熱浪條件下大氣邊界層結構的日變化特征

摘 要：基于北京首都國際機場2008—2019年的AMDAR數據記錄，探究大氣邊界層溫度和風的日變化特征及其對熱浪事件的響應。將熱浪事件定義為日平均氣溫連續2 d以上超過暖季（5—9月）日平均氣溫95%分位數的高溫天氣過程。研究發現：北京市大氣邊界層溫度有顯著的日變化，通常在15：00達到最高值。在白天，對流邊界層發展旺盛，而夜間有較為明顯的輻射逆溫。北京大氣邊界層風速同樣具有顯著的日變化和垂直差異，3 000 m以下往往在02：00～04：00達到最大風速，在較低層，白天多為東南風而夜間多為東北風；在較高層，整個日平均變化幾乎表現為西北風。

關鍵詞：行星邊界層；熱浪；AMDAR

中圖分類號：P421.3 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

當前，全球呈現出氣候變暖的趨勢，部分地區極端天氣持續發生。在過去的數十年間，熱浪事件在全球的影響范圍擴大了數十倍，對各國人民的生產生活都帶來了巨大的影響[1-2]。由國內外學者的研究可知，熱浪天氣的不斷發生會導致人們，尤其是幼童和老年人及部分健康狀態欠佳的人群持續暴露于熱浪環境中，使這部分人的中暑、心血管疾病、呼吸道疾病的發病率和死亡率上升[3]。在可預見的未來，由于溫室氣體濃度不斷上升，一方面，熱浪天氣會加劇城市“熱島效應”的強度；另一方面，城市受自身地理位置、地表條件等因素的影響，熱浪天氣的強度增大，給城市居民的生活帶來了不可忽視的影響[4]。

1 熱浪的定義

本研究將熱浪定義為根據2008—2019年日平均溫度至少連續2 d超過暖季（即5月1日—9月30日）平均溫度95%的時期。在之前的研究中，不同研究者會使用不同的閾值定義熱浪事件。而本研究選擇用相對閾值作為判斷熱浪事件的標準，用以確保熱浪期和非熱浪周期之間的差異顯著和保持相對較大的熱浪事件樣本。在本研究中，對邊界層結構的分析將不考慮具體某一日的邊界層變化情況，而是圍繞氣象要素的平均日變化展開，探究十年來機場探測數據的平均變化情況及其總體分布特征，以及對比熱浪和非熱浪期的大氣邊界層氣象要素，以展示其差異性和一致性。

2 數據與地理位置

2.1 數據

采用北京首都國際機場的AMDAR探測數據以及對大氣邊界層的日變化觀測記錄，該數據記錄基于世界氣象組織發布的飛機氣象數據中提供的客機有關氣象要素的報告。同時，采用RAOB站點提供的無線電探空數據作為地表探空數據。RAOB站點提供的無線電探空數據通常在世界時00：00和12：00各提供一次觀測數據，主要用于對大氣中溫度，氣壓、濕度、風速、風向等的探測，通常可以提供部分固定氣壓層的探測數據。作為當前相對精準的氣象要素觀測資料之一，本研究將其作為判斷AMDAR數據準確性的基準。

2.2 地理位置

北京首都國際機場位于北京市東北方向，AMDAR

數據顯示其經緯度為（40.08°N，116.61°E）；RAOB顯示的經緯度為（39.93°N，116.28°E），兩者間距36 km。機場地處北京市，北京市位于我國華北地區，華北平原東北邊緣，為典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季溫暖多雨，冬季寒冷干燥，年平均降水量500 mm

左右，在華北地區屬于氣候較為濕潤的地區。由于北京是典型的季風氣候，因此一年四季分明，又有“北京灣”這一特殊地形，西北部與太行山相接，東南部與渤海相鄰，導致風向日變化大，白天多偏南風，夜間多偏北風，可能會有“山谷風”對該地區風速造成影響；溫度四季變化和日變化較大，出現南北部溫差較大的情況。

3 大氣邊界層結構的日變化特征

3.1 大氣邊界層風溫日變化

圖1和圖2為AMDAR數據2008—2019年北京首都國際機場溫度與風速的平均日變化。該地區的溫度存在較強的時間變化和垂直變化。日平均最高溫度出現在15：00附近，且整體邊界層溫度變化較為一致，自地表向上，溫度隨高度上升而下降；白天，溫度升高導致對流邊界層發展旺盛，夜間，出現明顯的逆溫層。而經向風與緯向風都有強烈的垂直方向上的日變化，緯向風在近地面為負，在1 500 m以上為正；經向風在近地面多數時間為正，凌晨出現負值，在1 500 m以上為正。因此，北京首都機場總體在近地面為東南風，在較高層大氣中為偏西風。其中，較高層中的風向變化可能受到大氣環流西風帶的影響。無論是緯向風還是經向風，近地面日平均風速都在凌晨達到最大值，約

3 m/s。此外，邊界層底部經向風的風速變化較大，這可能是機場附近飛機升降帶來的氣流造成的影響[5]。

AMDAR數據繪制的3 000 m以下溫度和風速的平均日變化圖展示了溫度與風兩個變量在邊界層的整體結構，也表現出AMDAR數據在探測邊界層結構變化的應用中具有較高的準確性，可以很好地反映出氣象要素在邊界層中的變化情況[6-10]。

