温江站夏季大气边界层垂直结构特征

卢 萍,杨康权,李 英

(1.中国气象局成都高原气象研究所,四川 成都610072;2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,四川 成都610072;3.四川省气象台,四川 成都610072)

温江站夏季大气边界层垂直结构特征

卢 萍1,2,杨康权3,李 英1,2

(1.中国气象局成都高原气象研究所,四川 成都610072;2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室,四川 成都610072;3.四川省气象台,四川 成都610072)

利用温江观测站边界层塔和探空获取的观测资料,从地表物理量的日变化、边界层的垂直结构及逐日变化这些方面分析该站夏季边界层特征,得到以下结论:(1)地表各物理量都具有明显的日变化特征,呈现一峰一谷的演变状态,其中地表热通量、动量通量、气温以及风速的峰值皆出现在午后,谷值出现在凌晨,湿度与气温日变化是反位相的.(2)近地层低层大气气温在早晚时段,随高度的增加而上升,呈逆温状态;午间时段随高度的增加而下降.9 m以下大气在午后的比湿梯度最大.风速值随着高度的增高而增大,风切变随着高度的增高而减小.(3)探空观测的边界层垂直结构显示:夏季温江站早晚边界层大气层结稳定,而午后表现为典型的混合边界层特征.大气温/湿度差异随高度增长而降低,各个时次温/湿度的差异都主要集中边界层低层,越靠近地面大气温/湿度差异越突出.8:00的温度最低,14:00最高.14:00的大气比湿最小,2:00和20:00较大.近地层风速随高度增长较快,在离地2～300 m左右高度达到一个极值,4个时次的风速差异不大.(4)地表温度、短波辐射、感热通量对边界层的高度和降水都有一定的影响.

边界层;探空;日变化;廓线;温江站

大气边界层是贴近地球表面并与之有直接作用的大气层[1-2],是地球表面与自由大气间进行物质、能量、热量和水汽交换的必经气层[3-4],因此,研究大气边界层变化和特征一直是气象学研究的重大课题之一.而观测资料是揭示天气、气候变化的基础之基础[5],卞林根等[6]通过观测资料研究了北京冬季城区大气边界层结构特征.李茂善等[7]利用无线电探空仪观测资料研究了藏北高原地区干、雨季大气边界层结构的不同特征,指出藏北高原地区边界层干季的对流混合层高度明显高于雨季时的对流混合层高度.王喜全等[8]利用北京月坛公园180 m铁塔城市边界层常规微气象观测资料,分析了城市边界层温度及其层结的季节变化.徐桂荣等[9]利用探空资料估算青藏高原及下游地区大气边界层高度.宋星灼等[10]利用1998年第2次青藏高原大气科学实验资料,对比分析了高原边界层演变规律,以及实验站干季、雨季不同时期的高原边界层发展规律异同.李英等[11]利用理塘大气综合观测站资料对比分析了冬、夏近地层微气象特征和湍流输送情况.霍文等[12]利用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.胡义成等[13-14]利用L波段雷达探测的高空资料,分析了边界层内气温、风向、风速和相对湿度的垂直分布及其时间变化特征.以上研究都是基于直接的观测资料,从多个方面揭示了边界层大气的基本特征.

中国气象局成都高原气象研究所近年来在温江观测站进行了西南涡加密探空[14]以及边界层塔[15]的同步观测,取得了较为完善的边界层大气结构及湍流输送观测资料;有助于加深青藏高原下游地区边界层大气变化规律和湍流特征的理解和认识.本文利用2015年6月21-7月31日在温江观测站获取一手观测资料,分析其大气边界层结构及其变化,以期给出该站完整的边界层结构特征.

