2017, Vol. 36
大气边界层是对流层的最低层, 是地表对大气强迫的产物(赵建华等, 2013), 直接影响着地球表面(Stull, 1988), 决定着地表和自由大气之间水汽、热量、动量以及污染物质等交换过程(Couvreux et al, 2009; Schmid and Niyogi, 2012; Compton et al, 2013; Feng et al, 2015; 杨玉华等, 2016), 在天气和气候尺度的大气调整中发挥着作用(McGrath-Spangler, 2016; Ma and Bao, 2016; 张强等, 2009), 在极端天气和气候事件中扮演着重要的角色(Von and Teixeira, 2013)。边界层高度是大气边界层中的一个重要物理参数(张强, 2007; Zhang et al, 2012; 赵采玲等, 2014), 在描述低层大气特征、评估各种大气过程、天气以及空气质量预报中扮演着重要的角色(Saeed et al, 2015; Shrestha et al, 2015), 主要受太阳辐射、天气状况以及当地地形所影响(Coulter, 1979), 随时间和空间不断变化(张强等, 2007; 张强和王胜, 2008; 李岩瑛等, 2016)。
目前对边界层高度的研究多集中在计算方法(Couvreux et al, 2009; Compton et al, 2013; Arya, 1981; He et al, 2006; Seidel et al, 2010; Bachour and Perez-Astudillo, 2014; Bachtiar et al, 2014; Molod et al, 2015)、影响因素(Leventidou et al, 2013)以及变化特征(Sawyer and Li, 2013; Pal et al, 2012; Patil et al, 2013)等方面, 其中关于边界层高度变化特征的研究多局限在站点或者短时间尺度上。在全球变暖的大背景下, 对流层顶高度已经被发现呈上升趋势(Randel et al, 2000; Sausen and Santer, 2003; 吕达仁等, 2008), 那么作为对流层底层的边界层高度是否也有同样的趋势？2013年, Zhang et al(2013)利用1973-2010年25个探空站观测数据, 对欧洲的边界层高度趋势进行了评估, 结果显示多数站点在四个季节的白天边界层高度呈显著性增加。但由于数据在时间上的局限性, 无法给出边界层高度的年代际特征, 且研究只包括欧洲部分, 世界其他地区的趋势没有涉及。
干旱半干旱区约占地球表面的30%, 气候变化会对这些区域造成显著的影响, 其边界层对大气的加热作用与全球大多数区域有较强差异, 对气候和大气环流影响较大(张强等, 1998, 2001, 2003, 2004)。由于大气边界层的物理过程与下垫面物理性质具有紧密关系(刘罡等, 2005), 因此干旱半干旱区下垫面引起的非均匀性使得其边界层结构和特征更为复杂(岳平等, 2008)。全球范围内有多个干旱带, 其中以亚非干旱带覆盖面积最大, 其西起非洲撒哈拉沙漠, 东至中蒙干旱区, 其中东亚干旱半干旱区位于亚非干旱带东段, 属于北非中纬度地区, 受季风气候影响明显, 为典型的季风气候, 而北非干旱半干旱区位于亚非干旱带西段, 属于北纬低纬度地区, 深受副热带高气压带控制和影响, 为典型的热带沙漠气候和地中海气候。两个地区作为全球典型的干旱半干旱区, 其边界层高度在近100年里发生了怎样的变化？年代际特征是否明显？具有什么样的特点？两区域之间具有什么样的差异？因此, 利用欧洲中心再分析资料ERA-20C、ERA-Interim和ERA40数据对东亚、北非干旱半干旱区1900-2015年边界层高度的年代际变化特征进行了综合分析, 使用波文比进行了区域划分, 更为细致地探讨了边界层高度的变化及异同点, 为后期大气边界层对气候影响的研究做基础。
