甘肃酒泉地区大气边界层高度变化特征及其与沙尘天气的关系

任桂萍，魏雅鹏，柯 伟，乔 戈，万占鑫，梁小刚

(1.甘肃省嘉峪关市气象局，甘肃 嘉峪关 735100；2.甘肃省酒泉市气象局，甘肃 酒泉 735000)

引 言

大气边界层是人类活动的主要区域，也是大气与地表直接发生相互作用的层次，在自由大气与地球表面之间动量、热量以及水汽的上下交换中起关键作用[1]。大气边界层高度作为衡量大气边界层发展的重要参数，不仅影响大气中湍流运动的尺度，对流活动的发展演变，也影响大气的环境容量，决定空气污染物的排放潜力，对天气、气候和大气污染的研究有重要意义[2-4]。

近年来，针对不同地区大气边界层高度的确定方法、分布特征、影响因子等开展了大量研究。结果表明，大气边界层高度受太阳辐射、天气系统和局地地形等因素影响，存在很大的时间和空间差异，其主要影响因子也各不相同[5-7]。内陆地区大气边界层高度的发展主要受感热通量、粗糙度和风速影响，呈现明显的日变化和季节变化特征，一般表现为春夏高、秋冬低[8-11]。沿海地区大气边界层高度发展主要受海气温差、浮力热通量、低层暖平流等影响，季节特征与内陆相反，呈现秋冬高、春夏低的特征[12-13]。戈壁荒漠、青藏高原等地大气边界层高度特征较为特殊，如夏季西北干旱荒漠区的对流边界层高度达4 km[14]，青藏高原部分地区大气边界层高度表现为春高、夏低[15]。有研究对大气边界层高度在数值天气预报和空气质量预报的应用方面进行分析后发现，大气边界层高度对一些灾害性天气和污染天气预报有明显指示意义[16-18]，如河西走廊大气边界层高度随风沙强度的增强而升高[17]，城市边界层高度与空气污染指数API呈反位相关系[18]。

目前，针对西北干旱区大气边界层研究主要侧重于特定地区、特定时段、特殊天气背景下大气边界层高度特征的对比分析[19-21]，时间序列相对较短，对沙尘天气发生时边界层环境参量分析也大多集中在某些典型天气个例[22]。本文用西北干旱区酒泉L波段雷达探空观测资料，开展较长时间序列的大气边界层高度演变特征及其不同强度沙尘天气发生时边界层参量特征变化差异分析，对进一步认识西北干旱区大气边界层特征，探索沙尘天气形成机理及预报预警、防灾减灾具有重要意义。

1 资 料

近几年，虽然利用激光雷达、微波辐射计、GPS卫星掩星技术等新型气象观测仪器探测大气边界层高度，但探空雷达观测仍然是获得大气边界层高度信息最为直接可靠的方法[23]。因此大气边界层高度的计算采用2009年1月至2018年12月酒泉国家基准气候站(98.48°E、39.72°N，海拔高度1479 m)的L波段雷达探空数据和常规地面气温观测资料，其中探空数据为每日08:00、20:00(北京时，下同)、地面气温为逐小时观测资料。

采用L波段雷达高空气象探测系统数据处理软件[24]对08:00和20:00探空雷达秒数据进行直接处理。逆温厚度定义为逆温层起始高度和逆温层终止高度之间厚度；逆温强度为逆温层内每升高100 m温度的升高值。

边界层风速采用酒泉2009—2018年沙尘天气发生当日08:00和20:00探空雷达特殊风层观测资料。定义高度超过4000 m的大气边界层为深厚边界层，高度超过5000 m为极端深厚边界层。

2 边界层高度计算方法

2.1 干绝热曲线法

干绝热曲线法最早由HOLZWORTH[25]在研究美国一些地区的平均最大混合层厚度时提出，该方法忽略平流、下沉及机械湍流的影响，适用于热力湍流占优势的地区，是我国目前应用较为广泛的一种计算大气边界层高度的方法。其基本原理是在温度-高度图上，由每日地面最高气温所在点沿干绝热线上升与当日08:00的探空温度廓线相交，所得交点与地面的高度即为大气边界层高度。王式功等[26]基于该原理提出了逐步逼近法，具体方法如下：

