青藏高原及周边地区大范围的高原热力、动力作用及其地—气物理过程对我国东部和南部、亚洲地区乃至全球的气候变化和灾害性天气的形成均有重大影响。观测及一些理论研究揭示，高原及周边地区是引起中国区域甚至东亚地区洪涝异常的水汽输送关键区，亚洲季风爆发相关的水汽通道、高原周边水汽源、东亚季风水汽源、中低纬海洋潜热源的作用都突出表现在这一区域，即高原与中低纬季风系统成员活动及其能量、水份循环“活跃区”(徐祥德等，2002)。经过青藏高原两次科学试验及其它一些科学试验，在高原核心区东西部、珠穆朗玛峰北部等地区获取了大量的观测资料基础上，国内外大气科学研究者对该地区的环流背景、天气特征及地气相互作用过程等做了较多的研究，对高原核心区的近地面边界层地—气过程的物理结构等有了较深入和全面的认识(徐祥德等，2001)。然而，到目前为止，我们对中国区域乃至东亚地区影响甚大的季风水汽输送“关键区”的地气相互作用过程，还缺乏较为系统的观测和深刻的认识。

气候资料分析表明，在高原东南侧的水汽输送关键区，每年春夏之间随季节的变化，背景环流出现季节性转变，区域内及附近雨季开始。雨季开始前后背景环流的转变导致近地层温度、湿度、风速和风向的变化改变了近地面边界层的大气结构；雨季开始前后大气水汽含量的变化及云量的变化、雨季降雨量的变化所导致的土壤湿度、温度的变化等改变了地表接收太阳辐射能量的大小和能力；另一方面，下垫面状况，特别是植被的变化对近地层大气水汽含量变化、地表接收和反射太阳辐射能量的能力等也具有非常重要的影响。而对于这种由于环流背景的变化、复杂地形条件下局地环流的变化以及下垫面状况的变化对于水汽输送关键区的地－气交换产生的变化特征及可能的物理机理，我们尚缺乏足够的了解和认识。

模拟研究和观测资料分析表明，虽然边界层数值模式可以较好地模拟边界层的温度、湿度廓线结构(洪雯等，2011)，但在大气边界层内，再分析资料存在较大误差(肖霞等，2009)。而不同区域不同季节的观测分析表明，边界层热力和动力结构及通量交换的变化与近地层逆温、局地暴雨等重要天气的发生发展存在密切和复杂联系(朱治林等，2001；王欣等，2003；董佩明和赵思雄，2003；王林等，2011)。因此，受下垫面的动力和热力影响，复杂地形和非均一下垫面地区的边界层特征和微气象条件对大气对流运动以及降水所产生的影响，是近几年来外场试验的主要研究目标之一；如2007年在欧洲阿尔卑斯山区开展的COPS试验(Convective and Orographically-inducedPrecipitation Study)(张强和胡隐樵，2001；Kalthoff et al., 2011)，2005～2010年在青藏高原及邻近地区开展的JICA(JapanInternational Cooperation Agency)“中日气象灾害合作研究中心”试验等(徐安伦等， 2010，2011)，以及20世纪末期开展的南海季风试验(闫俊岳等，2000)等。JICA试验利用在高原和邻近地区布设的自动站网、地基GPS水汽探测网、不同下垫面边界层通量观测站、风廓线雷达及加密探空观测，获取了大量的综合观测资料。利用观测资料，中日气象学者对高原地区边界层条件和局地灾害性天气的关系、高原下垫面热力条件对下游区域天气气候的影响等做了初步的分析和研究。由于青藏高原的动力、热力影响在东亚区域天气气候的重要性，近年来在高原主体区域还开展了其他一些外场观测试验。利用高原地区的观测试验资料，马耀明等(2000)、周明煜等(2000)、张强和曹晓彦(2003)、钱泽雨等(2005)、李茂善等(2008)、李跃清等(2009)对高原主体的一些地区的近地层地气物质、能量交换特征、地表微气象条件等开展研究并取得了一些有意义的进展。

大理观象台地处青藏高原东南缘，既受东亚季风的影响，也受南亚季风的影响。大理测点位于最高海拔约4100 m的苍山和平均海拔1972 m的洱海之间的平坦农田中。本文将利用2008年4～5月大理观象台近地层综合观测资料，分析西南季风爆发前后大理近地层风速、风向及近地面层垂直廓线的变化特征，为进一步研究高原东缘地区陆面过程的变化机理、机制提供依据。