2 研究区域和方法介绍 2.1 研究区域东亚干旱半干旱区地形西部以高原山地为主, 东部以平原为主, 地势西高东低, 下垫面较为复杂。北非干旱半干旱区地形以高原为主, 地势较平坦, 沙漠广布。本研究以200 mm年降水量为干旱分界线, 450 mm年降水量为半干旱分界线, 东亚研究范围为30°N55°N、70°E135°E, 北非研究范围为10°N40°N、20°W40°E。
2.2 数据及研究方法 2.2.1 数据资料选用欧洲中心在2015年发布的再分析资料ERA-20C中的边界层高度月平均资料, 时间为1900-2010年, 空间分辨率为0.125°×0.125°。由于在使用ERA-20C资料进行分析时, 发现东亚干旱半干旱区无论是整体还是各分区域, 在2010年均存在一个明显的下降, 为分析该年是否是一个转折年, 引入ERA-Interim资料数据作为补充, 进而将边界层高度数据延伸至2015年。另使用ERA-20C中的降水量数据找出干旱半干旱区, 使用ERA40中的感热、潜热通量计算波文比, 以进行区域划分。
2.2.2 区域划分参数由于东亚、北非干旱半干旱区范围较大, 包含多种不同的下垫面类型, 而下垫面类型的差异会造成边界层的差异。考虑到下垫面类型与感、潜热通量密切相关, 而感、潜热通量的不同分配与边界层紧密相关, 因此选用波文比β对东亚、北非干旱半干旱区进行分区, 以便更加细致地探讨东亚、北非边界层高度的特征及其差异。Stull(1988)指出对于湿润地面, 大部分能量用于蒸发, 所以β较小; 对于干旱地面, 大部分能量进入感热, β较大, 典型值的范围是从半干旱地区5, 草地和森林0.5, 灌溉的果园或草地0.2, 海洋0.1, 到绿洲的负值。结合波文比β的特点及东亚、北非β的分布, 可以将其大致分为β≤0.5、0.5 < β≤1、1 < β≤5、5 < β≤10、10 < β≤30、β>30共6个区间。
3 整体特征首先对东亚、北非干旱半干旱区整体边界层高度的年代际特征以及两者之间的差异进行了分析。
通过统计东亚、北非边界层高度及两者差异的年代际变化(图 1), 东亚干旱半干旱区边界层高度均值为755 m, 115年间的最小值为709 m, 最大值为794 m。由图 1a还可以看出, 从1900-2015年东亚干旱半干旱区边界层高度呈明显的上升趋势, 其气候倾向率为2.0 m·(10a)-1, 且通过了0.01的显著性水平检验。从11年滑动平均来看, 东亚干旱半干旱区边界层高度呈现出明显的年代际震荡, 波动周期约为20年, 1900-1920年呈明显的先上升后下降的趋势, 在1910年达到极大值; 1920-1940年同样呈现出先上升后下降的趋势, 但上升持续时间明显少于下降持续时间, 且变化幅度小于1900-1920年间的; 1940-1960年间为明显的下降趋势, 变化率为-10.0 m·(10a)-1, 且一直持续到1964年; 20世纪60年代中期开始有一个剧烈的上升趋势, 变化率为80.3 m·(10a)-1, 至1971年达到峰值, 也为115年间的最大值, 之后在70年间有一急剧下降, 变化率为-94.0 m·(10a)-1, 至1975年, 随后有一缓慢的上升趋势。整体而言, 1964年为东亚干旱半干旱区的一个显著转折年, 该年之后边界层高度整体有一明显抬升, 1964年之前边界层高度均值为748 m, 1964年之后边界层高度均值为763 m。结合ERA-Interim补充资料可以发现, 2010年之后边界层高度没有持续下降, 说明2010年仅为年际震荡中的一边界层高度偏低年, 并没有引起年代际的转折。