(1)利用L波段(1型)雷达高空气象探测系统数据处理软件对08:00探空廓线数据进行30 m等间隔插值处理，得到不同高度上气温、气压、湿度、露点、风速、风向等资料，使用MATLAB数据处理软件，提取高度Z(m)和气温T(℃)两个要素，得到一组对应于高度Z1，Z2，…，Zm的气温T1，T2，…，Tm；

(2)从地面常规观测数据中提取2009—2018年逐日最高气温Tmax(℃)，按照干绝热温度递减率[γd=0.976 ℃·(100 m)-1]，从地面算起，每隔30 m得到一个温度值，最终得到一组对应高度Z1，Z2，…，Zm的气温TT1，TT2，…，TTm；

(3)计算等高度Z上T与TT的温度差值，取绝对值最小的温度差值所对应高度Z为大气边界层高度。

2.2 Richardson法

参照SICARD等[27]提出的Richardson法计算公式：

(1)

u(Z)=V(Z) sinα(Z)

(2)

v(Z)=V(Z) cosα(Z)

(3)

式中：g(m·s-2)为重力加速度，取9.8 m·s-2；Z0(m)为地面海拔高度；θ(K)为位温，u、v(m·s-1)分别为纬向和经向风分量；V(m·s-1)是风速，α(°)是风向。在大气模式中通常把Ri首次大于或等于Rc(临界Richardson)时的高度取作大气边界层高度，此时湍流能量接近消失或者湍流应力接近消失，这种计算方法主要依赖于Rc的选取[28]。

2.3 位温梯度法

2.4 结果对比

图1为3种方法计算的2018年酒泉逐月大气边界层高度。可以看出，3种方法计算的边界层高度虽然数值差异显著(位温梯度法>干绝热曲线法>Richardson法)，但变化趋势基本一致，均呈现春夏高、秋冬低的特征。与已有研究结果[31]对比可以看出，干绝热曲线法计算结果与现有结论较为一致，Richardson法由于受临界Richardson(Rc)取值的影响，在近地层出现风数据缺失或准静风情况，确定的大气边界层高度明显偏小，位温梯度法的计算结果5—6月达4000 m左右，与现有研究偏离较大，因此本文大气边界层高度采用干绝热曲线法计算。

图1 3种方法计算的2018年酒泉逐月大气边界层高度Fig.1 The monthly atmospheric boundary layer height of Jiuquan in 2018 calculated by three methods

3 结果分析

3.1 边界层高度变化特征

图2为2009—2018年酒泉大气边界层高度年际变化及日变化。可以看出，近10 a酒泉年平均大气边界层高度为1933 m，最大值出现在2012年，为2073 m；最小值出现在2010年，为1839 m；年平均边界层高度总体呈缓慢降低趋势，平均每年降低9 m。由2009—2018年酒泉大气边界层高度日变化可以看出，酒泉大气边界层高度分布具有明显的周期性，年内呈现峰谷交替分布，5月左右到达波峰，12月至翌年1月为波谷；除2013、2016年外，其余年份单日边界层高度均出现过近6000 m的高度。

图3为2009—2018年酒泉月平均大气边界层高度变化。可以看出，月平均大气边界层高度在684～3176 m之间，呈明显“单峰”型分布，1—5月迅速增加，5—10月缓慢下降，11—12月迅速降低。其中1月最低(684 m)，5月最高(3176 m)，两者相差近5倍，4、6月次之，接近3000 m；11月、12月至翌年1月大气边界层高度相对较低，在1000 m以下；其余月份大气边界层高度在1000～3000 m之间。

