大气科学  2017, Vol. 41 Issue (4): 767-783   PDF    
2014年夏季青藏高原狮泉河与林芝降水低频振荡及陆—气过程日变化特征
段丽君1,2, 段安民2, 胡文婷2, 巩远发1    
1 成都信息工程大学大气科学学院, 成都 610225
2 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG), 北京 100029
摘要: 根据“第三次青藏高原大气科学试验” 2014年7、8月青藏高原西南部狮泉河站、东南部林芝站的3 m涡动相关系统原始数据和10 Hz湍流资料以及中国气象局台站观测资料、JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)逐日再分析资料、GPCP(Global Precipitation Climatology Project)全球降水逐日观测资料,分别讨论了这两个站在10~20天低频振荡的天气背景下其干、湿位相近地层气象要素的日变化特征以及湍流变化特征。结果表明:两站高低空环流场、水汽通量场、热源的10~20天低频分量在其干、湿位相期间的配置相反。低频地表感热和潜热的不同变化对降水的影响分别在高原西部和东部有不同表现。狮泉河站的低频振荡在纬向上自西向东传播,而林芝站的低频振荡在纬向上自东向西传播,结果表明这两个站分别存在两种不同起源的低频振荡。两站干、湿位相的近地面气象要素以及湍流通量具有明显的日变化特征,通常温度极大值出现在午后14时(北京时,下同),但狮泉河站干、湿位相的温度极大值均出现在夜间20时;由波文比可知,狮泉河站湿位相全天以潜热为主导,干位相期间,06时之前以潜热为主,06时之后以感热为主;林芝站干、湿位相均为08时之前以感热为主,08时之后以潜热为主。两站湍流平均动能与平均风速正相关,垂直动量表现为向下传输,热量和水汽表现为向上传输。
关键词: 青藏高原      低频振荡      近地面层      日内变化      湍流     
Low Frequency Oscillation of Precipitation and Daily Variation Characteristic of Air-Land Process at Shiquanhe Station and Linzhi Station in Tibetan Plateau in the Summer of 2014
Duan Lijun1,2, Duan Anmin2, Hu Wenting2, Gong Yuanfa1    
1 College of Atmospheric Science, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225
2 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
Abstract: Using the original data of 3 m eddy correlation system and 10 Hz turbulence data at Shiquanhe station and Linzhi station, which are respectively located at the southwestern and southeastern Tibetan Plateau, obtained during "the 3rd Tibetan Plateau atmospheric scientific experiment", station observation data provided by China Meteorological Administration, JRA-55, and GPCP (Global Precipitation Climatology Project) daily reanalysis data in July and August of 2014, the diurnal variations of surface layer meteorological elements and turbulent changes under the background of 10-20-day low frequency oscillation in two stations are studies respectively. The results are as follows. The 10-20-day low frequency component of circulation fields in the upper and lower troposphere and water vapor fields and heat sources at the two stations are opposite during their dry and wet phases. The variations of low frequency surface sensible and latent heat fluxes have influences on precipitation, and these influences are different in the western and eastern Plateau. The low frequency oscillation at Shiqianhe station propagates from west to east, whereas the oscillation at Linzhi station propagates from east to west. Thus, there are two types of low frequency oscillations from different origins. Surface layer meteorological elements and turbulent flux have obvious diurnal variations in the dry and wet phases. The highest temperature usually appears at 1400 BJT (Beijing time) but at 2000 BJT in the dry and wet phases at Shiquanhe station. Based on Bowen ratio, it can be found that the latent heat is dominant throughout the day at Shiquanhe station in the wet phase, while latent heat is dominant before 0600 BJT and sensible heat is dominant after 0600 BJT during the dry phase. At Linzhi station in both wet and dry phases, sensible heat is always dominant before 0800 BJT and latent heat is dominant after 0800 BJT. The average kinetic energy of turbulence and average wind speed are positively correlated at the two stations, and the vertical momentum is transported downward while heat and moisture are transported upward.
Key words: Tibetan Plateau      Low frequency oscillation      Surface layer      Diurnal variation      Turbulence     
1 引言

青藏高原(以下简称高原)是世界海拔最高的高原,平均海拔4000多米,在全球自由大气中构成了一个特殊的边界层。高原对大气的热力及动力效应都是通过高原边界层逐渐影响到自由大气的,因此对高原大气边界层的能量及微气象特征的分析研究显得尤为重要。

