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  高原气象  2018, Vol. 37 Issue (3): 826-836  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00030
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张建涛, 何清, 王敏仲, 等. 2018. 塔克拉玛干沙漠腹地夜间稳定边界层观测个例分析[J]. 高原气象, 37(3): 826-836. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00030
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Zhang Jiantao, He Qing, Wang Minzhong, et al. 2018. A Case Analysis of Nighttime Stable Boundary Layer Observation in the Hinterland of Taklimakan Desert[J]. Plateau Meteorology, 37(3): 826-836. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00030.
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资助项目

公益性行业(气象)科研专项[GYHY(QX)201506001-14];国家自然科学基金项目(41575008,41775030,41605008)

通讯作者

何清(1965), 男, 四川成都人, 研究员, 博士生导师, 主要从事沙漠气象研究.E-mail:qinghe@idm.cn

作者简介

张建涛(1985), 男, 新疆伊犁人, 硕士研究生, 主要从事沙漠边界层野外观测研究.E-mail:287183978@qq.com

文章历史

收稿日期: 2017-10-25
定稿日期: 2018-02-26
塔克拉玛干沙漠腹地夜间稳定边界层观测个例分析
张建涛1,2,3, 何清2,3, 王敏仲2,3, 金莉莉2,3     
1. 新疆师范大学 地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054;
2. 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所, 新疆 乌鲁木齐 830002;
3. 塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站, 新疆 塔中 841000
摘要: 利用塔克拉玛干沙漠腹地2016年7月13-14日和26-27日GPS探空和地面气象观测资料,分析了塔克拉玛干沙漠夏季晴天夜间各气象要素垂直廓线特征。结果表明:夜间(21:00至次日08:00,北京时,下同)稳定边界层的厚度达到240 m。残余混合层最大厚度与前一天对流混合层厚度相当,随时间推移其厚度到10:15损耗近三分之一,残余逆温层顶盖厚度达到400 m;在残余逆温层顶盖和稳定边界层顶附近有风速极大值出现,而07:15稳定边界层顶附近有低空急流发展,其最大风速达到10.8 m·s-1;夜间低空处比湿的变化趋势是先增后减小再增大的过程,其最小值为2.95 g·kg-1,出现在04:15的稳定边界层顶附近。残余混合层内比湿随高度略微增大;夜间逆温层对水汽通量有阻挡和聚合的作用,使其在稳定边界层顶和残余混合层顶附近出现极大值,并于07:15达到最大值。垂直水汽通量于04:15在残余混合层中下部做下沉运动、上部和残余逆温层顶盖中做上升运动;同时,夜间陆面过程中,存在较强的辐射冷却和较小的摩擦速度,这也是形成较为浅薄的夜间稳定边界层主要的热力因素和湍流动力因素。
关键词: 塔克拉玛干沙漠    夜间稳定边界层    残余混合层    低空急流    水汽通量    
1 引言

大气边界层又称行星边界层, 其厚度一般为1~2 km, 是与人类关系最密切的低层大气, 直接受到下垫面的影响(Stull, 1988)。大气边界层可以分为白天对流边界层和夜间稳定边界层, 这两种状态下的气象要素和大气物理过程都有着较为复杂的时空变化特征。这种变化直接影响到地球上的生物生存环境, 因此, 许多学者(Garcia-Carreras et al, 2014; Messager et al, 2010; 张强, 2007)都在致力于研究大气边界层各气象要素的时空变化特征。

国内外很多学者(周明煜等, 2000; Axel et al, 2013; Ebner et al, 2011)在大气边界层领域已经开展了大量的研究工作, 并取得了许多显著性的研究成果。张强等(2008)乔娟等(2010)赵建华等(2013)利用敦煌荒漠戈壁开展的“西北干旱区陆-气相互作用野外观测试验”的观测资料, 深入分析了敦煌荒漠区初夏大气边界层结构及陆面过程特征, 发现敦煌沙漠夏季晴天夜间稳定边界层厚度超过900 m, 其上的残余混合层也能够达到4 km左右的高度, 残余逆温层顶盖厚度约为450 m。此外, 李建刚等(2014)利用系留气球和GPS探空资料, 分析了巴丹吉林沙漠夏季大气边界层的结构特征。李照国等(2016)运用2012年夏季黄河源区鄂陵湖的GPS探空资料, 分析了一次干冷空气过境前后该地区大气边界层位温、比湿和风速风向的垂直分布及其与地表热力作用的关系。万云霞等(2017)利用NCEP/CFSR全球大气边界层高度(PBLH)、感热通量月平均资料, 研究发现东亚地区夏季大气边界层高度东部增高、西部降低, 冬季相反; 夏季青藏高原地区感热有减少的趋势, 其余地区以增加为主。赵采玲等(2016)利用2012年巴丹吉林沙漠实验观测资料和中尺度气象模式WRF资料, 研究发现近中性的残余层是巴丹吉林地区深厚对流边界层出现的关键条件之一。李岩瑛等(2016)运用2006-2012年西北干旱区民勤、半干旱区榆中和半干旱半湿润区平凉的探空数据及地面要素资料, 对比分析了三个地区的对流边界层厚度、稳定边界层厚度随时间变化特征; 并指出影响边界层厚度的主要因子是最高地温差、风速和降水量。

