大气科学  2017, Vol. 41 Issue (6): 1234-1245   PDF    
基于加密探空资料对不同海拔高度台站边界层大气的对比分析
卢萍1, 杨康权2, 李英1     
1 中国气象局成都高原气象研究所/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 成都 610072
2 四川省气象台/高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室, 成都 610072
摘要: 本文利用中国气象局成都高原气象研究所西南涡加密观测试验获取的探空资料及地面台站资料,对比分析了高原东侧的四川省境内不同海拔高度台站的边界层特征,结果表明:高海拔地区地表大气受陆面的影响更为剧烈,日变化幅度更大,且极值出现时间更早。温度/比湿/风速的差异都主要体现在低层边界层大气中,越靠近地面,差异越显著。其中,温度递减率在02:00(北京时,下同)最小,14:00最大,高海拔测站受陆面影响的大气层厚度比低海拔测站大,低海拔测站在近地层300 m以下大气中存在明显的逆温现象。14:00近地层大气的比湿最小,午夜02:00近地层大气的比湿最大,高海拔地区低层大气的平均比湿递减率小于低海拔地区。高海拔地区风速日变化幅度大,4个时次的风速廓线形态差异也大;低海拔地区风速变化幅度小,4个时次的风速廓线形态也比较一致。高海拔台站地表大气的日变化幅度大,极值出现时间略早。
关键词: 探空资料      日变化      垂直递减率      变幅     
A Comparative Analysis of Atmospheric Boundary Layer Based on Intensive Sounding Data at Different Altitude Stations
LU Ping1, YANG Kangquan2, LI Ying1     
1 Institute of Plateau Meteorology, China Meteorological Administration(CMA)/Heavy Rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072
2 Sichuan Meteorological Observatory/Heavy Rain and Drought-Flood Disasters in Plateau and Basin Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610072
Abstract: The atmospheric boundary layer characteristics at different altitude stations in Sichuan Province on the eastern edge of the Tibetan Plateau were analyzed and compared using southwest vortex intensive sounding data. The conclusions are as follows. The surface layer at high altitude stations is more influenced by land surface processes; its diurnal variation is also stronger. Temperature lapse rate in the surface layer is the most remarkable, and the daily minimum/maximum value appears at 0200 BT/1400 BT (Beijing time). The depth of the atmosphere layer affected by land surface processes is larger at high altitude stations than at low altitude stations. Temperature inversion obviously occurs below 300-m height at low altitude stations. Specific humidity in the surface layer is the smallest at 1400 BT and the biggest at 0200 BT, and its diurnal variation in the surface layer is slightly greater at high altitude stations than at low altitude stations, while the mean lapse rate in the middle and lower atmosphere is smaller at high altitude stations than at low altitude stations. Wind speed varies within a much wider range at high altitude stations and the vertical wind profiles four times a day are very different from each other, but the opposite is true at low altitude stations. The daily variation amplitude of the surface layer is larger and extreme values appear slightly earlier at high altitude stations.
Key words: Sounding data      Diurnal variation      Lapse rate      Amplitude     
1 引言

地面和大气之间的相互作用是通过大气边界层来完成的,因此,充分认识大气边界层结构和边界层的各种动力和热力过程非常必要。青藏高原东侧的四川地区,地形地貌多变,海拔变化范围大,以往的试验多关注青藏高原主体,对青藏高原地区的大气边界层已有所研究(祁永强等,1996苗曼倩等,1998马耀明等, 2000, 2002王绍令等,2002周明煜等,2002Liu et al., 2002左洪超等,2004Kumar et al., 2010刘辉志等,2013许鲁君等,2014李娟等,2016),已有的研究证实高原大气边界层结构与平原地区有着明显不同。观测分析的结果表明,高原大气边界层的高度受天气、季节和位置的影响,其高度值在1006~4430 m之间变动(刘红燕和苗曼倩,2001卓嘎等,2002李茂善等, 2004, 2006Zuo et al., 2005李英等,2008; Li et al., 2011)。这些分析多是利用单个站点的观测资料进行研究,且大多数分析仅针对对流边界层,对青藏高原边坡及其下游地区稳定边界层的研究相对较少。本文的目的是利用中国气象局成都高原气象研究所(简称高原所)加密探空试验获取的多台站连续观测资料(李跃清等,2010卢萍等,2012),分析青藏高原东侧边坡地带及四川盆地区域的大气边界层结构特征,以期对青藏高原地气相互作用、区域模式参数化方法(王蓉等,2015)的改进、以及大气污染物的散布(王颖等,2013)有所贡献。

