華北北部半干旱地區夏季大氣邊界層特征的實驗研究

李倩惠 張宏升,? 鞠婷婷 肖凱濤

華北北部半干旱地區夏季大氣邊界層特征的實驗研究

李倩惠1張宏升1,?鞠婷婷1肖凱濤2

1.北京大學物理學院大氣與海洋科學系, 氣候與海?氣實驗室, 北京 100871; 2.軍事科學院防化研究院, 北京 100091; ?通信作者, E-mail: hsdq@pku.edu.cn

2016 年 7 月 3—16 日在內蒙古自治區科爾沁地區大氣科學與大氣環境綜合實驗站開展科爾沁半干旱下墊面大氣邊界層野外綜合觀測試驗, 利用 GPS 大氣邊界層精細探空資料, 分析華北北部半干旱地區晴天、陰天和雨天等不同天氣條件下的大氣邊界層結構。采取不同的方法和判據對比確定大氣邊界層高度, 統計實驗期間低空急流特征, 并對近地面湍流特征及地表能量收支狀況進行初步的探討。結果表明: 晴天, 白天的大氣邊界層平均高度約為 1790m, 夜間約為 250m; 陰天和雨天, 白天的大氣邊界層平均高度約為 980m, 夜間約為 430m。夜間, 近地面層湍流動能與邊界層高度有較強的相關性。低空急流多發生在午夜, 平均高度約為 390 m, 強度與高度正相關。

大氣邊界層高度; 低空急流; 地表能量收支; 半干旱地區

大氣邊界層不僅是地?氣間物質、能量交換的橋梁, 也是多圈層相互作用的場所。正確理解大氣邊界層的結構及物理過程, 不僅有利于大氣邊界層和陸面過程參數化方案的改進, 也對天氣、氣候和環境變化研究有重要意義[1]。由于受地表強迫影響, 大氣邊界層結構有明顯的日變化特征[2]。作為邊界層的關鍵參數之一, 大氣邊界層高度是反映湍流混合、垂直擴散和對流輸送等過程的重要物理量[3]。通常, 白天對流邊界層高度低于 2000m, 夜間穩定邊界層高度不超過 500 m[4]。

干旱半干旱區下墊面具有獨特的水熱特征, 其邊界層結構和陸面過程具有特殊性。20 世紀 80 年代以來, 國際上開展一系列對干旱半干旱地區陸面過程和大氣邊界層的的綜合觀測試驗, 包括 SEBEX (Sahalian Energy Balance Experiment), HAPEX-Sahel 和 EFEDA (European Field Experiment in a De-sertification-threatened Areas)等觀測試驗, 探討地表能量平衡的特點、植被退化對地?氣交換的影響以及衛星遙感估測能量通量的可行性等問題[5?7]。為了更好地了解干旱機理, 在 SALSA(Semi-Arid Land-Surface-Atmosphere)和 SAHRA (Sustainability of Semi-Arid Hydrology and Riparian Areas)項目的研究中, 綜合分析了水文、生態與大氣間的相互作用, 為研究陸面過程與氣候過程的耦合以及與地下水系統的耦合提供支持[8?9]。在 PILIPS (Projectfor the Intercomparison of Land-Surface Processes) San Pedro Sevilleta試驗中, 對不同植被類型的半干旱區進行觀測, 試驗資料用于陸面模式的評估, 促進了大氣環流模式中陸?氣相互作用參數化方案的改進[10]。我國相繼開展“黑河地區地氣相互作用觀測試驗研究(HEIFE)”、“西北干旱區陸?氣相互作用觀測試驗研究(NWC-ALIEX)”以及“中國北方干旱災害機制與預警試驗(DroughtEX_China)”等觀測試驗, 觀察到綠洲“冷島效應”、荒漠表面水汽“呼吸”效應等現象[11?16], 對干旱區地?氣間的水熱交換和能量交換有了較多的了解, 發展了干旱區陸面過程參數化。張強等[17?18]發現我國西北干旱區具有以下主要特征: 由于天空晴朗少云, 地表接收的太陽總輻射量明顯多于濕潤地區; 下墊面植被較少, 具有較高的地表反照率; 強烈的太陽輻射與裸露的地表狀況導致白天地表輻射增溫迅速, 感熱通量遠高于濕潤地區, 在地表能量平衡中占主導地位; 近地層較強的感熱通量為邊界層發展提供了充足的能量, 殘余層的累積效應提供了較好的熱力環境, 有利于深厚對流邊界層的形成。