大理国家气候观象台(25°42′N，100°11′E)位于云南省大理白族自治州大理市古城区行政区域内，处于大理苍山和洱海之间的国家农田保护区内，西距苍山约4 km，东距洱海西岸约2 km，海拔1990.5 m。观象台所在区域地形平坦，处于北亚热带高原季风气候区，年平均气温15.1 °C，最热月平均气温20.1 °C，最冷月平均气温8.7 °C，气温年较差平均为11.4 °C，日较差达11.6～13.1 °C，年均降雨量为1078.9 mm(均为1971～2000年的气候平均)。受季风气候影响，干湿季分明；冬、春季平均降雨量仅为141.7 mm，夏、秋季平均降雨量为937.2 mm。下垫面为水稻/蚕豆轮作种植区，每年5～10月为水稻种植期，11月至次年4月为蚕豆种植期。

大理观象台边界层观测主要观测近地面层基本气象要素、土壤温度、土壤湿度以及近地面层的湍流通量。20 m观测塔位于观测场东北区域(见图 1)，安装了4层(2、4、10、20 m)风速传感器(MET ONE 034A)和温湿度传感器(Vaisala HMP45C-GM)，20 m高度安装风向传感器(MET ONE 034B)。地面观测包括地表温度(红外测温计，Campbell，IRR-P)、气压和雨量计(Vaisala，PTB220，RG13H2NN)。辐射观测包括向上、向下太阳辐射(Kipp & ZONEN，CNR1)及向上、向下长波辐 射(Kipp& ZONEN，CNR1)，辐射仪器在农田下垫面被安装于1.5 m高度上。同时还测量0～100 cm(4 cm、10 cm、20 cm、60 cm、100 cm)5层土壤温度(Campbell，107)以及0～100 cm(4 cm、10 cm、20 cm、60 cm、100 cm)5层土壤体积含水量(Campbell，CS616)。采用热流量板测土壤热通 量，每个观测站测地表以下4 cm及10 cm处2层的土壤热通量(HFP01)。所有平均场采样频率为 2 s取一次，10min给出一组平均值，平均值存在CR1000采样器中。湍流观测仪器由超声风速温度仪(CSAT3)、湿度和CO₂脉动仪(Li-Cor，LI7500)组成，测量动量、热量、水汽及CO₂湍流通量。湍流仪器被安装于距地面5.08 m高度上，采样频率为10 Hz，采用CR3000采集器采样，用1G PCMCIA卡储存，20d换卡一次。所有仪器采用市电供电，除仪器出现故障、仪器检修，或因天气、供电等原因出现的缺测外，观测几乎一直连续进行。在非生长季农田下垫面无作物，地表为裸土覆盖；生长季主要作物分别为蚕豆和水稻，蚕豆植株最高可达 1.0 m左右，水稻植株最高可达0.8 m左右(观测项目和设备等详见表 1)。

图 1

Fig. 1

图 1 大理观象台边界层观测塔Fig. 1 Boundary layer observation tower at Dali Meteorological Observatory

表 1(Table 1)

表 1 大理观象台边界层塔观测项目表Table 1 Observation items and devices from boundary layer tower at Dali Meteorological Observatory

表 1 大理观象台边界层塔观测项目表Table 1 Observation items and devices from boundary layer tower at Dali Meteorological Observatory

观测资料在进行分析以前，先进行资料质量控制，去掉不合理或因仪器出现故障，或天气等原因产生的野点。平均场每个样本取样时间长度均为 30 min，湍流场及辐射资料每个样本取样时间长度均为30 min，湍流10Hz原始资料采用Edire软件来进行后处理。本文分析的湍流动量通量结果由涡动相关测量系统测得。

