大氣環(huán)境監(jiān)測論文大氣邊界層高度特征

　　大氣邊界層與天氣、氣候的形成和演化密切相關(guān)，本篇大氣環(huán)境監(jiān)測論文闡述大氣邊界層高度特征，大氣溫度垂直遞減率偏高使得對流邊界層內(nèi)大氣有較高的熱力敏感度,夜間深厚的大氣殘余層也為白天對流邊界層的發(fā)展提供了一個非常有利的熱力環(huán)境。同時,湖風(fēng)會在邊界層內(nèi)形成風(fēng)切變,能夠加強(qiáng)大氣的湍流混合能力,提供邊界層對流發(fā)展的良好動力環(huán)境�？梢园l(fā)表大氣環(huán)境監(jiān)測論文的期刊有《大氣科學(xué)學(xué)報》本刊堅持四項基本原則，貫徹：“雙百”方針，以繁榮我國氣象科學(xué)事業(yè)，促進(jìn)國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流為宗旨。本刊主要刊登大氣科學(xué)，環(huán)境科學(xué)及相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的理論和應(yīng)用研究論文，新技術(shù)研制，國內(nèi)外研究進(jìn)展綜述等。讀者對象是從事大氣科學(xué)研究的科研人員，氣象臺站的技術(shù)人員及大專院校，有關(guān)專業(yè)的師生。獲獎情況：2002年華東地區(qū)優(yōu)秀期刊;江蘇省雙十佳期刊;1999年全國高校自然科學(xué)學(xué)報系統(tǒng)優(yōu)秀二等獎;江蘇省優(yōu)秀期刊;江蘇省一級期刊;1997年江蘇省優(yōu)秀期刊、江蘇省一級期刊。

　　位于新疆博斯騰湖流域戈壁地區(qū)的大氣邊界層過程受湖泊和戈壁的共同作用,大氣邊界層結(jié)構(gòu)具有特殊性。利用2013年5月21日至8月28日在博斯騰湖流域戈壁地區(qū)獲得的大氣邊界層探測試驗資料,分析該地區(qū)大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果顯示,博斯騰湖流域戈壁地區(qū)大氣邊界層最突出的特征是在夏季典型晴天時對流邊界層異常深厚,在所統(tǒng)計的100天探空資料中,有45天大氣邊界層高度達(dá)3000m以上,最高可達(dá)4400m。同時,探討深厚對流邊界層的形成機(jī)制,認(rèn)為博斯騰湖流域戈壁地區(qū)特殊的大氣熱力環(huán)境以及湖風(fēng)切變等因素是形成深厚對流邊界層的重要原因。

　　關(guān)鍵詞

　　邊界層高度;博斯騰湖;理查森數(shù);湖陸風(fēng)

　　大氣邊界層是地球與大氣之間動量、能量和各種物質(zhì)上下輸送的紐帶,與天氣、氣候的形成和演化密切相關(guān)。隨著Wangara(澳大利亞)[1]和Minne-sota(美國)[2]等大氣探測試驗的開展,科學(xué)家對典型均勻下墊面大氣邊界層結(jié)構(gòu)有了比較全面的認(rèn)識。從20世紀(jì)80年代開始,邊界層理論的研究從均勻下墊面發(fā)展到非均勻下墊面[3]。國內(nèi)外也開展了有針對性的大氣綜合觀測試驗,如NWC-ALIEX(敦煌戈壁)[4]、HEIFE(黑河流域)[5]、TIPEX(青藏高原)[6]、BOREAS(加拿大)[7]和HAPEX(法國)[8]等,獲得區(qū)別于傳統(tǒng)水平均勻下墊面邊界層的新發(fā)現(xiàn)[911]。由于現(xiàn)有觀測資料十分有限,湖泊和戈壁共同作用引起的復(fù)雜下墊面問題并沒有得到很好的解決,限制了對類似地區(qū)大氣邊界層物理過程的認(rèn)識和大氣數(shù)值模式參數(shù)化方案的改進(jìn)[3]。邊界層高度作為大氣數(shù)值模式和大氣環(huán)境評價的重要物理參數(shù),是分析湍流混合、垂直擾動、對流傳輸以及大氣污染物擴(kuò)散的重要指標(biāo)[1213]。

