2019, Vol. 38
2. 复旦大学大气与海洋科学系, 大气科学研究院, 上海 200438;
3. 甘肃省人工影响天气办公室, 甘肃 兰州 730000
边界层高度(Boundary Layer Height, BLH)是表征大气边界层特性的重要物理参数, 与边界层内各物理量密切相关(Von Engeln et al, 2013), 常被用来表征边界层的结构特征(Guo et al, 2016)。由于大气边界层观测难度较大、成本较高, 资料相对匮乏, 关于BLH的研究多局限于站点或局部区域(Satyanarayana et al, 2000; Kumar et al, 2010; Sawyer et al, 2013), 或大尺度空间上的短时间变化特征(Liu et al, 2010; Seidel et al, 2010; Chan et al, 2013; Zhang et al, 2014)。目前关于BLH高度大范围、长时间尺度的气候学特征研究, 主要集中在欧洲和美国(Seidel et al, 2012; Zhang et al, 2013), 其中Zhang et al(2013)对欧洲BLH的趋势研究显示, 大多数站点的白天BLH呈现出显著性增加。另外, Wang et al(2016)利用IGRA数据资料对全球陆地(主要包括欧洲、美国、俄罗斯、中国、日本)1973—2014年的研究结果显示, 白天对流边界层高度呈现出升高趋势, 而夜间稳定边界层高度为降低趋势。这些研究表明, 在气候变化的影响下, BLH在大范围空间区域确实发生了改变, 且在长期趋势上有所体现。但这方面的研究仍相对较少, 且时间尺度最长也仅为几十年。为更好地认识和掌握BLH在大范围、长时间尺度上的变化特征, 仍需进行更多的工作。
干旱半干旱区地表反射率高, 对大气的加热作用较强, 以往的研究先后在低纬度干旱荒漠区(Garratt, 1992)、中国西北干旱区(Takemi, 1999)、非洲撒哈拉沙漠(Marsham et al, 2008)等地区发现超高边界层。并且全球大多数干旱半干旱区成为了温度增加最显著的区域(Huang et al, 2012), 湿润程度随着时间也变得越来越低(Dai et al, 2004; Narisma et al, 2007; 钱正安等, 2017)。这种情况下, 需要进一步研究和认识其BLH的变化特征, 对气候变化研究而言, 具有重要的意义(Lewis et al, 2013; Esau et al, 2010)。文章采用再分析资料ERA-20C对东亚、北非干旱半干旱区100多年BLH的空间分布及时间变化特征进行比较研究, 考虑到两个区域的范围较大, 且不同季节的气候变化存在差异(Jones et al, 1992; Alexander et al, 2006; Huang et al, 2012), 文章从不同气候区、不同季节的角度进行分析, 定性评估不同气候区、不同季节BLH变化对该区域整体BLH变化的贡献。通过研究, 以期对干旱半干旱区大气边界层在近100多年的变化有更为全面的认识和理解。
2 数据资料与方法介绍 2.1 数据资料东亚干旱半干旱区位于亚非干旱带的东段, 包括中国北方大部、蒙古高原和中亚部分地区, 地貌较为复杂, 属于典型的季风气候。文章中东亚的研究范围为30°N—55°N, 70°E—135°E。北非干旱半干旱区位于亚非干旱带的西段, 习惯上为撒哈拉沙漠以北的区域, 在文章中还包括了其南部与苏丹草原地区之间的萨赫勒区域, 其中撒哈拉沙漠以北地貌较为单一, 属于典型的热带沙漠气候和地中海气候; 萨赫勒区域为撒哈拉沙漠向非洲热带草原过渡的干旱、半干旱地带, 属于半干旱草原气候。文章中北非的研究范围为10°N—40°N, 20°W—40°E。
ERA-20C是欧洲中期天气预报中心第一套专门为气候应用而设计的大气再分析资料(Poli et al, 2016)。文章采用1900—2010年ERA-20C中的边界层高度月均资料数据, 空间分辨率为0.125°×0.125°。该资料中边界层高度的计算主要采用两种方法(ECMWF, 2014), 对流条件下采用气块法, 中性和稳定条件下采用整体理查森数方法。赵艳茹等(2017a, 2017b)和Zhao et al(2017)分析了ERA-20C, 认为其BLH数据较好的表征了干旱半干旱区边界层高度的特征。
以年降水量为划分标准, 对东亚、北非干旱半干旱区进行了气候区域划分, 定义年降水量 < 50 mm的区域为极端干旱区; 50~200 mm的区域为干旱区; 200~300 mm的区域为干旱-半干旱过渡区, 300~450 mm的区域为半干旱区; 450~550 mm为半干旱区-半湿润过渡区。
2.2 方法介绍(1) EEMD方法
集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)方法(Wu et al, 2009; 赵艳茹, 2018)。
(2) 年际变化贡献率
格点或区域对整个区域的年际变化(Interannual Variations, IAV)贡献率(赵艳茹, 2018)为