近年来, 有关塔克拉玛干沙漠大气边界层的相关试验逐渐开展, 何清等(2008, 2010)、杨兴华等(2011)刘永强等(2011)曾借助近地层气象梯度观测塔、系留探空和地面观测资料, 研究了沙漠腹地的陆气相互作用和近地面大气边界层的风、温、湿、O3等特征量。王敏仲等(2014, 2016a, 2016b)借助风廓线雷达、GPS探空、80 m气象梯度观测塔研究发现, 夏季晴空湍流发展剧烈, 对流边界层发展极为深厚, 最大高度可达到4 km。刘强等(2009)利用系留探空数据初步分析了塔克拉玛干沙漠冬季大气稳定度。以上对于塔克拉玛干沙漠大气边界层的研究主要集中在近地层的陆面过程和白天的对流边界层方面, 而关于沙漠夏季夜间稳定边界层的研究很少。因此, 利用2016年7月13-14日和26-27日塔克拉玛干沙漠腹地GPS探空观测试验和地面气象资料, 分析和研究塔克拉玛干沙漠夏季观测个例夜间稳定边界层各气象要素垂直廓线特征和陆面过程。以便更好的了解沙漠夏季晴天夜间边界层内各气象要素时空变化特征。

2 研究区域、资料与方法 2.1 研究区域

塔克拉玛干沙漠位于塔里木盆地中央, 东西长约1 000 km, 南北约400 km, 面积为33.76×104 km2, 是中国最大的沙漠, 亦是世界第二大流动沙漠。其深居亚欧大陆内部, 三面环山, 只有东部为罗布泊洼地, 离海洋最远, 暖湿气流被青藏高原遮挡, 造成气候极端干旱, 夏季极端高温、全年降水量30 mm左右, 蒸发量高达3 800 mm。下垫面以流动性沙地为主, 年平均沙尘暴30天, 发生期长达7个月, 是中国沙尘暴主要起源地。塔克拉玛干沙漠与全球其他地区的气候、下垫面等条件有着很大区别, 其大气边界层结构和陆面过程都十分独特, 对区域的气候、大气环流等有重要的影响。

探空观测试验场位于塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区[图 1, 该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1609的中国地势图制作, 底图无修改], 其地理位置为39°02′N, 83°38′E, 海拔1 109.0 m。距离塔中气象站约9 km, 四周开阔, 没有遮蔽物, 生活区有少量的人工种植的柽柳等灌木植物, 其余地表均为流动性沙地, 塔中下垫面属性基本代表了整个塔克拉玛干沙漠地表特征。

图 1 塔克拉玛干沙漠地形 Figure 1 Topographic map of Taklimakan Desert
2.2 研究资料和方法

中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所于2016年7月在塔克拉玛干沙漠腹地进行为期一个月的GPS探空观测试验。所使用的GPS探空系统是由北京长峰微电科技有限公司研制, 主要有GPS探空仪和地面天线接收系统两部分组成, 主要技术指标(表 1, 表 2)。数据采集频率为1 Hz, 探空气球平均升速为300 m·min-1。该系统主要观测的气象要素有温度、湿度、气压、风速、风向。探空观测时次一般为每天6次, 分别为01:15(北京时, 下同), 07:15, 10:15, 13:15, 16:15和19:15。在晴天7月14日和27日04:15分别加密观测一次。

表 1 GPS探空仪主要技术指标 Table 1 Main technical indicators of GPS radiosonde
表 2 地面天线接收系统主要技术指标 Table 2 Main technical specifications of ground antenna receiving system

