大氣環境監測論文大氣邊界層高度特征

　　大氣邊界層與天氣、氣候的形成和演化密切相關，本篇大氣環境監測論文闡述大氣邊界層高度特征，大氣溫度垂直遞減率偏高使得對流邊界層內大氣有較高的熱力敏感度,夜間深厚的大氣殘余層也為白天對流邊界層的發展提供了一個非常有利的熱力環境。同時,湖風會在邊界層內形成風切變,能夠加強大氣的湍流混合能力,提供邊界層對流發展的良好動力環境。可以發表大氣環境監測論文的期刊有《大氣科學學報》本刊堅持四項基本原則，貫徹：“雙百”方針，以繁榮我國氣象科學事業，促進國內外學術交流為宗旨。本刊主要刊登大氣科學，環境科學及相關基礎學科的理論和應用研究論文，新技術研制，國內外研究進展綜述等。讀者對象是從事大氣科學研究的科研人員，氣象臺站的技術人員及大專院校，有關專業的師生。獲獎情況：2002年華東地區優秀期刊;江蘇省雙十佳期刊;1999年全國高校自然科學學報系統優秀二等獎;江蘇省優秀期刊;江蘇省一級期刊;1997年江蘇省優秀期刊、江蘇省一級期刊。

　　位于新疆博斯騰湖流域戈壁地區的大氣邊界層過程受湖泊和戈壁的共同作用,大氣邊界層結構具有特殊性。利用2013年5月21日至8月28日在博斯騰湖流域戈壁地區獲得的大氣邊界層探測試驗資料,分析該地區大氣邊界層結構特征。結果顯示,博斯騰湖流域戈壁地區大氣邊界層最突出的特征是在夏季典型晴天時對流邊界層異常深厚,在所統計的100天探空資料中,有45天大氣邊界層高度達3000m以上,最高可達4400m。同時,探討深厚對流邊界層的形成機制,認為博斯騰湖流域戈壁地區特殊的大氣熱力環境以及湖風切變等因素是形成深厚對流邊界層的重要原因。

　　關鍵詞

　　邊界層高度;博斯騰湖;理查森數;湖陸風

　　大氣邊界層是地球與大氣之間動量、能量和各種物質上下輸送的紐帶,與天氣、氣候的形成和演化密切相關。隨著Wangara(澳大利亞)[1]和Minne-sota(美國)[2]等大氣探測試驗的開展,科學家對典型均勻下墊面大氣邊界層結構有了比較全面的認識。從20世紀80年代開始,邊界層理論的研究從均勻下墊面發展到非均勻下墊面[3]。國內外也開展了有針對性的大氣綜合觀測試驗,如NWC-ALIEX(敦煌戈壁)[4]、HEIFE(黑河流域)[5]、TIPEX(青藏高原)[6]、BOREAS(加拿大)[7]和HAPEX(法國)[8]等,獲得區別于傳統水平均勻下墊面邊界層的新發現[911]。由于現有觀測資料十分有限,湖泊和戈壁共同作用引起的復雜下墊面問題并沒有得到很好的解決,限制了對類似地區大氣邊界層物理過程的認識和大氣數值模式參數化方案的改進[3]。邊界層高度作為大氣數值模式和大氣環境評價的重要物理參數,是分析湍流混合、垂直擾動、對流傳輸以及大氣污染物擴散的重要指標[1213]。

　　一般認為,對流邊界層高度應該低于3000m[14],但是近年來隨著各類大氣觀測試驗的開展,人們在戈壁、沙漠、高原等極端氣候和復雜地形地區探測到特殊的邊界層高度特征。Zhang等[15]利用西北干旱區陸‒氣相互作用野外觀測試驗(NWC-ALIEX)資料,發現我國敦煌戈壁地區存在高達4150m的對流邊界層現象。李茂善等[16]分析2005年4—5月在珠峰大本營附近(28.14°N,86.85°E,海拔5149m)的無線電探空觀測資料,發現邊界層高度日變化比較明顯,因冰川風的存在,大氣邊界層高度最高可達3888m。Marsham等[17]在非洲撒哈拉沙漠中也探測到高達5000m的深厚對流邊界層,并且其殘余層特征十分突出。沙漠、戈壁以及高原地區的下墊面性質不盡相同,人們對深厚大氣邊界層形成的機理研究十分有限,深厚邊界層的出現是否具有一定的普遍性,尚需大量的實驗觀測進行證實[15]。位于博斯騰湖東南沿岸的戈壁地區(簡稱博湖流域戈壁地區)位于亞歐大陸腹地,不僅具有干旱區戈壁下墊面特征,其氣候還受博斯騰湖的影響。目前,對該地區的邊界層過程了解較少。本文利用在博湖流域戈壁地區開展的大氣邊界層觀測試驗數據,分析該地區邊界層高度的日變化特征,并進一步研究是否存在特殊對流邊界層高度現象。

