1 引言

边界层高度是表征大气边界层特征的重要参数, 是大气热量、动量和各种物质垂直交换的重要通道, 影响着许多灾害性天气的发生发展, 如干旱、沙尘暴、雾霾及热带气旋等(李岩瑛, 2009, 2011, 2012, 2014; 侯梦玲, 2017; 廖菲, 2017)。周文(2018)利用2007—2013年COSMIC掩星资料, 通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度, 得出青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征, 高原边界层高度中西部为1.8~2.3 km, 而东部为1.4~1.8 km, 最大值在高原西南部; 具有明显的季节差异, 春季最大值超过3.0 km。徐桂荣(2014, 2009)利用三个时段的探空加密试验资料, 分别采用气块法和Richardson数法来估算青藏高原及下游地区的对流边界层和稳定边界层的高度特征, 表明高原中部和东侧的对流边界层高度春季高而夏季低, 高原中部的平均边界层高度在日出左右较低, 之后随时间逐渐增高, 并在晚上达到最大值, 高海拔地区对流边界层的发展史较短但发展高度较高, 最高可接近5000 m。宋星灼(2006)、卓嘎(2002)和张宏升(2004)利用NCAR的全球气候模式(CCM3)及1998年第2次青藏高原大气科学实验(TIPEX)的湍流观测资料, 计算了青藏高原中部地区不稳定大气边界层的高度, 得到高原边界层演变规律及高原边界层发展迅速, 持续时间长等特点, 青藏高原中部地区大气边界层高度有明显的日变化, 一般傍晚达到最大, 高原边界层受高原地形影响, 其厚度比平原地区偏厚; 进一步指出青藏高原深厚的高原边界层特征将使长江流域夏季区域性的云量及降水明显增加, 河套地区与黄河流域的夏季云量及降水有所减少。上述文章对青藏高原上边界层高度的时空分布特点及其对下游天气影响进行了分析, 得出高原边界层午后到夜间、春季且西部较高, 最高可达5000 m以上, 较平原地区偏厚, 但对于高原边界层高度与灾害性天气之间的关系讨论较少。由于青海省气象灾害北部以干旱、沙尘暴和夏季短时暴雨为主, 中东部湟水谷地和黄河谷地以春旱、夏涝、冰雹和霜冻为主, 近27年来直接经济损失呈上升势头, 仅2009年青海汛期气象灾害就造成4亿元的经济损失(巨克英, 2012)。文中利用L波段(1型)二次测风雷达观测的近五年青海中北部4个高空观测站逐日07:00(北京时, 下同)高空压温湿常规资料, 19:00每隔50 m高空加密资料, 通过与甘肃民勤探空资料计算的边界层高度对比分析, 确定合适的高原边界层高度, 进一步得出边界层高度的主要影响因子及其与灾害天气之间的关系。在探讨边界层高度与灾害天气的关系基础上, 根据边界层高度变化可以预报预警大风沙尘、降水强度, 为防御干旱、高温和雷暴等高原灾害天气提供技术帮助。

2 资料来源与方法介绍

应用青海4个高空站茫崖、格尔木、都兰和西宁2013—2017年逐日07:00常规高空观测资料和19:00每隔50 m高空压温湿风加密观测资料进行计算。由于每隔50 m的探空资料量大, 计算时间长, 选取甘肃民勤作为试验对象(李岩瑛, 2016), 通过应用T-logP法和位温法分别对高空常规观测资料、加密观测资料进行3点至25点资料的平滑、平均计算对比分析, 得出相应资料的最佳使用方法, 从而找出合理的边界层高度:

(1) T-logP法:民勤2006—2016年5—9月逐日07:00高空规定层、特性层压温湿资料和地面观测资料。

由逐日07:00的温压等探空资料, 在T-logP图上点绘出温度层结曲线S₁M(图 1)。随着日出后太阳辐射及地面受热加强, 低层大气的湍流交换加强, 气层的不稳定度加大, 午后达最大。故再由当日午后的地面最高气温T_max和气压点Z₂₁, 沿干绝热线上升, 绘出状态曲线S₂N, 它与层结曲线S₁M相交于C点。它表示午后地面附近最不稳定时的空气块, 在抬升到C点高度后, 已与该气块单位环境温度相等, 它除依靠惯性略再稍许抬升外, 已不再具有进一步抬升的浮力, 因而C点即是该日的最大混合层高度(边界层高度)。