| $ f_{j}=\frac{\sum_{t} \frac{x_{j t}\left|X_{t}\right|}{X_{t}}}{\sum\limits_{t}\left|x_{t}\right|}, $ | (1) |
式中: xjt为区域j在时间t时的异常(长期趋势的距平); Xt为整个区域的异常, 所以Xt=∑jxjt。fj为区域j的平均相对异常xjt/Xt占绝对整个区域异常|Xt|的权重。区域的fj值高, 对整个区域的IAV贡献就大, 反之, 贡献就小, 区域的fj为负值, 则对整个区域的IAV存在抑制。
文章利用该方法计算了不同气候区对边界层高度的年际变化贡献率, 并借鉴同样的思想, 计算了不同季节对边界层高度的年际变化贡献率。
3 边界层高度特征分析 3.1 东亚、北非不同气候区及边界层高度的空间分布特征对于东亚干旱半干旱区[图 1, 该地图是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)1600号中国地图制作, 底图无修改], 极端干旱区由塔克拉玛干沙漠向东延伸至巴丹吉林沙漠, 最东部至106.125°E。从地形来看, 极端干旱区四周由各大山脉(天山、昆仑山、阿尔金山、祁连山、阿尔泰山)所包围, 导致水汽输送难以到达, 年均降水量仅为27 mm, 形成了极为干旱的气候, 平均BLH为898 m, 形成高值中心。西部塔克拉玛干沙漠一带的BLH为800~900 m, 东部巴丹吉林沙漠一带的BLH为900~1000 m。干旱区、干旱-半干旱过渡区、半干旱区、半干旱-半湿润过渡区依次分布于极端干旱区外围, 最东部依次至114.000°E、117.625°E、122.375°E、124.750°E。西北部的天山北侧, 受伊塞克湖、艾比湖以及来自高纬度地区水汽输送的影响, 气候干旱得到缓解, BLH为500~600 m, 形成低值中心; 西南部受青藏高原的影响, 降水量及BLH形成较为密集的梯度分布; 柴达木盆地也形成一个小的BLH高值中心; 青海湖区降水量及BLH的分布形成小拐角。
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图 1 1900—2010年东亚干旱半干旱区降雨量(等值线, 单位: mm)及边界层高度(阴影, 单位: m)的空间分布 Fig. 1 Spatial distribution of precipitation (contour, unit: mm) and boundary layer heights (the shaded, unit: m) in arid and semiarid regions of East Asia during 1900—2010 |
对于北非干旱半干旱区而言[图 2, 该地图是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)2948号世界地图制作, 底图无修改], 不同气候区及BLH的分布形势相对东亚较为简单, 极端干旱区位于中部, 即撒哈拉大沙漠, 占据北非干旱半干旱区的绝大部分区域, 下垫面主要覆盖热带沙漠, 由于分布范围较广, BLH空间分布变化幅度更大, 为500~1200 m; BLH的高值中心分布在海拔较高的迈尔祖格沙漠一带, 为1000~1200 m; 西南部受塞内加尔河以及尼日尔河的影响, BLH较低, 为700~900 m; 东部受尼罗河的影响形成边界层高度的低值中心, 为500~700 m。其他气候区由干到湿依次分布在南北两侧, 降水量等值线较为密集, 北部年降水量等值线的分布与海岸线的走向较为一致, 南部降水量等值线集中在萨赫勒地区一带, 由西到东小幅度波动地延伸。
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图 2 1900—2010年北非干旱半干旱区降雨量(等值线, 单位: mm)及边界层高度(阴影, 单位: m)的空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of precipitation (contour, unit: mm) and boundary layer heights (the shaded, unit: m) in arid and semiarid regions of North Africa during 1900—2010 |
对比图 1和图 2, 可以看出东亚、北非干旱半干旱区不同气候区的分布有较大的差异。由表 1可知, 东亚各气候区域面积分布相对均匀, 其中半干旱区面积最大(2.7099×106 km2), 极端干旱区面积最小(1.3240×106 km2); 而北非极端干旱区面积最大(9.3201×106 km2), 占据北非干旱半干旱区总面积61.14%, 其他气候区域面积相对均匀。另外, 东亚、北非相同气候区的干湿程度也存在差异。北非极端干旱区、干旱区的年降水量(16 mm、106 mm)分别小于东亚极端干旱区、半干旱区(27 mm、120 mm); 两个地区的干旱-半干旱过渡区、半干旱区、半干旱-半湿润过渡区年降水量相差不大, 仅2~4 mm。整体而言, 北非的干旱程度比东亚更为严重。