1 边界层站的位置、观测变量和观测时段

温江地区位于成都平原西部,青藏高原东坡以东的平坦地带,观测场设在一片平坦的开阔的农田间,具体位置在 30.7°N,103.83°E,海拔 544 m 左右(图1).高原所在温江站架设了一个边界层观测塔,用于观测风速、风向(仪器型号MetOne-034B,架设高度1.55 m、5.25 m、9.30 m、18.80 m(该层观测时段仪器故障,资料不可用)),气温、相对湿度(仪器型号Vaisala-HMP45C,架设高度 1.3 m、4.8 m、8.95 m、18.45 m),地表湍流通量(仪器型号Campbell-CSAT3),地表温度(仪器型号Apogee-IRR-P)、气压(仪器型号Vaisala-PTB220A)、雨量(仪器型号Vaisala-G13H),长短波辐射(仪器型号Kippamp;Zone-CNR1),土壤温度(仪器型号Campbell-107)和含水量(仪器型号Campbell-CS616).边界层塔常年连续观测,每间隔10 min获取一次观测数据.加密GFE(L)1型雷达探空观测的观测变量包括:高度、时间、气温、气压、湿度、露点、温露差、虚温、风向、风速、纬度差、经度差.观测时段为6月21日-7月31日,共计41 d,探空气球释放频率为每天4次,间隔6 h释放一次,释放时间分别为 2:00、8:00、14:00、20:00(文中皆用北京时).

图1 温江站位置示意图

2 观测结果分析

2.1 地表物理量的日变化特征

感热交换是指近地层中因湍流运动引起的地面和空气之间的热量输送,而潜热交换是大气中水发生相变时引起的热量输送,即蒸发耗热或凝结释热,是陆气之间能量交换的主要途径.从地表感热和潜热通量的平均日变化分布(图2a)可知,感热和潜热通量都具有明显的日变化特征:感热通量白天为正,数值大,早晚数值小,接近于零,感热通量极大值出现在13:00,其值约为98.79 W/m2,极小值出现在0:00,其值约为-5.46 W/m2,说明白天有大量的热量以湍流形式从地面传递给大气.潜热通量极大值和极小值分别出现在13:00和5:00,极值分别为180.94 W/m2和0 W/m2.潜热通量明显大于感热通量揭示温江地表对大气的加热方式以蒸发耗热为主,湍流热输送作用次之.从温江站地面热源强度平均日变化规律可以看出,温江站白天为强热源,夜间冷热源不是很明显.热源强度存在显著的日变化特征:当地时间中午前后存在明显的极大峰值,夏季峰值为280 W/m2左右,极小值出现在夜间,接近于0 W/m2.总体来说夏季全天均表现为热源,且强度大.感热输送占热源强度的1/3,潜热占2/3左右.白天动量通量渐增,出现明显峰值,在15:00时达到极大值,到晚上逐渐减小,夜间大气层结通常比较稳定,风速小,湍流弱使得其值较小(图2b).

地面气压表现出双峰双谷的日变化特征:10:00时和23:00时气压出现极大值,而5:00时和17:00时则出现极小值,其中17:00时的气压值最低,气压的平均日变化幅度接近3 hPa(图2c).

气温、相对湿度和风速均表现出明显的日变化特征,都呈现一峰一谷的演变状态.其中,气温和风速都是白天高,夜间低,峰值出现在13:00-15:00,谷值则在凌晨5:00-6:00时出现,温度日变化幅度为8℃左右,全天风速都小,最大值不到1.6 m/s,风速日变化幅度约为1 m/s.湿度与气温日变化存在显著的反向变化关系,晚上相对湿度大,白天小,15:00左右达极小值,日变化幅度约为40%.

2.2 边界层塔观测的大气结构特征

温江站内的边界层塔上在不同高度处架设了4层温度、湿度、风的观测仪器,他们能够反映非常靠近下垫面的贴地层及近地层低层大气垂直结构的细微特征:夜间到早上时段(20:00-8:00),气温随高度的增加而升高,呈逆温状态,20:00-23:00逆温最显著,随后逐渐变弱,8:00逆温现象已然不明显;午间时段(11:00、14:00、17:00)气温随高度的增加而下降.温度日变化是太阳辐射引起:夜晚长波辐射,地面失去热量,故夜间有逆温;白天太阳加热后,地面升温,所以逆温消失(图3a).