近地面层湍流动量通量和热通量是表征陆地与大气之间相互作用强弱的重要参量,陆地和大气间的动量、热量交换在局地和全球大气环流的气候变化过程中起着重要作用(张可苏,1980孙菽芬和卢志泊,1989),20世纪70年代起,最初在估计青藏高原地表的热源强度时提出了高原上湍流交换能力强于平原地区的观点(叶笃正等,1979姚兰昌等,1984陈万隆和翁笃鸣,1984),因此研究高原近地面层湍流通量特征一直是青藏高原气象学的重大课题之一。自从1979年进行第一次青藏高原大气科学试验(QXPMEX)以来(翁笃鸣等,1984),国家还陆续开展了第二次青藏高原大气科学试验(TIPEX,1998)(徐祥德和陈联寿,2006),中日合作的“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验(GAME/Tibet,1996~2000)”(王介民和邱华盛,2000),全球协调加强观测计划(CEOP)亚洲季风之青藏高原试验(GAME/Tibet,2001~2010)(马耀明等,2006),2005年9月底建成的珠峰大气与环境综合研究站等一系列气象观测试验(马耀明,2007)。基于观测试验结果,在高原近地面各气象要素变化、热量平衡、湍流交换等方面取得了许多有意义的成果。彭艳等(2005)利用TIPEX资料研究了夏季高原西部、中部、东部站点干、湿季的近地面层气象要素变化特征,指出干、湿季温度日变化明显且有规律,干季的风速变化呈一高一低型,夏季高原中西部和东部近地面层存在逆湿现象。李家伦等(2000)利用TIPEX资料指出位于高原西部的垂直运动强,且垂直运动和近地层风速的极值均出现在午后和凌晨。刘宇等(2004)认为珠峰地区大气温度日变化呈单峰分布,并受下垫面性质和水陆分布差异的影响,风速日变化与近地层温度变化一致。李国平等(2003)运用TIPEX资料指出青藏高原西部不论冬夏地面皆为热源,地面热源强度具有明显的季节变化。马耀明等(2000)利用GAME/Tibet加强期观测资料,指出藏北高原草甸下垫面对大气而言白天是强热源,晚上为弱冷源,且地面加热场日变化明显。彭艳等(2005)指出高原中东部湿季期间,潜热通量在净辐射中占主导地位,高原中东部地区的干季与西部地区,感热通量在净辐射中占主导。刘宇等(2004)认为高原珠峰河谷地区山坡处地气之间的感热交换主要发生在下午。苗曼倩等(1998年)用QXPMEX实测资料计算了拉萨和林芝两地的总体输送系数,认为青藏高原地处内陆,层结的强烈日变化导致表征湍流交换能力的参量CDCH有比平原更大的日较差。李茂善等(2012)指出纳木错地区,夏季风来临前,感热通量在地气交换中处于主导地位,夏季风来临之后以潜热交换为主导。

前人相继揭示出高原及其附近地区存在着显著的大气季节内振荡信号(孙国武和陈葆德, 1988, 1994He and Chen, 1988谢安等,1989)。高原风场、对流系统、降水、相对涡度以及大气非绝热加热中均存在不同周期的季节内振荡(Krishnamurti and Subrahmanyam, 1982Nitta,1983Zhang et al., 2009Wang et al., 2011Zhang et al., 2014)。Nitta(1983)发现高原东部的整层积分大气热源存在10~15天和30天左右的周期变化,且认为此低频振荡与强大的高空南亚高压(或青藏高压)紧密相关,是整个季风系统活动的一个反映。Feng et al.(1985)指出高原西部潜热存在10~15天的周期。贺懿华等(2006)发现夏季高原东南部是低频(10~20天和30~60天振荡)黑体亮温(TBB)最活跃的区域。Wang and Duan(2015)指出高原地区夏季季节内振荡的主导周期是准双周振荡(QBWO),其在降水场,非绝热加热场和从地表至对流层高层的环流场中均显著存在。Hu et al.(2016)分析1979~2011年高原东部夏季降水的季节内变率,发现其存在7~20天的主要周期,并且与欧亚大陆上空Rossby波列的传播紧密相关。对高原大气低频振荡的深入研究,发现其对高原低涡(孙国武和陈葆德,1994)、副热带高压(李云康等,1991巩远发等,2006)、南亚高压(李跃清,1996)等天气系统以及我国区域降水等均有一定影响(孙国武等,1992周兵等,2000简茂球等,2004)。

目前正在进行的第三次青藏高原大气科学试验加强了高原东部的热源、水汽和天气系统的观测(李跃清,2011)。由于高原及其周边地区气象综合观测能力薄弱,对高原近地层日变化特征的研究较少,通过研究低频振荡干、湿位相,并将两者之间近地层日变化特征进行对比的研究更是匮乏,因此本文利用第三次青藏高原大气科学试验的观测资料分析了在低频振荡的天气背景下高原近地面层气象要素、湍流输送以及湍流通量的日变化特征,以便更好地揭示夏季高原不同下垫面状况的多尺度陆气相互作用特征。

2 资料和方法 2.1 资料

本文主要利用“第三次青藏高原大气科学试验”2014年7~8月狮泉河站和林芝站的加强期观测资料,这两个站的观测都是由中国气象局进行的。两站涡动相关通量观测系统安装于边界层塔上,探头高度为3 m,采用三维超声风速仪(CSAT3,Campbell)测量三维风速及超声虚温,超声风温仪上附有细线热电偶(FW05,CSI)测量温度脉动,采用开路气体分析仪(LI7500,LI-COR)测量H2O浓度脉动。湍流信号采样频率为10 Hz,每30 min给出一组平均值,每日可得48组资料。本文采用两站涡动相关系统分别测得的原始数据和采集器内付程序计算得到的通量数据。原始数据包括气温、水平风速、垂直风速、比湿等常规气象要素。通量数据包括湍流动能、水平分量风速脉动值与垂直分量脉动值的协方差、超声虚位温脉动值与垂直分量脉动值的协方差。

为了描述狮泉河站和林芝站大气低频振荡的周期和环流特征,本文还利用了如下资料:中国气象局提供的通过质量控制的逐日降水资料;GPCP(Global Precipitation Climatology Project)全球逐日降水观测资料;JRA-55全球逐日再分析资料,垂直方向从1000 hPa到1 hPa共37层,包括气温、纬向风、经向风、位势高度、垂直速度、地表气压、比湿、感热通量、潜热通量等常规变量,为统一分析数据,将水平分辨率统一插值为2.5°×2.5°的粗网格数据。

