东疆黑戈壁近地大气边界层气象要素季节变化规律

阿吉古丽·沙依提 ，王远弘 ，王 豫 ，刘永强

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆气象学会，新疆 乌鲁木齐830002；3.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐830002；）

近地大气边界层是指大气边界层中从地面向上几十米（厚度可达50 ~100 m）的最底层[1]，可直接受下垫面的影响，其中，气象要素的变化可以视为地气相互作用的直接表现。同时，近地大气边界层与人类的生产活动也密切相关，各种天气现象及气象灾害也多在此边界层上发生，近地层各气象要素的变化引起了国内外学者的广泛关注[2]。我国西北干旱区地处亚洲的腹地，占国土面积的24.5%，地理位置比较特殊[3-4]，气候干燥多风沙，自然降水少且分布很不均匀[5]，干旱区地表脆弱，对人类活动的响应敏感，很多环境问题在干旱半干旱区尤为突出[6]，而我国此干旱区域的气候呈暖湿化趋势[7]，干旱区大气边界层的研究，是干旱区气候研究的重要组成部分[8-9]。西北干旱区春、夏季具有高感热输送特征，这种高感热对于我国东部夏季气候变异有着重要影响[10]。人口增长和过度的人类活动使得干旱区的生态环境趋向脆弱[11-12]。近年来，不少学者针对西北干旱区各类下垫面特征做了相关研究。在西北典型的不均匀下垫面黑河地区[13]，发现该地存在较强的地方性风和局地作用，绿洲和戈壁的小气候特征在夏季差异很大，冬季差异很小。在我国第一大沙漠，塔克拉玛干沙漠的腹地和北缘[14-16]，均发现了风速廓线满足风速值随高度增高而增大，风速梯度随高度增高而减小的对数律关系；沙尘暴由爆发前到过境时，温度廓线的温度值由随高度增高而增大转变为温度值随高度增高而减小；沙尘暴过境时，近地层大气出现微弱逆湿现象，且整个沙尘暴天气是一个降温增湿的过程。而在北疆，对古尔班通古特沙漠的研究发现，沙尘暴的发生频率低于塔中地区[17]，南北疆沙漠近地大气边界层气象要素的季节变化规律有差异[18]。前人对西北干旱区地表辐射和热量平衡、湍流通量和地表水分循环方面的研究取得了一系列新的认识，但是针对该地区戈壁下垫面近地大气边界层气象要素变化的相关分析较少。

本文利用红柳河戈壁陆气相互作用观测站（94°43′ E，41°32′ N，海拔 1579 m）2017 年观测资料，分析东疆黑戈壁地区典型晴天下的戈壁近地层风、温、湿廓线的变化特征，为更好地认识戈壁地区气候和边界层研究提供观测事实。

1 数据及处理

1.1 研究区概况

红柳河位于哈密地区和甘肃省交界处，周围上百公里内无其他测站。该区域为砾石、砂砾覆盖的戈壁下垫面。土壤发育微弱，石膏化过程和积盐过程突出，表层有极不稳定的孔状结皮，其下为棕红色紧实层及石膏层，其下的心土层为石膏结晶层，土壤发育为石膏棕色荒漠土。植被覆盖稀疏，盖度不足10%，属于暖性干旱极干旱戈壁区[19]。红柳河年平均气温为6.1 ℃，极端最高气温为40.6 ℃，最低气温为-35.1 ℃，年平均降水量为50.9 mm[20]。

1.2 资料来源与方法

红柳河戈壁陆气相互作用观测站拥有35 m 梯度探测系统、辐射观测系统、涡动相关观测系统。其中 35 m 梯度观测系统有 0.5、1、2、4、10、20、32 m 等7 层梯度观测，以1 s 采集频率对近地层内的风向风速、空气温度、空气湿度、气压等数据进行观测，并生成 10 s、1 min、30 min 观测数据。