2 资料及观测台站的分布

西南涡加密探空实验是高原所自2010年开始开展的一项大气科学实验,试验时段为6月21日至7月31日,试验期间每天进行4次(02:00、08:00、14:00和20:00;北京时,下同)探空观测,站点分布在高原东坡及四川盆地,分别是四川的7个常规探空站(甘孜、红原、温江、巴塘、宜宾、西昌和达县)及在高原增设的4个站(九龙、名山、剑阁和金川)。鉴于篇幅和资料质量的缘故,本文主要选用2015年6个观测站(巴塘、九龙、红原、剑阁、名山和宜宾)的探空资料,进行边界层大气特征的对比分析。6个站点的位置分布如图 1所示,具体经纬度和海拔高度值请见表 1

图 1 巴塘、九龙、红原、剑阁、名山、宜宾6个观测台站的分布 Figure 1 Geographic distribution of the six observation stations (Batang, Jiulong, Hongyuan, Jiange, Mingshan, and Yibin)Fig. 2

表 1 6个台站的位置及海拔高度 Table 1 Locations and altitudes of six stations
3 中低层大气物理特性的对比分析

图 2是探空观测的41天平均的逐个时次温度廓线。温度随高度增加而逐渐降低,不同时次的温度差异主要体现在低层大气中,越靠近地面,差异越显著。高海拔测站4个时次的大气温度廓线在距离地面2000 m高度处方才较为一致,而低海拔地区测站的温度廓线则在地面以上几百米的高度就几乎重叠在一起了。近地层大气的日变化显著,08:00温度最低,其次是02:00,高海拔测站近地层大气温度在14:00最高,中上边界层(除九龙站)是20:00温度最高,而低海拔测站则是20:00最高。低海拔测站在02:00/08:00,低层大气存在显著的逆温现象,该逆温现象出现在日出前,日落后,乃典型的辐射逆温。由此可见,高海拔地区低层大气温度受陆面的影响更为剧烈,日变化幅度更大。

图 2 探空观测的41天平均的4个时次的温度廓线(单位:K):(a)巴塘;(b)九龙;(c)红原;(d)剑阁;(e)名山;(f)宜宾 Figure 2 Temperature profiles at four times (BT: Beijing time) a day of from sounding observations averaged over 41 days (units: K): (a) Batang, (b) Jiulong, (c) Hongyuan, (d) Jiange, (e) Mingshan, and (f) Yibin

大气温度垂直递减率定义为

$\gamma = - \frac{{{\rm{d}}T}}{{{\rm{d}}Z}},$ (1)