由于计算资料量大, 这里采用王式功等(2002)快捷的计算机算法。

因图 1中C是07:00层结曲线S₁M和午后状态曲线S₂N的交点, 而S₂N和S₁M曲线中的AB段都是直线, 则C点既满足通过A(Z_1a, T_1a)及B(Z_1b, T_1b)两点的“两点式”直线方程:

$ Z-Z_{a}=\left(T-T_{1 a}\right) \frac{Z_{1 a}-Z_{1 b}}{T_{1 a}-T_{1 b}}, $

(1)

同时, C点也满足通过点S₂(z₂₁, T_max), 其斜率K=-1/R_d=-100 ℃/0.976 m“点斜式”直线方程:

$ Z-Z_{21}=-\frac{100}{0.976}\left(T-T_{\max }\right), $

(2)

上两式中令: $X=\frac{Z_{1 a}-Z_{1 b}}{T_{1 a}-T_{1 b}}, Y=\frac{100}{0.976}$, 从数学角度, 由式(1)和式(2)二元一次方程联立, 用代入法求解该方程组, 得出:

$ T=\frac{Z_{21}-Z_{1 a}+T_{1 a} X+T_{\max } Y}{X+Y}, $

(3)

再将式(3)代入式(2), 即得出最大混合层厚度Z-Z₂₁, 从而得到待求的Z_1c的高度。

A、B两点可由下而上依次将层结曲线上每个节点的高度值Z₁₁, Z₁₂, …, Z_1i分别代入式(2)中, 求得干绝热线上对相应高度上的温度值T₂₁, T₂₂, …, T_2i, 再分别与层结曲线上同高度的温度值T₁₁, T₁₂, …, T_1i相比较, 若两曲线上同高度点Z_1i及Z_2i的温度T_2i>T_1i, 表明在该高度, 干绝热线仍在层结曲线的右边, 还未与层结曲线相交, 则继续重复上述代入及比较过程; 若在Z_1(i+1)高度, T_2(i+1) < T_1(i+1), 表明这时干绝热线已在层结曲线之左, 已经相交了, 则点(Z_1(i+1), T_1(i+1))就是层结曲线上的B点, 而其下的(Z_1i, T_1i)即是待求的A点。这样即可编程序计算。

(2) 5点平滑位温梯度法:民勤2006—2016年5—9月逐日19:00每隔50 m高空加密资料。

M点平滑位温计算方法:

$ x(i)=\left[\sum\limits_{k=i}^{i+m-1} x(k)\right] / m, $

(4)

式中: i是层数; x是位温。当位温梯度X_i+1/X_i大于0.005 K·m^-1时的最低高度(H_i)就是边界层高度。

以上两种计算方法得到的边界层高度中, 民勤5—9月07:00的T-logP法比19:00 5点平滑位温梯度法略高100 m, 两种方法中5—6月高度较高均达3000 m以上, 7—9月逐渐降低, 9月最低接近1800 m。文中应用青海4个高空站的逐日07:00常规探空资料和19:00每隔50 m加密高空资料, 同样采用以上两种方法计算出青海中北部的边界层高度。

茫崖、格尔木、都兰、西宁海拔分别为2946, 2808, 3190和2296 m, 属于典型的高原大陆性气候, 2006—2017年年均降水量分别为52.2, 53.5, 248.3和419 mm, 但近五年2013—2017年年均降水量分别为48.7, 46.5, 222.1和414.9 mm, 呈减少趋势(表 1), 与近来研究结果青藏高原中东部年均降水量减少, 地表相对湿度减小相同(刘维成, 2017; 谢欣汝, 2018)。进一步应用青海中北部(36°N—38.5°N, 90.5°E—101.6°E)共20个地面观测站的资料, 计算出2013—2017年中的年均气温、降水量和大风日数(图 2), 得出青海中西部年均降雨量西北少东南多, 降水变率大, 冷湖最少为16.2 mm, 门源最多为560.2 mm。年气温变率较大, 海拔越高, 气温越低, 祁连山区的冷湖、托勒年均气温较低在-1 ℃以下, 河谷城市气温较高。年平均大风日数中山区的冷湖、托勒达60天以上, 而西宁不足1天。

3 边界层高度及影响因子分析

运用T-logP法计算2013—2017年青海4个高空站边界层高度在1000~4100 m, 各月差距显著, 冬季12月至次年1月最低, 从西到东递增为900~2000 m; 春季4—5月最高, 从西到东茫崖、格尔木、都兰、西宁分别为4149, 4004, 3634和3357 m。2—3月边界层高度增幅最大, 月增幅在700~1100 m, 4—6月迅速减小, 月降幅在100~500 m[图 3(a)]。但应用19:00每隔50 m加密资料计算的5点平滑位温梯度法结果略有不同, 2—3月边界层高度增幅最大, 月增幅在900~1600 m。3—4月较高, 最高出现在4月, 茫崖、格尔木、都兰、西宁分别为4559, 3751, 3937和3318 m, 其中茫崖最高, 3—4月其值均达4000 m以上[图 3(b)]。