已有研究表明，2008年夏季风爆发偏早、偏强，而高原地区雨季开始时间与季风爆发时间基本对应(李菲和段安民，2011)。大理地区2008年雨季自5月中旬开始。由图 2可见，5月上旬在南中国海附近存在一个反气旋环流，中南半岛北部到云南东南部及广西大部地区为其外围的偏西南气流控制。在30°N以北，100°E以东的东亚中高纬地区有较强的西北气流，30°N以南到25°N，100°E以东地区以较强偏西气流为主。孟加拉湾东北部沿海区域有一低槽，槽前西南气流和南海反气旋外围的西南气流在中南半岛北部到我国西南地区东南部汇合形成了范围较大的西南气流区，而孟加拉湾中部到南部基本为平直西风气流控制。进入中旬后，500 hPa环流变化明显，随着东亚中高纬地区强西北气流南下，西北气流南移到(25°N，100°E)以东区域，南海附近的反气旋环流急剧减弱，而孟加拉湾东北部低槽仍然存在，槽前西南气流仍控制了中南半岛西北部到云南西部至西南部附近。同时在青藏高原地区出现了明显的气旋性环流，其南部的西南气流和孟加拉湾东北部低槽前的西南气流叠加，控制了青藏高原南部到中南半岛西北部(包含云南西部到西南部地区)的广大地区，大理即在此范围内。5月下旬低纬地区环流变化明显，随着赤道辐合带的北抬，10°N以南区域大部为偏东气流控制，与上中旬相比完全转向。孟加拉湾北部低槽减弱明显，云南大部地区基本以偏西气流为主。对应在850 hPa层上(图 2d−2f)，5月上旬孟加拉湾北部低槽较弱，南海附近高压外围的强西南气流主要控制了南海北部到我国广东、广西沿海地区。云南大部地区基本为弱的偏西气流控制。进入中旬，南海地区出现气旋性环流，配合500 hPa环流场，以湖南为中心我国南方地区为反气旋性的冷高压控制。青藏高原南侧上空和南海低压之间在大陆南方反气旋后部共同形成了强偏南气流通道，而这股气流汇合了来自孟加拉湾和南海的充沛水汽并在云南西部地区有明显辐合，为大理雨季的开始提供了丰富的水汽来源。5月下旬后，随着10°N附近的强西风气流北抬到15°N一线，原在南海地区的低压环流减弱消失，南海到云南及青藏高原南侧的水汽来源也随之消失。但随着高层环流的季节性变化，高原南侧到孟加拉湾北部的低槽有所加强，槽前的西南气流为孟加拉湾水汽向我国大陆包括云南地区的输送创造了良好的环流背景。

图 2

Fig. 2

图 2 2008年5月(a、d)上旬、(b、e)中旬、(c、f)下旬东亚500 hPa(左列)和850 hPa(右列)风场Fig. 2 Mean wind fields at 500 hPa(left panel) and 850 hPa(right panel)for the(a，d)first ten days，(b，e)middle ten days， and (c，f)last ten days of May 2008

综上所述，2008年5月中旬随着500 hPa和850hPa环流的调整，西南季风爆发，孟加拉湾东北部低槽槽前西南气流和来自南海的偏南气流共同为大理雨季的开始提供了丰沛的水汽源，而中高纬冷空气的加强南下，是当地雨季开始的触发机制。而随着西南季风爆发，当地雨季开始。

图 3给出了大理2008年4月和5月的观测塔各层风速月平均的日变化(5月20 m高度风速缺测)。从风速最大值看，4～5月大理风速随时间逐渐减小，以4 m高度为例，月平均的日最大风速从4月的接近4 m/s到5月的3 m/s。从风速日变化看，西南季风爆发前的4月，风速在14:00(北京时间，下同)至16:00和20:00至22:00出现两个峰值区，这种特征在10 m、20 m高度上更明显。最小风速时段大致在日出前后的07:00至08:00左右。5月的小风时段出现时间则提前到06:00至07:00。而5月的较大风速峰值出现的时间仍在14:00至16:00左右，并且20:00至22:00不再出现相对大风区。2～4 m高度处，4～5月平均风速日变化的另一特点是两层间风速切变值随时间增加有逐渐减小的趋势。

图 3

Fig. 3

图 3 2008年(a)4月、(b)5月大理各层风速月平均的日变化Fig. 3 Mean diurnal varations of wind speeds at different heights at Dali Meteorological Observatory in(a)Apr and (b)May 2008

与高原核心区的3站相比，大理站风速日变化的规律也呈现一高一低的特点，且其峰值和最小值出现的时刻随季节的变化特点与昌都站的最为接近，比西部的改则站要早(徐祥德等，2001)，与半干旱区的吉林通榆站相比，大理风速峰值出现时刻要晚2～3 h(刘辉志等，2006)。风速月平均的日变化峰值出现时刻由西向东逐渐提前的变化特征和日出时间在地域上的差别对应，这种变化的原因与日出后近地层对流交换加强导致的近地层风速变化有关。