圖1" 2008—2019年北京首都國際機場平均溫度日變化

（單位：K）

圖2" 2008—2019年北京首都國際機場緯向風與經向風的平均日變化

3.2 大氣邊界層結構對熱浪的響應

3.2.1 溫度

圖3為北京首都國際機場2008—2019年熱浪期與非熱浪期平均溫度日變化的比較。從平均溫度日變化特征圖可以看出，無論是在熱浪期還是在非熱浪期，邊界層的溫度都存在強烈的日變化，并且平均溫度隨著高度升高而下降，近地面溫度約在300 K，3 000 m上的溫度降至280 K以下。并且，通過對比日平均溫度日變化可以看出，相較于非熱浪期，熱浪期的邊界層溫度日變化更加強烈，垂直方向上溫度梯度也更加明顯，從而可推得熱浪天氣的發生發展會導致邊界層溫度的變化發展更加劇烈，熱浪天氣會對大氣邊界層的結構變化造成一定的影響。

從圖3可以看到，熱浪天氣產生時，溫度相對于非熱浪期有明顯的升高，約在每日15：00附近達到日平均最高溫度。在熱浪期，日平均最高溫度約為310 K，而在非熱浪期，日平均溫度最高約為298 K。這是由于在熱浪天氣過程中，白天大氣輻射由上至下，通過熱量交換使地表溫度逐漸升高，下午整個邊界層達到溫度最高點。此外，日平均溫度圖顯示夜間邊界層出現明顯的逆溫層，受白天高溫影響，有利于形成溫暖的夜間殘留層，殘留層儲存的溫度會導致翌日邊界層溫度偏高。

除了熱浪期相較于非熱浪期在整體溫度上出現明顯的上升，熱浪期垂直方向上的平均溫度與非熱浪期間也體現出較大的差異，熱浪期垂直方向上溫度變化更加明顯，整體溫度變化更加劇烈。可以看出，熱浪天氣的發生發展會對邊界層的平均溫度日變化和平均溫度在垂直方向上的變化造成較大的影響。

3.2.2 風分量

與非熱浪期相比，風分量的垂直和日變化特征表現出相似的變化情況。熱浪期緯向風在近地面風向為東風，在邊界層上部風向為西風，與非熱浪期的緯向風風向較為一致；而熱浪期經向風在近地面風向為北風，在較高層風向為南風，與非熱浪期的經向風風向出現一定的差異。風速在02：00～04：00達到最大值。總體而言，熱浪期邊界層的緯向風和經向風風速都有一定程度的增大，平均緯向風風速低層（1 500 m以下）由0～3 m/s上升至0～6 m/s，高層則由3～6 m/s降至0～

6 m/s，經向風整層平均風速上升1～2 m/s。這表明熱浪會導致風速有所增大，熱浪期和非熱浪期相比，緯向風風向沒有明顯的改變，低層為東風，高層為西風；經向風風向低層非熱浪期以南風為主，熱浪期則轉為北風，高層非熱浪期為北風，熱浪期轉為南風。熱浪期緯向風和經向風的日變化劇烈，垂直方向上變化

顯著。

圖3" 2008—2019年3 000 m以下北京首都國際機場溫度在熱浪和非熱浪期的平均日變化（單位：K）

經向風和緯向風在每日22：00逐漸增大，在02：00

～04：00達到一天風速的最大值，低層約為3 m/s，高層約為8 m/s。當熱浪天氣發生發展時，無論是經向風還是緯向風，熱浪期平均風速相對于非熱浪期間都有所增加。

以上結果表明，在北京首都國際機場的數據中，邊界層風分量的變化呈垂直和日變化。在熱浪條件下，風速的日變化會更加劇烈，在垂直方向上也會出現顯著的變化。由于北京首都國際機場位于城市附近，因此，邊界層風速、風向的變化也可能與熱浪期城市的地表條件有關。

4 結束語

以往研究表明，機場上空頻繁的飛機起飛降落會導致邊界層中風分量受到飛機起降氣流造成的擾動，AMDAR數據顯示的邊界層低層中風速風向的日變化特征可能會受到一定程度的影響。本研究表明，邊界層的風速、風向變化除了受到熱浪等氣候條件的影響，還需要考慮當地地表條件對近地面風速、風向產生的影響。北京首都國際機場所處地理位置為北京市東北方向，5—9月白天華北平原受到太陽輻射導致溫度上升，夜間西北地區的山地降溫速度快，導致溫度下降速度大于平原地區，從而在夜間產生較大的溫差。這可能導致北京首都國際機場夜間AMDAR數據顯示風速上升，近地面風速在凌晨達到日平均風速的最大值。在春夏、夏秋相交時，由于北京依山傍海，平原地區地形平坦，因此，山地和海洋因地勢和地表條件的區別而使得產生的熱量得到充分的交換，近地面風速增大。

通過對比邊界層氣象要素在熱浪期和非熱浪期的平均日變化可以看出，邊界層的結構在溫度、緯向和經向風等方面的表現基本一致，在熱浪事件發生發展時，邊界層氣象要素的日變化會更加劇烈。日變化圖的對比分析表明氣象要素在熱浪期和非熱浪期的條件下存在差異。

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收稿日期：2024-07-24

作者簡介：郭怡寧（2001—），女，福建福安人，助理工程師，研究方向為大氣科學。