图4为2009—2018年酒泉大气边界层高度季节变化特征。可以看出，除2009、2010年以外，酒泉大气边界层高度均表现为春季>夏季>秋季>冬季，其中春季大气边界层高度最高超过3000 m，冬季大气边界层高度均在1000 m以下，整体呈现春夏高、秋冬低的特点。在季节过渡中，春夏季大气边界层高度差最小，约为100m，夏秋季大气边界层高度差最为显著，约为1000 m，秋冬季大气边界层高度差约为700 m，季节变化特征反映了地表加热、风速等因素对大气边界层高度的影响。酒泉春季太阳辐射显著增强，且干燥、多风、少降水，大气边界层高度为全年最高；夏季太阳辐射强烈，边界层湍流发展旺盛，但风速减小和湿度增大又在一定程度上抑制了边界层的发展，大气边界层高度略有下降；秋季太阳辐射开始减弱，日照时数减少，大气边界层高度明显下降；冬季太阳辐射最弱，多逆温，边界层湍流较弱，不利于边界层的发展，因此大气边界层高度较低。

图2 2009—2018年酒泉大气边界层高度年际变化(a)和日变化(b)Fig.2 The annual variation (a) and daily variation (b) of atmospheric boundary layer height in Jiuquan during 2009-2018

图3 2009—2018年酒泉大气边界层高度月变化Fig.3 Monthly variation of mean atmospheric boundary layer height in Jiuquan during 2009-2018

图4 2009—2018年酒泉大气边界层高度季节变化Fig.4 Seasonal variation of atmospheric boundary layer height in Jiuquan during 2009-2018

图5为酒泉2009—2018年四季及年不同大气边界层高度出现频率。可以看出，2009—2018年酒泉年大气边界层高度在500～1000 m出现频率最高，为20.0%，其次是1000～1500 m和1500～2000 m，出现频率分别为13.8%和13.6%，低于500 m和高于4000 m的大气边界层高度出现较少，分别为8.7%和5.8%，其中5000 m以上极端深厚边界层出现频率仅为0.9%。整体上，酒泉年大气边界层高度以500～4000 m为主，出现频率达85.4%，较低的大气边界层出现频率高，而较高的大气边界层出现频率低。

酒泉不同季节不同大气边界高度出现频率也有差异。春季大气边界层高度出现频率较均匀地分布在1500～4000 m的各个高度层，1500 m以上大气边界层高度出现频率达85.4%；夏季大气边界层高度出现频率几乎为对称分布，频率峰值处于2500～3000 m，为17.7%；秋季大气边界层高度出现频率系统性向低值倾斜，2000 m以下大气边界层高度出现频率明显较大；冬季大气边界层高度出现频率分布与春季呈明显相反趋势，以1500 m以下为主，占比达87.9%，近10 a酒泉冬季没有出现过大于4000 m的深厚边界层。总体上，春季和夏季不同范围大气边界层高度出现频率几乎呈对称性分布，秋冬大气边界层高度频率分布系统性地向低值偏斜。5000 m以上极端深厚边界层主要出现在春季，500 m以下大气边界层高度主要出现在冬季。

3.2 大气边界层高度与气象要素的关系

对2009—2018年酒泉大气边界层高度与日最高气温、日最低气温、低云量、降水、0 cm地温、极大风速、日照等气象因子做相关性分析(表2)。结果表明：大气边界层高度与日最高气温、日最低气温、0 cm地温、日照、极大风速和低云量呈显著正相关，相关系数分别为0.634、0.566、0.531、0.547、0.365和0.217，且相关系数均通过0.01的显著性检验。大气边界层高度与相对湿度呈显著负相关，相关系数为-0.347，与降水和总云量无明显相关。

3.3 沙尘天气时边界层环境参量

3.3.1 酒泉沙尘分布特征

图6为2009—2018年酒泉不同强度沙尘出现日数的月变化。可以看出，近10 a，酒泉共发生沙尘日数120 d，其中沙尘暴22 d、扬沙58 d、浮尘40 d。沙尘暴主要现在4—6月，且4月出现日数最多，占总沙尘暴日数的68.2%，6月最少，近10 a仅出现过1 d；扬沙和浮尘各月均有出现，但主要出现时段略有不同，扬沙主要出现在2—5月，占总扬沙日数的67.2%；浮尘则主要出现在3—4月，占总浮尘日数的60.0%。从沙尘天气季节分布来看，春季最多约占65.0%，秋季最少仅为7.5%。