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表 1 东亚和北非各气候区年降水量、平均BLH和各区面积对比 Table 1 Comparison of annual precipitation, average BLH, and area between different climatic zones in East Asia and North Africa |
两地区BLH的空间分布不尽相同。东亚BLH以极端干旱区为高值中心, 向四周递减, 年降水量以极端干旱区为低值中心, 向四周递增, 具体数值可见表 1; BLH越高, 干旱程度越高, BLH越低, 干旱程度越低; BLH的空间分布与年降水量的分布基本一致。北非干旱-半干旱过渡区的BLH最高, 极端干旱区的BLH最低, 而年降水量等值线仍依次递增, 具体数值见表 1; 整体来看北非BLH空间分布的规律性较弱。这是因为极端干旱区面积广袤, 东部受河流的影响存在BLH的低值区, 使得区域平均BLH偏低, 而其他气候区紧密地分布在南北两侧, 覆盖面积小, 区域内没有较低边界层的存在, 使得区域平均BLH较高。东亚和北非BLH特征存在差异的另一原因可能是因为两个区域的感、潜热能量分配性质存在较大的差异(赵艳茹等, 2017)。
从空间分布来看, BLH与气候干湿程度有紧密的联系, 海拔、河流、湖泊对其也有一定的影响。这也就能解释, 在东亚干旱半干旱区, 同为沙漠下垫面, 柴达木盆地、巴丹吉林沙漠、塔克拉玛沙漠海拔依次降低, 三者BLH随之降低; 在北非干旱半干旱区, 同为撒哈拉沙漠下垫面, 高值中心出现在海拔最高的迈尔祖格沙漠。
3.2 东亚、北非干旱半干旱区边界层高度的时间变化特征过去100多年东亚、北非BLH均值分别为735 m和857 m, 因此从气候态来看, 北非的BLH明显高于东亚。东亚BLH气候倾向率为4.044 m·(10a)-1, 表现为升高趋势; 北非BLH气候倾向率为-1.503 m·(10a)-1, 表现为降低趋势。
对比东亚、北非BLH的变化曲线(图 3)可以发现, 近100多年来, 东亚干旱半干旱区边界层高度变化趋势与同期北非干旱半干旱区边界层高度变化趋势基本相反。首先是整体趋势的差异, 东亚干旱半干旱区为升高趋势, 而北非干旱半干旱区为降低趋势; 其次表现最明显的时期为1950—1970年, 为明显的反相位变化。但两区域也存在变化一致的时期, 如1990—2010年的升高趋势。
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图 3 东亚和北非干旱半干旱区平均边界层高度随时间的变化 Fig. 3 The change of the average boundary layer height over time in the arid and semiarid regions of East Asia and North Africa |
由图 3可以发现, 东亚、北非BLH的变化可能在不同的变化周期上有更为明显的联系, 如同位相或反位相关系, 因此, 利用EEMD方法对BLH序列进行了分解, 经过EEMD分解, 东亚、北非BLH均被分解为5个IMF分量和1个趋势项(图 4)。东亚、北非的趋势项分别表征过去100多年BLH的升高或降低趋势。IMF1~IMF5为高频到低频的变化, 振荡的时间尺度依次增大, 两个地区各IMF分量的振荡周期基本一致。IMF5表示时间尺度约为60年的周期振荡, 在这个时间尺度的振荡中, 东亚、北非BLH表现出明显的反位相关系; IMF4表示时间尺度约为30年的周期振荡, 在这个时间尺度的振荡中, 东亚、北非BLH之间的关系表现为30~40年的转换, 1900—1930年两者之间为同位相关系, 1940—1970年两者之间为反位相关系, 1980—2010年为同位相关系, 而1930—1940年以及1970—1980年为两种位相关系转变的过渡时期; IMF3分示时间尺度约为10年的周期振荡, 在这个时间尺度的振荡中, 东亚、北非BLH之间的关系基本以1970年为界, 1970年之前两者基本为反位相关系, 1970年之后两者基本为同位相关系; IMF2表示时间尺度为5~7年的周期振荡, 在这个时间尺度的振荡中, 东亚、北非BLH之间的关系表现为10~15年的转换, 其中1900—1915年、1925—1940年、1945—1960年、1970—1980年、1990—2000年基本为反位相关系, 1915—1925年、1940—1945年、1960—1970年、1980—1990年、2000—2010年基本为同位相关系; IMF1表示BLH变化的最高频序列, 振荡周期基本为2~4年, 两区域BLH之间变化关系不太明显。
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图 4 东亚和北非干旱半干旱区平均边界层高度各IMF分量(a~e)和趋势项(f) Fig. 4 Mean IMF components (a~e) and trend (f) of the average boundary layer height in the arid and semiarid regions of East Asia and North Africa |