　　一般認(rèn)為,對流邊界層高度應(yīng)該低于3000m[14],但是近年來隨著各類大氣觀測試驗的開展,人們在戈壁、沙漠、高原等極端氣候和復(fù)雜地形地區(qū)探測到特殊的邊界層高度特征。Zhang等[15]利用西北干旱區(qū)陸‒氣相互作用野外觀測試驗(NWC-ALIEX)資料,發(fā)現(xiàn)我國敦煌戈壁地區(qū)存在高達(dá)4150m的對流邊界層現(xiàn)象。李茂善等[16]分析2005年4—5月在珠峰大本營附近(28.14°N,86.85°E,海拔5149m)的無線電探空觀測資料,發(fā)現(xiàn)邊界層高度日變化比較明顯,因冰川風(fēng)的存在,大氣邊界層高度最高可達(dá)3888m。Marsham等[17]在非洲撒哈拉沙漠中也探測到高達(dá)5000m的深厚對流邊界層,并且其殘余層特征十分突出。沙漠、戈壁以及高原地區(qū)的下墊面性質(zhì)不盡相同,人們對深厚大氣邊界層形成的機(jī)理研究十分有限,深厚邊界層的出現(xiàn)是否具有一定的普遍性,尚需大量的實驗觀測進(jìn)行證實[15]。位于博斯騰湖東南沿岸的戈壁地區(qū)(簡稱博湖流域戈壁地區(qū))位于亞歐大陸腹地,不僅具有干旱區(qū)戈壁下墊面特征,其氣候還受博斯騰湖的影響。目前,對該地區(qū)的邊界層過程了解較少。本文利用在博湖流域戈壁地區(qū)開展的大氣邊界層觀測試驗數(shù)據(jù),分析該地區(qū)邊界層高度的日變化特征,并進(jìn)一步研究是否存在特殊對流邊界層高度現(xiàn)象。

　　1觀測環(huán)境、資料與方法

　　博斯騰湖流域位于我國新疆天山中部南緣和塔克拉瑪干沙漠北緣,地理坐標(biāo)為41.17°—42.5°N,85.33°—87.5°E。湖區(qū)水域面積約1002km²,容積近100億m3,湖面海拔高度1120m。湖區(qū)的東側(cè)和南側(cè)是大面積戈壁灘,常年干早少雨,蒸發(fā)量大,多為晴天少云天氣。本研究所用資料來自在博斯騰湖東南側(cè)距湖7km的戈壁地區(qū)開展的大氣邊界層綜合觀測試驗數(shù)據(jù)。地面資料是Vaisala自動氣象站2010—2013年探測的數(shù)據(jù)。自動氣象站每分鐘記錄一次距地面1.5m的溫度、氣壓、相對濕度和距地面10m的風(fēng)向、風(fēng)速。探空資料是L波段探空雷達(dá)和GZZ10型數(shù)字探空儀探測的數(shù)據(jù)。L波段雷達(dá)每秒鐘記錄一次溫度、相對濕度、氣壓、風(fēng)向和風(fēng)速,探測高度可達(dá)20000m。試驗小組在2013年5月21日至8月28日每天4個時刻(08:00,12:00,16:00和20:00,本文所用時間均為北京時,本地時間比北京時間晚2個小時)進(jìn)行常規(guī)探空試驗。另外,對3個典型晴天進(jìn)行加密探空試驗,其中8月23日17次(00:00,01:00,03:00—14:00的每個整點,16:00,20:00和22:00),7月5日14次,7月12日16次。在對探空數(shù)據(jù)進(jìn)行飛點剔除、高度訂正等數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后,發(fā)現(xiàn)3個加密探空日的邊界層高度日變化情況較為相似,本文選用探空次數(shù)最多的8月23日作為夏季典型晴天的代表個例進(jìn)行分析。值得注意的是,無線電探空氣球在上升過程中會受到風(fēng)的影響而發(fā)生偏移,在統(tǒng)計所有探空儀漂移路徑后,發(fā)現(xiàn)5km高度范圍內(nèi)探空儀的最大水平偏移距離為4.21km,且出現(xiàn)較大偏移距離時都是受湖風(fēng)的影響,氣球被吹向遠(yuǎn)離湖區(qū)的方向,因此探空資料在5km高度范圍內(nèi)能夠代表戈壁上空的氣象要素特征。

　　邊界層高度的判斷方法有風(fēng)速極值法、湍流能量法和位溫廓線法等。風(fēng)速極值法要求大氣為定常、均勻的正壓大氣,這在博湖流域戈壁地區(qū)不適用。湍流能量法對數(shù)據(jù)要求較高,且在計算過程中引入許多假設(shè)條件。位溫廓線法在分析過程中未引入假設(shè)條件,所需數(shù)據(jù)均可由探測儀器直接測得。博湖流域戈壁地區(qū)位溫廓線結(jié)構(gòu)特征清晰,本文用位溫廓線法來確定邊界層高度較為合適。