从风速变化(如图 4)看，2 m、4 m、10 m风速均是上旬最大，下旬次之，中旬最小。从风速变化的时间分布看，5月上旬和下旬在日出以后都有一个风速较快增加的过程，而中旬的风速增加约在中午以后才出现。三旬的日变化风速出现的峰值时间差别不大，大约在14:00至16:00左右。而从3层间风速梯度变化看，西南季风爆发前的上旬最强，下旬次之，中旬最弱。

图 4

Fig. 4

图 4 2008年5月(a)上旬、(b)中旬、(c)下旬大理各层风速旬平均的日变化Fig. 4 Mean diurnal varations of wind speeds in(a)first ten days，(b)middle ten days， and (c)last ten days of May 2008 at Dali MeteorologicalObservatory

大理2008年西南季风爆发前后4月、5月的月风向频率分布见图 5a和5b。由图可见，在季风爆发期间，大理雨季开始前后的风向变化显著，4月基本以南风到东南风为主，类似于当地冬半年的风向特征。5月大理风向出现较大变化，南风出现的频率减少而西北风出现的频率增加，与大理多年平均的夏半年风向变化规律接近。由于大理站其西部为海拔最高达4100 m的苍山，东部临近洱海湖面，这种风向季节性的变化和西南季风爆发前后的高层环流转变有关，和大理特殊地形特征也有联系。

图 5

Fig. 5

图 5 2008年(a)4月和(b)5月大理风向频率分布Fig. 5 Frequency distributions of wind directions in(a)Apr and (b)May 2008 at Dali Meteorological Observatory

　　为分析西南季风开始前后大理风向转变的细致特征，本文给出了5月上、中、下3旬大理测站的旬风向频率分布(见图 6)。结果显示，5月上旬大理虽然出现了一定比例的西北风，但总体来说，东南风仍是大理上旬的主导风向；中旬风向分布转为以西北风为主，东南风的比例显著减小，说明伴随中旬西南季风的爆发，大理出现西北风的频率比季风爆发前要增加许多。下旬风向则与上旬风向较为接近。

图 6

Fig. 6

图 6 2008年5月(a)上旬、(b)中旬、(c)下旬大理风向频率分布Fig. 6 Frequency distributions of wind directions in(a)first ten days，(b)middle ten days， and (c)last ten days of May 2008 at Dali MeteorologicalObservatory

图 7a、7b分别为大理2008年4月和5月月平均近地面层各时次风速垂直廓线。虽然4月和5月最大风速出现的时刻都为16:00前后，但西南季风爆发前的4月近地层风速比季风爆发后的5月要大，而风速随高度增加的垂直切变在4月也明显大于5月。

图 7

Fig. 7

图 7 2008年(a)4月、(b)5月大理月平均风速廓线Fig. 7 Mean wind profiles in(a)Apr and (b)May 2008 at Dali Meteorological Observatory

由图 8可见，上旬风速大于中旬和下旬，最大风速出现时次为14:00，风速最小时次出现在06:00，风速随高度增加。5月中旬风速有所减小，最大风速出现时次为16:00，最小风速出现时次在20:00，风速随高度增加的梯度显著减弱，在4～10 m层之间这种减弱的趋势较上旬更明显；下旬风速较中旬略有增加，最大风速出现时次为16:00，最小风速出现时次在06:00，风速随高度增加的梯度比中旬有所加强，但强度不如上旬。

图 8

Fig. 8

图 8 2008年5月(a)上旬、(b)中旬、(c)下旬大理旬平均风速廓线Fig. 8 Mean wind speed profiles in(a)first ten days，(b)middle ten days， and (c)last ten days of May 2008 at Dali Meteorological Observatory

近地层湍流动量通量(切应力)是表征陆地与大气之间相互作用强弱的一个重要参量。本文利用2008年4～5月在大理农田下垫面进行的湍流通量观测数据，给出了大理4月、5月各月平均的日变化(图 9a)和5月上、中、下三旬各旬平均的日变化(图 9b)。

图 9

Fig. 9

图 9 2008年(a)4月和5月月平均动量通量日变化和(b)5月旬平均的动量通量日变化Fig. 9 Diurnal variations of mean momentum fluxes for(a)Apr and May and (b)each ten days in May 2008 at Dali Meteorological Observatory