图2 温江站6月21-7月31日观测各地表物理量的平均日变化曲线

图3 温江边界层塔观测的温度、比湿及风速的垂直廓线的日变化特征

从比湿廓线(图3b)来看,比湿在4.8 m以下层梯度小、值最大,从此观测高度向上随高度的增加而递减,午间时段在9 m观测高度处达到极小值.湿度梯度白天大于早晚,其中以14:00-17:00梯度最大.究其原因,贴地层摩擦作用大,造成水汽滞留,而该摩擦作用的影响高度在9 m左右,其上主要是湍流影响,午后时段,湍流发展充分,水汽被带到较高的大气中,因此这里容易出现一个拐点.由于贴地层的摩擦作用减弱了湍流输送,使得水汽向上混合不充分,因此出现午后9 m以下层比湿梯度大的现象.

风速廓线(图3c)显示:风速值随着高度的增高而增大,风切变随着高度的增高而减小,早晚时段风速梯度较小,午间时段较大,这是由于高层动量下传所致.风速极大值出现在14:00左右,极小值出现在5:00时左右.

2.3 边界层大气垂直结构的日变化特征

边界层塔观测高度有限,故必须结合探空观测,才能得到更为完整的边界层大气的垂直结构特征.图4a是能综合反映边界层的热力指标的位温廓线,从4个时次平均结果显示早晨8:00时边界层的位温最小,而晚上20:00最大.从位温的垂直递减率来看,2:00和8:00相当,且都呈现位温随高度增高的趋势,表征这2个时次大气稳定度最高;而14:00时1000 m以下的大气层位温几乎不随高度的增加而变化,表现出非常典型的混合边界层特征,大气层结相对不稳定;20:00的位温廓线则显示边界层大气又逐渐趋于稳定.一天4个时次平均的温度廓线(图4b)显示:大气温度随高度增长而降低,不同时次温度的差异主要集中在中低层大气中(1500 m以下),500 m以下大气层的温度差异最为突出.从不同时次(这里仅比较观测的4个时次)的近地层温度来看,8:00温度最低,接近23℃,然后大气温度随时间迅速上升,14:00温度值达到极值,超过27℃,其后温度缓慢下降,20:00的温度值依然维持在一个较高点,到凌晨2:00,温度很快降低到一个较低点(24℃),但仍然略高于8:00,地表温度日较差约为5℃.清晨和夜间低层大气存在明显的逆温现象,2:00逆温层的厚度和强度最为显著,8:00次之.比湿(图4c)随高度的演变规律与温度相似,也是随高度降低,越靠近地面差异越显著.14:00地表大气的比湿最小,约为14 g/kg,其次是20:00,2:00最大,其值超过17 g/kg,地表大气比湿日较差约为3 g/kg.4个时次风速廓线(图4d)显示边界层内从地面向上的风速增长很快,梯度较大,在200 m高度左右增速放缓,再往上出现一个风速极大值,14:00风速极大值出现高度最低(200 m),最大风速不到3 m/s,8:00风速极大值约为3.5 m/s,出现在350 m高度附近,2:00风速极大值约为4 m/s,出现在450 m高度附近,20:00风速极大值不足4 m/s,出现在250 m高度附近.

一天4个时次平均的垂直廓线具有一些相似特征:位温廓线充分反映了夏季温江站早晚边界层大气层结稳定,而午后表现为典型的混合边界层特征.比湿与温度随高度的演变情形相似,大气温/湿度随高度增长而降低,不同时次温/湿度的差异主要集中在中低层大气中,越靠近地面大气温/湿度差异越突出.近地层风速随高度增长较快,在一定高度达到一个极值,4个时次的风速差异不大.

