溫江站夏季大氣邊界層垂直結構特征

盧 萍,楊康權,李 英

(1.中國氣象局成都高原氣象研究所,四川 成都610072;2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,四川 成都610072;3.四川省氣象臺,四川 成都610072)

溫江站夏季大氣邊界層垂直結構特征

盧 萍1,2,楊康權3,李 英1,2

(1.中國氣象局成都高原氣象研究所,四川 成都610072;2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室,四川 成都610072;3.四川省氣象臺,四川 成都610072)

利用溫江觀測站邊界層塔和探空獲取的觀測資料,從地表物理量的日變化、邊界層的垂直結構及逐日變化這些方面分析該站夏季邊界層特征,得到以下結論:(1)地表各物理量都具有明顯的日變化特征,呈現一峰一谷的演變狀態,其中地表熱通量、動量通量、氣溫以及風速的峰值皆出現在午后,谷值出現在凌晨,濕度與氣溫日變化是反位相的.(2)近地層低層大氣氣溫在早晚時段,隨高度的增加而上升,呈逆溫狀態;午間時段隨高度的增加而下降.9 m以下大氣在午后的比濕梯度最大.風速值隨著高度的增高而增大,風切變隨著高度的增高而減小.(3)探空觀測的邊界層垂直結構顯示:夏季溫江站早晚邊界層大氣層結穩定,而午后表現為典型的混合邊界層特征.大氣溫/濕度差異隨高度增長而降低,各個時次溫/濕度的差異都主要集中邊界層低層,越靠近地面大氣溫/濕度差異越突出.8:00的溫度最低,14:00最高.14:00的大氣比濕最小,2:00和20:00較大.近地層風速隨高度增長較快,在離地2～300 m左右高度達到一個極值,4個時次的風速差異不大.(4)地表溫度、短波輻射、感熱通量對邊界層的高度和降水都有一定的影響.

邊界層;探空;日變化;廓線;溫江站

大氣邊界層是貼近地球表面并與之有直接作用的大氣層[1-2],是地球表面與自由大氣間進行物質、能量、熱量和水汽交換的必經氣層[3-4],因此,研究大氣邊界層變化和特征一直是氣象學研究的重大課題之一.而觀測資料是揭示天氣、氣候變化的基礎之基礎[5],卞林根等[6]通過觀測資料研究了北京冬季城區大氣邊界層結構特征.李茂善等[7]利用無線電探空儀觀測資料研究了藏北高原地區干、雨季大氣邊界層結構的不同特征,指出藏北高原地區邊界層干季的對流混合層高度明顯高于雨季時的對流混合層高度.王喜全等[8]利用北京月壇公園180 m鐵塔城市邊界層常規微氣象觀測資料,分析了城市邊界層溫度及其層結的季節變化.徐桂榮等[9]利用探空資料估算青藏高原及下游地區大氣邊界層高度.宋星灼等[10]利用1998年第2次青藏高原大氣科學實驗資料,對比分析了高原邊界層演變規律,以及實驗站干季、雨季不同時期的高原邊界層發展規律異同.李英等[11]利用理塘大氣綜合觀測站資料對比分析了冬、夏近地層微氣象特征和湍流輸送情況.霍文等[12]利用在古爾班通古特沙漠腹地系留氣艇邊界層試驗的探測資料,分析了沙漠腹地近地層風、溫、濕等氣象要素廓線垂直分布特征及其變化情況.胡義成等[13-14]利用L波段雷達探測的高空資料,分析了邊界層內氣溫、風向、風速和相對濕度的垂直分布及其時間變化特征.以上研究都是基于直接的觀測資料,從多個方面揭示了邊界層大氣的基本特征.

中國氣象局成都高原氣象研究所近年來在溫江觀測站進行了西南渦加密探空[14]以及邊界層塔[15]的同步觀測,取得了較為完善的邊界層大氣結構及湍流輸送觀測資料;有助于加深青藏高原下游地區邊界層大氣變化規律和湍流特征的理解和認識.本文利用2015年6月21-7月31日在溫江觀測站獲取一手觀測資料,分析其大氣邊界層結構及其變化,以期給出該站完整的邊界層結構特征.