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图 1 1900-2015年东亚(a)、北非(b)干旱半干旱区边界层高度及其差值(c, 北非减东亚之差)年代际变化特征 **表示通过了0.01的显著性水平检验 Figure 1 The decadal change characteristics of the boundary layer height in East Asia (a), North Africa (b) and the difference between North Africa and East Asia (c) from 1900 to 2015. ** means the significance level of 0.01 test |
经统计, 北非干旱半干旱区边界层高度均值为834 m, 115年间的最小值为788 m, 最大值约为901 m。由图 1b可见, 从1900-2015年北非干旱半干旱区边界层高度呈明显的下降趋势, 其气候倾向率为-0.6 m·(10a)-1, 但未通过显著性水平检验。从11年滑动平均来看, 北非干旱半干旱区边界层高度在1940年之前年代际震荡较弱, 1920年之前为弱的下降趋势, 变化率为-1.5 m·(10a)-1, 1920-1940年为缓慢下降趋势, 波动较为平稳; 1940年之后年代际震荡幅度加大, 1940-1960年为明显的上升趋势, 变化率为10.1 m·(10a)-1, 1960-1980年为急剧的下降趋势, 变化率为-43.9 m·(10a)-1, 20世纪80年代之后为上升趋势, 变化率为10.2 m·(10a)-1。整体来看, 北非干旱半干旱区边界层高度的年代际震荡周期约为40年, 1940年是北非干旱半干旱区的一个转折年, 该年之后边界层高度震荡幅度明显增大, 1940年之前边界层高度极差为53 m, 1940年之后边界层高度极差为113 m。
对比东亚、北非干旱半干旱区边界层高度特征发现, 北非干旱半干旱区边界层高度明显高于东亚地区。经统计, 北非边界层高度与东亚边界层高度的差值平均为79 m, 最小为20 m, 最大为157 m。差值从1900-2015年呈明显下降趋势, 其气候倾向率为-2.6 m·(10a)-1, 通过了0.01的显著性水平检验(图 1c)。从线性变化趋势和11年滑动平均变化上来看, 两者的差异由东亚的上升和北非的下降引起, 两地区的边界层高度变化趋势呈相反状态, 其中东亚的上升更为显著。从图 1中还可以发现, 东亚边界层高度的变化趋势多与北非呈相反状态, 尤其在变化幅度较大的年代, 如1940-1960年和1960-1970年。
4 不同区域的特征 4.1 区域划分图 2为东亚干旱非干旱区的波文比空间分布(30等值线代表年降水量为30 mm, 200等值线代表年降水量为200 mm, 450等值线代表年降水量为450 mm, 下同)。从图 2中可以看出, 东亚干旱半干旱区波文比的空间分布呈经向扁平特征, 最大值中心位于塔克拉玛干沙漠, 向四周递减, 西部递减梯度最大, 北部、东部递减梯度相对较小。南部靠近青藏高原、西部区域较小、梯度较密, 因此东亚地区主要分析其北部和东部。波文比β>30, 记为EA, 沙漠极端干旱区, 位于塔克拉玛干沙漠, 占东亚干旱半干旱区面积的1%;波文比10 < β≤30, 记为EB, 沙漠干旱区, 包围区域EA, 由塔克拉玛干沙漠外围延伸至巴丹吉林沙漠一带, 占东亚干旱半干旱区面积的10%;波文比5 < β≤10, 记为EC, 感热通量明显大于潜热通量的干旱区, 位于区域EB外围, 即沙漠干旱区的边缘, 占东亚干旱半干旱区面积的8%, 分析中取两部分区域为代表, 40°N以北、100°E以西记为EC1, 100°E以东记为EC2;波文比1 < β≤5, 记为ED, 以感热通量为主的干旱区与半干旱区, 其中干旱区主要位于45°N47°N, 83°E113°E, 半干旱区主要位于内蒙古与陕西、山西、河北交界处, 及南部的年降水量为200~500 mm之间, 占东亚干旱半干旱区面积的34%, 分析中取两部分区域为代表, 45°N以北、105°E以西记为ED1, 105°E以东记为ED2;波文比0.5 < β≤1, 记为EE, 以潜热通量为主的与半干旱区, 主要位于蒙古国中东部的半干旱区, 占东亚干旱半干旱区面积的32%, 分析中以蒙古中东部为代表; 波文比β≤0.5, 记为EF, 潜热通量明显大于感热通量的干旱区, 主要位于中高纬度的半干旱区, 占东亚干旱半干旱区面积的14%, 分析中选取46°N以北的中高纬度区域为代表。