针对4 个季节的近地层气象要素廓线分析，本文中选取 2017 年 1 月、4 月、7 月、10 月的 30 min晴天数据来代表冬季、春季、夏季和秋季。每天选择00：00、02：00、04：00、06：00、08：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00、20：00、22：00 的值作为样本进行分析。对于晴天资料的选取，利用红柳河国家基本气象站人工观测天气现象记录，剔除了出现天气和云量大于3 成的全天数据。通过地面气象观测记录过滤后，所选取的冬季典型晴天为1 月6—31 日，春季典型晴天为 4 月 1—10 日、12—14 日、16—17 日、19—30 日，夏季典型晴天为 7 月 2—30 日，秋季典型晴天为10 月1—31 日。

对于梯度探测系统记录，进行气候极值和要素连续性检查，根据检查结果剔除了有异常的20 m高度处的风速测量结果。

2 分析与讨论

2.1 东疆黑戈壁四季风速廓线特征

由图1 可知，在晴天天气状况下，红柳河近地层风速梯度日变化规律很明显，风速随着高度的升高而不断增大，且0.5 ~ 4 m 风速的增量大于4 ~ 32 m的增量，各高度的白天风速梯度变化率小于夜间。由图1 可以明显地分辨出夜间稳定型和白天不稳定型，这是由于白天受到太阳辐射的影响，近地层能量交换平衡被扰乱，大气层结不稳定，即热力不稳定，湍流混合作用不断增大，大气的上、下层之间动量交换随之增大，风速的切变便不断减小，春、夏、秋3 个季节的风速在白天符合指数变化规律，在夜间线性平滑增长。

图1 红柳河四季典型晴天风速廓线

冬季，受下垫面积雪状态的影响，地面反照率高，有效能量减少，湍流作用减弱，导致红柳河近地层平均风速比其它季节都小。全天不同高度风速变化范围为1.4 ~5.6 m/s，全天风速大值出现在夜晚22—08 时，风速小值出现在白天10—18 时。在0.5 m高度上，日风速差值为1.4 m/s；在32 m 高度上，风速差值达到最大为2.2 m/s。说明冬季，近地层风速的日波动随高度的增加也更大，06—14 时，风速随时间而下降，14—02 时，风速逐渐增大。春季的全天风速变化从06 时开始，风速随时间持续下降，12 时达到白天的低谷，此后风速增大，到18 时升至高峰，此时，32 m 的风速比最低层风速大2.8 m/s，后又出现下滑，在整个夜间都处于风速波动较小的状态。夏季的廓线分布形态和春季相似，日出后，风速下降的梯度变化率小于春季，12 时开始增大，18 时32 m风速达到了7.1 m/s，与0.5 m 高度的风速差为3.2 m/s。整个夜间波动趋势较小，各高度上的风速都逐渐上升，其风速梯度变化较白天更小。秋季的廓线分布形态中可以看到，和春夏两季不同，4 m 以上的大气层在08—16 时风速值变化幅度很小，风速梯度很小。风速日变化和垂直变化的季节差异，来自于研究区干热的地表条件和大尺度环流季节变化的影响。

2.2 东疆黑戈壁四季温度廓线特征

图2 红柳河四季典型晴天温度廓线

如图2 所示，红柳河地区的温度廓线变化同样也有夜间辐射型、早上过渡型、白天日射型和傍晚过渡型4 种类型，各季节不同类型的持续时间存在差异。整体来看，夜间都存在着逆温现象，近地层大气温度随高度增加而升高，大气层结稳定。太阳升起后，太阳辐射的增加破坏了原有的地面辐射平衡，下垫面的温度迅速回升改变了逆温的分布状态，近地层大气的上下层热量交换增加且热力差异减小。所以白天温度随着高度的变化幅度很小。伴随太阳高度角的变小，下行辐射随之迅速减少，地面辐射平衡则又被打破，下垫面比近地层的大气冷却更迅速，此时，该地区便转变至夜间的逆温状态。同时，在红柳河地区以10 m 为一个转折点，10 m 以下各个时刻温度的变化并不剧烈，甚至夜间逆温状态下也是10~32 m 的高度其温度梯度变化更明显。

