2. 中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室, 中国气象局兰州干旱气象研究所, 甘肃 兰州 730020
大气边界层在整个大气层中是最重要的部分之一, 而且极其复杂, 它与天气、气候的形成和发展互相影响(谷良雷等, 2005)。同时, 大气中能量、动量、各类物质在近地层通过边界层交换(赵鸣, 2006)。在生活环境中, 边界层结构不仅有突出的日变化, 而且有地表分布不匀称带来的空间变化(蒋维楣等, 1994)。大气边界层在太阳辐射强烈的中低纬地区变化随时间发展更突出(张强等, 2005)。尤其在低纬度地域的夏季, 下垫面加热较强, 对流边界层发展的非常旺盛, 其厚度有时候发展到5 km, 以至更深厚(Garratt, 1992)。
中国西北干旱荒漠区, 处于季风影响的边缘地带, 由于地形复杂, 并且干旱区白天地表强烈的加热作用, 使得该地区大气边界层形成和发展过程具有明显的特点(张强, 2007a)。李岩瑛等(2016)利用该地区的榆中、民勤以及平凉的探空资料对比分析了对流边界层和稳定边界层的时间变化特征及其影响因子, 王腾蛟等(2013)和石春娥等(2015)利用中尺度数值模拟WRF模式分别对黄土高原丘陵地形和中国东部地区的大气边界层结构进行模拟研究。近些年由于边界层观测资料的缺失以及在全球变暖的背景下, 对西北干旱半干旱地区边界层的认识和研究还不够充分, 工作仍需进一步提高。过去的研究表明在夏季地表加热较强时, 西北荒漠区可以形成超过4 km厚度的对流边界层(Zhang et al, 2006)。这一成果与特殊天气环境和大气环流背景下的一些大气边界层观测试验结果(胡非等, 2003)具有很好的一致性。但是当前的研究仅仅对夏季晴天荒漠地区大气热力边界层有了部分宏观的了解, 白天对流边界层厚度有非常明显的日变化, 容易受天气过程和云的影响(王俊勤等, 1994), 研究还认为晴天对流边界层较高, 阴天或降水天气的对流边界层较低(张强等, 2008), 但是关于阴天天气背景下边界层详细的研究却还是比较缺乏, 所以需要去深入对比分析夏季晴天和阴天大气热力边界层的发展、消亡演变特征。以往的边界层高空探测常用59型探空仪, 不管是温度(误差为0.5 ℃)、气压(误差为10 hPa)还是湿度(误差为10%)都有不少的误差, 测量中也受到很大的范围限制, 造成了一些资料的精度误差从而影响了对边界层的准确分析。因此, 采用误差精度较小的边界层观测资料对比分析敦煌荒漠区晴天、阴天边界层结构特征及其陆面过程研究。
2 资料和气候背景敦煌观测站的探测场位置经纬度为40°9′N和94°41′E, 海拔为1 140 m, 当地的年平均大气压为873 hPa, 观测场是以荒漠为主的下垫面, 能较好的反映西北地区的气候特征(朱德琴等, 2006)。试验通过气象塔和超声仪器对风、温、湿等物理量和近地层通量进行探测, 同时设有GFE(L)1型测风雷达和GTS1型数字式探空仪, 探空高度最高为8.6 km, 这些观测每10 m进行一次数据记录, 温度误差仅为0.2 ℃, 气压误差仅为10 hPa, 湿度误差从之前的10%缩小为5%。本次试验从2006年6月28日至7月17日每天观测8次, 平均每次观测的间隔为2 h, 时间从07:00(北京时, 下同)—21:00。位温廓线法确定边界层高度相对可靠而且边界层内比湿的分布也很有研究意义, 所以用公式将观测气压(单位: hPa)、温度T(单位: ℃)以及相对湿度f(单位: %)转化成对应的高度h(单位: m)、位温θ(单位: k)和比湿q(单位: g·kg-1)。
在观测期间, 2006年7月5—7日有一次弱降水过程, 7月15—18日都为阴天, 其他时间为晴天。为了进一步对比晴天、阴天大气边界层特征的普遍性, 图 1是整个观测期间大气边界层的日际变化, 在这20天中晴天对流边界层和稳定边界层高度都较阴天的高, 晴天对流边界层超过3 km的天数几乎占观测天数的一半, 其中有2天的高度甚至接近4 km, 阴天日整体对流边界层约为2.3 km; 晴天稳定边界层高度基本在1 km, 而阴天的高度稳定在100~350 m之间, 可见天气变化对边界层高度有举足轻重的影响。选取7月12日晴天和16日阴天为研究样本, 因为此两日前后的天气都为连续晴天、连续阴天, 故此样本具有代表性。位温属于判断大气边界层特征的重要因子(李英等, 2012)。由于局地风受地形影响较明显, 风速廓线法并不是很适用, 所以使用位温廓线法在未引入假设前提下, 用观测资料计算边界层的高度更准确(乔娟, 2010)。