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图 2 东亚干旱半干旱区的波文比空间分布 Figure 2 The spatial distribution of Bowen ratio's in arid and semiarid area over East Asia |
从北非干旱半干旱区的波文比空间分布(图 3)可以看出, 北非干旱半干旱区波文比的空间分布呈以中部为高值中心, 向南北方向递减的特征。波文比β>30, 记为NA, 沙漠极端干旱区, 零星分布在年降水量30 mm线内, 最大的两片区域位于撒哈拉沙漠的东部, 占北非干旱半干旱区面积的7%;波文比10 < β≤30, 记为NB, 沙漠干旱区, 主要位于年降水量30 mm线内, 以撒哈拉沙漠为主的区域, 占北非干旱半干旱区面积的55%;波文比5 < β≤10, 记为NC, 感热通量明显大于潜热通量的干旱区, 位于区域B外围, 即沙漠干旱区的南缘和北缘, 占北非干旱半干旱区面积的11%, 南部临近赤道记为NC1, 北部靠海记为NC2;波文比1 < β≤5, 记为ND, 以感热通量为主的干旱区与半干旱区, 南部主要位于年降水量450 mm线与200 mm线之间, 北部主要位于年降水量200 mm线附近, 占北非干旱半干旱区面积的23%, 南部临近赤道记为ND1, 北部靠海记为ND2;波文比0.5 < β≤1, 记为NE, 以潜热通量为主的半干旱区, 主要位于北部临海区域, 占北非干旱半干旱区面积的4%, 南部临近赤道记为NE1, 北部靠海记为NE2。
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图 3 北非干旱半干旱区的波文比空间分布 Figure 3 The spatial distribution of Bowen ratio's of arid and semiarid area over North Africa |
EA为东亚干旱半干旱区β>30的区域, 经统计, EA区域边界层高度均值为859 m, 115年间的最小值为789 m, 最大值为923 m。由图 4a可见, EA边界层高度从1900-2015年呈下降趋势, 其气候倾向率约为-1.2 m·(10a)-1, 通过了0.05的显著性水平检验。从11年滑动平均来看, EA在20世纪60年代之前, 变化较为平稳, 60年代后期(1966年)显著下降, 70年代之后缓慢上升。
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图 4 东亚干旱半干旱区不同区域边界层高度的年代际特征 (a) EA, (b) EB, (c) EC1, (d) EC2, (e) ED1, (f) ED2, (g) EE, (h) EF.**表示通过了0.01的显著性水平检验, *表示通过了0.05的显著性水平检验 Figure 4 The decadal change characteristics of boundary layer height's in East Asia's different regions. ** means the significance level of 0.01 test and * means the significance level of 0.05 test |
EB为东亚干旱半干旱区10 < β≤30的区域, 经统计, EB区域边界层高度均值为755 m, 115年间的最小值为703 m, 最大值为802 m。EB边界层高度从1900-2015年呈明显的上升趋势, 其气候倾向率为3.8 m·(10a)-1, 且通过了0.01的显著性水平检验(图 4b)。从11年滑动平均来看, EB在20世纪60年代(1965年)有明显的上升趋势, 其余时段变化较为平稳。1965年为一转折年, 65年之后边界层高度有了整体的抬升。