冬季红柳河晴天的近地层温度都在-5 ℃以下，一天的最高温度出现在14 时。除了白天的12 时、14时和16 时，其它时段近地层都处于较强的逆温状态。特别是18 时—次日08 时，红柳河地区的逆温表现很明显，在06 时逆温状态最强，此时0.5~ 32 m的温度差可达4.6 ℃。根据研究区1 月的天气状况和气象资料分析可知（图3），该地区的下垫面在冬季长期处于积雪状态，积雪下垫面辐射冷却较强，温差梯度比其它季节大，同时冬季的日照时间为四季最短，所以白天日射型的时段很短，且14 时的上下层温差很小，全天早上过渡型和傍晚过渡型也并不十分明显。

图3 2017 年1 月研究区的积雪深度分布

春季的廓线具有较好的规律性。08 时为早上过渡型特征，其过渡时间比冬季短，温度在14 时达到最大，20—06 时均处于逆温状态，逆温强度弱于冬季。夏季廓线变化特征最为明显，气温日较差偏大。早上过渡型出现在06 时，夏季太阳辐射在一年之中最强烈，所以，06—08 时，整个近地层的温度回升速度很快，到08 时进入了白天辐射型。近地层32 m内的温度垂直递减率为7.1~8.3 ℃/100 m，近地层大气混合较为均匀。18 时左右上下层的温差降到最小，逐渐过渡到夜间辐射型，夜间逆温的温差在02时达到最大为2.1 ℃，比春、冬、秋季都小。秋季整体廓线的特征均和春季相似，14 时0.55~32 m 的温差为2.1 ℃，夜间逆温温差在02 时为2.8 ℃，各层上气温日较差同样接近春季。

对比来看，冬季的逆温持续时间最长，长达18 h，且逆温状态在4 m 处开始出现，逆温层持续至32 m高度，春季的逆温状态持续了10 h，夏季的逆温状态稍显微弱，20 时该观测点近地层的上下温度趋于一致，进入逆温状态，同样持续10 h 消失，逆温出现层同样也是集中在4～32 m，秋季逆温持续时间为12 h，高度与其它季节一致。综上，戈壁地区的逆温状态在全年呈现季节性变化，春夏季和夜晚的出现与结束保持同步，随时间推移至秋季持续时间变长，到冬季的持续时间延长到全年最长，再到春季缩短至10 h，逆温的形成与很多气象条件相关，冬季由于研究区下垫面有积雪覆盖，垂直湍流作用较弱，阻碍了上下层动量的交换，有利于逆温的形成。红柳河戈壁的逆温情况与在塔克拉玛干沙漠北缘的沙漠—绿洲过渡带的逆温特征[14]类似。

2.3 东疆黑戈壁四季比湿廓线特征

红柳河冬季近地面比湿很小，晴天的比湿全天变化分为2 个阶段（图4），08—14 时为比湿增大的阶段，14 时达到峰值，18 时之后比湿随时间变化而减小，梯度变化较升高阶段更缓慢，20 时达一天最低值，这是由于冬季夜间温度多在0 ℃以下，地面水分难以蒸发，白天随着气温逐步升高蒸发到空气中的水分也随之增多。冬季全天比湿的波动范围即为一年中最小，比湿值也是四季中最低的，白天12—18 时处于大值阶段，且随高度的增加变化不明显。在冬季夜间10 m 以下湿度随高度的梯度变化很小，但是在10~32 m 高度区间内存在逆湿现象，其比湿差为0.15 g/kg 左右。

春季的比湿值较冬季更大，全天的峰值出现在白天的08 时，在0.5 m 高度上比湿为2.56 g/kg，随后比湿随时间的变化而减小，到14 时为全天最小值，之后回升，在22 时出现一个小峰，持平一段时间后02—04 时减小到一个谷值，之后上升。在夜间的22—04 时，4~32 m 高度间有一个比较微弱的逆湿状态存在，比湿差仅为0.02 g/kg，在其它时段不明显，比湿随着高度的变化缓慢的减小，呈现正常的分布规律，变化范围不超过0.09 g/kg。