由2006年夏季敦煌地区晴天(7月12日)、阴天(7月16日)大气边界层位温廓线日变化特征(图 2)可见, 11:00, 13:00, 15:00和17:00对流边界层(CBL)的特征比较明显, 稳定边界层从19:00逐渐形成, 至第二天09:00稳定边界层较为显著。晴天15:00是地面受太阳辐射加热最强时刻, 位温由地表至高空100 m这一范围内随着高度的增加而递减, 这就是超绝热递减层; 位温在80~3 400 m高度范围内基本保持不变, 说明3.4 km为混合层(MK)的范围; 白天超绝热递减层和混合层构成对流边界层, 混合层再往上大约300 m的范围内出现了逆温现象, 这便是对流边界层高度的上限即夹卷层(EZ), 再往上为自由大气(FA)。白天对流边界层内大气不稳定, 又因处于敦煌这种日照时数较多, 净辐射较大的地方, 所以大气热力对流更加不稳定。日间午时以后大气的位温分布与15:00较为类似, 但是在09:00太阳初升, 对流发展还不是很强时, 对流边界层初步形成。
19:00左右, 近地面层逆温层开始出现, 经过一晚上发展逆温层, 在09:00最大厚度达到950 m左右, 在此高度上位温梯度由15 K·km-1减小到大约4 K·km-1。夜间稳定边界层的高度即是逆温层的厚度, 逆温层之上存在一个“残余层”, 白天余留的逆温层顶盖就在残余层之上, 再向上就进入自由大气(FA), 这与张强等(2007b)分析的敦煌地区位温廓线结构基本一致。
而阴天时, 从19:00开始形成稳定边界层, 从地面开始到50 m处逐渐形成逆温层, 但是至第二天09:00, 稳定边界层并没有很强的发展, 基本上保持不变, 这与阴天时候由于云层的保温减缓了大气的辐射冷却, 不利于稳定边界层的扩展有关(赵建华等, 2011)。而且, 白天时对流边界层的发展亦不如晴天时高, 从图 2可以看出, 夏季阴天对流边界层发展的高度明显要低于晴天, 从地面开始到80 m左右为超绝热递减层, 随后一直到2.5 km, 位温廓线随高度基本不发生变化, 这一范围就是混合层, 再往上是逆温层顶盖即阴天对流边界层的上限标志。由于阴天云量多, 云层的反射、散射使得地面受到的太阳辐射大大减少, 地表加热严重减弱, 加之光照时间短, 限制了白天对流边界层的成长(王晓玲等, 2015)。
图 3为2006年夏季敦煌地区晴天、阴天大气对流边界层、稳定边界层、残余层以及夹卷层顶高度的日变化特征, 需要特别说明的是, 图 3(b)和图 3(c)中晴天和阴天分别指7月12日19:00至13日09:00和16日19:00至17日09:00, 通过图 3可以发现, 晴天和阴天对流边界层均从早上开始增长, 至15:00左右厚度发展到顶峰, 17:00以后开始出现衰退趋势。阴天时, 对流边界层发展早于晴天时, 这可能由于前一晚云层的逆辐射使得第二天早上地面温度高于晴天, 反而比较有利于早晨对流边界层的形成。晴天、阴天的稳定边界层均是19:00开始逐渐形成, 晴天稳定边界层至第二天09:00能发展到950 m左右的高度, 但是09:00以后渐渐消失, 对流边界层从11:00开始迅速成长, 一旦冲破稳定边界层到达残余层后就会非常顺畅的发展(韦志刚等, 2010)。相比之下, 阴天时夜间稳定边界层发展强度偏小, 可能是因为云层的作用减缓了大气的辐射冷却强度, 很不利于稳定边界层的扩展。不管是残余层还是夹卷层, 阴天的高度均比晴天时要低, 晴天残余层平均厚度为3.2 km, 阴天的平均厚度为2.1 km, 而晴天的夹卷层高度为3.5 km, 阴天夹卷层高度约为2.5 km。
由2006年夏季敦煌地区晴天(7月12日)、阴天(7月16日)大气边界层比湿的垂直分布(图 4)可以看出, 总体上阴天比湿大于晴天, 夜间大于白天。晴天时, 在稳定边界层内, 比湿从地表开始向上递减, 进入残余层以后比湿基本不变或略微递增的趋势, 进入自由大气后, 比湿明显减少。阴天时, 在近地稳定边界层内略微出现逆湿现象, 比湿在稳定边界层内的垂直分布变化不大。晴天15:00左右比湿从地表至近地面50 m范围内迅速减小, 进入混合层后与夜间残余层分布特征类似, 大小基本保持在2.1 g·kg-1, 进入自由大气内比湿明显减小。阴天时在对流边界层内, 比湿整体要大于晴天时, 但是阴天的逆湿现象不明显, 午时近地层50~150 m之内有微弱的逆湿现象, 进入混合层以后比湿大约为8.2 g·kg-1。因为西北干旱区太阳辐射本来就强, 特殊的地表作用, 使得地面主要以感热形式加热大气, 地表蒸发较小, 空气的湿度较低(张强等, 2004)。