2.2 方法

日内尺度湍流通量利用涡动相关法计算得到,涡动相关系统是目前测量地气间通量交换的最好方法(朱治林等,2004),被认为是可靠的、直接的测量方法,它是利用超声仪观测的瞬时高频风、温脉动资料直接计算地表湍流通量:

$\tau = - \rho {\left[ {{{\left( {\overline {u'w'} } \right)}^2} + {{\left( {\overline {v'w'} } \right)}^2}} \right]^{1/2}},$ (1)
${H_{\rm{S}}} = \rho {c_p}\overline {w'\theta '} ,$ (2)
${H_{\rm{L}}} = \rho {L_{\rm{v}}}\overline {w'q'} ,$ (3)

其中,τHSHL分别表示动量通量、感热通量、潜热通量,u'、v'、w'、θ'、q'分别是纵向脉动风速、横向脉动风速、垂直脉动风速、脉动温度、脉动比湿。ρ为空气密度,cp为定压比热,Lv为汽化潜热。

大气视热源/汇的计算方法采用“倒算法”(Yanai, 1961; Yanai et al., 1973):

${Q_1} = {c_p}{\left( {\frac{p}{{{p_0}}}} \right)^k}\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial t}} + \mathit{\boldsymbol{V}} \cdot \nabla \theta + \omega \frac{{\partial \theta }}{{\partial p}}} \right),$ (4)

其中,t为气温,V是水平风矢量,p为气压,p0=1000 hPa,k=R/cpRcp分别为气体常数和干空气定压比热,ω为等压坐标下的垂直速度,θ是位温,Q1为大气视热源。

${Q_2} = - L\left( {\frac{{\partial q}}{{\partial t}} + \mathit{\boldsymbol{V}} \cdot \nabla q + \omega \frac{{\partial q}}{{\partial p}}} \right).$ (5)

水汽汇Q2、水汽通量Vq的垂直积分可表示为

$\left\langle {{Q_2}} \right\rangle = \frac{1}{g}\int_{100}^{{P_0}} {{Q_2}{\rm{d}}p} \approx L\left( {P - E} \right),$ (6)
$\left\langle {{V_q}} \right\rangle = \frac{1}{g}\int_{100}^{{p_0}} {\left( {uq,vq} \right){\rm{d}}p} ,$ (7)

其中,q为比湿,E为地面蒸发率,P为降水率。

本文中的季节内变化分量是从原始的逐日时间序列中提取,首先减去均值得到异常值,然后通过5天滑动平均去除天气尺度,各项变量在进行其他分析之前都先经过这两步处理。

在分析季节内振荡的主导周期时采用了功率谱分析(Gilman et al., 1963),提取低频信息使用了Lanczos带通滤波(Duchon,2010)。

3 2014年夏季高原季节内振荡特征 3.1 主要振荡周期及强ISO个例的选取

本文利用的“第三次青藏高原大气科学试验”数据时段主要集中在2014年7、8月,选取位于高原西部的狮泉河站、东南部的林芝站作为研究的站点。对2014年7、8月期间这两个站点的降水场做功率谱分析(图 1)。从图 1可以看出,狮泉河站和林芝站的降水存在显著的10~20 d振荡。

图 1 2014年7~8月逐日(a)狮泉河站和(b)林芝站降水功率谱(黑色实线)分析,红色虚线为Markov红噪音谱,蓝色虚线表示通过了95%信度水平检验 Figure 1 Power spectrum analysis (black solid lines) of daily variation of precipitation at (a) Shiquanhe station and (b) Linzhi station from July to August of 2014. The red dashed lines represent the Markov red noise spectrum, the blue dashed lines represent values above 95% confidence level

狮泉河站和林芝站对应的10~20 d滤波的时间序列很好的描述了站点降水序列的时间演变特征,可以明显地看出两站10~20 d季节内振荡存在不同的振幅(图 2红色实线)。狮泉河站和林芝站的解释方差分别占总方差的15.7%和22.9%,说明林芝站降水的10~20 d振荡要比狮泉河站强烈,这可能跟两站所处的气候带和下垫面状况有关,狮泉河站(32.3°N,80.05°E)位于青藏高原西部,海拔高度4278 m,其下垫面为植被稀疏、短小,一般只有几厘米高,气候属于高原寒带和寒带季风干旱气候,太阳辐射强烈,地面风速较大,空气干燥、少雨、昼夜温差大。林芝站(29.4°N,94.2°E)位于高原东南部,海拔2992 m,下垫面为高山林间草地,林芝地形起伏大,海拔高温差大,喜马拉雅山脉、念青唐古拉山脉和横断山脉分别雄居于林芝地区的西部、北部、东部,地形呈北高南低的走势,东南低处正好面向印度洋、太平洋形成一个大峡谷,两大洋的暖流常年鱼贯而入,形成了林芝地区特殊的热带湿润和半湿润气候。由于林芝站特殊的地理位置和下垫面状况导致降雨量充沛,其10~20 d低频分量特征与狮泉河站相比更明显。

图 2 2014年7~8月(a)狮泉河站和(b)林芝站未滤波(黑色实线)和10~20 d滤波(红色实线)标准化的降水距平时间序列。右上角百分数为两站10~20 d振荡的方差百分比。数字1、3、5、7代表一个10~20 d波动的位相,灰色虚线表示±1标准差 Figure 2 Time series of normalized unfiltered (black solid lines) and the 10-20-day filtered (red solid lines) precipitation anomalies at (a) Shiquanhe station and (b) Linzhi station. The percentage variance of the 10-20-day oscillation at each station is presented on the top-right corners of (a) and (b). The numbers 1, 3, 5, and 7 indicate the phases of one 10-20-day oscillation, the gray dotted lines represent standard deviation of ±1