选用的数据为2016年7月典型晴天13-14日和26-27日(19:15, 01:15, 04:15, 07:15和10:15)的GPS探空观测资料和地面自动气象站资料, 分析了塔克拉玛干沙漠腹地夏季晴天夜间稳定边界层时空变化特征。

目前, 确定边界层厚度的方法有多种, 考虑到塔克拉玛干沙漠温度变化显著, 热力作用对边界层的发展影响巨大, 因此采用位温廓线法来确定边界层厚度。具体方法为:白天时刻(10:15和19:15), 取开始出现明显位温跳跃的逆位温层底部为白天对流边界层厚度; 夜间时刻(01:15, 04:15和07:15), 取贴地逆位温层顶部为夜间稳定边界层高度。

3 结果分析 3.1 位温廓线特征

热力特性是判断和区分大气边界层性质的主要指标之一, 而位温是大气最具有表现力的热力属性, 分析位温廓线的垂直变化特征可以直观的了解大气边界层的特征变化。夜间(21:00至次日08:00)大气边界层可以分为稳定边界层(Stable Boundary Layer, SBL)、残余混合层(Residual Mixing Layer, RML)、残余逆温层顶盖(Residual Cover of Inversion Layer, RCIL)、自由大气(Free Atmosphere, FA)。图 2为塔克拉玛干沙漠夏季晴天7月13-14日和26-27日(19:15, 01:15, 04:15, 07:15和10:15)的位温廓线特征变化, 图中能够清楚的看到塔克拉玛干沙漠夏季晴天两组位温垂直廓线的时空变化发展趋势大致相同, 在此着重分析13-14日(下同)变化特征。

图 2 2016年7月13-14日和26-27日塔克拉玛干沙漠夏季晴天位温垂直廓线 Figure 2 Vertical profile of potential temperature in clear summer in TaklimakanDesert from 13 to 14 and from 26 to 27 July 2016

13日19:15[图 2(a)], 位温廓线在60 m以下高度内, 位温是随高度递减, 由于此时地表加热效应依然存在, 因此60 m内是超绝热递减层; 其上至3 650 m范围内, 位温虽有细微的波动, 但总体基本保持不变, 此层就是混合层(Mixing Layer, ML), 超绝热递减层和混合层构成了白天对流边界层(Convective Boundary Layer, CBL), 厚度为3 650 m; 在对流混合层上部是逆温层顶盖(Cover of Inversion Layer, CIL), 也称作夹卷层, 其厚度约为250 m; 夹卷层上部为真正的自由大气(FA)。

14日01:15、04:15和07:15[图 2(b)~(d)], 三者的位温廓线发展趋势大致相同, 位温从地表向上开始增大, 此为逆温层, 是从傍晚开始发展并在凌晨发展到最大高度, 这种逆温层的高度实际上就是夜间稳定边界层(SBL)的厚度。在稳定边界层上部存在一个大气位温变化特征与白天混合层(ML)类似的层结, 这是前一天残留下来的混合层, 称作残余混合层(RML)。在残余混合层上部是白天残留下来的逆温层顶盖(RCIL), 其上部是真正的自由大气(FA)。

图 2(b)~(d)中还可以看出, 稳定边界层(SBL)厚度分别为120, 140和240 m; 残余混合层(RML)的厚度分别为3 480, 2 960和2 660 m; 残余逆温层顶盖(RCIL)的厚度为200, 400和300 m。可以看出此次观测个例中夜间稳定边界层厚度从傍晚到凌晨随时间推移其厚度在逐渐增加, 到凌晨厚度达到240 m。残余混合层(RML)厚度随时间推移在逐渐减小。残余逆温层顶盖的高度在逐渐降低, 降低幅度不大, 而且其厚度变化也不大, 一直维持在300 m左右。说明沙漠腹地夜间自由大气与大气边界层也进行着物质与能量的交换。

14日10:15[图 2(e)], 位温廓线在近底层与前四个时刻的变化特征大不相同, 位温在近地层已经开始表现出白天对流边界层的特征。位温从地表向上随高度增高而减小, 到达100 m后开始增大至稳定边界层顶趋于稳定, 同时在其上部的残余混合层的厚度进一步减小, 而残余逆温层顶盖的高度也随残余混合层而降低, 但其厚度无太大变化。早晨地表加热效应出现, 近地层开始有对流混合层(ML)的发展, 而夜间稳定边界层被迫抬升到300 m的位置, 同时残余混合层的厚度减小到2 400 m, 残余逆温层顶盖的厚度为250 m。因此, 太阳辐射对地面加热效应是很快的, 而近地面的大气边界层对地面热力因素响应速度还是很迅速的。