其中,T为整百米高度上的温度值,dT为相邻两个高度上温度值之差,Z是海拔高度值,dZ是固定值100 m。这6个观测站的大气垂直递减率廓线(图 3)显示,4个时次的大气温度垂直递减率在自由大气层中基本维持在6 K km-1左右,最大差异表现在中低层边界层大气中,越靠近地面,差异越显著。02:00/08:00在近地层的递减率明显小于14:00/ 20:00。从各个台站单独来分析:巴塘站近地层02:00的温度递减率最小,极小值甚至低于0 K (100 m)-1,近地层以上大气的温度递减率范围在0.5 K (100 m)-1左右。08:00大气温度递减率略低于02:00的温度递减率,20:00最下层大气的温度递减率略大于08:00,14:00低层大气的温度递减率最大,尤其是近地层,极值达到1.5 K (100 m)-1。九龙站02:00/08:00低层大气温度递减率较小,在0.4~0.5 K (100 m)-1之间波动,20:00低层大气的温度递减率在0.7~0.8 K (100 m)-1之间波动,14:00低层大气的温度递减率同样是最大的,近地层超过0.9 K (100 m)-1。红原站02:00近地层的温度递减率最低,为负值,说明该时段近地层大气存在逆温现象。20:00大气的温度递减率略高于0.6 K (100 m)-1,14:00近地层大气的温度递减率超过1.2 K (100 m)-1。剑阁站02:00低层大气的温度递减率最小,在800 m以下的大气中甚至出现温度随高度增长而增加的逆温现象。08:00低层的温度递减率也非常小,在0~0.3 K (100 m)-1之间。20:00大气的温度递减率分布在0.6 K (100 m)-1左右,14:00中低层大气的温度递减率非常大,近地层的值为0.9 K (100 m)-1,向上层逐渐减小,在1200 m处于20:00的廓线基本重叠。名山站02:00/08:00大气的温度递减率廓线相一致,近地层900 m以下的大气层的递减率为负值,存在明显的逆温层,其上层的大气温度递减率从0逐渐升高到0.6 K (100 m)-1左右,1400 m高度以上基本维持该值。20:00的温度递减率在1000 m以下逐渐从0.4 K (100 m)-1增长到0.6 K (100 m)-1,其上层大气的温度递减率基本维持。而14:00的温度递减率在1000 m大气以下层较高,从近地层的1.0 K(100 m)-1逐渐减小到0.6 K (100 m)-1。宜宾站的同样是02:00近地层大气的温度递减率最小,且存在明显的逆温现象,08:00次之,这2个时次的温度递减率在逆温层以上是逐渐增加的。14:00/20:00低层大气的温度递减从地面向上是逐渐减小的,20:00大气最大递减率为0.8 K (100 m)-1,14:00最大,近地层大气温度递减率超过1.0 K (100 m)-1。4个时次的温度递减率廓线在1000 m以上高度比较一致。高海拔测站和低海拔测站相较而言:4个探空时次,温度递减率差异最显著之处都位于近地层大气中,02:00最小,且为负值,揭示了该时段为逆温最常出现的时段,14:00最大,直接取决于陆面受太阳辐射造成的升温影响,高海拔测站受陆面影响的大气层厚度比低海拔测站大。低海拔测站在近地层300 m以下大气中存在明显的逆温现象。高海拔地区因为太阳辐射强烈,日出后地表升温快,日落后,由于空气稀薄,水汽杂质含量少,地表容易散热等原因,降温迅速,所以日较差大,符合大陆性气候特征。

图 3图 2,但为温度递减率廓线,单位:K (100 m)-1 Figure 3 Same as Fig. 2, but for lapse rates of temperature profiles, units: K (100 m)-1

观测的比湿廓线(图 4)显示:比湿随高度的增长而减少。巴塘站08:00/14:00低层大气的比湿较小,02:00/20:00近地层大气的比湿较大。九龙站近地层比湿同样是14:00最小,02:00最大。红原站近地层比湿同样是14:00最小,其次是20:00,02:00最小。剑阁站也是14:00最小,其他3个时次的比湿比较一致。名山站08:00最小,02:00最大。宜宾站同样是14:00最小,02:00最大。总的来说,低层(尤其是近地层)大气比湿同样具有显著的日变化:正午14:00近地层大气的比湿最小,午夜02:00近地层大气的比湿最大。高海拔测站地面比湿的日变化幅度2 g kg-1左右,低海拔测站(剑阁、名山)地表大气比湿的日变化幅度较小,在1 g kg-1左右,宜宾站较大,约3 g kg-1

图 4图 2,但为比湿廓线,单位:g kg-1 Figure 4 Same as Fig. 2, but for specific humidity profile, units: g kg-1

大气比湿垂直递减率定义为

$\gamma = - \frac{{{\rm{d}}Q}}{{{\rm{d}}Z}},$ (2)