1 邊界層站的位置、觀測變量和觀測時段

溫江地區位于成都平原西部,青藏高原東坡以東的平坦地帶,觀測場設在一片平坦的開闊的農田間,具體位置在 30.7°N,103.83°E,海拔 544 m 左右(圖1).高原所在溫江站架設了一個邊界層觀測塔,用于觀測風速、風向(儀器型號MetOne-034B,架設高度1.55 m、5.25 m、9.30 m、18.80 m(該層觀測時段儀器故障,資料不可用)),氣溫、相對濕度(儀器型號Vaisala-HMP45C,架設高度 1.3 m、4.8 m、8.95 m、18.45 m),地表湍流通量(儀器型號Campbell-CSAT3),地表溫度(儀器型號Apogee-IRR-P)、氣壓(儀器型號Vaisala-PTB220A)、雨量(儀器型號Vaisala-G13H),長短波輻射(儀器型號Kippamp;Zone-CNR1),土壤溫度(儀器型號Campbell-107)和含水量(儀器型號Campbell-CS616).邊界層塔常年連續觀測,每間隔10 min獲取一次觀測數據.加密GFE(L)1型雷達探空觀測的觀測變量包括:高度、時間、氣溫、氣壓、濕度、露點、溫露差、虛溫、風向、風速、緯度差、經度差.觀測時段為6月21日-7月31日,共計41 d,探空氣球釋放頻率為每天4次,間隔6 h釋放一次,釋放時間分別為 2:00、8:00、14:00、20:00(文中皆用北京時).

圖1 溫江站位置示意圖

2 觀測結果分析

2.1 地表物理量的日變化特征

感熱交換是指近地層中因湍流運動引起的地面和空氣之間的熱量輸送,而潛熱交換是大氣中水發生相變時引起的熱量輸送,即蒸發耗熱或凝結釋熱,是陸氣之間能量交換的主要途徑.從地表感熱和潛熱通量的平均日變化分布(圖2a)可知,感熱和潛熱通量都具有明顯的日變化特征:感熱通量白天為正,數值大,早晚數值小,接近于零,感熱通量極大值出現在13:00,其值約為98.79 W/m2,極小值出現在0:00,其值約為-5.46 W/m2,說明白天有大量的熱量以湍流形式從地面傳遞給大氣.潛熱通量極大值和極小值分別出現在13:00和5:00,極值分別為180.94 W/m2和0 W/m2.潛熱通量明顯大于感熱通量揭示溫江地表對大氣的加熱方式以蒸發耗熱為主,湍流熱輸送作用次之.從溫江站地面熱源強度平均日變化規律可以看出,溫江站白天為強熱源,夜間冷熱源不是很明顯.熱源強度存在顯著的日變化特征:當地時間中午前后存在明顯的極大峰值,夏季峰值為280 W/m2左右,極小值出現在夜間,接近于0 W/m2.總體來說夏季全天均表現為熱源,且強度大.感熱輸送占熱源強度的1/3,潛熱占2/3左右.白天動量通量漸增,出現明顯峰值,在15:00時達到極大值,到晚上逐漸減小,夜間大氣層結通常比較穩定,風速小,湍流弱使得其值較小(圖2b).

地面氣壓表現出雙峰雙谷的日變化特征:10:00時和23:00時氣壓出現極大值,而5:00時和17:00時則出現極小值,其中17:00時的氣壓值最低,氣壓的平均日變化幅度接近3 hPa(圖2c).

氣溫、相對濕度和風速均表現出明顯的日變化特征,都呈現一峰一谷的演變狀態.其中,氣溫和風速都是白天高,夜間低,峰值出現在13:00-15:00,谷值則在凌晨5:00-6:00時出現,溫度日變化幅度為8℃左右,全天風速都小,最大值不到1.6 m/s,風速日變化幅度約為1 m/s.濕度與氣溫日變化存在顯著的反向變化關系,晚上相對濕度大,白天小,15:00左右達極小值,日變化幅度約為40%.

2.2 邊界層塔觀測的大氣結構特征

溫江站內的邊界層塔上在不同高度處架設了4層溫度、濕度、風的觀測儀器,他們能夠反映非常靠近下墊面的貼地層及近地層低層大氣垂直結構的細微特征:夜間到早上時段(20:00-8:00),氣溫隨高度的增加而升高,呈逆溫狀態,20:00-23:00逆溫最顯著,隨后逐漸變弱,8:00逆溫現象已然不明顯;午間時段(11:00、14:00、17:00)氣溫隨高度的增加而下降.溫度日變化是太陽輻射引起:夜晚長波輻射,地面失去熱量,故夜間有逆溫;白天太陽加熱后,地面升溫,所以逆溫消失(圖3a).

圖2 溫江站6月21-7月31日觀測各地表物理量的平均日變化曲線

圖3 溫江邊界層塔觀測的溫度、比濕及風速的垂直廓線的日變化特征

從比濕廓線(圖3b)來看,比濕在4.8 m以下層梯度小、值最大,從此觀測高度向上隨高度的增加而遞減,午間時段在9 m觀測高度處達到極小值.濕度梯度白天大于早晚,其中以14:00-17:00梯度最大.究其原因,貼地層摩擦作用大,造成水汽滯留,而該摩擦作用的影響高度在9 m左右,其上主要是湍流影響,午后時段,湍流發展充分,水汽被帶到較高的大氣中,因此這里容易出現一個拐點.由于貼地層的摩擦作用減弱了湍流輸送,使得水汽向上混合不充分,因此出現午后9 m以下層比濕梯度大的現象.