将上述两种方法计算的逐日边界层高度进行月平均, 同时也将地面逐日极端气温、最大风场、极大风场、0~320 cm 9层平均地温、极端地温进行月平均, 结合月降水量、月极大日降水量、月地面平均湿度和最小相对湿度等资料, 进一步进行相关分析, 找出高原边界层高度的主要影响因子。

$ \begin{aligned} H p= & -1820.24+25.09 X 1+399.49 X 2-281.76 X 3+\\ & 119.51 X 4+12.5 X 5 ,\end{aligned} $

(5)

$ \begin{aligned} H 5=& 504.57+183.15 X 2+50.66 X 1-2838.48 X 6+\\ & 2721.62 X 7+16.73 X 8, \end{aligned} $

(6)

式中: Hp、H5分别为T-logP法、5点平滑位温梯度法计算的边界层高度; X1为最大地气温差(0 cm最高地温减去最高气温); X2为极大风速; X3为最大风速; X4为气温日较差(最高气温减去最低气温); X5为0 cm平均地温; X6为320 cm最高地温; X7为320 cm最低地温; X8为5 cm最高地温。T-logP法边界层高度与最大地气温差、极大风速、气温日较差和0 cm平均地温成正比, 与最大风速成反比; 但5点平滑位温梯度法边界层高度与最大地气温差、极大风速、320 cm最低地温和5 cm最高地温成正比, 与320 cm最高地温成反比。从相关系数分析, Hp与H5相关系数达0.9。Hp与最大地气温差和极大风速的相关系数分别为0.83和0.82, H5与最大地气温差、极大风速的相关系数分别为0.81和0.84, 可见两种高度均与最大地气温差、极大风速较密切, 0 cm最高气温是Hp的第三个相关因子, 其相关系数0.82, 而H5的第三个相关因子是最大风速, 其相关系数0.74, 均通过了0.01的显著性检验。进一步对高原大于4000 m超厚边界层高度资料进行对比发现, 超厚边界层高度出现时地面最大风速≥4.9 m·s^-1, 极大风速≥9.7 m·s^-1, 最大地气温差≥28 ℃, 气温日较差≥14 ℃, 降水量≤0.3 mm, 日均相对湿度≤23%, 日最小相对湿度≤8%, 显著特点是地面风速大, 地气温差大, 湿度小, 几乎无降水, 可见, 湿度也是影响边界层的重要因子。因而高原上地气温差越大、风速越大, 湿度越小, 边界层高度越高。

从青海4个高空站各气象要素的月分布(图 4)可以看出, 茫崖的最大风速、极大风速以及最大地气温差都较大, 春季4—5月最大, 相反西宁最小, 因而茫崖春季的边界层高度最高, 西宁最低。

4 边界层高度与灾害天气的关系

由于边界层高度与地气温差、近地面风速、湿度等关系较为密切, 而灾害性天气的发生发展直接与大气及近地层的热力动力和降水有关, 如强沙尘与风速、热力不稳定, 强降水与湿度、地气温差, 雷暴高温与近地面温度、风速等关系密切, 因而研究边界层高度变化可以间接预测灾害天气的种类和强度。下面应用2013—2017年逐日灾害天气对比分析5点平滑位温梯度法边界层高度与它们之间的关系。

4.1 大风沙尘天气 4.1.1 风沙强度边界层高度特征

青藏高原也是风沙较多的地区之一, 会对生产设施、交通运输等造成很大损失, 高原大风达160天以上(白虎志, 2005); 春季风速较大, 青藏高原东部(西部)地区在16:00(14:00)风速较大, 06:00风速较小(赵煜飞, 2017)。现将风沙天气分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴、大风伴沙尘和大风无沙尘六种来对比不同风沙强度下边界层高度的变化特征。浮尘7月较多达2.7天; 扬沙5—6月达2.5天以上, 5月最多为2.8天; 沙尘暴和强沙尘暴11月最多达3天, 其次是4—5月在1.8~2天之间; 大风伴沙尘5月最多为2.4天, 其次是3月和11月均为2天; 大风无沙尘2月最多为2.1天, 其次是6—7月为2天。春季3—5月和11月是大风沙尘集中发生的季节[图 5(a)]。