其中,Q为整百米高度上的湿度值,dQ为相邻两个高度上比湿值之差,dZ是固定值100 m。6个观测台站的比湿递减率如图 5所示:巴塘站比湿递减率在0.2 g kg-1(100 m)-1左右,最大递减率出现近地层大气中,其值约为0.4 g kg-1(100 m)-1图 5a)。九龙站低层大气的比湿递减率也在0.2 g kg-1 (100 m)-1左右,同样是02:00近地层大气的比湿变化最大,而08:00则最小(图 5b)。红原中低层大气的比湿递减率在0.3 g kg-1(100 m)-1左右,20:00和02:00近地层大气的比湿递减率都比较大,14:00最小(图 5c)。剑阁站中低层大气的比湿递减率也在0.2 g kg-1(100 m)-1左右,02:00近地层大气的比湿递减率最大,极值超过0.4 g kg-1(100 m)-1,08:00最小(图 5d)。名山站4个时次中低层大气的比湿递减率差异较小,均值约为0.3 g kg-1(100 m)-1,但其近地层大气的比湿递减率非常大,极值超过0.9 g kg-1(100 m)-1,衰减速度快。依然是02:00最大,14:00最小(图 5e)。宜宾站低层大气的比湿递减率在0.3 g kg-1(100 m)-1左右,4个时次近地层大气比湿递减率差异非常显著,最大值仍然出现在02:00,其极值约为0.5 g kg-1(100 m)-1,最小值也是出现在14:00,其值为负,呈现逆湿现象(图 5f)。总体来说,高海拔地区湿度小,因此其中低层大气的平均比湿递减率[约0.2 g kg-1(100 m)-1]小于低海拔地区[约0.3 g kg-1(100 m)-1]。分时次而言,02:00近地层的比湿递减率最大,14:00则最小。

图 5图 2,但为比湿垂直递减率廓线,单位:g kg-1 (100 m)-1 Figure 5 Same as Fig. 2, but for decreasing rate profiles of specific humidity, units: g kg-1 (100 m)-1

巴塘站4个时刻的风速在近地层都非常小,然后随高度逐渐增加,其中20:00的风速最大,08:00最小(图 6a)。九龙站02:00和08:00的风速较小,14:00和20:00的风速较大,14:00风速在低层3100 m高度附近达到极值,此后在边界层内随高度逐渐减弱,20:00风速在3900 m高度附近达到极值,与其他3个时次相比,该时次的风速最大(图 6b)。红原站低层大气风速在02:00/08:00最小,其次是14:00,20:00风速最大,其中14:00和20:00在近地层到边界层顶之间风速稳定少变,表现出为对流边界层风速特征(图 6c)。剑阁站边界层风速表现为典型的稳定边界层特征:即近地层风速随高度很快地增加,此后随高度增速减缓,在边界层中上部达到极大值,再向上则随高度稍微减小,到边界层顶处趋于地转风。4个时次的风速差异不明显,仅在极大值处风速存在一定的差异,该高度附近风速表现为,08:00>02:00>14:00/20:00(图 6d)。名山站02:00和08:00在低层约900 m高度附近存在一个风速极大值,1000~1600 m高度之间风速稳定少变,其值为3 m s-1左右,该分布特征也许与它的地理位置有一定关系,有待更多的资料进行验证(图 6e)。宜宾站4个时次的风速廓线非常一致,皆表现为稳定边界层风场特征,风速日变化小(图 6f)。总体来说,高海拔地区风速日变化幅度更大,晚上20:00风速最大,凌晨08:00的风速最小,风速廓线形态差异大;低海拔地区风速变化幅度较小,4个时次的风速廓线形态也比较一致。

图 6图 2,但为风速廓线,单位:m s-1 Figure 6 Same as Fig. 2, but for wind speed profiles, units: m s-1

大气风速切变定义与温度相似,这里同样给出100 m高度之间的风速之差。巴塘站风速递减率在0 m s-1(100 m)-1左右,最强递减出现在近地层大气中,其值约为-1 m s-1(100 m)-1图 7a)。九龙站低层大气的风速递减率也是略小于0 m s-1(100 m)-1,只有14时低层风迅速增长到一个极大值后开始减弱,因此风速增长率为正(图 7b)。红原中低层大气的风速递减率在0 m s-1(100 m)-1左右,只有近地层风速迅速增大,20:00近地层大气的风速递减率较大(图 7c)。剑阁站中低层大气的风速递减率略小于0 m s-1(100 m)-1,说明其从近地层向上风速逐渐增大(图 7d)。名山站在900 m以下的低层大气的风速递减率为较大的负值,说明其风速增长很快,近地层大气的风速递减率非常大,达到极值后又快速减小,衰减速度也快(图 7e)。宜宾站低层大气的风速递减率超过-1 m s-1(100 m)-1,900 m以上递减率即在0 m s-1(100 m)-1左右波动(图 7f)。总体来说,高海拔地区低层大气的风速增长率变幅大于低海拔地区。分时次而言,在低海拔地区02:00/20:00近地层的风速递减率最大,14:00则最小。

