半干旱区边界层高度的确定方法比较及特征研究

摘要

大气边界层高度的探测手段和确定方法有很多种，基于位温廓线是确定大气边界层高度最常用的方法，而目前基于位温廓线来确定大气边界层高度的方法有位温梯度法、位温跃变法、气块法、Holzworth法等，那么这些方法在西北半干旱区有什么差异呢？同时在具有特殊环境气候背景的西北半干旱区，其边界层高度有何特征呢？基于上述两个问题，本文以榆中为西北半干旱区代表站，基于2009 年榆中国家基准气候站探空数据和兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）微波辐射计资料，先比较分析了在半干旱区探空和微波辐射计两类资料的温湿数据的差异性，然后基于探空数据分别采用位温梯度法、气块与Richardson数结合法确定半干旱区边界层高度和类型，同时基于微波辐射计数据分别采用位温梯度法、气块法、Holzworth法确定半干旱区边界层高度和类型，并将确定的边界层高度进行对比，比较基于位温廓线确定半干旱区边界层高度的不同方法之间的差异，最后基于微波辐射计资料采用气块法分析研究了半干旱区边界层高度特征，得出以下结论： （1）探空和微波辐射计的位温和比湿数据都在夏秋之交的8 月、9 月吻合度最高，相关系数都可达到0.9以上，在冬季的12月吻合度最低，均低于0.5以下，两类资料的位温数据吻合度整体高于比湿数据。在吻合度较好的两类资料位温数据个例中，两者的位温廓线在2000m以下吻合较好，在2000m以上吻合较差，早上低层的位温廓线比晚上吻合程度更高，晚上高层的位温廓线比早上吻合程度更高；在吻合度较好的两类资料比湿数据个例中，探空资料比湿廓线在3000m以上均有一个跃变，微波辐射计资料比湿廓线没有，在3000m以上高空，探空比湿小于微波辐射计比湿。 （2）分别基于探空数据和微波辐射计数据采用位温梯度法确定半干旱区大气边界层类型。早晚大气边界层类型分别以SBL和NBL类型为主，在早上，SBL类型出现频次存在春夏低、秋冬高的特征，在晚上，NBL类型出现频次存在春夏高、秋冬低的特征；相较于在基于探空数据采用位温梯度法确定的边界层类型中，全年早上和晚上均无CBL出现，在基于微波辐射计数据采用位温梯度法确定的边界层类型中，在春夏早晚和秋冬的晚上出现 CBL，更具合理性；SBL 类型基本出现在夜间，CBL类型基本出现在白天，NBL类型全天均有出现，受日出和日落时间以及太阳辐射量的影响，SBL和CBL类型出现频率具有显著的日变化特征，日出之后，CBL类型出现频率骤增，SBL类型出现频率骤减，日落之后，CBL类型出现频率骤减，SBL类型出现频率骤增，从冬秋至春夏，每月CBL出现频率骤增的时间依次提前，骤减的时间依次推后，每月 SBL 出现频率骤减的时间依次提前，骤增的时间依次推后，二者出现频率突变时间基本吻合，NBL出现频率变化趋势与SBL相似。 （3）位温梯度法确定的边界层高度偏高，尤其在秋冬两季，每月边界层高度变化曲线在气块法和Holzworth法之上，这主要是因为采用位温梯度法确定边界层高度受到位温梯度临界值选取的影响极大；而Holzworh法估算的夜间边界层高度变化幅度不大，基本都处于100m左右，这主要是因为在夜间边界层类型为SBL，边界层高度大都落在地面逆温层的顶部，同时受到微波辐射计温度资料0~1000m垂直分辨率仅为100m的影响，采用Holzworh法确定的夜间边界层高度基本处于 100m。受到 Ri 临界值选取的影响，基于探空资料采用气块与Richardson数结合法确定的边界层高度尤其在早上，其高值远高于位温梯度法确定的边界层高度高值，其低值远低于位温梯度法确定的边界层高度低值，同时由于探空资料风廓线数据的部分缺失致使 Richardson 数法无法有效估算边界层高度。 （4）半干旱区大气边界层高度存在显著的春夏高、秋冬低的季节变化特征，春季边界层高度平均值达到最大为900m，秋冬季边界层高度平均值较低，仅为300m，边界层高度月平均值在6月达到最大为1100m，在12月份最小仅为300m，在5、6、7月的晴朗天气条件下，可出现4000m以上的深厚边界层。 （5）半干旱区大气边界层高度在每个月和每个季节都有显著的日变化特征，其平均值早晨上升期，夜间转换期以及最大平均值的出现时间和高度都具有周期性变化。同时白天边界层高度波动程度要比夜间剧烈，二者相差程度具有春夏高、秋冬低的特征。在2008年12月到2009年11月期间，早晨边界层高度上升期由12月的9:00提早至7月的7:30，后又推迟至11月的8:30；夜晚边界层高度降至最低的转换期由12月的18:30推迟至6月的21:00，后又提早至11月的19:00；边界层最大平均高度一般出现在午后的14:00~15:00之间，最大平均高度由12月的500m上升至6月的3200m，后又降至11月的450m；同时边界层高度早晨上升期由春夏的7:30 推迟至冬季的9:00，夜间转换期由春夏的20:30 提早至冬季的18:30，边界层平均高度最大值出现时间由春季的14:45提早至冬季的14:00，最大值由春季的2600m减小至冬季的475m。 （6）基于微波辐射计数据采用气块法确定的半干旱区大气边界层高度在晴朗天气条件下有显著的日变化特征，在多云天气条件下，日变化特征不明显，且其位温廓线日变化不如晴天条件下剧烈。