古尔班通古特沙漠边界层气象要素廓线观测分析

霍文，顾军明，杨兴华，杨帆，何清*

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆 塔中 841000；3.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

古尔班通古特沙漠边界层气象要素廓线观测分析

霍文1，2，顾军明1，3，杨兴华1，2，杨帆1，2，何清1，2*

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，新疆 塔中 841000；3.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

利用2011年10月15—24日在古尔班通古特沙漠腹地系留气艇边界层试验的探测资料，分析了沙漠腹地近地层风、温、湿等气象要素廓线垂直分布特征及其变化情况，结论如下：（1）20时—08时存在逆温，08时逆温最强，逆温强度为2.85℃/100 m，逆温层高度为700 m，之后逆温逐渐消失；夜晚近地层湿度明显大于上层大气，在100 m高度差内，湿度先快速减小再缓慢增大，与白天相反，20时近地面出现逆湿，1 100 m高度湿度发生明显切变；逆温层以上风速随高度变化呈多峰态，逆温层范围内风速增大趋势明显，900～1 100 m之间存在200 m厚的恒风区，1 100 m以上风速再次增大，白天的风速小于夜间。（2）风速波动范围大约为2～8 m/s，近地面100 m范围内风速随高度快速增大，风向由东南风向南风转变，600～900 m之间风速变化减缓，风向由从南风逐渐向东风转变，以东南风为主，风速与风向同步改变。（3）600 m以下随温度升高湿度快速减小，600～1 100 m之间又持续增大，1 100～1 500 m之间呈波动变化的趋势，1 500 m增大明显。（4）风切变指数夜晚大于白天，最大值在23时（20.88），最小值在中午14时（0.97），平均风切变指数为9.61。混合层厚度平均为125.88 m。

古尔班通古特沙漠；近地层；气象要素；廓线

大气边界层亦称行星边界层，通常是指大气层的最底下的一个薄层，其厚度为1 000 m左右[1]，即受地面直接影响并与地面直接相互作用的气层，是地球表面与自由大气之间进行物质、能量交换的场所和媒介。大气中热量和水汽源主要集中在下垫面，下垫面首先影响与之直接接触的大气边界层，气候变化通过大气与地球表面相互作用来响应和实现，全球气候与边界层气象要素的变化密切相关。研究大气边界层中的大气运动规律，是搞清整个大气运动的重要组成部分，也有利于促进气象观测、天气预报、气候预测及大气物理等研究的进步。近年来对边界层结构特征的研究，尤其复杂地形条件下的大气边界层特征一直是边界层气象学研究的热点。

卞林根等[2]利用系留气艇研究了冬季北京城区大气边界层结构特征，发现在100～200 m高度以下，城区和郊区风速和风向随高度分布都出现了明显的拐点，300 m以上高度风向和风速基本趋于一致。熊秋芬[3]分析了浓雾发生发展的不同阶段，边界层中逆温层、湿度和风的分布是有差别的。王开存等[4]利用兰州河谷盆地城乡过渡区边界层观测资料，发现夜间200 m高度以下有较强的冷平流，在250～400 m高度有较弱的暖平流，冷暖温度平流对测点上空边界层温度和层结变化有显著影响。姜大膀等[5]得出冬季兰州贴地逆温层厚度最厚（平均740 m）、强度最强（平均0.53℃/100 m），脱地逆温层底相对高度最低（平均935 m）。刘增强等[6]在乌鲁木齐也证明冬季是逆温特征最为显著的季节，贴地逆温厚度最厚,平均为860 m，脱地逆温底高平均为534 m，顶高平均为1 187 m。奥银焕等[7]证明戈壁绿洲边缘的确存在冷湿舌，白天09—18时有冷湿舌出现，高度一般维持在0～600 m，冷湿舌受风速、风向等因素的影响很大。青藏高原因其特殊的非均匀下垫面组成与当地高太阳辐射、高地表热量通量相结合造成了下垫面近地层温湿场、风场、热力辐射场等在时间上的不定长和空间分布上的不均匀，近年来有大量学者对其进行了研究[8-10]。发现雨季到来后，水平风速及其垂直切变显著减小，大气低层600 m以下水平风速的日变化、风向的日际变化加大。随着全球变暖，对于气候变化十分敏感的干旱半干旱地区，尤其是沙漠地区，也成为科学家研究的热点。董旭光等[11]利用宁夏鸳鸯湖地区61 m铁塔一年的气象观测资料，分析了该地区近地层不同高度各气象要素的变化规律。佴抗等[12]利用20 m的观测塔对巴丹吉林沙漠的比湿进行观测。孙继明等[13]研究了沙漠地区沙尘天气微气象特征。程穆宁等[14]利用2005年1月至2006年4月朱日和地区20 m气象塔的风向、风速、气温、相对湿度的观测资料，分析沙漠地区春季近地层气象要素的分布规律。朱平、蒋瑞宾[15]利用黑河实验所取得的资料，对比分析了绿洲、沙漠及戈壁边界层中风、温、湿分布规律。李祥余等[16，17]、王珂等[18]分析了南疆沙漠腹地春季晴天、阴天近地层风速、温度和湿度廓线特征,发现最强逆温出现在凌晨06时，30 m比湿变化的分界点，白天只有在10 m以下高度，日夜间的风廓线近似遵循对数律关系。