根据Mao and Chan(2005)Hu et al.(2016)对强ISO个例的定义:日降水滤波的一个完整周期中必须包含峰值均大于(小于)+1(-1)标准差的干湿位相。根据这个定义,两站低频振荡序列分别存在3次循环,每个循环被划分为8个位相(图 2)。位相1为最小值代表干位相,位相5为最大值代表湿位相,位相3和7为转换时段,位相2和8为振荡到达最小值一半时的时间,位相4和6为振荡到达最大值一半时的时间。由于本文的第四节是利用“第三次青藏高原大气科学试验”资料来讨论高原陆气相互作用特征,该资料中林芝站的数据在8月份比较完整,7月份的数据缺测极多,因此为了更准确地讨论第四节,狮泉河站选取7月21日到8月2日这个循环,其中干位相为7月21日当天,湿位相为7月27日。林芝站选取8月5日到8月18日,干位相为8月5日,湿位相为8月12日。通过极端位相的比较来了解环流的差异和演变。

3.2 干位相与湿位相低频振荡传播及演变特征

降水异常主要受大尺度环流异常的制约,因此有必要分析干、湿位相期间环流场的分布。图 3图 4分别给出了两站干、湿位相高、低空环流分布。

图 3 10~20 d滤波的干位相和湿位相200 hPa环流场(箭头,单位:m s-1)、散度(阴影,单位:10-5 s-1):(a)狮泉河站干位相当天;(b)狮泉河站湿位相当天;(c)林芝站干位相当天;(d)林芝站湿位相当天。图a、b中的红色圆点代表狮泉河站,图c、d中的红色圆点代表林芝站 Figure 3 10-20-day filtered 200-hPa circulation field (arrows, units: m s-1) and divergence (shaded, units: 10-5 s-1) in dry phase and wet phase: (a) The day of dry phase at Shiquanhe station, (b) the day of wet phase at Shiquanhe station, (c) the day of dry phase at Linzhi station, (d) the day of wet phase at Linzhi station. The red dots in Figs. a and b represent Shiquanhe station, the red dots in Figs. c and d represent Linzhi station

图 4图 3,但为10~20 d滤波500 hPa环流场(箭头,单位:m s-1)和垂直速度(阴影,单位:Pa s-1 Figure 4 As in Fig. 3, but for 10-20-day filtered 500-hPa circulation field (arrows, units: m s-1) and vertical velocity (shaded, units: Pa s-1)

图 3a可知在狮泉河站干位相当天,高原东北侧存在一个异常强烈的反气旋,高空辐散,西北侧为较弱的异常气旋,高空辐合,狮泉河站受反气旋西南侧与气旋东南侧的偏南气流的影响,处于辐合区,对应500 hPa垂直速度(图 4a),高空辐合区存在下沉运动,这种高低空配置使狮泉河站不利于降水产生。湿位相(图 3b)与干位相(图 3a)呈完全相反的环流状况,高原东北侧存在一个异常强烈的气旋,高空辐合,西北侧存在一个异常的反气旋,高空辐散,狮泉河站受气旋西侧和反气旋东侧的偏北风的共同影响,处于辐散区,对应500 hPa垂直速度(图 4b),高空辐散区存在上升运动,这种高低空配置使狮泉河站有利于降水产生。

在林芝站干位相和湿位相当天,除了高原东北侧的反气旋(图 3c)和气旋(图 3d)的位置较狮泉河站干湿位相偏西偏南外,其风场、散度场以及500 hPa垂直速度(图 4cd)的特征与狮泉河干湿位相类似,即干位相林芝站高空辐合对应下沉运动,湿位相林芝站高空辐散对应上升运动。

由于高原西南侧高耸地形的阻挡作用,来自南方的湿润空气无法传输到狮泉河站,因此在狮泉河站湿位相期间(图 5b),存在由高原东北部向狮泉河站输送的水汽,但是水汽强度很弱。干位相期间狮泉河则处于弱的水汽辐散区域之中(图 5a)。林芝站由于特殊的地理位置,主要受孟加拉湾水汽输送的影响,在干位相期间(图 5c)孟加拉湾盛行偏北风,高原南缘受偏东风控制,高原东南部无水汽输送,此时林芝站位于水汽辐散区。在湿位相期间(图 5d),孟加拉湾盛行西南风,将暖湿气流输送至高原东部,林芝站位于水汽辐合区,有利于降水的产生。

图 5图 3,但为10~20 d滤波的地面至100 hPa垂直积分的水汽通量(箭头,单位:kg m-1 s-2)和水汽通量散度(阴影,单位:10-5 kg m-2 s-2 Figure 5 As in Fig. 3, but for 10-20-day filtered vertically integrated water vapor fluxes (arrows, units: kg m-1 s-2) and the moisture flux divergence (shaded, units: 10-5 kg m-2 s-2) from surface to 100 hPa

再来比较两站干、湿位相热源的分布。在狮泉河站和林芝站的干位相期间(图 6ac),两站均表现为热汇,湿位相期间(图 6bd)为热源。

图 6图 3,但为10~20 d滤波后的视热源分布(阴影,单位:W m-2 Figure 6 As in Fig. 3, but for 10-20-day filtered apparent heat source (shaded, units: W m-2)