EC1为东亚干旱半干旱区5 < β≤10的北部代表区域, 经统计, EC1区域边界层高度均值为751 m, 115年间的最小值为683 m, 最大值为798 m。EC1边界层高度从1900-2015年呈现出上升趋势, 其气候倾向率为0.4 m·(10a)-1, 未通过显著性水平检验(图 4c)。从11年滑动平均来看, 变化较为平稳, 20世纪50-70年代震荡较为明显, 其中1965-1970年有一明显的下降。
EC2为东亚干旱半干旱区5 < β≤10的东部代表区域, 经统计, EC2区域边界层高度均值为723 m, 115年间的最小值为639 m, 最大值为814 m。EC2边界层高度从1900-2015年呈明显的上升趋势, 其气候倾向率为10.7 m·(10a)-1, 通过了0.01的显著性水平检验(图 4d)。从11年滑动平均来看, 整体呈持续上升趋势, 1965-1971年显著上升, 之后变化较为平稳。
ED1为东亚干旱半干旱区1 < β≤5的北部代表区域, 经统计, ED1区域边界层高度均值为698 m, 115年间的最小值为633 m, 最大值为752 m。ED1边界层高度从1900-2015年呈现出上升趋势, 其气候倾向率为1.5 m·(10a)-1, 未通过显著性水平检验(图 4e)。从11年滑动平均来看, 变化较为平稳, 在20世纪50-70年代震荡较为明显。
ED2为东亚干旱半干旱区1 < β≤5的东部代表区域, 经统计, ED2区域边界层高度均值为697 m, 115年间的最小值为605 m, 最大值为798 m。ED2边界层高度从1900-2015年呈明显的上升趋势, 其气候倾向率为11.5 m·(10a)-1, 通过了0.01的显著性水平检验(图 4f)。从11年滑动平均来看, 变化趋势与EC2类似, 整体呈持续上升趋势, 1965-1968年显著上升, 之后变化较为平稳。
EE为东亚干旱半干旱区0.5 < β≤1的代表区域, 经统计, EE区域边界层高度均值为639 m, 115年间的最小值为543 m, 最大值为729 m。EE边界层高度在1900-2015年呈现出明显的上升趋势, 其气候倾向率为12.4 m·(10a)-1, 通过了0.01的显著性水平检验(图 4g)。从11年滑动平均来看, 与EC2和ED2类似, 整体呈持续上升趋势, 1964-1968年显著上升, 之后变化较为平稳。
EF为东亚干旱半干旱区β≤0.5的代表区域, 经统计, EF区域边界层高度均值为637 m, 115年间的最小值为566 m, 最大值为706 m。EF边界层高度从1900-2015年呈现出上升趋势, 其气候倾向率为1.8 m·(10a)-1, 未通过显著性水平检验(图 4h)。从11年滑动平均来看, EF年代际变化较为平稳, 年际震荡较为明显。
对比东亚干旱半干旱区的8个代表区域可以发现, 随着波文比β的不断减小, 对应的边界层高度也不断减小, 这是符合感、潜热通量分配与边界层发展之间的对应关系的。对比EC1与EC2、ED1和ED2可以发现, 相同波文比区间内, 北部边界层高度略高, 北部边界层高度极差小于东部, 说明其分布更为均匀。综合来看, 东亚干旱半干旱区变化上升趋势最为明显的区域为5 < β≤10的东部、1 < β≤5的东部、β≤0.5, 气候倾向率为10.7~12.4 m·(10a)-1, 位于东部地区; 其次为10 < β≤30的区域, 气候倾向率为3.8 m·(10a)-1, 位于中部地区; 上升较缓慢的区域为0.5 < β≤1、5 < β≤10的北部、1 < β≤5的北部, 气候倾向率为0.4~1.8 m·(10a)-1, 位于北部地区; 呈下降趋势的区域为β>30, 气候倾向率为-1.2 m·(10a)-1。除塔克拉玛干地区边界层高度呈下降趋势外, 东亚干旱半干旱区其他区域的边界层高度均表现为上升趋势, 其中中东部区域, 尤其是东部上升最为显著。东亚整体以及各区域均在20世纪60-70年代呈现出剧烈的波动, 除塔克拉玛干沙漠呈下降趋势外, 其他区域都呈现出一定程度的上升, 这种上升在中东部, 尤其是东部表现的更为明显。
