 青藏高原南侧及华北部分地区的PBLH降低, 20世纪80年代中后期至90年代中期以及21世纪10年代, 多表现为正位相, 青藏高原南侧及华北部分地区的PBLH增高。特别是此模态在青藏高原主体与高原南边缘的分布有明显差异, 南边缘感热分布与PBLH显著相关, 而高原主体相关不显著。产生这种差异的原因可能和Wu et al (2012)提出的青藏高原感热“气泵”的存在有关。

冬季第一模态可解释两个场之间总协方差的29. 49%, 由感热的异性相关场 (图 5a) 可以看出, 东部和西部地区感热呈反向变化的分布, 东部地区为负相关区, 西部地区为正相关区, 正相关中心位于青藏高原地区以及西北干旱半干旱地区中部, 负相关中心主要位于华中和华东地区, 相关系数均通过了0. 05显著性水平检验。对应的PBLH异性相关场 (图 5b) 大致为东部负相关、西部正相关的分布, 其中正相关中心主要在青藏高原地区、西北干旱半干旱地区中部, 负相关中心主要在东部沿海地区。从冬季第一模态的时间序列 (图 5c) 具有明显的年代际变化特征, 并在20世纪80年代中后期发生了位相变化, 20世纪80年代中后期之前负位相变化为主, 东部地区感热和PBLH增加, 西部地区感热和PBLH减少; 20世纪80年代中后期之后至今, 以正位相分布为主, 东部地区感热和PBLH减少, 西部地区感热和PBLH增加。

对比夏季和冬季SVD1可发现, 均表现出感热和PBLH的东西分布差异, 这可能和季风的影响有关; 结合它们的时间序列可看出, 在20世纪80年代中期和21世纪初之后, 第一模态表现了感热和PBLH的冬、夏季反向变化:当夏季为东高西低分布时, 冬季为东低西高分布。

冬季第二模态可解释两个场之间总协方差的22. 4%, 由冬季感热的异性相关场 (图 6a) 可以看出, 华北和华东大部地区为正相关区, 但相关不明显; 其余地区为负相关区。冬季PBLH的异性相关场 (图 6b) 与感热的异性相关场相似。该模态的变化有一定的年代际变化特征, 21世纪00年代初之前多表现为正位相, 华东和华北大部地区感热增加、PBLH增高, 其余地区感热减少、PBLH降低; 21世纪00年代之后多表现为负位相, 华东和华北大部地区感热减少、PBLH降低, 其余地区感热增加、PBLH升高。

从上面SVD各模态的分析结果看, 无论是冬季还是夏季, 在青藏高原地区和西北干旱半干旱区部分地区, 感热与PBLH相关显著, 而在东部季风区, 相关不显著, 这表明在青藏高原地区及西北干旱半干旱部分地区, PBLH的变化主要受地表加热的影响, 这与乔娟 (2009)和张强等 (2011)指出的在西北干旱和半干旱区, 感热通量是推动边界层发展的重要因素的结论基本一致。而在东部季风区, 地表加热可能仅是影响PBLH变化的因素之一。

(1) 通过趋势分析, 发现夏季东亚地区PBLH大致呈东部增高、西部降低趋势, 冬季PBLH为东部降低、西部增高的分布。夏季青藏高原地区感热通量有降低的趋势, 其余大部地区有增加的趋势。冬季, 感热变化趋势大致为东部地区及新疆西部减少, 其余地区增加的分布。

(2) 夏季SVD1表明当青藏高原地区的感热通量减少时, 相应地区的PBLH降低; 内蒙东部及东北地区的感热增加时, 相应地区的PBLH增加。夏季SVD1一定程度上反映了在西北干旱半干旱区, PBLH变化主要受地表加热影响。该空间型的年代际变化显著。夏季SVD2表明当青藏高原南侧、华北的感热增加 (减少) 时, 相应地区的PBLH增高 (降低), 且年际变化特征较为明显。该空间型在高原主体与高原南侧分布的差异在一定程度上反映了青藏高原感热“气泵”的影响。

(3) 冬季SVD1主要表现为东西反向变化的分布, 当青藏高原、西北干旱半干旱地区中部感热增加 (减少), PBLH增高 (降低), 东部地区感热减少 (增加), PBLH降低 (减少)。SVD2表现为华北和华东地区与其余地区反向相关的分布。冬季两个空间型均具有一定的年代际变化特征。

(4) 在青藏高原地区以及西北干旱半干旱区部分地区, PBLH变化主要受地表加热的影响, 而在东部季风区, 感热变化仅是PBLH变化的因素之一。

大气边界层高度的定义不同, 影响其变化的因素也不同 (Axel et al, 2013), 本文仅讨论了感热通量空间分布对大气边界层高度的影响, 对于其他的热力、动力因子 (如风速、云量、地气温差等) 对大气边界层高度的变化的影响, 将在今后的研究中进一步探讨。