由以上分析可知,狮泉河站和林芝站的降水受高低空环流和水汽输送的共同调控,当两站在高空辐散产生上升运动,位于水汽辐合区、热源区时,有利于产生将水,反之不利于产生降水。需要指出,两站水汽输送的路径不同,狮泉河站由于高原西南部高耸地形的阻挡,低层水汽输送主要受高原东北部影响,而林芝站则主要受孟加拉湾的水汽输送的影响。

为了进一步了解地表热通量的季节内演变,图 7图 8给出了狮泉河站和林芝站干湿位相上的10~20 d地表感热通量和潜热通量的空间分布。在狮泉河站干位相当天,狮泉河站地面感热(图 7a)为负异常,潜热(图 8a)为正异常,湿位相当天,狮泉河站地面感热(图 7b)为正异常,潜热(图 8b)为负异常,说明当低频感热减弱,低频潜热增强时,狮泉河站降水增多,反之感热增强,潜热减弱时雨量增多。在林芝站干位相当天,林芝站地面感热(图 7c)为正异常,潜热(图 8c)也为正异常,湿位相与干位相相反,即林芝站地面感热(图 7d)为负异常,潜热(图 8d)同样也为负异常,从感热和潜热10~20 d滤波的时间序列图中也能看出降水和地面热通量的这种位相关系(图略)。这一现象与周兵等(2000)得出的在盛夏低频感热增强,低频潜热同时增加,拉萨和高原那曲地区降水减少,反之雨量增多的结论一致。说明低频地表感热和潜热的不同变化对降水的影响分别在高原西部和东部有不同表现。

图 7图 3,但为10~20 d滤波后的地面感热通量分布(阴影,单位:W m-2 Figure 7 As in Fig. 3, but for 10-20-day filtered surface sensible heat fluxes (shaded, units: W m-2)

图 8图 3,但为10~20 d滤波后的地面潜热通量分布(阴影,单位:W m-2 Figure 8 As in Fig. 3, but for 10-20-day filtered surface latent heat fluxes (shaded, units: W m-2)

为了更好地说明狮泉河站和林芝站低频振荡的来源,图 9图 10分别给出了两站水汽通量散度、200 hPa散度场、降水、感热通量以及潜热通量的时间—纬度剖面图和时间—经度剖面图。

图 9 2014年7~8月10~20 d滤波的(a、f)地面至100 hPa积分的低频水汽通量散度(单位:10-5 kg m-2 s-2)、(b、g)200 hPa低频散度(单位:10-5 s-1)、(c、h)低频降水(单位:mm d-1)、(d、i)地面感热通量(单位:W m-2)以及(e、j)潜热通量(单位:W m-2)的时间—纬度剖面。图a、b、c、d、e为狮泉河站(沿80.05°E)的剖面,紫色虚线代表狮泉河站,两条紫色实线分别代表干、湿位相当天。图f、g、h、i、j同图a、b、c、d、e,但为林芝站(沿94.2°E)的剖面 Figure 9 The time-latitude cross sections of 10-20-day filtered (a, f) divergence (units: 10-5 kg m-2 s-2) of moisture fluxes vertically integrated from surface to 100 hPa, (b, g) 200-hPa low-frequency divergence (units: 10-5 s-1), (c, h) low-frequency precipitation (units: mm d-1), (d, i) surface sensible heat fluxes (units: W m-2), and (e, j) surface latent heat fluxes (units: W m-2). Figs. a, b, c, d, and e indicate the cross sections along 80.05°E at Shiquanhe station, the purple dashed line represents Shiquanhe station, the purple solid lines represent the days of dry phase and wet phase, respectively. Figs. f, g, h, i, j are the same as Figs. a, b, c, d, e, but for Linzhi station (the section along 94.2°E)

图 10图 9,但为时间—经度剖面。图a、b、c、d、e为狮泉河站(沿32.3°N)的剖面,图f、g、h、i、j为林芝站(沿29.4°N)的剖面 Figure 10 As in Fig. 9, but for time-longitude cross sections. Figs. a, b, c, d, e indicate the cross sections along 32.3°N at Shiquanhe station, Figs. f, g, h, i, j indicate the cross sections along 29.4°N at Linzhi station

图 9bc可知,狮泉河站的低频振荡在200 hPa散度、降水场中均为自南向北传播,其中200 hPa散度场中还存在自北向南的传播。由于高原地形的阻挡作用,水汽通量(图 9a)中心主要位于狮泉河站(32.3°N)以南,从图 5b可知狮泉河站湿位相水汽输送受高原东北部影响。而从图 9de可以看出,狮泉河站感热通量和潜热通量大值区随时间自北向南逐渐加强,干湿位相的传播路径相同,干位相分别对应水汽辐散、200 hPa辐合、降水负异常、感热负异常、潜热正异常,湿位相分别对应水汽辐合、200 hPa辐散、降水正异常、感热正异常、潜热负异常。林芝站的低频振荡在水汽通量散度场(图 9f)、200 hPa散度场(图 9g)、降水场(图 9h)、感热通量场(图 9i)、潜热通量场(图 9j)中均处于25°N~32°N的准静止带,干湿位相在五个场中的传播路径分别相同。再看其纬向分布,狮泉河站的低频振荡在水汽通量散度场(图 10a)、200 hPa散度场(图 10b)、降水场(图 10c)中均为自西向东传播,在潜热通量场(图 10e)中表现为通量大值区随时间自西向东逐渐增加,在地表感热场中(图 10d)处于75°E~100°E的准静止带;而林芝站(图 10fghi)在水汽通量散度场(图 10f)、200 hPa散度场(图 10g)、降水场(图 10h)中均为自东向西传播,在感热通量场(图 10i)中表现为通量大值区随时间自东向西逐渐增加,而在地表潜热场中(图 10j)处于80°E~100°E的准静止带中。两站的纬向传播几乎相反。两站低频振荡纬向传播明显,经向传播在不同的场有不同表现。从2014年7~8月10~20 d滤波的逐日地面降水图(图略)可知,狮泉河站降水异常主要受印度西北部的影响,而林芝站降水异常主要受孟加拉湾以及高原东南部的影响。因此,狮泉河站和林芝站在2014年7~8月分别存在两种起源不同的季节内振荡。