4.3 北非干旱半干旱区不同区域边界层高度特征NA为北非干旱半干旱区β>30的区域, 经统计, NA区域边界层高度均值为755 m, 115年间的最小值为699 m, 最大值为831 m。NA边界层高度从1900-2015年呈明显的下降趋势, 其气候倾向率为-4.0 m·(10a)-1, 且通过了0.01的显著性水平检验(图 5a)。从11年滑动平均来看, 20世纪30年代之前变化较为平稳, 20世纪30-40年代中期为下降趋势, 之后至60年代初期为上升趋势, 60年代初期至80年代为下降趋势, 之后变化较为平缓。整体而言, 1940年为一转折点, 40年之后边界层高度整体下降, 在20世纪40-70年代波动较为明显。
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图 5 北非干旱半干旱区不同区域边界层高度的年代际特征 (a) NA, (b) NB, (c) NC1, (d) NC2, (e) ND1, (f) ND2, (g) NE1, (h) NE2. **表示通过了0.01的显著性水平检验 Figure 5 The decadal change characteristics of boundary layer height's in North Africa's different regions. ** means the significance level of 0.01 test |
NB为北非干旱半干旱区10 < β≤30的区域, 经统计, NB区域边界层高度均值为869 m, 115年间的最小值为818 m, 最大值为913 m。NB边界层高度从1900-2015年呈明显的下降趋势, 其气候倾向率为-1.5 m·(10a)-1, 且通过了0.01的显著性水平检验(图 5b)。从11年滑动平均来看, 其变化趋势与NA类似, 1940年为一转折点, 1940年之后边界层高度整体下降, 在20世纪40-70年代波动较为明显。
NC1为北非干旱半干旱区5 < β≤10的区域南部代表, 经统计, NC1区域边界层高度均值为909 m, 115年间的最小值为837 m, 最大值为990 m。NC1边界层高度从1900-2015年呈上升趋势, 其气候倾向率为0.8 m·(10a)-1, 未通过显著性水平检验(图 5c)。从11年滑动平均来看, 变化较为平缓, 但在20世纪40-80年代, 震荡较为明显, 80年代之后呈上升趋势。
NC2为北非干旱半干旱区5 < β≤10的区域北部代表, 经统计, NC2区域边界层高度均值为783 m, 115年间的最小值为729 m, 最大值为831 m。NC2边界层高度从1900-2015年呈明显的下降趋势, 其气候倾向率为-5.1 m·(10a)-1, 通过了0.01的显著性水平检验(图 5d)。从11年滑动平均来看, 在20世纪30年代之前变化较为平稳, 30年代之后呈缓慢下降趋势, 60-80年代下降剧烈, 之后一直在较低的高度变化缓慢。
ND1为北非干旱半干旱区1 < β≤5的区域南部代表, 经统计, ND1区域边界层高度均值为960 m, 115年间的最小值为869 m, 最大值为1146 m。ND1边界层高度从1900-2015年呈上升趋势, 其气候倾向率为2.5 m·(10a)-1, 未通过显著性水平检验(图 5e)。从11年滑动平均来看, 20世纪40年代之前较为平稳, 40-70年代变化明显, 边界层高度处于115年间的高值水平, 90年代之后有一缓慢上升趋势。