对比东亚、北非BLH各IMF分量之间的相位关系变化, 可以发现, 两个地区BLH之间反位相与同位相的转变主要是由于两者之间的振荡周期不完全一致, 时间尺度越长, 反位相关系越明显, 周期60年的振荡反位相最为明显。
3.3 不同气候区边界层高度的时间变化特征如图 5所示, 在111年内, 东亚各气候区与整个干旱半干旱区一致, BLH均表现为升高趋势, 但变化幅度存在差异, 气候倾向率如表 2所示。
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图 5 东亚干旱半干旱区不同气候区的边界层高度 Fig. 5 The boundary layer heights in different climatic regions in arid and semiarid regions of East Asia |
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表 2 东亚和北非BLH各气候区气候倾向率与年际变化贡献率对比 Table 2 Comparison of the BLH climatic trend rate and contribution rate of inter-annual change of different climatic zones in East Asia and North Africa |
东亚各气候区BLH变化对整个干旱半干旱区的年际变化贡献率存在差异, 从图 5可以看到, 1900—1910年和1990—2010年两个升高期, 各气候区BLH均表现为升高趋势; 1964—1971年, 干旱-半干旱过渡区、半干旱区、半干旱-半湿润区的BLH表现为显著的升高, 干旱区的BLH升高较弱, 极端干旱区的BLH为降低趋势。转折年(1964年)之后, 各气候区BLH分别抬升了7, 24, 28, 39和38 m, 平均抬升了30 m。从表 2中可以看出, 在年际振荡中, 极端干旱区对整个区域的贡献最小, 为11.05%;半干旱区对整个区域的贡献最大, 为23.74%。
在111年内, 北非极端干旱区、干旱区、干旱-半干旱过渡区与整个干旱半干旱区一致, BLH表现为降低趋势, 气候倾向率为负, 而半干旱区、半干旱-半湿润区表现为升高趋势, 气候倾向率为正。表明北非BLH的降低, 主要是由极端干旱区、干旱区、干旱-半干旱过渡区导致的。其中半干旱区、半干旱-半湿润区主要位于萨赫勒地区, 其BLH的升高与萨赫勒地区的变干(Zeng, 2003; Dai et al, 2004)相关, Zeng(2003)的研究指出, 萨赫勒地区变干的人为原因在于过度的放牧与开垦使得该地区的地表反照率增大、土壤水分减少, 这两项都会使得到达地表的太阳辐射用于边界层的发展部分增多, 使得BLH升高。
北非各气候区BLH的变化对整个区域的年际变化贡献率存在着差异。从图 6可以看到, 北非BLH的主要降低时期为1960—1980年, 各气候区均表现为降低趋势; 主要升高时期为1953—1960年, 除干旱区外, 均表现为升高趋势, 1980年之后, 除极端干旱区外, 均表现为升高趋势。以上结果表明, 在年际振荡中, 与东亚地区情况类似, 极端干旱区对整体区域的贡献最小, 贡献率为3.68%, 与东亚地区不同的是, 贡献最大的气候区是半干旱-半湿润过渡区, 贡献率为28.89%。
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图 6 北非干旱半干旱区不同气候区的边界层高度 Fig. 6 The boundary layer heights in different climatic regions in arid and semiarid regions of North Africa |
东亚BLH具有明显的季节差异(图 7, 表 3), 夏季BLH较大, 平均值为1206 m, 这是由于干旱半干旱区夏季太阳辐射比其他地区强烈, 地表净辐射通量大, 导致边界层发展深厚(杜一博等, 2018);春、秋季平均值分别为854 m和598 m; 冬季较小, 平均值为281 m。在111年内, 各季节BLH均为升高趋势, 气候倾向率为正。
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图 7 东亚干旱半干旱区不同季节的边界层高度 Fig. 7 The boundary layer heights in different seasons in arid and semiarid regions of East Asia |