　　2博湖流域戈壁地區(qū)位溫廓線與邊界層高度特征

　　2.1位溫廓線特征分析2013年8月23日12組代表性時刻位溫廓線結(jié)構(gòu)(圖1)可知,00:00—08:00,位溫廓線呈現(xiàn) 穩(wěn)定邊界層特征:地面因長波輻射逐漸冷卻,地表溫度比大氣溫度低,大氣邊界層內(nèi)位溫隨高度升高而增大,形成一層較淺的穩(wěn)定邊界層(SBL)。在穩(wěn)定邊界層的上方直到3500m左右的高度,位溫隨高度的變化很小,這是白天殘留下來的的殘余層(RL)。殘余層上方是厚度為200m左右的逆溫層(CIL)。逆溫層上方即自由大氣(FA)。12:00—20:00,位溫廓線呈現(xiàn)對流邊界層廓線特征:白天太陽輻射持續(xù)加熱地表,地表溫度比大氣溫度高,大氣邊界層內(nèi)位溫隨高度升高變化不大,邊界層內(nèi)大氣充分混合,直到3400m左右的高度,大氣位溫隨高度發(fā)生明顯的躍變,可以認(rèn)為是對流邊界層(CBL)的頂部。對流邊界上方是夾卷層(EA),夾卷層上方即自由大氣(FA)。09:00—11:00和21:00—22:00,大氣位溫廓線結(jié)構(gòu)還在發(fā)展階段,大氣邊界層為弱不穩(wěn)定邊界層。

　　2.2邊界層高度特征用位溫廓線法對8月23日全天17組探空廓線進(jìn)行分析,確定該地區(qū)邊界層高度的日變化情況(圖2)。從圖2可以看出,夜間穩(wěn)定邊界層高度隨著時間的推移有增大的趨勢,一直持續(xù)到早晨09:00,穩(wěn)定邊界層最低出現(xiàn)在00:00(高度只有140m),最高出現(xiàn)在07:00(高度為730m);白天對流邊界層高度異常深厚,從12:00開始形成,并一直持續(xù)到20:00,平均高度達(dá)到3460m,發(fā)展最旺盛的時刻為14:00(高度達(dá)到3600m);全天大部分時間被穩(wěn)定和對流邊界層控制,而兩類邊界層的過渡階段持續(xù)時間較短,邊界層高度介于穩(wěn)定和對流邊界層之間。博湖流域戈壁地區(qū)大氣邊界層最突出的特征是存在深厚對流邊界層。出現(xiàn)深厚對流邊界層的情況屬于某一個例還是普遍存在?我們對2013年5月21日至8月27日(共計100天)每天16:00的探空資料進(jìn)行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)在典型晴天經(jīng)常有深厚對流邊界層存在(表1),除3天陰雨天邊界層頂結(jié)構(gòu)特征不夠清晰外,其余97天邊界層平均高度達(dá)到2690m。對流邊界層高度大于3000m有45天,最大高度出現(xiàn)在6月2日(高度達(dá)到4400m),最低高度出現(xiàn)在7月20日(高度只有1200m)。5—8月都有異常深厚的對流邊界層出現(xiàn),其分布按月份沒有明顯的差別。然而,而根據(jù)每小時記錄的天氣情況來看,深厚邊界層出現(xiàn)的日期往往是晴空少云的烈日天氣。博湖流域戈壁地區(qū)所探測到的最高對流邊界層高度為4400m,比敦煌戈壁地區(qū)的4150m[15]和青藏高原珠峰大本營附近的3888m[16]都要高。

　　3博湖流域戈壁地區(qū)出現(xiàn)深厚對流邊界層的原因分析

　　影響對流邊界層高度發(fā)展的因素主要有太陽輻射強(qiáng)度、地理環(huán)境、大氣熱力和動力等[2022]。就對流邊界層發(fā)展的物理本質(zhì)而言,是由于地面加熱而觸發(fā)的對流熱泡在邊界層內(nèi)做湍流運(yùn)動的結(jié)果。博湖流域戈壁地區(qū)常年干旱少雨,年平均降水量不足90mm,夏季日平均最高氣溫達(dá)到36.5ºC。土壤成分以細(xì)沙和礫石為主,熱容量很小,蒸發(fā)力強(qiáng),下墊面感熱通量加熱大氣的效率非常高[23],夏季炎熱的戈壁下墊面具備觸發(fā)對流熱泡的熱力基礎(chǔ)。與敦煌均勻的戈壁下墊面[15]和青藏高原凹凸的山地下墊面[10]性質(zhì)不同,博湖流域戈壁地區(qū)大氣邊界層的物理過程還受博斯騰湖的影響,大氣邊界層高度也與其特殊的區(qū)域環(huán)境有關(guān)。