了解半干旱區大氣邊界層結構、近地面湍流特征與地表能量收支狀況, 有利于加深對半干旱區大氣邊界層特征及地?氣間水熱交換和能量交換特殊性的認識, 輔助模式驗證, 對理解干旱機理具有重要意義。以往的半干旱區研究較多地關注草地和農田下墊面, 缺乏對半干旱沙地下墊面的研究; 多選擇晴好天氣, 缺乏對陰雨天氣大氣邊界層結構研究。同時, 現有的氣候模式對半干旱區的模擬效果也存在不足之處[19]。

華北北部的科爾沁沙地位于內蒙古自治區東南部, 是我國半干旱區面積最大的沙地。本文利用GPS 大氣邊界層精細探空觀測和近地面層大氣湍流觀測資料, 分析 2016 年 7 月不同天氣條件下科爾沁沙地下墊面大氣邊界層結構, 采用不同的方法和判據, 確定大氣邊界層高度, 探究半干旱區沙地下墊面地?氣相互作用特征。

1 數據與方法

1.1 資料獲取

科爾沁大氣科學與大氣環境綜合實驗站(42°56′N, 120°42′E)位于內蒙古自治區通遼市奈曼旗境內, 地處科爾沁沙地的東南部, 海拔 363m。該地區為溫帶半干旱大陸性季風氣候, 年平均氣溫為 6.8℃, 年平均降水量為 366mm, 蒸發量為 1935mm, 是典型的半干旱地區[20], 由于過度放牧和亂砍亂伐, 沙化現象嚴重?？茽柷叩貐^下墊面略有起伏, 地貌類型主要有流動和半流動沙丘、固定沙丘、平緩沙地等, 生長沙蓬等低矮灌木叢[21]。

我們在 2016 年 7 月 3—16 日期間開展 GPS 大氣邊界層探空探測, 每天觀測時間為 02, 08, 14 和 20時, 探測要素包括大氣溫度、相對濕度、風速和風向。數據處理與數據質量控制包括野點剔除和廓線平滑處理等, 并剔除明顯不合理的數據組。

內蒙古自治區科爾沁地區大氣科學與大氣環境綜合實驗站的探測平臺為 20m 高的氣象觀測塔, 觀測內容如下: 4 層溫度和濕度(HMP45C, Campbell Sci. Inc.), 觀測高度分別為 2, 4, 8 和 16 m; 4 層風速和風向(010C & 020C, Met One Co.), 觀測高度分別為 2, 4, 16 和 20m; 凈輻射(NR-Lite, Kipp&Zonen Co.), 觀測高度為 2m; 8m 高度處安裝有渦動相關系統(CAST3, Campbell Sci. Inc 和 LI7500, LiCor Co.),獲取近地層風速、溫度、水汽和 CO2濃度快速漲落資料; 3層土壤溫度觀測(109, Campbell Co.), 觀測深度分別為 5, 20 和 50cm[22]。實驗觀測自動連續, 基本氣象要素與土壤溫度觀測的時間分辨率為 10min, 并進行 30min 平均; 大氣湍流觀測的采樣頻率為 10Hz, 數據處理采用 EddyPro 軟件[23](Advan-ced 6.2.1, LI-COR Biosciences, Inc.), 湍流數據處理過程主要包括野點剔除[24]、二次坐標變換[25]和趨勢項回歸[26]等。

1.2 計算地表土壤熱通量和判定大氣邊界層高度

利用土壤熱傳導理論, 結合土壤溫度, 計算土壤熱通量。首先, 對實測土壤溫度進行離散傅里葉變換, 利用各頻率土壤溫度位相與振幅, 推算地表溫度各頻率的位相與振幅, 合成地表溫度[27]; 然后, 根據地表與淺層土壤的溫度梯度, 求出地表土壤熱通量。

從湍流運動的角度, 大氣邊界層高度是湍流能量或湍流應力接近消失的高度。由于湍流運動的廓線觀測難度較大, 實際應用中常常通過熱力、動力和物質的垂直分布特征來反映湍流運動, 判定大氣邊界層高度。通常, 從熱力角度, 將位溫梯度明顯不連續, 存在較強逆溫的高度作為邊界層高度; 從動力角度, 將風速逼近地轉風的高度, 或風速最大值的高度作為邊界層高度, 夜間穩定邊界層阻礙動量下傳, 邊界層頂有風速極大值, 因此風速極值法在夜間更適用; 從物質角度, 將濕度梯度明顯不連續的高度作為大氣邊界層高度[28]。