下一节将具体分析在10~20 d低频振荡的天气背景下,狮泉河站和林芝站处于干湿位相期间的日内陆气相互作用特征。

4 2014年夏季青藏高原陆—气相互作用日变化特征 4.1 两站近地面层气象要素日变化特征

图 11a可知,位于高原西部的狮泉河站温度日变化为“高—低—高”型,温度极小值在干位相出现在08时,气温大约为11℃,在湿位相出现在11时,气温大约为9℃,狮泉河站干位相当天无降水,湿位相当天降水有明显的日变化,峰值出现在03时(北京时,下同),降水量1.3 mm(图略),早晨气温低。通常温度极大值出现在午后14时,但狮泉河站干湿位相的温度极大值均出现在夜间20时,一方面是由于狮泉河地方时晚于北京时2小时40分,温度极大值出现的时刻滞后于14时,另一方面狮泉河处于半荒漠和荒漠地带,气候干旱少雨,土壤热传导率低,土壤表面蒸发较少,地气之间的能量传输以感热通量和土壤热通量为主,达到能量平衡所需的时间较长,因此温度出现极大值的时间滞后至20时,这与彭艳等(2005)得出的高原西部改则站温度极大值出现的时间滞后一致。狮泉河站比湿的日变化(图 11c)与温度呈反位相关系,干湿位相的日变化趋势相同,这一变化规律与彭艳等(2005)得出的高原西部改则站在干湿季的变化规律一致。干位相比湿在08时达到最大7.8 g kg-1,温度在此时最低(图 11a),随后减小,16时比湿达到最小值,为6.3 g kg-1。湿位相比湿在12时达到最大值,约为8.8 g kg-1,其温度也是在此时为最低,比湿在20时达到最小值7.5 g kg-1,其温度在此时为最高。

图 11 狮泉河站(上)、林芝站(下)干、湿位相气温(左列,单位:℃)、风速(中列,单位:m s-1)、比湿(右列,单位:g kg-1)的日变化。蓝色实线代表湿位相当天,红色实线代表干位相当天,下同 Figure 11 Diurnal variations of air temperature (left column, units: ℃), wind speed (middle column, units: m s-1), specific humidity (right column, units: g kg-1) for Shiquanhe station (top panels) and Linzhi station (bottom panels). The blue solid lines and red solid lines indicate the days of wet phase and dry phase respectively, the same below

位于高原东南部的林芝站地方时晚于北京时1小时40分,林芝站干湿位相降水均存在明显的日变化,干位相当天09时降水量达到最大值,1.2 mm,湿位相当天降水量最大值出现在正午,滞后于干位相,降水量为8 mm(图略),气温(图 11d)呈单峰型,在上午10时之前保持在14℃,10时之后气温上升,干位相在14时达到最大值20℃,湿位相达到最大值的时间滞后于干位相,在16时达到21℃,此后气温下降,温度从早到晚呈现出“低—高—低”的变化趋势。林芝站比湿日变化(图 11f)较狮泉河站复杂,由于干位相当天09时降水量达到最大值,因此干位相清晨比湿大于湿位相。下午14时,干位相比湿最小,而湿位相由于正午的降水量达到最大比湿也达到最大值,随后湿位相又减小,干位相增大,因此林芝站干湿位相比湿呈反位相关系。

白天大气边界层风速垂直变化主要发生在近地面层。狮泉河站风速日变化(图 11b)呈现“高—低—高”型,干、湿位相的变化与温度一致,干位相最小值出现在10时,0.8 m s-1,最大值出现在20时,4.5 m s-1。湿位相分别在02时和22时达到风速最大值,中午时段达到最小值。林芝站的风速日变化(图 11e)为“低—高—低”型,与其温度变化一致。这是由于白天近地层太阳加热增强,使上下温度梯度增大,大气趋于不稳定,风速随之增大,夜间则变小。

4.2 两站近地面层湍流通量日变化特征

图 12ae可知,狮泉河站和林芝站干、湿位相的动量通量τ具有明显的日变化规律,τ值日变化幅度不大,均为正值,表明上层风大于下层,动量向下传输。狮泉河站动量通量(图 12a)呈“单峰型”变化,清晨日出前后08时出现最小值,之后由于温度上升,层结趋于不稳定,τ值逐渐增大,至午后14时达到最大值,干位相为0.3 kg m-1 s-2,湿位相为1.4 kg m-1 s-2,此时大气层结最不稳定,之后随着太阳辐射的减小,温度降低,层结趋于稳定,τ值递减,晚上又达到最小。林芝站τ的变化(图 12e)与狮泉河站不同的是,干湿位相最大值的差距很小,干位相最大值为0.06 kg m-1 s-2,湿位相为0.07 kg m-1 s-2。白天,τ主要受热力因子控制,夜间由动力因子占主导。