　　1觀測環境、資料與方法

　　博斯騰湖流域位于我國新疆天山中部南緣和塔克拉瑪干沙漠北緣,地理坐標為41.17°—42.5°N,85.33°—87.5°E。湖區水域面積約1002km²,容積近100億m3,湖面海拔高度1120m。湖區的東側和南側是大面積戈壁灘,常年干早少雨,蒸發量大,多為晴天少云天氣。本研究所用資料來自在博斯騰湖東南側距湖7km的戈壁地區開展的大氣邊界層綜合觀測試驗數據。地面資料是Vaisala自動氣象站2010—2013年探測的數據。自動氣象站每分鐘記錄一次距地面1.5m的溫度、氣壓、相對濕度和距地面10m的風向、風速。探空資料是L波段探空雷達和GZZ10型數字探空儀探測的數據。L波段雷達每秒鐘記錄一次溫度、相對濕度、氣壓、風向和風速,探測高度可達20000m。試驗小組在2013年5月21日至8月28日每天4個時刻(08:00,12:00,16:00和20:00,本文所用時間均為北京時,本地時間比北京時間晚2個小時)進行常規探空試驗。另外,對3個典型晴天進行加密探空試驗,其中8月23日17次(00:00,01:00,03:00—14:00的每個整點,16:00,20:00和22:00),7月5日14次,7月12日16次。在對探空數據進行飛點剔除、高度訂正等數據質量控制后,發現3個加密探空日的邊界層高度日變化情況較為相似,本文選用探空次數最多的8月23日作為夏季典型晴天的代表個例進行分析。值得注意的是,無線電探空氣球在上升過程中會受到風的影響而發生偏移,在統計所有探空儀漂移路徑后,發現5km高度范圍內探空儀的最大水平偏移距離為4.21km,且出現較大偏移距離時都是受湖風的影響,氣球被吹向遠離湖區的方向,因此探空資料在5km高度范圍內能夠代表戈壁上空的氣象要素特征。

　　邊界層高度的判斷方法有風速極值法、湍流能量法和位溫廓線法等。風速極值法要求大氣為定常、均勻的正壓大氣,這在博湖流域戈壁地區不適用。湍流能量法對數據要求較高,且在計算過程中引入許多假設條件。位溫廓線法在分析過程中未引入假設條件,所需數據均可由探測儀器直接測得。博湖流域戈壁地區位溫廓線結構特征清晰,本文用位溫廓線法來確定邊界層高度較為合適。

　　2博湖流域戈壁地區位溫廓線與邊界層高度特征

　　2.1位溫廓線特征分析2013年8月23日12組代表性時刻位溫廓線結構(圖1)可知,00:00—08:00,位溫廓線呈現 穩定邊界層特征:地面因長波輻射逐漸冷卻,地表溫度比大氣溫度低,大氣邊界層內位溫隨高度升高而增大,形成一層較淺的穩定邊界層(SBL)。在穩定邊界層的上方直到3500m左右的高度,位溫隨高度的變化很小,這是白天殘留下來的的殘余層(RL)。殘余層上方是厚度為200m左右的逆溫層(CIL)。逆溫層上方即自由大氣(FA)。12:00—20:00,位溫廓線呈現對流邊界層廓線特征:白天太陽輻射持續加熱地表,地表溫度比大氣溫度高,大氣邊界層內位溫隨高度升高變化不大,邊界層內大氣充分混合,直到3400m左右的高度,大氣位溫隨高度發生明顯的躍變,可以認為是對流邊界層(CBL)的頂部。對流邊界上方是夾卷層(EA),夾卷層上方即自由大氣(FA)。09:00—11:00和21:00—22:00,大氣位溫廓線結構還在發展階段,大氣邊界層為弱不穩定邊界層。

　　2.2邊界層高度特征用位溫廓線法對8月23日全天17組探空廓線進行分析,確定該地區邊界層高度的日變化情況(圖2)。從圖2可以看出,夜間穩定邊界層高度隨著時間的推移有增大的趨勢,一直持續到早晨09:00,穩定邊界層最低出現在00:00(高度只有140m),最高出現在07:00(高度為730m);白天對流邊界層高度異常深厚,從12:00開始形成,并一直持續到20:00,平均高度達到3460m,發展最旺盛的時刻為14:00(高度達到3600m);全天大部分時間被穩定和對流邊界層控制,而兩類邊界層的過渡階段持續時間較短,邊界層高度介于穩定和對流邊界層之間。博湖流域戈壁地區大氣邊界層最突出的特征是存在深厚對流邊界層。出現深厚對流邊界層的情況屬于某一個例還是普遍存在?我們對2013年5月21日至8月27日(共計100天)每天16:00的探空資料進行統計分析,發現研究區在典型晴天經常有深厚對流邊界層存在(表1),除3天陰雨天邊界層頂結構特征不夠清晰外,其余97天邊界層平均高度達到2690m。對流邊界層高度大于3000m有45天,最大高度出現在6月2日(高度達到4400m),最低高度出現在7月20日(高度只有1200m)。5—8月都有異常深厚的對流邊界層出現,其分布按月份沒有明顯的差別。然而,而根據每小時記錄的天氣情況來看,深厚邊界層出現的日期往往是晴空少云的烈日天氣。博湖流域戈壁地區所探測到的最高對流邊界層高度為4400m,比敦煌戈壁地區的4150m[15]和青藏高原珠峰大本營附近的3888m[16]都要高。