从7月14日沙漠夏季夜间大气边界层各层结随时间高度变化(图 3)可见, 夜间稳定边界层从发展到凌晨, 其高度随时间推移在缓慢升高, 07:00以后因为有白天对流混合层的影响被迫抬升, 但总体发展过程相对稳定并无明显变化。可见夜间稳定边界层的大气稳定度还是相当稳定的。其上部的残余混合层的厚度在随时间推移持续减小, 到10:15其厚度损失了近1 000 m, 厚度减小的幅度还是很大的, 达到最大厚度的三分之一。而残余逆温层顶盖在整个夜间发展过程中, 其厚度整体变化不大, 基本保持在300 m左右, 高度随着残余混合层降低而降低。因此, 塔克拉玛干沙漠腹地夏季晴天夜间大气边界层, 近地层稳定边界层从地面开始发展, 而白天残留下来的混合层与自由大气进行能量与物质的交换。由于失去地面热力作用, 无法向上发展, 只能被迫降低, 而底部有稳定边界层蚕食其厚度, 所以残余混合层的厚度随时间推移在持续降低。可以说明, 沙漠腹地夏季夜间大气边界层看似稳定, 但还是时刻进行着物质与能量的交换。

图 3 2016年7月14日稳定边界层(SBL)、残余混合层(RML)和残余逆温层顶盖(RCIL)随高度的变化 Figure 3 The height change of the stable boundary layer, residualmixing layer and residual inversion layer roof on 14 July 2016
3.2 风速廓线特征

大气边界层不仅存在热力特征, 还存在比较明显的大气动力特征。从塔克拉玛干沙漠腹地2016年7月13-14日和26-27日(19:15, 01:15, 04:15, 07:15和10:15)两组风速垂直廓线(图 4)可以明显看出, 在5个时次中风速从地面到高空都是先增大后减小在增大的发展趋势, 风速极大值出现在夹卷层附近, 低空处在凌晨有低空急流发展。

图 4 2016年7月13-14日和26-27日塔克拉玛干沙漠夏季晴天风速垂直廓线 Figure 4 Vertical profile of wind speed in clear summer in Taklimakan Desert from 13 to 14 and from 26 to 27 July 2016

13日19:15的风速廓线[图 4(a)]显示, 其在热力因素作用下, 整个混合层的风速还是相对稳定的没有太大的波动, 在混合层2 000 m以下的风速略大于混合层上部。而14日01:15, 04:15和07:15这3个时刻的风速廓线[图 4(b)~(d)]与19:15的变化趋势有很大差别。在高空处风速极大值出现的高度与残余逆温层顶盖的高度一致, 其最大值的高度随时间的推移而逐渐降低, 风速在07:15达到最大, 为13 m·s-1。低空处风速先增大后减小, 随着时间的推移, 其最大值的高度随夜间稳定边界层高度的升高而升高。而风速也随时间缓慢增大, 到07:15达到最大, 为10.8 m·s-1, 说明塔克拉玛干沙漠腹地夏季晴天夜间稳定边界层顶有低空急流发展。

14日10:15的风速廓线[图 4(e)]显示, 由于地面热力作用的出现, 夜间稳定边界层被迫抬升, 相应的风速廓线特征也发生改变。高空的风速极大值高度逐渐降低, 而在夜间稳定边界层附近的风速在逐渐减弱, 已达不到低空急流的强度, 其高度也随夜间稳定边界层抬升而升高。总的来说, 塔克拉玛干沙漠腹地夏季夜间大气边界层风速廓线在失去地面加热效应后, 呈现出与白天对流边界层完全不同的垂直变化特征。其风速极大值和低空急流的高度, 与残余逆温层顶盖和夜间稳定边界层的高度相一致, 可以进一步支持位温确定的夜间稳定边界层厚度。说明风速廓线动力特征对夜间大气边界层结构特征的贡献较大。