敦煌地区夏季晴天、阴天大气边界层风速随高度变化具有显著的日变化特征, 在边界层内, 大气运动的趋势受这些特征的影响(岳平等, 2008)。由2006年夏季敦煌地区晴天(7月12日)和阴天(7月16日)风速垂直分布的对比(图 5)可知, 整体上, 晴天和阴天风速由近地面开始随着高度的上升而呈增加的趋势, 近地面层水平风速的垂直变化很大。晴天的夜晚, 在稳定边界层内风速出现极大值并且逐渐升高直到边界层顶高度的位置, 低空急流为造成该现象的可能原因之一; 阴天的早晨在对流边界层未发展时出现了低空急流, 急流的发展和晴天较为类似, 但是前一天晚上近地面层风速的垂直变化尚不明显。日间, 不管是晴天还是阴天风速在垂直方向变化在近地层较强烈一些, 进入混合层以后风速逐渐平稳且随高度向上递减, 至对流边界层顶后风速开始递增。一般来说, 边界层内基本上不出现超地转风现象, 一般超地转风易出现在高于边界层顶的上部位置。
图 4和图 5给出的晴天、阴天大气比湿和水平风速的垂直变化基本上满足大气边界层内气象要素的分布规律。通过位温、比湿、风速这些物理量在晴天、阴天下的研究表明, 两种天气背景下边界层的变化存在很多不同, 尤其是晴天、阴天边界层高度的差异, 下面将分析造成这种现象的原因和机理。
4 陆面过程与边界层厚度的影响西北干旱区夏季太阳辐射远比一般地区强烈, 白天地表净辐射通量大, 陆气相互作用的主要能量来自净辐射的加热, 它是掌握边界层发展所需能量的主要来源(黄荣辉等, 2013)。通过2006年夏季敦煌地区晴天(7月12日)和阴天(7月16日)净辐射的日变化与大气边界层厚度之间的关系[图 6(a)]可以看出, 晴天和阴天夜间稳定边界层开始形成, 此时的地面净辐射为负值, 晴天时夜间的净辐射甚至高达-100 W·m-2, 说明夜间晴天的下垫面冷却速率要大于阴天的下垫面冷却速率, 这样更易于稳定边界层的形成和发展, 特殊地形的影响使得地面快速冷却, 在近地面出现逆温现象最后发展成稳定大气边界层, 经过整夜的发展晴天稳定边界层厚度大约为1 km, 而阴天只有200 m。白天对流边界层的发展对净辐射有很大依赖性, 在09:00—11:00高度没有发展到1 km以前, 它随净辐射的发展比较缓慢, 但是厚度超过1 km以后, 对流边界层就会迅猛发展, 在净辐射产生的热对流打破了夜晚稳定边界层之后, 一旦进入余留之前能量的残余层内边界层的高度就会快速发展。图中可知尤其在晴天日净辐射强度超过300 W·m-2之后, 就会摆脱稳定边界层的限制。直至15:00左右净辐射出现超过500 W·m-2的极大值, 这为对流边界层的发展创造了良好的热力环境, 此时晴天对流边界层能发展到3.5 km。图 6中晴天的净辐射远大于阴天, 即便有某个小的时间段阴天的净辐射值大于晴天, 但是白天对流边界层的加热对流发展是个长时间的过程, 总体而言阴天对流边界层高度比晴天低1 km。
地表温度的变化是净辐射加热地表的结果(Hu et al, 1994), 从2006年夏季敦煌地区晴天(7月12日)和阴天(7月16日)地表温度日变化与大气边界层厚度的关系[图 6(b)]可以看出, 07:00阴天地表温度稍大于晴天, 而晴天稳定边界层的厚度(1 km)要大于阴天稳定边界层厚度(200 m), 这是由于阴天时候云层的逆反射对地面起到保温效果造成的, 这将不利于阴天稳定边界层的发展。当地表温度超过25 ℃以后, 对流边界层快速发展, 等午时地表温度到达45 ℃时, 晴天出现了超过3 km的边界层高度, 即便是阴天, 高度也能超过2 km, 在午时晴天的对流边界层发展到最高的时候, 地表温度能超过50 ℃。傍晚地表温度开始下降, 特殊的地貌使得下垫面在较短时间内冷却(李建刚等, 2014b), 逆温层出现。