1.3 天氣背景

2016 年 7 月 3—10 日, 奈曼地區基本上處于晴空少云的天氣條件, 其中 4—6 日受較穩定的高壓控制, 7—10 日氣壓逐漸降低, 有天氣系統更替。7 月11—16 日, 實驗站歷經兩次天氣過程, 11 日多云轉小雨, 12 日為小雨天氣, 13—14 日較為晴朗, 將 12日作為雨天天氣的代表; 15—16 日天空云量增多, 云層較厚, 作為陰天天氣的代表。在夏季, 類似的天氣一般有相似的環流背景, 實驗期間的邊界層特征應可以代表科爾沁地區夏季類似天氣條件下的大氣邊界層特征。

2 不同天氣條件下大氣邊界層結構特征

2.1 不同天氣條件下大氣邊界層熱力結構

圖 1 給出科爾沁地區 2016 年 7 月大氣邊界層熱力結構。

白天, 晴天時, 地表對大氣的輻射加熱較強, 熱力湍流旺盛, 對流邊界層高度約為 1750m, 層頂呈典型的逆溫結構, 其中 1200m高度附近的位溫突變可能是觀測期間該高度附近存在薄云所致; 陰天時, 白天地表升溫較小, 加熱大氣的作用減弱, 不穩定邊界層高度較低, 約為 850m, 但仍有較清晰的不穩定邊界層頂; 雨天時, 地表能量存在虧損, 沒有明顯的混合層特征。

夜間, 晴天時, 下墊面呈現較強的輻射冷卻, 逆溫強度達 75K/km, 穩定邊界層高度約為 270m; 陰天時, 較強的大氣逆輻射對地表產生保溫作用, 逆溫層強度較弱, 高度僅有 170m; 雨天時, 風剪切是邊界層形成的主要機制, 熱力作用幾乎可以忽略不計。

干旱地區強熱力作用有利于形成深厚大氣邊界層, 白天的邊界層高度可達 4km 以上, 夜間可達 1km, 殘余層的累積效應是對流邊界層發展有利的熱力和能量來源[17,29]。雖然圖 1 顯示晴天夜間有清晰的殘余層結構和逆溫頂蓋, 但白天并未形成深厚對流邊界層, 其原因可能是科爾沁沙地屬半干旱區, 土壤含水量比干旱區高, 土壤熱容量更大, 白天地表升溫比干旱區慢, 地表對大氣的熱力強迫弱于干旱區, 不足以形成深厚對流邊界層。同樣, 夜間的半干旱區地表輻射冷卻程度也較弱, 穩定邊界層高度也低于干旱區。

2.2 不同天氣條件下大氣邊界層水汽結構

圖 2 給出科爾沁地區 2016 年 7 月的大氣邊界層水汽結構。

白天, 晴朗條件下水汽混合層的高度約為 1760m, 比濕約為 7g/kg, 卷夾層內水汽迅速減少至 2g/kg; 陰天時水汽混合層較低, 高度約為 900 m; 雨天時, 大氣中的水汽含量大幅度地增加, 近地面比濕超過 13 g/kg, 水汽混合層不清晰。

夜間, 晴天時穩定邊界層抑制湍流輸送, 水汽在近地面聚集, 形成高濕層, 比濕超過 10g/kg, 殘余層保持白天水汽混合層的結構; 陰天時, 接地逆溫較弱, 近地面沒有清晰的高濕層; 雨天時, 水汽整體上隨高度遞減, 近地面比濕超過 15g/kg。

夏季晴天的水汽分布明顯受熱力作用影響, 水汽混合層與熱力混合層及穩定邊界層結構相互呼應。夏季陰雨天的熱力作用減弱, 白天水汽混合層特征弱, 夜間的水汽層和殘余層分界模糊。此外, 與西北干旱區水汽較少(白天近地面比濕多低于 4k/kg, 夜間多低于 8k/kg[17])相比, 科爾沁半干旱區濕度明顯偏高(白天近地面比濕多大于 5g/kg, 夜間多大于 10 g/kg)。