3.3 比湿廓线特征

大气边界层热力和动力因素, 对其内部水汽和物质的分布特征有着十分显著的影响, 夜间大气边界层的比湿呈现出比较独特的垂直分布特征。2016年7月13-14日和26-27日塔克拉玛干沙漠腹地比湿廓线分布(图 5)显示, 在13日19:15 [图 5(a)], 比湿垂直廓线从地表向上递减至大约60 m开始向上递增, 表现出不稳定表面层的一般特征。比湿在整个混合层基本保持不变, 直到混合层顶开始急剧递减, 并在整个逆温层顶盖里都是急剧递减状态, 进入自由大气中比湿开始缓慢递减。

图 5 2016年7月13-14日和26-27日塔克拉玛干沙漠夏季晴天比湿垂直廓线 Figure 5 Vertical profile of specific humidity in clear summer in Taklimakan Desert from 13 to 14 and from 26 to 27 July 2016

14日01:15, 04:15和07:15比湿廓线分布[图 5(b)~(d)]表明了沙漠晴天夜间比湿垂直分布的特征, 即:比湿从地面开始向上递增, 在稳定边界层内达到最大值, 且在04:15的稳定边界层顶附近达到最小值。比湿在整个残余混合层内随高度升高而略微升高, 在进入残余逆温层顶盖后开始急剧减小, 直至出了残余逆温层顶盖后才趋于稳定, 但是其值在进入自由大气中时, 已变得非常小。

从14日10:15的比湿垂直廓线[图 5(e)]可以看出, 近地层的比湿廓线特征已经趋近于白天对流边界层的发展特征。总的来看, 沙漠腹地夏季晴天夜间大气边界层的比湿廓线特征, 和白天对流边界层比湿廓线在近地层的特征有很大区别, 夜间比湿的最小值出现在04:15的稳定边界层顶附近。而残余混合层内比湿随高度略微升高。此外, 残余混合层的比湿要略大于白天对流混合层的比湿, 这是因为夜间稳定边界层的大气层结相对稳定, 有利于湿度的累积。

3.4 水汽通量廓线特征

在沙漠地区, 降水稀少, 蒸发量大, 在晴天夜间水汽通量的垂直廓线具有独特的结构特征。水汽通量又称水汽输送量, 是表示在单位时间内流经某一单位面积的水汽量, 它表示了水汽输送强度和方向。GPS探空观测数据是单点垂直数据形式, 因此利用每层的风速、风向和比湿的数据, 计算该层水平方向的水汽通量总和FH(单位: g·cm-1·hPa-1·s-1), 公式如下:

$ \left| {{F_H}} \right| = \left| V \right|\frac{q}{g}, $ (1)

式中: q是大气的比湿(单位: g·kg-1); |V|表示风速大小(单位: m·s-1); g是重力加速度。

垂直水汽通量Fz (单位: g·cm-2·s-1)是指单位时间内流经单位水平面向上输送的水汽质量, 它的大小与垂直速度及比湿成正比, 计算公式如下:

$ {F_z} = \rho \omega q, $ (2)

式中: ω表示垂直速度。当有上升运动时ω>0, 水汽通量Fz>0;有下沉运动时ω < 0, 水汽通量Fz < 0。

通过2016年7月13-14日5个时次的水汽通量廓线分布(图 6)可以看出, 13日19:15, 700 hPa以下的水汽通量大于其上部, 此时刻边界层内对流旺盛, 低层大气中因地面水汽蒸发。而14日01:15, 04:15和07:15的水汽通量廓线具有相同的变化特征。在夜间稳定边界层内, 水汽通量从地面向上开始增大, 至稳定边界层顶达到最大值, 其值从01:15的3.1 g·cm-1·hPa-1·s-1增至07:15的4.0 g·cm-1·hPa-1·s-1, 并随着夜间稳定边界层的升高而升高。在残余混合层内, 水汽通量先略微减小再增大, 在残余混合层顶部达到最大值, 其值从01:15的4.7 g·cm-1·hPa-1·s-1增至07:15的7.1 g·cm-1·hPa-1·s-1, 并且最大值的高度随着残余逆温层顶盖的降低而降低。14日10:15, 水汽通量整体都有所减小, 其最大值的高度进一步降低, 这与残余混合层的高度降低相一致。近地面层残余夜间稳定边界层顶附近水汽通量已减小, 与残余混合层底部水汽通量大小相当。

图 6 2016年7月13-14日塔克拉玛干沙漠夏季晴天水平水汽通量垂直廓线 Figure 6 Vertical profile of the horizontal water vapor flux in clear summer in Taklimakan Desert from 13 to 14 July 2016