图 7图 2,但为风速切变廓线,单位:m s-1 (100 m)-1 Figure 7 Same as Fig. 2, but for vertical wind shears, units: m s-1 (100 m)-1
4 不同天气背景的大气廓线

通过地面降水资料选取各个台站有雨日和无雨日,对比这两种天气背景下的14:00对应的大气廓线。先分析高海拔台站大气廓线的对比图(图 8),有雨日的边界层中下部的大气温度明显低于无雨日,边界层上层则相反,有雨日的气温高于无雨日(图 8a)。有雨日整个边界层的大气比湿都远远高于无雨日,相差幅度超过3 g kg-1图 8b)。有雨日边界层的中上部的风速较无雨日大,低层则是无雨日风速略大(红原除外),风速差值在1 m s-1左右(图 8c)。再比较低海拔台站的大气廓线对比图(图 9),大气温度廓线同样表现为无雨日边界层大气温度高于雨天,剑阁站边界层上部有雨日的气温高过无雨日(图 9a)。就比湿而言,边界层下部同样是有雨日大,无雨日小,中部则相反(剑阁站例外),顶部有雨日又超过了无雨日(图 9b)。有雨日整个边界层的风速都大于无雨日,剑阁站风速差异最小,边界层上部无雨日风速还超过了有雨日(图 9c)。高低海拔台站有雨日边界层中下部的温度都低于无雨日,高海拔台站有雨日的大气湿度显著大于无雨日,低海拔台站有雨日的风速则明显超过无雨日。这个现象反映了高原地区降水需要大气具有相当的水汽含量,而低海拔地区降水则有风的输送/辐合。

图 8 高海拔台站有雨日(实线)和无雨日(虚线)14:00的大气对比廓线:(a)温度(单位:K);(b)比湿(单位:g kg-1);(c)风速(单位:m s-1)。红色线代表巴塘,蓝色线代表九龙,绿色线代表红原 Figure 8 Comparison of vertical profiles of atmospheric elements between rainy days and non-rainy days at 1400 BT at high-altitude stations: (a) Potential temperature (units: K); (b) humidity (units: g kg-1); (c) wind speed (units: m s-1). Red lines denote Batang, blue lines denote Jiulong, green lines denote Hongyuan

图 9 低海拔台站有雨日(实线)和无雨日(虚线)14:00的大气对比廓线:(a)温度(单位:K);(b)比湿(单位:g kg-1);(c)风速(单位:m s-1)。红色线代表剑阁,蓝色线代表名山,绿色线代表宜宾 Figure 9 Comparison of vertical profiles of atmospheric elements between rainy days (solid lines) and non-rainy days (dashed lines) at 1400 BT at low-altitude stations: (a) Potential temperature (units: K); (b) humidity (units: g kg-1); (c) wind speed (units: m s-1). Red lines denote Jiange, blue lines denote Mingshan, green lines denote Yibin
5 地表大气的日变化特征