大理站农业气象观测数据显示，4月1日至5月1日下垫面为所种植蚕豆从鼓粒到收割期。收割前蚕豆植株高约60 cm，变化不大，而收割后至5月24日期间，下垫面基本为裸土，5月24日后水稻移栽，下垫面主要为水稻稀疏植株构成，高度大致在15～20 cm左右。因此，观测期间下垫面的较复杂变化，也是影响地－气间通量交换的一个重要因素。

由图 9a可见，在西南季风爆发前后的4月、5月月均动量通量日变化特征都较为明显；夜间小而日间大，最大值出现在14:00至16:00左右，最小值出现在日出前后(06:00至08:00)。但与季风爆发前的4月相比，5月的月均动量通量值显著减 小，并且在日间减小得更为明显一些，导致了季风爆发后5月平均的动量通量日变化特征较4月有明显减弱。从5月各旬旬平均情况(图 9b)看，上旬动量通量的日变化特征较其他两旬显著，中旬其日变化特征最不显著，并且中旬动量通量的数值也较其他两旬小。

图 10给出了4月1日至5月31日大理潜热、感热的逐日变化。由图 10可见，大理的感热、潜热通量日变化特征显著，平均后潜热通量一直大于感热通量值的特征更明显(图略)，说明西南季风雨季开始前后大理潜热通量总体大于感热通量，地气交换以潜热为主。但二者的幅度和数值在西南季风雨季开始前后均有变化，4月月平均潜热通量日最大值为393.18 W/m²，5月和6月分别是376.76W/m²、384.51 W/m²，就月平均的日变化而言，潜热通量峰值变化不大；感热通量4～6月的逐月平均的日峰值分别为186.33 W/m²、152.33W/m²、94.77 W/m²，表明感热通量由雨季前向雨季开始后具有显著下降的趋势，其直接原因应该是雨季开始后天气变化和下垫面变化等因素共同作用的结果。

图 10

Fig. 10

图 10 2008年4月1日至5月31日大理潜热通量、感热通量逐日变化Fig. 10 Daily variations of latent and sensible heat fluxes from 1 Apr to 31 May 2008 at Dali Meteorological Observatory

　　利用大理边界层梯度观测和通量观测资料，本文主要针对2008年西南季风爆发前后，对应大理的雨季开始前后的4月和5月，从月平均及5月各旬平均的角度，讨论了西南季风爆发前后大理近地层风向、风速和动量通量的日变化规律，并与青藏高原核心区的近地层风向、风速变化特征进行了比较，发现：

(1)西南季风爆发前大理近地面层风速较大，5月中旬后逐渐减小。风速日变化曲线由双峰型转为单峰型，风速的垂直切变从雨季前到雨季开始呈现逐渐减小的趋势；旬平均风速5月上旬最大，下旬次之，雨季开始的中旬期间风速最小，风速垂直切变在中旬最小，日最大风速出现时刻较高原中西部的改则、当雄早，和高原东部的昌都接近，较我国东北部吉林通榆晚。

　(2)西南季风爆发前大理4月以南风到东南风为主，5月大理风向出现较大变化，南风出现的频率减少而西北风出现的频率增加；5月上旬东南风是主导风向，中旬风向分布转为以西北风为主，东南风的比例有显著减小，下旬风向与上旬风向分布接近。大理测站雨季开始前后风向的变化与背景环流的转变有关，也与当地特殊地形条件，苍山山势和洱海形状为西北－东南走向有关。

　(3)季风雨季开始前后大理地气热量交换都以潜热为主，雨季开始前一旬期间，潜热通量的逐日变化特点是随时间逐渐减少，感热通量逐渐增大，二者差值逐渐减小；雨季开始后潜热通量的逐日变化为逐渐增大而感热通量逐渐减少，二者差值逐渐增大。大理4月潜热通量月平均日最大值为393.18 W/m²，5、6月分别是376.76 W/m²、384.51 W/m²，就月平均的日变化而言，潜热通量峰值变化不大，雨季略低于干季的4月；感热通量4～6月的月平均峰值分别为186.33 W/m²、152.33 W/m²、94.77 W/m²，逐月降低。其原因既与雨季天气的变化有 关，也与下垫面状况的改变相联系。

　(4)西南季风爆发前后大理近地层动量通量的日变化特征均较为明显，但随着西南季风雨季的出现，动量通量的数值减小，其日变化特征减弱。