图 7是2016年14日04:15的垂直水汽通量变化特征, 其中垂直速度ω是由风廓线雷达车直接观测所得。在近地面100 m内, 垂直水汽通量很小并做上升运动。在残余混合层中下部做下沉运动, 而在残余混合层上部及残余逆温层顶盖内做上升运动。垂直水汽通量的极大值的高度与水平方向的水汽通量极大值的高度大致相同, 并且整体变化趋势相似。

图 7 2016年7月14日04:15稳定边界层垂直水汽通量 Figure 7 Vertical water vapor flux of the stable boundary laye at 04:15 on 14 July 2016

总的来看, 2016年7月13-14日水平和垂直方向的水汽通量在夜间稳定边界层顶和残余混合层顶附近分别出现极大值, 并随着时间而逐渐增大。而垂直水汽通量在近地面和残余混合层上部做上升运动, 在残余混合层中下部做下沉运动。说明夜间稳定边界层和高空残余逆温层顶盖的逆温层有阻挡和聚合水汽的作用, 使水汽通量无法越过逆温层向上进一步发展, 并在夜间稳定边界层顶和残余混合层顶附近集聚。

3.5 晴天夜间陆面过程特征

大气边界层一般分为白天对流边界层和夜间稳定边界层, 两种边界层状态存在很大的差异。而热力因素是大气边界层形成和发展的主要能量来源。从2016年13日12:00至14日12:00的地表净辐射、感热通量、地表温度的变化曲线(图 8)中可以看出, 净辐射和感热通量日峰值分别为430 W·m-2和260 W·m-2, 夜间的最低峰值达到-160 W·m-2和-25 W·m-2。而地表温度, 其白天最高达58 ℃, 夜间最低为18 ℃, 温差达40 ℃, 可以看出塔克拉玛干沙漠地表温度日变化非常剧烈, 地表接受太阳辐射加热增温和夜间辐射降温均很迅速。可以说明, 白天的高净辐射和高感热通量是造成深厚对流边界层的主要原因。而夜间也有较大的负净辐射和较小的负感热通量, 这是晴天夜间稳定边界层并未发展很深厚的原因。

图 8 2016年7月13-14日净辐射、感热通量、地表温度变化曲线 Figure 8 Net radiation, sensible heat flux and land surface temperature variation curves from 13 to 14 July 2016

在夜间稳定边界层中, 大气层结较为稳定, 但夜间还是有微弱的湍流运动。湍流运动可以分为一般湍流运动和对流运动两种形式, 但由于夜间大气层结很稳定, 对流运动很微弱, 在此着重对一般湍流运动进行分析。宏观尺度上的速度一般用平均风速表示, 而一般湍流运动的速度尺度u*表示为(Deardorff, 1970):

$ {u^*} = {[{(\overline {u'w'})^2} + {(\overline {v'w'})^2}]^{1/4}}, $ (3)

式中: u′、v′和w′分别是纵向脉动风速、横向脉动风速和垂直脉动风速, 它们是由超声仪器观测获取。一般情况下, 近地层平均风速是以水平输送为主的, 其量级约为4 m·s-1, 而摩擦速度是湍流向空间各个方向扩散的能力, 其量级约为0.2 m·s-1

通过塔克拉玛干沙漠腹地夏季晴天近地面的摩擦速度和地面平均风速的变化曲线(图 9)可以看出, 塔克拉玛干沙漠近地面层的地面平均风速和摩擦速度均具有日变化特征, 并且夜间的平均风速和摩擦速度均小于白天。两者随时间推移从傍晚开始逐渐降低并在早晨开始升高, 摩擦速度从白天最大值的0.45 m·s-1到夜间最小值的0.02 m·s-1, 摩擦速度差值达到0.43 m·s-1。夜间摩擦速度存在着微弱波动, 而且夜间平均值为0.07 m·s-1, 这说明, 沙漠该日的夜间有一般湍流运动存在。相比于白天极其旺盛的对流运动和湍流运动, 夜间有较强的辐射冷却和微弱的一般湍流运动, 在一定程度上决定了塔克拉玛干沙漠腹地夏季晴天夜间形成较为浅薄的稳定边界层的动力学基础。

图 9 2016年7月13-14日摩擦速度、地面平均风速变化曲线 Figure 9 Friction speed and average surface wind speed variation curve from 13 to 14 July 2016
4 结论