图 12 狮泉河站(上)、林芝站(下)干、湿位相(a、e)动量通量(单位:kg m-1 s-2)、(b、f)感热通量(单位:W m-2)、(c、g)潜热通量(单位:W m-2)、(d、h)波文比的日变化 Figure 12 Diurnal variations of (a, e) momentum fluxes (units: kg m-1 s-2), (b, f) sensible heat fluxes (units: W m-2), (c, g) latent heat fluxes (units: W m-2), (d, h) Bowen ratios for Shiquanhe station (top panels) and Linzhi station (bottom panels), respectively

图 12bf分别为两站感热通量(HS)的日变化,图 12cg为两站潜热通量(HL)日变化。感热通量变化主要受垂直热量输送的影响(图 12c12g),HS的日变化与垂直热量输送日变化趋势一致。狮泉河站干湿位相的HS全天都为正值,日出后太阳辐射增大,温度上升,层结不稳定,HS值迅速增大,至20时温度达到最高(图 11a),此时HS值达到最大,干位相为130 W m-2,湿位相110 W m-2,之后随着太阳辐射减小,夜间层结稳定,HS值很小。林芝站HS日变化在14时达到最大,其温度也在14时最高(图 11d),之后逐渐减小,夜间保持在很小的负值。由于林芝站湿位相温度最大值略高于干位相,其湿位相HS最大值略大于干位相。狮泉河站干位相HS峰值几乎为林芝站干位相HS峰值的2倍,这种差异主要是不同下垫面造成的,与不同试验站所处的地形影响辐射和地表植被覆盖有关。

潜热通量的变化主要受垂直水汽输送的影响,HL的日变化与垂直水汽输送日变化趋势一致。狮泉河站干、湿位相潜热通量HL图 12c)均为正值,白天的HL值远大于夜间,由于日出后太阳辐射增加,温度上升,植物的蒸腾作用等水分的蒸发活动增强,HL值从08时开始迅速增大,直至午后16时达到日变化最大值,干位相20 W m-2,湿位相由于水汽含量较大温度较低,HL最大值为150 W m-2,林芝站HL值(图 12g)在日出前和日落后为负值,白天为正值,在15时达到最大值,干位相为200 W m-2,湿位相320 W m-2,由于林芝站下垫面状况以及降水较多,其HL的值要比狮泉河站大得多。之后随着太阳辐射减小,HL迅速减小,20时开始趋于平稳。由于两站特殊的下垫面性质,狮泉河站感热通量值大于林芝站,潜热通量小于林芝站,且狮泉河站干位相感热通量比湿位相大得多,潜热通量值比湿位相小得多,林芝站干湿位相感热通量和潜热通量没有相差太大,这与李娟等(2016)得出的青藏高原东南部晴天和阴雨天潜热通量变化不明显的结论一致。说明狮泉河站干位相下垫面水汽输送小,干湿位相分界明显。

图 12dh为狮泉河站和林芝站干湿位相的波文比日变化特征。波文比B=HS/HL,反映由于下垫面干湿状况而引起的热量分配的变化(李胜功等,1994),由波文比可知热通量交换过程中感热通量和潜热通量各自的作用。由图 12d可知,狮泉河站湿位相全天B<1,表明湿位相这天以潜热通量占主导,干位相在05时之前B<1,以潜热通量为主,05时之后B>1,以感热通量为主,尤其在18时其温度达到最大值的时候,B的值最大。由图 12h可知,林芝站干湿位相在08时之前B>±1,以感热为主,08时至24时,B<±1,以潜热为主导,说明在复杂地形下,感热通量与潜热通量两者的重要性有明显的差异。

4.3 两站近地面层湍流输送日变化特征

湍流动能(TKE)是湍流强度的度量,其随时间的变化体现了湍流动能的净收支状况,是衡量湍流发展或衰退的重要标志。图 13a为狮泉河站干湿位相的湍流平均动能,TKE从11时开始增大,干、湿位相均在20时达到最大值,且干位相最大值大于湿位相,干位相最大值为2.4 m2 s-2,湿位相最大值为2.1 m2 s-2,其变化与风速日变化(图 11b)相同。林芝站(图 13c)TKE日变化呈单峰型,干位相在14时达到最大值,1.2 m2 s-2,湿位相在18时达到最大值,1.8 m2 s-2,干位相到达最大值的时间提前于湿位相,且最大值小于湿位相,其变化也于风速日变化(图 11e)相同。因此,湍流平均动能与风速正相关,风速大时,对应的湍流动能也大,反之亦然,表明平均风速最大时,即是湍流输送最为强烈的时候。

图 13 狮泉河站(上)、林芝站(下)干、湿位相(a、c)湍流平均动能(单位:m2 s-2)、(b、d)垂直速度(单位:m s-1)的日变化 Figure 13 Diurnal variations of (a, c) average kinetic energy (units: m2 s-2) of turbulence, (b, d) vertical velocity (units: m s-1) for Shiquanhe station (top panels) and Linzhi station (bottom panels), respectively

图 13b为狮泉河站垂直速度随时间变化特征,干位相垂直速度日变化呈“双峰型”,分别在02时和18时垂直速度达到最大值0.1 m s-1,湿位相在02时达到下沉速度最大值,18时达到上升速度最大值,其日变化趋势与李家伦等(2000)提出的改则站近地面垂直速度的变化趋势一致,这种变化趋势与其特殊的下垫面的性质有很大关系,前面已提及。林芝站干湿位相垂直速度日变化(图 13d)均呈“单峰型”,00时至10时干、湿位相均为下沉运动且速度逐渐增大,10时之后转为上升运动,且干位相在13时达到最大值,湿位相15时达到最大值,滞后于干位相2小时,随后干湿位相垂直速度又减小,18时之后变为下沉运动,因此,林芝站在下午时段以上升运动为主,上午和夜间以下沉运动为主。