2.4 降水及地表大气的逐日变化

由于航空管制,温江站14:00时的探空观测,缺测较多,整理发现2015年7月3-9日的观测资料是连续的,因此基于这些天资料进行对比分析,研究其不同天气状态下的逐日变化.

图4 探空观测时段每日4个时次平均的边界层大气变化

表1给出了这7日的天气状况,图5是这7日正午14:00通过探空观测得到的假相当位温廓线,廓线形态显示这7日正午的边界层都呈现典型的混合边界层特征,即强烈的混合作用使得假相当位温几乎不随高度变化,这里将混合层顶定义在覆盖逆温出现的高度,从而得到边界层高度(表1).

图5 温江站观测的2015年7月3-9日逐日14时假相当位温廓线

表1 温江站观测的降水、边界层高度及天气状况

表2 温江站观测的各物理量之间的相关系数

图6是这7 d地表各个物理量场的逐日演变情况,相对湿度是先减小再增大,温度则是先增大再降低,与相对湿度正好相反.风速则是在前后几天较大,中间的7月6日和7月7日2 d较小.潜热和感热通量都是先增大再减小,与向上/下短波辐射相一致.这7 d的天气状况则是前2 d和后2 d有小雨,中间3 d无雨,以多云天气为主.由图6可知,各个变量的演变趋势具有一定的规律,通过计算,得到边界层厚度和降水与这些地表变量之间的相关系数,见表2.边界层厚度与温度、短波辐射、感热通量存在较好的正相关关系;与相对湿度、降水存在一定的负相关关系,与地面风速的负相关不明显.降水量与这些变量的相关则是反位相的.这些演变趋势直观地体现出温江站对流边界层厚度和大气热力变量间存在较好的相关关系.降水也和温/湿度、辐射、地表热通量、风速存在一定的相互作用,他们之间这些相关关系对天气预报具有一定指示作用.

图6 温江站2015年7月3-9日观测到的地表各个物理量场的逐日演变曲线

3 结论

应用温江观测站边界层塔及探空获取的观测资料,分析该站的边界层垂直结构特征,得到以下结论:

(1)地表各物理量都具有明显的日变化特征,感热和潜热通量白天数值大,感热达到98.79 W/m2,潜热达到180.94 W/m2,早晚数值小,接近于零.夏季全天均表现为热源,且强度大.感热输送占热源强度的1/3,潜热占2/3左右.白天湍流强,动量通量也强,峰值出现在15:00前后.地面气压表现出双峰双谷的日变化特征.气温、相对湿度和风速均呈现一峰一谷的演变状态.

(2)近地层下层大气垂直结构的细微特征:早晚时段,气温随高度的增加而升高,呈逆温状态,20:00-23:00逆温最为显著,8:00以后逆温逐渐消失,气温随高度的增加而降低.湿度在近地面层值最大,受到地面摩擦和湍流的共同作用,9 m以下大气在午后时段比湿梯度最大.

(3)夏季温江站早晚边界层大气层结稳定,午后表现为典型的混合边界层特征.探空观测的温度/比湿廓线随高度的演变相似,都是随高度增长而降低,各个时次温/湿度的差异主要集中在边界层大气的中低层,越靠近地面大气温/湿度差异越突出.从不同时次的表现来看,8:00的温度最低,14:00温度值最高.14:00大气的比湿最小,2:00或20:00的比湿较大.近地层风速随高度增长较快,在一定高度达到一个极值,4个时次的风速差异不大.

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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

卢萍,杨康权,李英.温江站夏季大气边界层垂直结构特征[J].沙漠与绿洲气象,2017,11(5):70-76.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.05.010

2016-10-09;

2017-04-12

国家自然科学基金项目(41405145),成都高原气象研究所开放实验室基金项目(BROP201714)联合资助.

卢萍(1976-),女,副研究员,从事天气分析、数值模拟、资料分析工作.E-mail:abc-123@mail.iap.ac.cn