2.3 不同天氣條件下大氣邊界層動力結構

圖 3 給出科爾沁地區 2016 年 7 月大氣邊界層風速結構。

白天, 晴天時對流邊界層動量混合均勻, 高度約為 2115m, 整層風速約為 2.5m/s; 陰雨天, 由于天氣系統過境, 風速增大, 陰天時, 900m 以下動量混合均勻, 風速約為 5m/s; 雨天時, 風力進一步增強, 在機械湍流的作用下, 1700m 以下風速較均勻, 約為 6m/s。

夜間, 晴天時, 由于穩定邊界層阻礙高空動量下傳, 逆溫層頂有風速極大值, 約為 6m/s; 陰天時, 存在風速多極值現象, 最大風速接近 10m/s; 雨天時, 夜間有低空急流出現, 急流軸高度約為 950m, 與逆溫層高度相對應。風速的垂直分布與熱力結構、水汽結構相對應, 也印證了大氣邊界層高度判斷的可信度。

本文采用與 Bonner[30]類似的方法, 利用最大風速與風速差定義低空急流: 高度低于 1500m, 最大風速≥5m/s, 且風速極大值與相鄰風速極小值的差值超過 3m/s?？茽柷甙敫珊祬^風速廓線通常有明顯的急流型結構, 試驗期間共出現 17 組低空急流(表 1)。

從時間上看, 低空急流在夜間和清晨均有發生, 02 時的發生頻率最高, 急流軸高度多在 200~500m 之間, 平均高度約為 390m, 最大高度接近 1000m。從急流強度上看, 平均風速約為 10m/s, 最大風速可達 15m/s; 08 時的急流風速小于夜間, 這與日出后逆溫層逐漸崩潰, 湍流混合增強, 風切變減小, 急流強度減弱有關。此外, 急流軸高度與風速極大值、湍流動能和逆溫層高度均呈現正相關關系, 原因在于風速極大值越大, 邊界層內風切變越大, 機械湍流更強, 湍流動能也隨之增大, 并且湍流輸送更強, 湍流輸送的增強又會促進逆溫層的發展。

3 大氣邊界層高度

3.1 大氣邊界層高度的判定

圖 4 給出分別采用熱力作用、動力作用和物質輸送規律判定的大氣邊界層高度隨時間的變化。白天, 對流邊界層高度平均約 1200m, 晴天條件下平均 1790m, 最高可達 2120m; 陰雨天不穩定邊界層高度平均約980 m。

表1 科爾沁地區2016年7月低空急流情況

圖4 采用熱力作用、動力作用和物質輸送方法確定的大氣邊界層高度時間序列

湍流運動是地?氣交換的主要方式, 對比晴天與陰天的近地面湍流特征, 有助于理解晴天與陰天邊界層高度的差異。圖 5 給出 2016 年 7 月科爾沁半干旱區湍流通量的日變化。晴天, 感熱通量、潛熱通量和動量通量在 08 時前后迅速增大; 陰天, 白天湍流通量增加緩慢, 數值遠小于晴天。

圖 6 給出科爾沁半干旱區 2016 年 7 月 02 時近地面湍流動能的變化。與圖 4 對比, 可見 02 時邊界層高度與湍流動能密切相關, 穩定邊界層主要由機械湍流主導。利用風速廓線給定的邊界層高度與湍流動能的相關性最高, 與水汽的相關性次之, 與位溫的相關性最小, 相關系數分別為 0.96, 0.77 和0.69。

白天, 利用熱力作用和水汽輸送確定的大氣邊界層高度較為接近, 其原因是由于 14 時對流邊界層發展充分, 熱量和水汽在邊界層內混合充分, 而邊界層頂有較強的逆溫結構, 導致邊界層與自由大氣間的熱量和水汽特征存在較大差異。

夜間, 利用熱力、水汽和動力作用給出的大氣邊界層高度變化趨勢一致, 利用熱力和水汽給出的大氣邊界層高度數值更接近, 利用動力給出的大氣邊界層高度數值偏大。

圖 7 對比不同判別方法給出的大氣邊界層高度?？傮w上, 利用熱力作用、動力作用和水汽輸送判定的大氣邊界層高度一致性較高, 擬合線斜率均約為 1。利用水汽輸送方法判別的大氣邊界層高度低于利用熱力作用判別的高度, 利用動力作用判別的大氣邊界層高度數值較為離散。