ND2为北非干旱半干旱区1 < β≤5的区域北部代表, 经统计, ND2区域边界层高度均值为790 m, 115年间的最小值为718 m, 最大值为848 m。ND2边界层高度从1900-2015年呈明显的下降趋势, 其气候倾向率为-1.9 m·(10a)-1, 通过了0.01的显著性水平检验(图 5f)。从11年滑动平均来看, 变化相对较为平稳, 其中, 在20世纪40-80年代波动较为明显, 60-80年代有一明显的下降趋势。
NE1为北非干旱半干旱区0.5 < β≤1的区域南部代表, 经统计, NE1区域边界层高度均值为944 m, 115年间的最小值为794 m, 最大值为1208 m。NE1边界层高度从1900-2015年呈上升趋势, 其气候倾向率为2.4 m·(10a)-1, 未通过显著性水平检验(图 5g)。从11年滑动平均来看, 与ND1类似, 在20世纪40年代之前较为平稳, 40-70年代变化明显, 边界层高度处于115年间的高值水平, 90年代之后有一缓慢上升趋势。
NE2为北非干旱半干旱区0.5 < β≤1的区域北部代表, 经统计, NE2区域边界层高度均值为738 m, 115年间的最小值为663 m, 最大值为801 m。NE2边界层高度1900-2010年呈现出明显的下降趋势, 其气候倾向率为-1.4 m·(10a)-1, 通过了0.01的显著性水平检验(图 5h)。从11年滑动平均来看, 变化相对较为平稳, 其中, 20世纪40-80年代波动较为明显。
对比北非干旱半干旱区的8个代表区域可以发现, 北非边界层高度随波文比的变化, 并不像东亚那样有规律性。由北非干旱半干旱区中部大波文比区域向南, 边界层高度呈现出上升趋势, 平均值、最小值在南部1 < β≤5达到峰值, 最大值一直递增到0.5 < β≤1的区域; 由中部大波文比区域向北, 边界层高度在10 < β≤30的区域达到峰值。这并不符合感、潜热通量分配与边界层发展之间的对应关系的, 可能由于β>30的区域分布较为分散以及南部靠近赤道的原因有关。对于北非干旱半干旱区的不同区域而言, 表现下降趋势的区域为β>30, 10 < β≤30, 5 < β≤10的北部、1 < β≤5的北部、0.5 < β≤1, 气候倾向率为-5.1~-1.4 m·(10a)-1, 位于中北部; 表现为上升趋势的区域为5 < β≤10的南部、1 < β≤5的南部、0.5 < β≤1的南部, 气候倾向率为0.8~2.5 m·(10a)-1, 位于南部。从线性趋势上来看, 北非干旱半干旱区边界层高度整体的下降趋势主要是中北部边界层高度下降引起, 南部贡献为负, 但很小。然而从年代际震荡上来看, 北非边界层高度在20世纪40年代之后震荡的加剧, 是所有区域共同作用的结果, 其中南部虽然线性变化不显著, 但在40年代之后震荡的加剧中, 振幅明显大于其他区域, 说明40年代之后震荡的加剧与南部边界层高度的变化密切相关。
对比东亚、北非干旱半干旱区不同区域的边界层高度变化可以发现, 边界层高度在空间上的变化与干旱程度之间存在一定的关系, 即干旱程度越高的地区边界层高度越大, 干旱程度越低的地区边界层高度越小, 这与乔娟(2009)和李岩瑛等(2009, 2012)在我国西北干旱区的研究结果相一致。
4.4 东亚、北非不同区域间的比较东亚、北非干旱半干旱区波文比的分布面积比例有明显的差异(图 6), 东亚干旱半干旱区波文比以1 < β≤5和0.5 < β≤1为主, 分别占34%和32%, 总共占总面积的66%, 其余依次为β≤0.5(占14%)、10 < β≤30(占10%)、5 < β≤10(占8%)和β>30(占10%); 北非干旱半干旱区波文比以10 < β≤30为主, 占到总面积的55%, 其余依次为1 < β≤5(占23%)、5 < β≤10(占11%)、β>30(占7%)和0.5 < β≤1(占4%), 且北非包含β≤0.5几乎为0。可见, 两个区域的感、潜热能量分配性质存在较大的差异, 这可能也是造成其边界层高度特征差异的主要原因。