古尔班通古特沙漠位于新疆北部准噶尔盆地腹部（44°11′～46°21′N、84°03′～90°00′E），是我国最大的固定半固定沙漠，面积4.88万km2[19]。以典型的大陆性温带荒漠气候为主，干燥少雨是其主要气候特征，风向以东北风和西风为主，年积温3 000～3 500℃,年降水量70～150 mm，冬季有20 cm厚的稳定积雪[20]。由于古尔班通古特沙漠腹地人迹罕至,获取长期连续的气象地面观测资料非常困难，沙漠腹地近地层气象学问题,历来也是研究中的难点，多数学者均利用沙漠周边气象站资料或短期科学考察数据来研究新疆沙漠环境及气候变化,但对沙漠腹地近地层气象要素特征的研究较少。为了进一步认识古尔班通古特沙漠腹地大气边界层风、温场结构及变化规律，为改进沙尘暴预报和为沙漠化防治提供科学依据，中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所利用系留气艇，于2011年10月15—24日对古尔班通古特沙漠腹地（45°35′N、87°45′E）进行了观测试验，获取了宝贵的边界层实测资料。试验点下垫面为固定和半固定的沙丘，沙丘上生长着梭梭、红柳等稀疏的植被,海拔高度为500 m。

1 数据与方法

1.1 仪器参数

使用芬兰Vaisala公司生产的TTS111型气象探空仪分别对边界层气温、相对湿度、气压和风等要素进行了观测，详细的仪器性能参数见表1。

1.2 数据采集

由于观测期间北疆地区发生了持续的阴雨天气，对实验观测造成了较大影响，本文挑选其中比较特殊的天气背景和时间段进行分析，时间为北京时间。观测时次为每天的2：00、5:00……23:00，每3 h观测一次，16、17日为阴天，夜间05—08时有降水过程，23日为典型晴天，日变化情况选取17日为典型天气进行分析。

试验过程中气艇升降速度的大小是影响数据准确性和垂直分辨率的一个关键因素。当气艇上升速率较大时，观测要素的垂直分辨率会变低，反之，则垂直分辨率变高。北疆秋季特别是夜间气温较低，探空仪电池受温度影响，会出现供电不稳或者电池电量过快负载的情况致使传输信号出现中断的现象。为了解决上述问题，观测数据的处理遵循了以下原则：只分析观测阶段气艇上升过程中的数据；当每次测量的各个要素都是连续并且可靠时才采用，若缺测任意一组则视为无效观测数据；在同一高度上获取多次观测重复数据，以平均值代表该高度上的观测结果。

2 结果分析

2.1 温度垂直结构特征

观测期间古尔班通古特沙漠腹地边界层夜间存在明显的逆温（图1），20时逆温形成，之后边界层一直处于逆温状态，早晨08时逆温最强，日出后随着太阳有效辐射增强，逆温逐渐消失，与南疆秋季逆温最强出现在06时不同[16]。逆温导致边界层趋于更加稳定，逆温层顶高度在08时达到700 m的最大值，逆温强度为2.85℃/100 m，整个夜晚的其他时段也都在600 m左右；凌晨02时为599 m，逆温强度为1.5℃/100 m；20时为551 m，逆温强度为1.8℃/100 m，而白天温度廓线都符合温度垂直递降率的变化趋势。古尔班通古特沙漠腹地逆温的形成机制主要是气候背景、地理条件、天气条件共同作用影响的结果，在沙漠腹地内部洼地，夜间四周坡地辐射冷却的空气下沉汇聚到盆地底部，当高空有暖平流时，在盆地里形成非常稳定的逆温结构。

2.2 湿度垂直结构特征

由图2可知，贴地面湿度明显高于上层大气，在100 m的范围内，相对湿度先快速降低，之后呈缓慢上升的趋势。早晨08时，海拔500～600 m的范围内，相对湿度从41%降低到16%，降低了25%，之后相对湿度又开始上升，但变化的幅度明显小于逆温层。11时开始在近地面100 m的范围内，相对湿度随海拔的变化明显不同于夜晚，先是快速升高，然后才开始缓慢变化上升，对照图1可知，这个时段近地面逆温已经消失，地面温度快速升高，大气湍流运动有利于水汽向上层大气运输。14时和17时，相对湿度随高度的增加而缓慢变化，但变化的幅度都比较小。20时逆温已经形成，近地面也出现了逆湿的现象，相对湿度又一次快速降低。沙漠腹地干燥少雨，白天湿度小于夜晚，1 100 m是相对湿度变化的一个明显分界点，1 100 m以下相对湿度变化较小，而1 100 m以上，相对湿度变化明显，08时、11时和14时甚至出现了明显的湿度峰值，这可能是当时天空有含水量丰富的云层通过。