边界层高度中浮尘3月较高为3578 m, 其他风沙天气均为4月较高在3800~4000 m之间。大风无沙尘的边界层高度各月普遍较高[图 5(b)]。由于高原4个高空站地面3—4月日极端气温差最大在13~15 ℃, 日平均湿度最小在17%~31%, 3—4月风速较大(冬季除外), 其中浮尘3月气温日极差最大达14.6 ℃, 4月最大地气温差较3月高1~5 ℃, 因而4月边界层高度较高; 不同风沙强度中大风无沙尘的日极端气温差最大, 3—4月的最大地气温差也最大, 因而4月边界层高度较高(图略)。

4.1.2 沙尘暴持续时间和出现时间

跨日间沙尘暴资料处理说明: 20:00前后有沙暴, 包括次日沙暴开始时间为20:00—21:00, 如今日和次日有沙尘暴, 当日有沙暴, 当日能见度、最大风速和极大风速分别取两天的最小能见度、最大风速和极大风速; 次日无沙暴。2012年4月开始夜间不观测, 夜间持续时间不明按1 h对待。

以一天中沙尘暴累积出现时间总和统计, 将沙尘暴持续时间分为0~1 h, 1~5 h和>5 h。小于1 h的沙尘暴边界层高度8月最高, 达3750 m, 10—11月最低为200 m; 1~5 h沙尘边界层高度4月较高, 达3463 m, 本研究中无5 h以上的沙暴出现。综上可知, 沙暴出现时间越长, 边界层高度越高[图 6(a)]。从沙尘暴出现时间分上午(08:00, 12:00]、下午(12:00, 20:00]和夜间(20:00, 08:00]3个时段进行分析[图 6(b)]可知, 高原上午无沙暴, 主要集中在下午到夜间, 4—6月较高, 其中下午达2400~3100 m, 夜间4~5月为3100~4200 m。

4.2 降水天气

白淑英(2013)利用青海省32个气象站1961—2010年逐月降水资料, 依据功率谱和GIS方法结果表明50年来青海年降水量总体上呈现小幅增加趋势, 韩熠哲(2017)得出在1980—2013年, 青藏高原年降水量与降水日数的变化趋势相反, 年降水量随时间的推移而升高, 但年降水日数则随着时间的推移而减少。整个高原地区夏季降水量和降水频率的日变化表现出明显的凌晨和傍晚的双峰结构, 而降水强度的双峰结构却不太明显(计晓龙, 2017)。文中主要分析干湿变化、不同降水强度和降水日变化与边界层高度的关系。

4.2.1 干湿对比

本文中定义日累计降水量≥0.1 mm时为湿(时段), 降水量为微量或无降水时为干, 对比分析得出干边界层高度春季较高达3600 m以上, 最大值3941 m出现在4月; 湿边界层高度较低, 最大值3399 m出现在3月, 4—7月湿边界层高度比干边界层高度偏低1000 m以上, 其中5月偏低1512 m, 冬季干湿相差较小, 在300 m左右。同样干边界层气压在420~680 hPa, 湿边界层气压在480~640 hPa, 4—6月相差较大, 干边界层气压比湿边界层低100 hPa左右(图 7)。

4.2.2 降水日变化

从降水日数上看, 6—9月较多达5~7天, 6月最多在7天左右; 日变化不明显, 冬季白天略多, 6月和8—11月夜间降水略多; 边界层高度除1月夜间比白天低外, 其他月份均夜间高于白天, 3月夜间高达3408 m, 边界层高度仍是春季较高(图 8)。

4.2.3 降水强度

按每日24 h累计降水量将降水分为小雨、中雨和大雨及以上量级, 比较不同降雨强度与边界层高度的关系:除2016年3月23日夜间西宁降雨10.6 mm, 24日转晴, 当日24 h增温近4 ℃, 致使边界层高度升达6550 m异常偏高外, 其他随着降雨强度增强, 边界层高度降低。小雨最大值3354 m出现在3月; 中雨最大值1855 m出现在6月; 大雨从5—8月逐渐降低, 最大值1300 m出现5月。相应边界层气压小雨在480~640 hPa, 中雨在590~720 hPa, 大雨在650~710 hPa(图 9)。

计算不同量级降水的1—12月地面要素平均值得出, 从无降水、有降水、小雨、中雨和大雨, 其日极端气温差分别为14.8, 11.6, 11.4, 12.2和9.3 ℃, 相对湿度分别为34%, 52%, 54%, 68%和77%, 极大风速分别为9.1, 9.7, 9.6, 9.2和8.8 m. s^-1, 因而出现边界层高度干比湿高, 降水强度增加, 边界层高度降低的结果。