　　3博湖流域戈壁地區出現深厚對流邊界層的原因分析

　　影響對流邊界層高度發展的因素主要有太陽輻射強度、地理環境、大氣熱力和動力等[2022]。就對流邊界層發展的物理本質而言,是由于地面加熱而觸發的對流熱泡在邊界層內做湍流運動的結果。博湖流域戈壁地區常年干旱少雨,年平均降水量不足90mm,夏季日平均最高氣溫達到36.5ºC。土壤成分以細沙和礫石為主,熱容量很小,蒸發力強,下墊面感熱通量加熱大氣的效率非常高[23],夏季炎熱的戈壁下墊面具備觸發對流熱泡的熱力基礎。與敦煌均勻的戈壁下墊面[15]和青藏高原凹凸的山地下墊面[10]性質不同,博湖流域戈壁地區大氣邊界層的物理過程還受博斯騰湖的影響,大氣邊界層高度也與其特殊的區域環境有關。

　　3.1大氣熱力環境分析

　　3.1.1大氣熱力性質分析通過分析博湖流域戈壁地區的大氣熱力環境,發現對流邊界層大氣的垂直減溫率異常偏高,大氣有較高的靜力不穩定度。圖3是2013年8月23日各代表性時刻的溫度廓線結構,可以看出,在對流邊界層形成前(03:00,05:00,07:00,09:00和10:00),大氣底部有明顯的逆溫層。逆溫層是穩定層結,會抑制湍流的發展。對流邊界層形成后(12:00,13:00,14:00,16:00和20:00),炎熱的戈壁下墊面持續加熱靠近地面的大氣,近地層大氣運動為超絕熱過程,處于靜力不穩定狀態,超絕熱層內大氣不斷有對流運動產生,并與其上方的大氣充分混合,直到3500m左右的高度出現約200m厚的夾卷層,即對流邊界層頂的位置。在整個邊界層高度范圍內,12:00,13:00,14:00,16:00和20:00,大氣垂直減溫率分別達到8.276,8.633,9.081,9.286和8.991ºC/km。其中,13:00和14:00在1000m以下的大氣垂直減溫率甚至超過大氣的干絕熱減溫率(9.8ºC/km),達到10.1ºC/km。從大氣的靜力穩定度來看,大氣垂直減溫率越高,大氣的運動狀態越不穩定,也更易觸發對流運動[24]。

　　3.1.2大氣熱力結構分析在分析圖1中大氣邊界層位溫廓線結構時,發現大氣邊界層在白天充分對流混合后,殘留在夜間的大氣殘余層(RL)依然保持白天對流混合時的位溫廓線結構,殘余層上方是約200m厚的逆溫層(CIL),逆溫層高度約為3500m。逆溫層能夠抑制其下方的能量通量向上傳輸,很好地儲存白天用于支持對流邊界層發展的能量。當白天對流發展突破夜間形成的穩定邊界層后,對流活動在殘余層的發展會十分順暢。在統計2013年夏季100天的對流邊界層高度特征時發現,博湖流域戈壁地區深厚對流層不是一天就能形成的。深厚對流邊界層往往出12:00,13:00,14:00和16:00的Ri值分別為0.097,0.157,0.852和0.019。當氣層頂部位溫小于地面位溫時(13:00和14:00),θ<0,Ri<0,該層大氣為靜力不穩定,大氣運動狀態為湍流。當氣層頂部位溫大于地面位溫時(12:00和16:00),θ>0,此時Ri與風切變值((u)2+(v)2)呈反比,風切變值越大,Ri越小,當Ri小于大氣不穩定條件的臨界值0.25時,大氣為動力不穩定,大氣運動狀態為湍流。可以看出,風切變能夠通過增加擴散能力和夾卷作用,增加大氣的不穩定度,提高浮力通量的對流效率,同樣有助于對流邊界層高度的進一步抬升。

　　4結論與討論

　　博湖流域戈壁地區夏季典型晴天大氣邊界層最突出的特征是存在深厚對流邊界層現象。在所統計的100天探空資料中,有45天對流邊界層高度達3000m以上,最大可達4400m。博湖流域戈壁地區深厚對流邊界層現象與炎熱的戈壁下墊面性質、大氣熱力環境以及湖風切變等因素有關。具體而言,戈壁下墊面加熱近地面空氣的作用更加突出,強浮力通量具有產生深厚對流邊界層的能量基礎。博斯騰流域戈壁地區大氣邊界層過程是十分特殊和復雜的物理過程,如日出后一個小時,大氣位溫廓線仍保持穩定邊界層的廓線結構,這是否與博斯騰湖的影響有關,還需用大氣數值模式和更加綜合的大氣邊界層觀測試驗資料做進一步研究。

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