2.3 风速垂直结构特征

观测试验期间古尔班通古特沙漠腹地大气边界层风速廓线垂直特征非常明显（图3），逆温层以上风速随高度的变化不再遵循对数规律，而以多峰态变化。全天内在海拔600 m以下风速都较小，但是风速随高度的上升而增大趋势明显，600 m时风速已经达到了6 m/s以上。02—08时逆温层范围内风速快速增大，600 m之后风速又开始快速减小，在900～1 100 m之间风速几乎没有什么变化，形成了200 m厚的恒风区，1 100 m之后风速又开始增大，而白天风速随高度的变化很缓慢，呈波动增大的趋势，从夜晚20时开始近地面风速又随高度快速增大，在600 m高度以上缓慢减小，1 200 m以上又呈相反的变化趋势。对照图1和图3，可以发现边界层风速的垂直分布与温度层结有较好的对应关系，逆温层抑制了上层大气中的动量向下传输，使得逆温层以下风速较小。从廓线变化来说，总体上白天的风速小于夜间，因为夜间由于地面的冷却作用，近地层温差变大，气压差促进了风力的增大。

2.4 垂直风速切变指数α的计算方法

近地层风速的垂直变化取决于指数α的值，α值的大小反映了随高度增大的快慢。α值大表示风速梯度大；α值小表示风速梯度小[21]。在这里用500、600 m高度平均风速计算了一日内α指数的大小。风切变指数计算公式如下：

式中：α为风切变指数，V2为高度Z2的风速，V1为高度Z1的风速。

由表2可以得出夜晚风切变指数明显大于白天，最大值在23时，为20.88，最小值在14时，为0.97，平均风切边指数为9.61。

2.5 混合层高度L的计算方法

大气混合层厚度的计算方法有国标法、干绝热法、罗氏法等，本文采用干绝热法进行计算[22]。干绝热曲线法是由Holzworth在研究美国一些地区平均最大混合层深度（MMD）时提出的。他考虑夜间由于地面辐射冷却，近地面空气形成逆温，呈稳定状态。主要考虑热力因子影响，即太阳辐射造成的日间升温的极大值对混合层厚度的影响是最主要的。本文只计算了存在逆温的2:00、5:00、8:00、20:00、23:00等5个时段的混合层高度，计算公式如下：

由表3可知，夜晚混合层高度小于白天，这是由于白天太阳有效辐射较强，近地层大气加热效果明显，空气间通过湍流上下混合更充分，05—08时混合层厚度从98.06 m增加到201.8 m，随着夜晚地面温度降低，混合层厚度也减小，23时为178.66 m，平均为125.88 m。

2.6 拟合变化特征分析

为了更好地反映秋季古尔班通古特沙漠腹地近地层风速、风向，温度、湿度变化相关情况，对观测期间的风速、风向，温度、湿度数据求平均，用来反映秋季沙漠腹地风速、风向，温度、湿度变化情况。

由图4可知，秋季古尔班通古特沙漠腹地风速波动范围大约为2～6 m/s，地面风速一般较小，近地面100 m的高度范围内，风速随高度的增加快速增大，风速从1 m/s（500 m）升高到4.5 m/s（600 m），增大了3.5 m/s，而此高度内风向变化较小，由东南风向南风转变，之后随着高度的增加风速开始快速减小，600～900 m的范围内，风速从4.5 m/s减小到3.1 m/s，之后风速随高度的增加减缓，基本保持在2.8 m/s左右，而在此时间段内，风向的变化是从南风逐渐向东风转变，但转变的速率很小。之后，风向随高度的增加缓慢变化，风速却在1 500 m以上快速增大，到2 000 m时已经增大到4.6 m/s，在500 m高度内增大了1.8 m/s。总之，伴随着风速的变化，风向一般也会发生改变，具有一定的同步改变性，风向以东南风为主。

观测期间，近地层温度、湿度的变化比较特殊，在整个观测高度保持相反的变化趋势（图5），在600 m以下温度升高明显，这也反映了沙漠腹地存在较强的逆温层，而此阶段相对湿度却快速减小，从500 m的43%减小到600 m的38%，减少了5%，之后温度随高度升高而持续降低，这与对流层温度随高度的变化规律相一致，2 000 m时温度已经下降到1.8℃，比地面的11℃降低了9.2℃，而相对湿度的变化较复杂，600～1 100 m之间持续增大，1 100～1 500 m之间呈波动变化的趋势，1 500 m以上又开始增大，这可能是由于观测数据的缺失，造成平均后的数值不能更好地反映实际情况。总之相对湿度随高度的增加而缓慢增大，与温度变化截然相反。