風速廓線(圖3c)顯示:風速值隨著高度的增高而增大,風切變隨著高度的增高而減小,早晚時段風速梯度較小,午間時段較大,這是由于高層動量下傳所致.風速極大值出現在14:00左右,極小值出現在5:00時左右.

2.3 邊界層大氣垂直結構的日變化特征

邊界層塔觀測高度有限,故必須結合探空觀測,才能得到更為完整的邊界層大氣的垂直結構特征.圖4a是能綜合反映邊界層的熱力指標的位溫廓線,從4個時次平均結果顯示早晨8:00時邊界層的位溫最小,而晚上20:00最大.從位溫的垂直遞減率來看,2:00和8:00相當,且都呈現位溫隨高度增高的趨勢,表征這2個時次大氣穩定度最高;而14:00時1000 m以下的大氣層位溫幾乎不隨高度的增加而變化,表現出非常典型的混合邊界層特征,大氣層結相對不穩定;20:00的位溫廓線則顯示邊界層大氣又逐漸趨于穩定.一天4個時次平均的溫度廓線(圖4b)顯示:大氣溫度隨高度增長而降低,不同時次溫度的差異主要集中在中低層大氣中(1500 m以下),500 m以下大氣層的溫度差異最為突出.從不同時次(這里僅比較觀測的4個時次)的近地層溫度來看,8:00溫度最低,接近23℃,然后大氣溫度隨時間迅速上升,14:00溫度值達到極值,超過27℃,其后溫度緩慢下降,20:00的溫度值依然維持在一個較高點,到凌晨2:00,溫度很快降低到一個較低點(24℃),但仍然略高于8:00,地表溫度日較差約為5℃.清晨和夜間低層大氣存在明顯的逆溫現象,2:00逆溫層的厚度和強度最為顯著,8:00次之.比濕(圖4c)隨高度的演變規律與溫度相似,也是隨高度降低,越靠近地面差異越顯著.14:00地表大氣的比濕最小,約為14 g/kg,其次是20:00,2:00最大,其值超過17 g/kg,地表大氣比濕日較差約為3 g/kg.4個時次風速廓線(圖4d)顯示邊界層內從地面向上的風速增長很快,梯度較大,在200 m高度左右增速放緩,再往上出現一個風速極大值,14:00風速極大值出現高度最低(200 m),最大風速不到3 m/s,8:00風速極大值約為3.5 m/s,出現在350 m高度附近,2:00風速極大值約為4 m/s,出現在450 m高度附近,20:00風速極大值不足4 m/s,出現在250 m高度附近.

一天4個時次平均的垂直廓線具有一些相似特征:位溫廓線充分反映了夏季溫江站早晚邊界層大氣層結穩定,而午后表現為典型的混合邊界層特征.比濕與溫度隨高度的演變情形相似,大氣溫/濕度隨高度增長而降低,不同時次溫/濕度的差異主要集中在中低層大氣中,越靠近地面大氣溫/濕度差異越突出.近地層風速隨高度增長較快,在一定高度達到一個極值,4個時次的風速差異不大.

2.4 降水及地表大氣的逐日變化

由于航空管制,溫江站14:00時的探空觀測,缺測較多,整理發現2015年7月3-9日的觀測資料是連續的,因此基于這些天資料進行對比分析,研究其不同天氣狀態下的逐日變化.

圖4 探空觀測時段每日4個時次平均的邊界層大氣變化

表1給出了這7日的天氣狀況,圖5是這7日正午14:00通過探空觀測得到的假相當位溫廓線,廓線形態顯示這7日正午的邊界層都呈現典型的混合邊界層特征,即強烈的混合作用使得假相當位溫幾乎不隨高度變化,這里將混合層頂定義在覆蓋逆溫出現的高度,從而得到邊界層高度(表1).

圖5 溫江站觀測的2015年7月3-9日逐日14時假相當位溫廓線

表1 溫江站觀測的降水、邊界層高度及天氣狀況

表2 溫江站觀測的各物理量之間的相關系數

圖6是這7 d地表各個物理量場的逐日演變情況,相對濕度是先減小再增大,溫度則是先增大再降低,與相對濕度正好相反.風速則是在前后幾天較大,中間的7月6日和7月7日2 d較小.潛熱和感熱通量都是先增大再減小,與向上/下短波輻射相一致.這7 d的天氣狀況則是前2 d和后2 d有小雨,中間3 d無雨,以多云天氣為主.由圖6可知,各個變量的演變趨勢具有一定的規律,通過計算,得到邊界層厚度和降水與這些地表變量之間的相關系數,見表2.邊界層厚度與溫度、短波輻射、感熱通量存在較好的正相關關系;與相對濕度、降水存在一定的負相關關系,與地面風速的負相關不明顯.降水量與這些變量的相關則是反位相的.這些演變趨勢直觀地體現出溫江站對流邊界層厚度和大氣熱力變量間存在較好的相關關系.降水也和溫/濕度、輻射、地表熱通量、風速存在一定的相互作用,他們之間這些相關關系對天氣預報具有一定指示作用.