图5 2009—2018年四季及年酒泉不同大气边界层高度出现频率Fig.5 The occurrence frequency of different atmospheric boundary layer height in Jiuquan in the whole year and different seasons during 2009-2018

表2 2009—2018年酒泉大气边界层高度与气象因子的相关系数Tab.2 The correlation coefficients between the boundary layer height and meteorological factors in Jiuquan during 2009-2018

图6 2009—2018年酒泉不同强度沙尘出现日数的月变化Fig.6 The monthly variation of occurrence days of dust with different intensity in Jiuquan from 2009 to 2018

3.3.2 不同强度沙尘天气下大气边界层高度变化

图7为2009—2018年酒泉沙尘天气发生时大气边界层高度的月变化。可以看出，沙尘暴发生时大气边界层高度最高，超过3100 m；扬沙发生时春、秋季大气边界层高度较高，在3000 m左右，夏季次之，冬季最小；浮尘发生时边界层高度春季较大，接近2900 m。

图7 2009—2018年酒泉不同强度沙尘天气时大气边界层高度的月变化Fig.7 The monthly variation of atmospheric boundary layer height under the dust weather conditions with different intensity in Jiuquan during 2009-2018

图8为2009—2018年酒泉不同强度沙尘发生前后边界层高度变化。可以看出，沙尘暴发生前一日边界层高度较高在4000 m以上，沙尘暴发生当日边界层高度迅速降低至3000 m左右，沙尘暴结束后边界层高度略有上升，这是因为沙尘暴发生前气温通常较高，发生时常伴有强冷空气活动，热力湍流减弱导致边界层高度显著降低。扬沙发生当日边界层高度在2200 m左右，较前一日有所增加；浮尘发生当日边界层高度在1600 m左右，较发生前日略有降低，但整体变幅不大。总体上沙尘暴发生时边界层高度最高，扬沙天气发生时边界层高度次之，浮尘天气发生时边界层高度最低。

图8 2009—2018年酒泉不同强度沙尘天气发生前后大气边界层高度变化Fig.8 The change of atmospheric boundary layer height before and after the occurrence of dust weather with different intensity in Jiuquan during 2009-2018

3.3.3 不同强度沙尘天气下边界层风速特征

图9为2009—2018年不同强度沙尘天气发生时08:00和20:00地面及不同边界层高空风速变化。可以看出，沙尘暴天气发生时地面至高空900 m风速随高度升高持续增大，其中地面至300 m风速增加最大，300 m风速是地面风速的2倍多；扬沙天气发生时风速随高度增大，至600 m后基本稳定维持；浮尘天气发生时风速随高度增大，至300 m后开始缓慢减小。另外，沙尘暴、扬沙天气发生时20:00边界层风速高于08:00，浮尘天气发生时20:00边界层风速低于08:00。

3.3.4 不同强度沙尘天气下边界层逆温

图10为2009—2018年不同强度沙尘天气发生前和发生时边界层逆温厚度和逆温强度变化。可以看出，浮尘天气发生当日逆温厚度最大，沙尘暴天气发生当日逆温厚度和逆温强度最小。沙尘暴、扬沙和浮尘天气发生时逆温厚度分别为291、315和425m，逆温强度分别为0.7、2.2和1.5 ℃·(100 m)-1；沙尘暴、扬沙和浮尘天气发生前逆温厚度分别为182、303和383 m，逆温强度分别为2.7、2.6和2.4 ℃·(100 m)-1。沙尘天气发生时逆温厚度较前一日均有增加，逆温强度均有减小，其中沙尘暴发生前后逆温厚度和强度变化最明显，这是因为沙尘暴发生时，强冷空气入侵地面的强大动力作用和地面局地热力作用共同使空气在垂直方向上产生剧烈扰动，加剧了冷暖空气的混合，破坏了逆温层，使得逆温减弱甚至消失[32]。

图9 2009—2018年酒泉沙尘暴(a)、扬沙(b)和浮尘(c)天气发生时08:00和20:00地面及不同边界层风速变化Fig.9 The variation of wind speed at 08:00 BST and 20:00 BST on ground surface and different atmospheric boundary layer height under sandstorm (a), blowing sand (b) and floating dust (c) weather conditions in Jiuquan during 2009-2018