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图 6 东亚(a)、北非(b)干旱半干旱区不同波文比的面积比例 Figure 6 The area proportion of the different Bowen ratio in the arid and semiarid area over East Asia (a) and North Africa (b) |
通过对1900-2015年东亚和北非边界层高度的年代际变化特征及其对比分析, 得到以下主要结论:
(1) 东亚干旱半干旱区边界层高度均值为755 m, 1900-2015年呈显著的上升趋势, 气候倾向率为2.0 m·(10a)-1, 年代际震荡明显, 波动周期约为20年。1964年为东亚干旱半干旱区的一个显著转折年, 该年之后边界层高度整体有一明显抬升。北非干旱半干旱区边界层高度均值为834 m, 1900-2015年呈下降趋势, 气候倾向率为-0.6 m·(10a)-1, 但未通过显著性检验, 年代际震荡波动周期约为40年。1940年是北非干旱半干旱区的一个显著转折年, 该年之后边界层高度震荡幅度明显增大。北非干旱半干旱区边界层高度明显高于东亚, 两个地区的变化趋势基本呈相反状态, 尤其在变化幅度较大的年代表现得更为明显, 如1940-1960年和1960-1970年。两个地区的差值平均值为79 m, 1900-2015年表现为显著的下降趋势, 气候倾向率为-2.6 m·(10a)-1。
(2) 对于东亚干旱半干旱区的不同区域而言, 上升趋势最为明显的区域为5 < β≤10的东部、1 < β≤5的东部、β≤0.5, 气候倾向率为10.7~12.4 m·(10a)-1, 位于东部地区; 其次为10 < β≤30的区域, 气候倾向率为3.8 m·(10a)-1, 位于中部地区; 上升较缓慢的区域为0.5 < β≤1、5 < β≤10的北部、1 < β≤5的北部, 气候倾向率为0.4~1.8 m·(10a)-1, 位于北部地区; 呈下降趋势的区域为β>30, 气候倾向率为-1.2 m·(10a)-1。可见, 东亚干旱半干旱区边界层高度的上升趋势主要与中东部边界层高度上升有关, 尤其是东部, 塔克拉玛干地区的下降为一定的负贡献, 北部变化相对较为平稳。所有区域均在20世纪60-70年代呈现出剧烈的波动, 除塔克拉玛干沙漠呈下降趋势外, 其他区域都呈现出一定程度的上升, 这种上升在中东部, 尤其是东部表现得更为明显。
(3) 对于北非干旱半干旱区的不同区域而言, 表现下降趋势的区域为β>30、10 < β≤30、5 < β≤10的北部、1 < β≤5的北部、0.5 < β≤1, 气候倾向率为-5.1~-1.4 m·(10a)-1, 均通过显著性检验, 位于中北部; 表现为上升趋势的区域为5 < β≤10的南部、1 < β≤5的南部、0.5 < β≤1的南部, 气候倾向率为0.8~2.5 m·(10a)-1, 均未通过显著性检验, 位于南部。可见, 北非干旱半干旱区边界层高度的下降趋势主要是中北部边界层高度下降引起, 南部贡献为负, 但不显著。然而从年代际震荡上来看, 南部边界层高度在20世纪40年代之后震荡的加剧中, 振幅明显大于其他区域, 说明北非边界层高度在40年代之后震荡的加剧与南部边界层高度的变化密切相关。
(4) 东亚干旱半干旱区波文比呈现出以塔克拉玛干沙漠为高值中心、向四周递减的经向扁平空间分布特征, 北非呈现以中部为高值中心, 向南北方向递减的空间分布特征。东亚、北非干旱半干旱区波文比的分布面积比例有明显的差异, 东亚干旱半干旱区波文比以1 < β≤5和0.5 < β≤1为主, 分别占34%和32%, 总共占总面积的66%, 北非干旱半干旱区波文比以10 < β≤30为主, 占到总面积的55%, 两个区域的感、潜热能量分配性质存在较大的差异, 这可能也是造成其边界层高度特征差异的主要原因。
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