图 14ab图 14ef分别为狮泉河站和林芝站干、湿位相垂直动量输送随时间变化特征,即水平风分量uv与垂直风分量w的协方差的变化特征。由图可知,两站干湿位相在uv方向上垂直动量输送为负值,即动量均下传。由于大气边界层中下沉运动常伴随着较大风速,即w'<0,u'>0,而上升运动常伴随较小风速,即w'>0,u'<0,这两种情况都导致垂直动量输送小于0,造成动量向下输送。

图 14 狮泉河站(上)、林芝站(下)干、湿位相(a、b、e、f)垂直动量输送(a、e为经向输送,b、f为纬向输送,单位:m2 s-2)、(c、g)垂直热量输送(单位:℃ m s-1)、(d、h)垂直水汽输送(单位:g m-2 s-1)的日变化 Figure 14 Diurnal variations of (a, b, c, d) vertical momentum transport (VMT, units: m2 s-2, Figs. a and e represent meridional transport, Figs. b and f represent zonal transport), (c, g) vertical heat transport (VHT, units: ℃ m s-1), (d, h) vertical water vapor transport (VWVT, units: g m-2 s-1) for Shiquanhe station (top panels) and Linzhi station (bottom panels), respectively

图 14cg分别为狮泉河站和林芝站干、湿位相垂直热量输送随时间变化特征,即超声虚温θ′与垂直风分量w′的协方差的变化特征,由图可知,两站干、湿位相总体上均为热量向上传输。狮泉河站(图 14c)干湿位相垂直热量输送日日变化呈“单峰型”,08时之前在零值附近摆动,随着日照的增强,垂直热量输送日逐渐增大,感热向上传输,至下午16时,感热向上传输达到最大值,干位相最大值大于湿位相;林芝站垂直热量输送日变化(图 14g)趋势与狮泉河站相同,不同的是,林芝站湿位相最大值大于干位相,湿位相较活跃,而狮泉河站干位相较活跃。

图 14dh分别为狮泉河站和林芝站干、湿位相垂直水汽输送随时间的变化特征。两站水汽同样也为向上传输,狮泉河站湿位相水汽含量多、温度低,干位相水汽含量少、温度高,因此湿位相水汽上传比干位相大的多。林芝站(图 14h)与狮泉河站相同,干湿位相的差距比狮泉河站小。

5 总结和讨论

本文基于2014年7、8月“第三次青藏高原大气科学试验”加强期观测资料、中国气象局台站观测资料、多种再分析资料分别讨论了狮泉河站、林芝站在10~20天低频振荡的天气背景下其干、湿位相近地层气象要素的日变化特征以及湍流变化特征。所得的主要结论如下:

(1)2014年7、8月高原西部狮泉河站、东南部林芝站降水存在10~20天周期的低频振荡。

(2)狮泉河站、林芝站的高低空环流场、水汽通量场、视热源、地面感潜热通量的10~20 d低频分量在其干、湿位相期间的配置分别相反。两站在各自的干(湿)位相期间,高空200 hPa为辐合(辐散),对应低空500 hPa为下沉(上升)运动,这种高低空配置不利于(有利于)产生降水,水汽辐散(辐合),热汇(热源)。狮泉河站干(湿)位相低频地面感热通量为负(正)异常,低频潜热为正(负)异常,林芝站干(湿)位相低频感热通量为正(负)异常,潜热也为正(负)异常,说明低频地表感热和潜热的不同变化对降水的影响分别在高原西部和东部有不同表现。

(3)从10~20 d滤波的时间—经度剖面图可知,狮泉河站低频振荡自西向东传播,而林芝站低频振荡自东向西传播,两站降水异常受不同地区影响,就其纬向传播而言,狮泉河站和林芝站分别存在两种不同起源的低频振荡,经向传播不明显。

(4)两站干、湿位相的近地面气象要素以及湍流通量具有明显的日变化特征,通常温度极大值出现在午后14时,但狮泉河站干、湿位相的温度极大值均出现在夜间20时,是因为狮泉河处于半荒漠和荒漠地带,气候干旱少雨,土壤热传导率低,土壤表面蒸发较少,地气之间的能量传输以感热通量和土壤热通量为主,达到能量平衡所需的时间较长,导致温度出现极大值的时间滞后。狮泉河站干湿位相比湿呈相同的变化趋势,林芝站干湿位相比湿为反位相关系。动量通量、感热通量、潜热通量均呈单峰型。狮泉河站湿位相动量通量和潜热通量最大值略大于干位相,感热通量在18时达到最大且最大值小于干位相;林芝站湍流通量最大值均为湿位相略大于干位相。由波文比可知,狮泉河站湿位相全天以潜热为主导,干位相期间,05时之前潜热为主,05时之后以感热为主;林芝站干湿位相均为08时之前以感热为主,08时之后以潜热为主。两站湍流动能的日变化与平均风速的日变化相同,平均风速最大时,即是湍流输送最强的时候,垂直动量输送表现为向下传输,垂直热量输送和垂直水汽输送均为向上传输。

需要指出的是,由于科考资料的局限性,本文只选取了2014年7、8月的两个站点进行近地面层各要素的日变化特征分析,进一步的工作可以基于更长时间尺度的资料和更多的站点进行地表能量平衡等更深入的分析。

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