图10 2009—2018年酒泉不同强度沙尘天气发生前和发生时边界层逆温厚度和强度变化Fig.10 Thickness and intensity changes of boundary layer inversion before dust weather and on dust weather days with different intensity in Jiuquan during 2009-2018

3.4 一次典型沙尘暴过程的边界层结构特征

2010年4月24—25日，甘肃河西走廊地区出现区域性强沙尘暴天气过程，其中，酒泉、民勤出现能见度为0 m的特强沙尘暴，这次沙尘暴天气主要由中西伯利亚—新疆北部的偏北大风携带极地强冷空气入侵造成[33]。24日08:00沙尘暴最先起源于河西走廊最西端敦煌，此后自西向东移动，14:30左右开始影响酒泉，18:00沙尘暴转为扬沙，24日夜间20:37—22:00，再次出现沙尘暴，22:00沙尘暴过程结束。

图11为2010年4月24日沙尘暴过境前后的温度、风速廓线。从温度廓线看出，24日08:00(沙尘暴影响酒泉的前6 h)，大气边界层存在接地逆温，逆温层厚度388 m，逆温强度1.1 ℃·(100 m)-1，24日20:00，接地逆温层消失，此时边界层中的大气混合均匀。从风速廓线看出，24日08:00，600～2000 m风速13～14 m·s-1，风切变较小，表明此时高空湍流混合很强，风速混合均匀，但由于接地逆温的存在，高空的动量不能有效下传，导致地面风速较小仅为1 m·s-1；24日20:00，600～2000 m风速25～30 m·s-1，地面风速增大至16 m·s-1，表明由于接地逆温层被破坏，高空动量快速有效下传到近地层，近地层0～600 m的风切变达到14 m·s-1，湍流输送很强，再次引发沙尘暴。

图11 2010年4月24日08:00(a)、20:00(b)沙尘暴进入酒泉前(a)、后(b)温度(虚线)和风速(实线)垂直廓线Fig.11 Vertical profiles of temperature (dotted line) and wind speed (solid line) before (a) and after (b) sandstorm entering Jiuquan at 08:00 BST (a) and 20:00 BST (b) on 24 April 2010

4 结 论

(1)2009—2018年酒泉年平均大气边界层高度1933 m，最小值和最大值出现在2009年(1839 m)和2012年(2073 m)，总体呈下降趋势，气候倾向率为9 m·a-1。年内月平均大气边界层高度呈“单峰型”分布，5月最高(3176 m)，12月最低(684 m)，超过5000 m的极端深厚大气边界层主要出现在4～5月。大气边界层高度季节变化表现为春季(2729 m)>夏季(2569 m)>秋季(1541 m)>冬季(799 m)，总体呈现春夏高、秋冬低的季节变化特征。大气边界层高度与日最高气温、日最低气温、0 cm地温、日照时数成显著正相关。酒泉大气边界层高度集中分布于500～4000 m之间，占比85.4%，5000 m以上和500 m以下的边界层高度占比分别为0.9%和8.7%，冬季没有出现过5000 m以上的深厚边界层。

(2)酒泉沙尘天气一年四季均有发生，其中春季最多，约占65.0%，秋季最少，仅为7.5%。沙尘暴主要出现在4—6月，3—10月大气边界层高度与沙尘强度呈正比，4月沙尘暴和扬沙天气的平均大气边界层高度均大于3000 m。沙尘暴对逆温强度和边界层高度的影响最明显。沙尘暴天气下边界层风速随着高度增加而增大，浮尘天气下边界层风速随高度增加而减小。

(3)大气边界层高度的3种计算方法，Richardson法由于受近地层风速的影响，计算结果偏低；位温梯度法确定的边界层高度偏高，即每月边界层高度都大于Richardson法和干绝热曲线法；干绝热曲线法主要从热力因素出发确定大气边界层高度，计算结果与已有研究结论较为一致，计算方法更为合理可靠。