利用2016年7月13-14日和26-27日塔中GPS探空资料和地面气象要素, 分析了塔克拉玛干沙漠晴天夜间(21:00至次日08:00)稳定边界层的位温、风速、比湿、水汽通量和陆面过程的变化特征, 得到以下结论:

(1) 通过位温廓线法, 可以较好的确定沙漠夏季晴天夜间的稳定边界层、残余混合层、残余逆温层顶盖等各层结的高度及厚度变化。夜间稳定边界层从傍晚缓慢发展到07:15达到240 m; 而残余混合层最大厚度与前一天对流混合层厚度相当, 但随时间推移到10:15其最大厚度损失近三分之一; 残余逆温层顶盖在整个夜间发展过程中厚度变化不大, 基本保持在300 m左右。

(2) 沙漠晴天夜间稳定边界层顶风速随时间推移而增大, 在07:15发展为低空急流, 最大风速达到10.8 m·s-1; 高空处风速极大值出现在残余逆温层顶盖底部。比湿在稳定边界层内先增后减, 且在其顶部达到最小值; 残余混合层内比湿随高度略微增大, 在残余逆温层顶盖急剧减小。

(3) 沙漠晴天夜间边界层的逆温层对水汽通量有阻挡和聚合的作用, 使其在夜间稳定边界层顶和残余混合层顶附近集聚, 并于07:15达到最大值, 分别为4.0和7.1 g·cm-1·hPa-1·s-1。04:15垂直水汽通量在残余混合层中下部做下沉运动, 在其上部及残余逆温层顶盖中做上升运动。

(4) 沙漠晴天夜间存在较强的负净辐射和较弱的负感热通量, 是形成较为浅薄的稳定边界层的主要原因。摩擦速度和地面风速均呈现白天升高夜间降低的发展趋势, 且夜间相比白天摩擦速度和水平风速均很小, 摩擦速度平均值为0.07 m·s-1, 虽很微弱, 说明塔克拉玛干沙漠夏季晴天夜间存在着湍流运动。

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A Case Analysis of Nighttime Stable Boundary Layer Observation in the Hinterland of Taklimakan Desert
ZHANG Jiantao1,2,3 , HE Qing2,3 , WANG Minzhong2,3 , JIN Lili2,3     
1. Xinjiang Normal University, Institute of geography and tourism, Urumqi 830054, Xinjiang, China;
2. Institute of Desert Meteorology, China Meteorological Administration, Urumqi 830002, Xinjiang, China;
3. Taklimakan Desert Atmosphere and Environment Observation Experiment Station, Tazhong 841000, Xinjiang, China
Abstract: Based on the data of GPS sounding and ground weather observation data of 13-14 and 26-27 July 2016 in the hinterland of Taklimakan desert, the vertical profile characteristics of meteorological elements was analyzed in summer clear-sky Nighttime in this paper. It is revealed that the thickness of stable boundary layer is found to be 240 m at night[from 21:00 (Beijing time, the same as after) to the next day 08:00]. The maximum thickness of the residual mixing layer is the same as that of the convective mixing layer the previous day. Over time, the maximum thickness is lost about one third at 10:15, and the thickness of the residual temperature inversion layer top cover is up to 400 m; There is a maximum of wind speed in the residual temperature inversion layer top cover, near stable boundary layer roof, there develop a low-altitude jet stream whose maximum wind speed has reached 10.8 m·s-1 at 07:15; The change trend of specific humidity at the low altitude night is a process of increasing first, then decreasing and last increasing, and the minimum value is 2.95 g·kg-1, which has appeared near stable boundary layer roof at 04:15. Specific humidity of the residual mixed layer enlarges slightly with height; the night temperature inversion layer has the effect of blocking and polymerization on water vapor flux, and makes it appear the relative maximum value in nighttime near the top of stable boundary layer and residual mixing layer, which reaches the peak value at 07:15. The vertical water vapor flux does the sinking movement in the middle to lower part of residual mixing layer, whereas does the ascending motion in the upper part of residual mixing layer and residual temperature inversion layer top cover at 04:15; At the same time, there are quite strong radiation cooling and relatively small frictional velocity in the nocturnal land surface process, which are also the main thermodynamic factors and turbulent dynamic factors that form the relatively shallow nighttime stable boundary layer.
Key Words: Taklimakan Desert    nighttime stable boundary layer    residual mixing layer    a low-altitude jet stream    water vapor flux