圖6 溫江站2015年7月3-9日觀測到的地表各個物理量場的逐日演變曲線

3 結論

應用溫江觀測站邊界層塔及探空獲取的觀測資料,分析該站的邊界層垂直結構特征,得到以下結論:

(1)地表各物理量都具有明顯的日變化特征,感熱和潛熱通量白天數值大,感熱達到98.79 W/m2,潛熱達到180.94 W/m2,早晚數值小,接近于零.夏季全天均表現為熱源,且強度大.感熱輸送占熱源強度的1/3,潛熱占2/3左右.白天湍流強,動量通量也強,峰值出現在15:00前后.地面氣壓表現出雙峰雙谷的日變化特征.氣溫、相對濕度和風速均呈現一峰一谷的演變狀態.

(2)近地層下層大氣垂直結構的細微特征:早晚時段,氣溫隨高度的增加而升高,呈逆溫狀態,20:00-23:00逆溫最為顯著,8:00以后逆溫逐漸消失,氣溫隨高度的增加而降低.濕度在近地面層值最大,受到地面摩擦和湍流的共同作用,9 m以下大氣在午后時段比濕梯度最大.

(3)夏季溫江站早晚邊界層大氣層結穩定,午后表現為典型的混合邊界層特征.探空觀測的溫度/比濕廓線隨高度的演變相似,都是隨高度增長而降低,各個時次溫/濕度的差異主要集中在邊界層大氣的中低層,越靠近地面大氣溫/濕度差異越突出.從不同時次的表現來看,8:00的溫度最低,14:00溫度值最高.14:00大氣的比濕最小,2:00或20:00的比濕較大.近地層風速隨高度增長較快,在一定高度達到一個極值,4個時次的風速差異不大.

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The Vertical Structure Characteristics of Boundary Layer in Summer at Wenjiang Station

LU Ping1,2,YANG Kangquan3,LI Ying1,2
(1.Institute of Plateau Meteorology,CMA Chengdu 610072,China;2.Heavy Rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province,Chengdu 610072,China;3.Sichuan Meteorological Observatory,Chengdu 610072,China;)

Based on the observational data from boundary layer tower and sounding at Wenjiang Station,the characteristics of boundary layer in summer from three aspects of daily variation,vertical structure and day-to-day variation were analyzed.The results showed as follows:(1)The physical quantities in the surface had obvious daily variation,appearing a peak and valley evolution state.The peak values of sensible heat flux,momentum flux,temperature and wind speed appeared in the afternoon,and the valley values appeared in the early morning.Humidity variation was out of phase with temperature.(2)The temperature in the lower surface layer increased along with the increasing of height in the morning and at night,showing inversion state,but decreased with the increasing of height in the afternoon.The gradient of moisture was biggest below 9 m in the afternoon.Wind speed increased and wind shear decreased with the increasing of height.(3)The vertical structure of boundary layer through sounding showed:atmospheric stratification was stable in the morning and at night,but was extremely unstable in the afternoon.The temperature and humidity decreased with the increasing of height,and the marked differences mainly appeard in the lower surface layer.The closer they approached to the ground,the more remarkable their differences were.The highest temperature appeared at 14:00 and the lowest value appeared at 08:00.The minimum of humidity appeared at 14:00,and was bigger at 02:00/20:00.The wind speed near the ground increased quickly with the height,and reached a peak value in the level of 200-300 meters.In four times the difference of wind speed was small at 4 times.(4)Surface temperature,short radiation and sensible heat flux had a certain influence on the boundary layer height and precipitation.

boundary layer;sounding;daily variation;profile;Wenjiang Station

P412.1

A

1002-0799(2017)05-0070-07

盧萍,楊康權,李英.溫江站夏季大氣邊界層垂直結構特征[J].沙漠與綠洲氣象,2017,11(5):70-76.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.05.010

2016-10-09;

2017-04-12

國家自然科學基金項目(41405145),成都高原氣象研究所開放實驗室基金項目(BROP201714)聯合資助.

盧萍(1976-),女,副研究員,從事天氣分析、數值模擬、資料分析工作.E-mail:abc-123@mail.iap.ac.cn