敦煌荒漠地区植被稀少, 地表干燥, 地表面多为细沙和砾石混合的戈壁(张强等, 2003), 在这种下垫面条件下, 感热通量的转化率非常高, 净辐射中大部分能量主要以感热通量方式消耗(塔依尔等, 2007), 因此敦煌地区为大气边界层的热对流发展提供了足够的能量。从2006年夏季敦煌地区晴天(7月12日)和阴天(7月16日)的感热通量日变化与大气边界层高度的关系[图 6(c)]可以看出, 晴天的感热通量从清晨至中午阶段显著增加, 在超过150 W·m-2之后对流边界层猛烈发展, 在高度发展至顶峰的时候感热通量可达300 W·m-2, 并维持数小时之久, 这显然大于阴天的感热通量。总之, 强烈的太阳辐射和大的感热通量转化率是造成夏季晴天大气边界层高于阴天边界层原因之一。大气热力边界层很大程度上受陆面热力过程所决定的(陈世强等, 2008), 但是大气边界层的发展不仅是热力作用造成的, 大气的动力影响也同样不可忽视, 大气运动比较复杂, 湍流运动是动力作用的主要特性。
由2006年夏季敦煌地区晴天、阴天近地面平均风速的日变化与大气边界层厚度的关系[图 6(d)]可以看出, 晴天和阴天敦煌地区的近地面平均风速日变化比较大, 尤其是近地面风速的日变化最明显。近地面平均风速表现了以平流为特征的水平输送能力(Deardorff, 1970)。晴天和阴天近地面平均风速从早晨开始逐渐增大, 在11:00左右剧烈增大, 在风速超过4 m·s-1时, 对流边界层随风速迅速增大, 风速的剧烈增大能为对流边界层发展冲破稳定边界层的束缚提供一定的动力。风速在晴天15:00达到最大值7.8 m·s-1, 而阴天近地层风速相对来说较为稳定, 除了夜间风速可能由于低空急流的原因突然增长, 其他时间风速基本稳定在2.1 m·s-1。总体来说晴天近地面水平风速均大于阴天, 这为大气边界层发展提供了充足的动力环境背景。
5 结论和讨论以2006年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睛天、阴天大气边界的构造及对应的陆面过程, 主要得到以下结论:
(1) 西北干旱区在极端干旱的气候和特殊的地理地形环境背景下, 白天地表强烈加热和夜间的快速冷却使得大气热力边界层结构较一般地区更加特殊。夏季晴天对流边界层厚度可达3.5 km, 稳定边界能厚度达到900 m左右, 而阴天对流边界层厚度能到2.5 km, 稳定边界层只有200 m, 造成这种差异的原因主要是热力因子和动力因子的共同作用。晴天太阳辐射更强, 净辐射更大, 转化为用来加热大气产生热对流的感热通量也比阴天的大; 从动力因子上来讲, 晴天的近地面水平风速较阴天风速大, 这种较大的湍流形式的运动为边界层的发展提供了有力的动力背景。
(2) 对流边界层在发展初期对净辐射、地表温度和感热通量具有很强的依赖性, 一旦冲破了稳定边界层的限制, 边界层高度就会迅速增长。净辐射、地表温度以及感热通量的日变化过程基本上和边界层的厚度有契合的对应关系, 但是边界层的发展过程在时间上与这三者均表现出一定的滞后性, 这可能与能量的转化和传输有关。
(3) 夏季敦煌地区风速和比湿的垂直分布反映了不同天气背景下特殊地区边界层的结构, 夜间比湿比白天大, 阴天比湿比晴天大, 晴天比湿随高度的变化幅度大于阴天。晴天和阴天比湿在近地层急剧减少, 至进入混合层以后基本稳定了; 阴天在50~150 m高度内逆湿现象较弱。不管是晴天还是阴天, 夜间稳定边界层内有低空急流出现, 低空急流随着稳定边界层的发展进一步提高至稳定边界层顶的位置。一般来说, 在边界层内基本上不出现超地转风现象, 超地转风出现在稍高于边界层顶的地方。
最后, 由于缺乏长时间和广泛地域的观测资料, 因此尚无法完整的分析各个季节下、各种天气背景下的大气热力边界层的结构特征。同时, 大气边界层结构特征与众多复杂因素有关, 比如晴天和阴天边界层的不同, 究竟是热力因子还是动力因子占主导因素, 或者有包含其他的重要因素, 还需进一步利用观测、模拟和理论分析等进行研究。
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2. Key Open Laboratory of Arid Climatic Change and Disaster Reduction of China Meteorological Administration, Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, Gansu, China