3.2 地表能量收支對邊界層高度的影響

圖 8 給出 2016 年 7 月科爾沁半干旱區地表能量收支狀況。實驗觀測期間, 科爾沁半干旱區未發現深厚大氣邊界層, 可能的原因是半干旱區土壤含水量比干旱區高, 地表反照率偏小[31], 白天凈輻射比干旱區(如敦煌荒漠夏季白天的凈輻射量約為 500 W/m2)[17]強, 晴天時可達 640W/m2。由于半干旱區水汽含量較高, 水分蒸發更充足, 潛熱通量往往大于感熱通量, 晴天感熱通量約為 242W/m2, 潛熱通量約為 359W/m2。干旱區感熱通量占主導地位, 如敦煌地區感熱通量可達 450W/m2, 約 90%的凈輻射轉化為感熱通量[17], 而科爾沁半干旱區僅有 38%的凈輻射轉化為感熱通量, 導致地表接收的能量更多地用于水分蒸發, 促進對流發展的能量不足, 從而未能形成深厚大氣邊界層。

4 結論與討論

本文利用 GPS 大氣邊界層精細探空資料, 分析華北北部半干旱地區 2016 年 7 月 3—16 日晴天、陰天和雨天等不同天氣條件下的大氣邊界層結構, 采取不同的方法和判據確定大氣邊界層高度, 初步討論實驗期間的低空急流特征、近地面湍流特征和地表能量收支狀況, 得到如下結論。

1)晴天, 白天大氣邊界層平均高度約為 1790m, 夜間約為 250m; 陰雨天, 白天大氣邊界層平均高度約為 980m, 夜間約為 430m。利用熱力作用、動力作用和水汽輸送判定的大氣邊界層高度一致性較好。

2)科爾沁半干旱區的夏季午夜時段常出現低空急流現象, 急流軸高度范圍在 200~500m 之間,平均高度約為 390m。清晨的急流強度低于午夜, 與逆溫層崩潰和湍流混合增強有關。低空急流高度與最大風速、湍流動能、逆溫層高度正相關。

3)大氣邊界層高度與陸面過程密切相關。晴天, 近地層地?氣間湍流交換更強, 邊界層發展充分, 邊界層高度更高。夜間大氣邊界層高度與近地面湍流動能的相關性較強。晴天, 科爾沁半干旱區的凈輻射、感熱通量和潛熱通量分別為 640, 240 和360W/m2。與西北干旱區不同, 由于科爾沁半干旱區土壤含水量更高, 地表輻射能量更多地用于水分蒸發, 凈輻射更強, 潛熱通量大于感熱通量, 導致地表熱力強迫較弱, 對流發展的能量不及干旱區, 實驗觀測期間沒有發現類似西北干旱區的深厚大氣邊界層現象。

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Experimental Research on the Characteristics of the Atmospheric Boundary Layer in the Semi-arid North China

LI Qianhui1, ZHANG Hongsheng1,?, JU Tingting1, XIAO Kaitao2

1. Laboratory for Climate and Ocean-Atmosphere Studies, Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871; 2. Research Institution of Chemical Defense, Academy of Military Sciences, Beijing 100091; ? Corresponding author, E-mail: hsdq@pku.edu.cn

A comprehensive experiment on semi-arid underlying surface was carried out at the comprehensive experimental station of atmospheric science and atmospheric environment in Horqin, Inner Mongolia during July 3th to 16th in 2016. Using high-precision GPS sounding data of the atmospheric boundary layer (ABL), the structure of the ABL in the semi-arid North China under different weather conditions (sunny, cloudy and rainy) was analyzed. The atmospheric boundary layer height (ABLH) was determined by different methods and criteria. In addition, the characteristics of low-level jets (LLJs), surface turbulent flux and surface energy budget were discussed. The results indicate that the average height of theABL is 1790 m during the day while it is 250 m at night when sunny. In the cloudy day, the average ABLH is 980 m in daytime and 430 m at night. The turbulent kinetic energy in the surface layer shows a strong correlation with ABLH at night. LLJs mostly occur at midnight, with an average altitude of approximately 390 m,and there is a positive correlation between the intensity and the altitude of LLJs.

atmospheric boundary layer height; low-level jet; surface energy budget; semi-arid area

10.13209/j.0479-8023.2019.125

國家自然科學基金(41544216)和國家重點研發計劃(2017YFC0209600, 2016YFC0203300)資助

2019?03?27;

2019?05?29