4.3 高温和雷暴天气

青海地处青藏高原, 山区海拔高, 很难出现35 ℃以上的高温天气, 青海省气象局规定日最高气温≥30 ℃为一高温日。高温主要出现在5—8月, 西宁7月高达11天。夏季受地形影响对流性降水较多(王田寿, 2007), 雷暴或冰雹持续时间短, 强度弱(张翠华, 2005), 但高原夏季深厚对流降水云顶高度可达12 km(阮悦, 2018), 雷电灾害直接经济损失、人员伤亡和电子电器设备损失呈增加趋势(孔尚成, 2015)。进一步对2006—2013年4个高空站的雷暴和冰雹天气进行分析, 得出雷暴出现在3—10月, 6—9月较多达5~6天, 而冰雹在4—10月出现, 月均在2天以上, 7月最多达3.5天。雷暴集中出现在15:00—17:00, 冰雹在12:00—16:00;持续时间雷暴在0.2~0.8 h, 而冰雹在0.1~0.3 h(图略)。

由于2014年以来中国气象局规定了雷暴不进行观测, 因而2014—2017年只有冰雹资料, 文中主要针对2013—2017年的雷暴、冰雹(简称雷暴)进行分析。从边界层高度结果可知, 高温天气边界层高度在6月较高, 达5210 m, 7—8月在3600 m以上, 而雷暴天气边界层高度在4月较高, 达5050 m, 5—6月在2100 m左右, 7—9月降低至1100 m左右, 10月低至367 m[图 10(a)]; 相应的高温天气边界层气压在6月接近400 hPa, 雷暴天气边界层气压在5—9月在550~640 hPa[图 10(b)]。从2006—2017年4站发生雷暴、冰雹时降水出现的概率统计分析得出:除4月69%和8月81%较低外, 其他月的出现概率几乎达100%, 4—10月平均出现概率达91%, 可以充分说明上述4月边界层度较高, 而其他月较低的原因。

5 结论

运用T-logP法计算07:00青海中北部4个高空站常规探空观测资料得出边界层高度在1000~4100 m, 冬季12月至次年1月最低, 从西到东递增为900~2000 m; 春季4—5月较高, 但从西到东递减为4100~3200 m; 茫崖最高4—5月达4000 m以上。而5点平滑位温梯度法计算19:00每隔50 m加密高空资料得出边界层高度为3—4月较高, 4月最高, 从西到东递减为4500~3300 m, 茫崖最高3—4月达4000 m以上。

影响边界层高度的主要因子为07:00 T-logP法边界层高度(Hp)与19:00 5点平滑位温梯度法边界层高度(H5)两种高度相关系数达0.9, 均与最大地气温差、极大风速较密切, 相关系数在0.81~0.84之间, 第三个相关因子Hp是0 cm最高气温, 相关系数0.82, 而H5是最大风速, 相关系数0.74, 均通过了0.01的信度检验。高原上地气温差越大、极大风速越大, 边界层高度越高。

风沙边界层高度中浮尘3月较高为3578 m, 其他风沙天气均为4月较高在3800~4000 m, 大风无沙尘的边界层高度各月普遍较高。沙尘暴持续时间越长, 边界层高度越高, 小于1 h的沙尘暴边界层高度在8月最高, 达3750 m, 5月次高为3046 m, 而1~5 h的沙尘暴边界层高度在4月较高, 达3463 m。高原沙尘暴主要集中在下午到夜间, 4—6月边界层高度较高, 其中下午达2400~3100 m, 而夜间4—5月为3100~4200 m。

降水对边界层高度有很大影响, 干湿对比中, 4—7月干边界层高度比湿边界层高度高出1000 m以上, 随着降雨强度增强, 边界层高度降低。小雨时边界层高度最大值(3354 m)出现在3月、中雨时边界层高度最大值(1855 m)出现在6月、大雨时边界层高度最大值(1300 m)出现在5月。相应边界层气压分别在480~640 hPa、590~720 hPa和650~710 hPa。

高温天气主要出现在5—8月, 西宁7月高温天气高达11天, 边界层高度结果分析, 高温天气边界层高度在6月最高, 达5210 m, 7—8月在3600 m以上; 而雷暴天气边界层高度在4月较高, 达5050 m, 5—6月在2100 m左右, 7—9月降低至1100 m左右。由于5—10月95%以上雷暴天气伴有降水, 因而边界层高度较低。

致谢: 感谢青海省气象台李金海同志在资料处理方面所做的工作。