　　3.1大氣熱力環(huán)境分析

　　3.1.1大氣熱力性質(zhì)分析通過分析博湖流域戈壁地區(qū)的大氣熱力環(huán)境,發(fā)現(xiàn)對流邊界層大氣的垂直減溫率異常偏高,大氣有較高的靜力不穩(wěn)定度。圖3是2013年8月23日各代表性時刻的溫度廓線結(jié)構(gòu),可以看出,在對流邊界層形成前(03:00,05:00,07:00,09:00和10:00),大氣底部有明顯的逆溫層。逆溫層是穩(wěn)定層結(jié),會抑制湍流的發(fā)展。對流邊界層形成后(12:00,13:00,14:00,16:00和20:00),炎熱的戈壁下墊面持續(xù)加熱靠近地面的大氣,近地層大氣運(yùn)動為超絕熱過程,處于靜力不穩(wěn)定狀態(tài),超絕熱層內(nèi)大氣不斷有對流運(yùn)動產(chǎn)生,并與其上方的大氣充分混合,直到3500m左右的高度出現(xiàn)約200m厚的夾卷層,即對流邊界層頂?shù)奈恢�。在整個邊界層高度范圍內(nèi),12:00,13:00,14:00,16:00和20:00,大氣垂直減溫率分別達(dá)到8.276,8.633,9.081,9.286和8.991ºC/km。其中,13:00和14:00在1000m以下的大氣垂直減溫率甚至超過大氣的干絕熱減溫率(9.8ºC/km),達(dá)到10.1ºC/km。從大氣的靜力穩(wěn)定度來看,大氣垂直減溫率越高,大氣的運(yùn)動狀態(tài)越不穩(wěn)定,也更易觸發(fā)對流運(yùn)動[24]。

　　3.1.2大氣熱力結(jié)構(gòu)分析在分析圖1中大氣邊界層位溫廓線結(jié)構(gòu)時,發(fā)現(xiàn)大氣邊界層在白天充分對流混合后,殘留在夜間的大氣殘余層(RL)依然保持白天對流混合時的位溫廓線結(jié)構(gòu),殘余層上方是約200m厚的逆溫層(CIL),逆溫層高度約為3500m。逆溫層能夠抑制其下方的能量通量向上傳輸,很好地儲存白天用于支持對流邊界層發(fā)展的能量。當(dāng)白天對流發(fā)展突破夜間形成的穩(wěn)定邊界層后,對流活動在殘余層的發(fā)展會十分順暢。在統(tǒng)計2013年夏季100天的對流邊界層高度特征時發(fā)現(xiàn),博湖流域戈壁地區(qū)深厚對流層不是一天就能形成的。深厚對流邊界層往往出12:00,13:00,14:00和16:00的Ri值分別為0.097,0.157,0.852和0.019。當(dāng)氣層頂部位溫小于地面位溫時(13:00和14:00),θ<0,Ri<0,該層大氣為靜力不穩(wěn)定,大氣運(yùn)動狀態(tài)為湍流。當(dāng)氣層頂部位溫大于地面位溫時(12:00和16:00),θ>0,此時Ri與風(fēng)切變值((u)2+(v)2)呈反比,風(fēng)切變值越大,Ri越小,當(dāng)Ri小于大氣不穩(wěn)定條件的臨界值0.25時,大氣為動力不穩(wěn)定,大氣運(yùn)動狀態(tài)為湍流�？梢钥闯�,風(fēng)切變能夠通過增加擴(kuò)散能力和夾卷作用,增加大氣的不穩(wěn)定度,提高浮力通量的對流效率,同樣有助于對流邊界層高度的進(jìn)一步抬升。

　　4結(jié)論與討論

　　博湖流域戈壁地區(qū)夏季典型晴天大氣邊界層最突出的特征是存在深厚對流邊界層現(xiàn)象。在所統(tǒng)計的100天探空資料中,有45天對流邊界層高度達(dá)3000m以上,最大可達(dá)4400m。博湖流域戈壁地區(qū)深厚對流邊界層現(xiàn)象與炎熱的戈壁下墊面性質(zhì)、大氣熱力環(huán)境以及湖風(fēng)切變等因素有關(guān)。具體而言,戈壁下墊面加熱近地面空氣的作用更加突出,強(qiáng)浮力通量具有產(chǎn)生深厚對流邊界層的能量基礎(chǔ)。博斯騰流域戈壁地區(qū)大氣邊界層過程是十分特殊和復(fù)雜的物理過程,如日出后一個小時,大氣位溫廓線仍保持穩(wěn)定邊界層的廓線結(jié)構(gòu),這是否與博斯騰湖的影響有關(guān),還需用大氣數(shù)值模式和更加綜合的大氣邊界層觀測試驗資料做進(jìn)一步研究。

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