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表 3 东亚、北非各季节BLH气候倾向率和对整体变化贡献率对比 Table 3 Comparison of the seasonal climatic trend rates and the contribution rate to the overall change of the BLH in East Asia and North Africa |
各季节对整体变化的年际变化贡献率如表 3所示。东亚BLH的主要升高时期: 1900—1910年, 春、夏、秋季均表现为升高趋势, 冬季变化较小; 1964—1971年, 春、夏季表现为升高趋势, 冬季有小幅上升, 秋季升高趋势不明显; 1990—2010年, 春、夏季表现为升高趋势, 秋、冬季变化较小。年际振荡中, 夏季BLH变化的贡献占主导地位, 贡献率达到58.50%。
北非BLH也具有明显的季节差异(图 8, 表 3), 夏季BLH最大, 平均值为1205 m, 春、秋季次之, 平均值分别为961 m和800 m, 冬季最小, 平均值为463 m。在111年内, 春、夏、秋季的BLH为降低趋势, 气候倾向率为负, 冬季为升高趋势, 气候倾向率为正, 表明北非BLH在近100多年来的降低, 主要是春、夏、秋三季的BLH升高共同作用导致的。
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图 8 北非干旱半干旱区不同季节的边界层高度 Fig. 8 The boundary layer heights in different seasons in arid and semiarid regions of North Africa |
各季节对整体变化的年际变化贡献率如表 3所示。在北非BLH的主要降低时期, 1960—1980年, 夏季表现为明显的降低趋势, 春季表现为先降低后平缓的变化, 秋季表现为先升高后降低的变化, 冬季变化较平缓; 在主要升高时期, 1953—1960年, 夏季表现为明显的升高趋势, 春季表现为小幅度的升高, 秋季表现为降低趋势, 冬季表现为先升高后降低的趋势, 1980年之后, 春、夏、秋季均表现为升高趋势, 冬季变化较为平缓。以上结果表明, 在年际振荡中, 与东亚地区类似, 夏季对整体变化的贡献占主导地位, 年际变化贡献率达到57.52%, 冬季为负贡献, 与东亚地区不同的是, 北非地区秋季年际变化贡献率是东亚地区的2倍多。
4 结论通过对东亚、北非干旱半干旱区100多年BLH时空变化特征的分析, 得到以下主要结论:
(1) 空间分布上, 东亚各气候区面积分布相对均匀, BLH以极端干旱区为高值中心, 向四周递减; 北非极端干旱区面积占比达到61.14%, 其他气候区面积分布相对均匀, 极端干旱区的BLH最低, 干旱-半干旱过渡区的BLH最高。BLH的空间分布与气候干湿程度存在一定的关系, 其中东亚地区表现更为明显。
(2) 东亚各气候区111年来均为升高趋势, 共同导致东亚BLH的整体抬升, 其中极端干旱区年际变化贡献最小, 为11.05%, 半干旱区最大, 为23.74%;对北非而言, 极端干旱区、干旱区、干旱-半干旱过渡区均为降低趋势, 共同导致北非BLH的整体降低, 其中极端干旱区的年际变化贡献最小, 仅为3.68%, 半干旱-半湿润过渡区贡献最大, 为28.89%, 而半干旱区、半干旱-半湿润过渡区则为升高趋势,
(3) 东亚、北非干旱半干旱区整体的边界层高度呈现出相反的变化趋势, 近111年来, 东亚为升高趋势, 北非为降低趋势。在变化幅度较大的时期, 两个地区的边界层高度大都为反位相变化。EEMD分解结果显示两个地区的边界层高度变化均包含时间尺度为60, 30, 10, 5~7和2~4年的周期振荡, 在长时间尺度的变化周期中, 两个地区的边界层高度基本呈反位相关系, 在短时间尺度的变化周期中呈反位相、同位相交替转换的关系, 这种转换主要是由两者之间的振荡周期不完全一致引起的。
(4) 从季节来看, 东亚、北非BLH均具有明显的季节差异, 夏季BLH最大, 冬季最小。东亚各季节BLH均为升高趋势, 夏季BLH的气候倾向率[11.684 m·(10a)-1]和年际变化贡献率(58.50%)均最大; 北非春、夏、秋季的BLH为降低趋势, 冬季为升高趋势, 夏季对整体变化的贡献占主导地位, 贡献率达到57.52%, 冬季为负贡献, 与东亚地区不同的是, 北非地区秋季年际变化贡献率是东亚地区的2倍多。
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http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10730-1018829125.htm |
2. Department of Atmospheric and Oceanic Sciences/Institute of Atmospheric Sciences, Fudan University, Shanghai 200438, China;
3. Weather Modification Office of Gansu Province, Lanzhou 730000, Gansu, China