图4 红柳河四季典型晴天比湿廓线

夏季典型晴天的比湿值为四季中最大，0.5 m高度上全天比湿值范围在4.78~5.53 g/kg，与春季相似，全天最大值出现在08 时，日间比湿迅速下降，18时发生转折，02 时有一个峰值。在0.5~4 m 比湿随着高度的升高有极小范围的减小，4~32 m 高度内湿度值也是逐渐下降，特别是20~32 m 的高度间迅速下降，比湿差在0.1 g/kg 左右。

秋季红柳河比湿廓线特征和其它季节明显不一样。0.5 m 高度，全天比湿变化范围在1.61~1.91 g/kg，10 时在所有高度上的比湿都达到最大值，随着时间推移，比湿值减小，各高度间的比湿差不断增大，持续至08 时各高度比湿值趋于一致。其廓线出现明显的逆湿分布，特别是在20 时—次日06 时，0.5 m 与32 m 高度的比湿差最大可达0.13 g/kg。

3 结论与讨论

通过分析2017 年冬、春、夏、秋季红柳河近地层典型晴天的平均风速、温度和比湿廓线变化特征，可以得到以下结论：

（1）红柳河近地层风速廓线白天与夜间有明显的不同，在0.5~32 m 高度范围内，风速在一天内的波动变化明显，夜间风速大于白天，上下层风速差夜间大于白天。四季的风速差别不大，典型晴天下风速廓线的变化特征明显，冬季戈壁处于结冰时期，与其他季节不同的是，冬季白天的风速变化特征与夜间相似。与南疆腹地的塔克拉玛干沙漠的风速变化相比，红柳河的整体波动幅度不大，与肖塘和哈德地区更为相似。红柳河下垫面为粗砾质戈壁[22]，其植被覆盖率虽然不高，但是稀疏的植被分布对于该地区的局地风速有一定的影响，区别于典型的绿洲区域[23]，戈壁更偏向于干旱气候的特点。

（2）红柳河地区近地层四季温度廓线受太阳高度角的变化影响非常明显，可分为早上过渡型、白天日射型、傍晚过渡型和夜间辐射型，与缪启龙等[24]、洪雯等[25]、牛生杰[26]等在塔中地区和朱日和沙漠所得出的特征相一致，但不同季节的过渡时段和时长都有差别。逆温层集中在4～32 m，冬季的逆温状态持续时间最长，其他季节的逆温持续在夜间，且逆温差比冬季小，这与李祥余等[16]、霍文等[18]在塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠的逆温特征相符。四季的日最高温度均出现在正午14 时，最低温出现在早晨06 时，四季相差不大。红柳河气温日较差均比较大，以秋季最为显著。

（3）红柳河的比湿廓线特征四季都存在明显差异。整体看来，比湿在夜间普遍都高于白天，除了冬季，其它3 个季节在08 时达到峰值，白天是比湿逐渐下降的时段。近地层0.5~10 m 高度内比湿值无明显的波动，10~32 m 高度内秋、冬2 个季节在夜间存在着明显的逆湿，该观测区的比湿值数量级较小，但其逆湿差变化较大，其逆湿状态在干旱地区中存在明显，秋季逆湿状态弱于冬季，这与程穆宁对巴丹吉林沙漠比湿特征[27]的研究结论一致。春、夏两季比湿随高度上升逐渐减小，无逆湿现象。红柳河的全年比湿变化与哈德地区相反，比湿在夏季为全年最高，冬季为全年最小，湿度受气象条件[28-29]和地理条件[30]的影响，其中水汽输送、地面风速和土壤湿度、经纬度位置等均为主要影响因子，红柳河夏季比湿全年最高的原因是该区域夏季降水条件优于冬季，垂直湍流作用较强，风速大，上下层水汽交换作用强。