每日4个时次的探空对日变化的刻画略显不足,因此再采用台站的逐时资料给出观测期间地表大气物理量的日变化形态(图 10)。首先比较地表大气温度(图 10a),各个台站温度皆呈现一峰一谷的日变化特征,测站海拔高度越低,地表大气温度越高,因此,宜宾站最高,红原站最低。巴塘站最高温度出现在15:00,约为27℃,最低温度出现在07:00,约14.8℃,变化幅度12℃左右。九龙站最高温度出现在14:00,约为21℃,最低温度出现在07时,约11℃,变化幅度10℃左右。红原站最高温度出现在14:00,约为16℃,最低温度出现在06:00,约5℃,变化幅度11℃左右。剑阁站最高温度出现在16:00,约为30℃,最低温度出现在07:00,约21.5℃,变化幅度8.5℃左右。名山站最高温度出现在15:00,约为29℃,最低温度出现在07:00,约21.5℃,变化幅度6.5℃左右。宜宾站最高温度出现在16:00,约为31℃,最低温度出现在07:00,约24℃,变化幅度7℃左右。高海拔台站的温度变幅较大,温度极大值出现时间也最早。相对湿度与温度几乎是反位相的(图 10b),也是一峰一谷结构,峰值出现在06:00~07:00,谷值出现在15:00~16:00,九龙/红原站谷值时间出现最早,在14:00。巴塘站的相对湿度范围在32%~75%,变幅约为43%;九龙站的相对湿度范围在51%~89%,变幅为38%左右;红原站的相对湿度范围在54%~93%,变幅为39%;剑阁站的相对湿度范围在53%~88%,变幅为35%,名山站的相对湿度范围在60%~90%,变幅为30%;宜宾站的相对湿度范围在54%~84%,变幅约为30%。高海拔台站相对湿度的变化幅度最大。6个台站地表大气的风速都较小,最大风速出现在午后14:00~18:00之间,九龙站的风速最大,接近0.7 m s-1,宜宾站风速最小,在0.1 m s-1左右(图 10c)。各个台站的气压随海拔高度升高而降低,气压呈现双峰双谷结构(图 10d),最大峰值出现在09:00~10:00,次峰值出现在23:00~00:00,最低谷值出现在17:00~18:00,次谷值出现在03:00~04:00。九龙站最低谷值出现时间在16:00,巴塘/红原最低谷值出现在17:00,相对较早。就日变幅而言,巴塘站最大,约6 hPa。总体来说,高海拔台站的地表大气的日变化幅度大,极值出现时间略早。通过相关系数(表略)得知,高海拔台站,地表温度和湿度、气压的具有较强的相关性,即温度与湿度之间表现为正相关,气压与温度则存在负相关。低海拔台站温度与湿度没有明显的相关性,与气压的相关性较之高海拔台站也较弱。

图 10 6个台站地表物理量场的日变化特征:(a)温度(单位:℃);(b)相对湿度;(c)风速(单位:m s-1);(d)气压(单位:hPa;为了绘图方便,以九龙站为标,根据海拔高度差异将其他台站的气压减去一个相应的定值) Figure 10 Diurnal variations of surface physical quantities at six stations: (a) Temperature (units: ℃), (b) relative humidity, (c) wind speed (units: m s-1), and (d) pressure (units: hPa, for the convenience of figure plotting, Jiulong station is taken as a reference station, and pressures at other stations are adjusted by the elevation differences between these stations and Jiulong)
6 小结

本文基于高原所在青藏高原东侧地区所获取的西南涡加密观青藏探空资料,选取不同海拔高度的6个台站资料,针对他们边界层大气特征进行对比分析,得到以下结论:

(1)地表大气物理量值的日变化特征显示高海拔地区地表大气受陆面的影响更为剧烈,九龙和巴塘2个高海拔台站的温度/比湿/风速/气压的日变化幅度都较大,且极值出现时间早于其他几个低海拔台站。

(2)4个探空时次观测的大气温度/比湿/风速在边界层中都具有明显的日变化特征,越靠近地面,差别越显著。温度递减率在02:00最小,14:00最大,直接取决于陆面受太阳辐射造成的升温影响,高海拔测站受陆面影响的大气层厚度比低海拔测站大。低海拔测站在近地层300 m以下大气中存在明显的逆温现象。14:00近地层大气的比湿及其递减率皆最小,02:00近地层大气的比湿和递减率都最大。高海拔地区边界层内风速日变化幅度更大,4个时次的风速廓线形态差异也大;低海拔地区风速变化幅度较小,4个时次的风速廓线形态也比较一致。

(3)高海拔台站地表大气的日变化幅度大,极值出现时间略早。

另外,文中分析的台站有的位于高原东坡,有的位于四川盆地,也有的位于丘陵地带,他们除了海拔高度的差异,同时在地里位置、下垫面状况等方面也存在较大的差异,本文仅以海拔高度将其归类进行对比分析是非常粗略的,有待下一步继续深入细化研究。

参考文献
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