3 结论

利用古尔班通古特沙漠腹地系留气艇2010年10月15—24日观测试验的数据，对观测期间古尔班通古特沙漠腹地大气边界层风、温、湿廓线及其风速、风向的连续变化进行了研究分析，得出如下结论：

（1）观测期间沙漠腹地20时至08时存在贴地逆温，8时逆温最强，逆温层高度为700 m，之后随温度上升，逆温逐渐消失，温度廓线也符合温度垂直递减率的变化趋势；夜晚在100 m的高度差内，湿度先快速减小又缓慢增大,白天在近地面100 m的范围内，湿度随海拔的变化先快速增大，然后开始缓慢减小，20时逆温形成，近地面也出现逆湿现象，1 100 m是湿度变化的一个明显分界点；逆温层以上风速随高度的变化不再遵循对数规律，而以多峰态变化。逆温层范围内风速随高度的上升而增大趋势明显，在900～1 100 m之间风速稳定，1 100 m之后风速又开始增大，边界层风速的垂直分布与温度层关系密切，逆温层导致近地面风速较小，总体上白天风速小于夜晚。

（2）秋季古尔班通古特沙漠腹地风速复杂多变，波动范围大约为2～8 m/s，地面风速一般较小，近地面100 m的高度范围内，风速随高度的增加快速增大，风向由东南风向南风转变，600～900 m之间，风速在2.8 m/s左右减缓变化，而风向的变化是从南风逐渐向东风转变，1 500 m以上风速快速增大。总之，风速与风向同步改变，以东南风为主。

（3）近地层温度、湿度在整个观测高度两者保持相反的变化趋势，在600 m以下温度升高而相对湿度快速减小，之后温度随高度升高而持续减小，相对湿度在600～1 100 m之间持续增大，1 100～1 500 m之间，呈波动变化的趋势，1 500 m以上又开始增大。

（4）风切变指数最大值在23时（20.88），最小值在14时（0.97），平均风切边指数为9.61，夜晚大于白天。夜晚混合层高度小于白天，可能是由于白天太阳有效辐射较强，近地层大气加热效果明显，5时混合层厚度从98.06 m增加到8时的201.8 m，随着夜晚地面温度降低，混合层厚度也减小，23时为178.66 m，平均为125.88 m。

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Analysis on Boundary Layer Meteorological Elements Profile in the Gurbantunggut Desert

HUO Wen1，2，GU Junming1，3，YANG Xinghua1，2，YANG Fan1，2，HE Qing1，2*
（1.Institute of Desert Meteorology，CMA，Urumqi 830002，China；2.Desert Atmosphere and Environment Observation Experiment of Taklimakan Station，Tazhong 841000，China；3.College of Geography Science and Tourism，Xingjiang Normal University，Urumqi 830054，China）

By Use of the detecting test datas of tethered balloon boundary layer at Gurbantunggut Desert hinterland in the autumn during 15th to 24th October，2011，This study Analyzed the vertical distribution characteristics of desert surface layer wind,temperature,humidity and other meteorological element profile and its changes.Conclusions were as follows：（1）Temperature inversion existed during 20:00—08:00.The top of the inversion layer is located at 700 m.The inversion rate was largest at 08:00,which was 2.85℃/100 m.The humidity of lower atmosphere is significantly higher than that of upper atmosphere.Humidity inversion occurred at 20:00.There was an obvious shear of the humidity at the height of 1100 m.Wind speed appeared to be rising with the height within the inversion layer,while it showed multiple peaks out of the inversion layer（.2）Wind speed ranged between 2～8 m/s.The change of wind speed within 100m near the ground was very obvious,while it is not obvious at 600～900 m.The speed value was approximately constant at 900～1 100 m.（3）The wind shear index at night was larger than that in the day,with the largest value of 20.88 at 23:00 and the lowest value of 0.97 at 14:00.The average valve of wind shear index is 9.61 and the average value of mixing layer thickness is 125.88 m.

Gurbantunggut Desert；surface layer；meteorological elements；profile

P445

B

1002-0799（2015）01-0017-07

霍文，顾军明，杨兴华，等.古尔班通古特沙漠边界层气象要素廓线观测分析[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（1）：17-23.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.004

2013-10-11；

2014-05-10

国家自然科学基金项目（41305107，41175017）和公益性行业（气象）科研专项（GYHY201306066）共同资助。

霍文（1981-），男，副研究员，从事沙漠气象研究。E-mail：huowenpet@idm.cn