塔克拉瑪干沙漠北緣兩種下墊面氣象要素廓線特征分析

顧軍明，霍 文，何 清*

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；3.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站，新疆 塔中841000）

近地層是大氣邊界層中最靠近地面的氣層，受下墊面動(dòng)力作用和熱力作用的影響最直接,近地面各種氣象要素的日變化規(guī)律最為明顯，能表現(xiàn)中小尺度天氣系統(tǒng)的部分特征[1]。人類直接生活在其中，人類活動(dòng)引起的生態(tài)失衡、環(huán)境惡化以及氣候變化和天氣、氣候異常等無一不是與大氣邊界層中發(fā)生的物理過程、化學(xué)過程和生態(tài)過程等密切相關(guān)。近地層氣象要素的預(yù)報(bào)和弄清污染物的擴(kuò)散以及對(duì)人類生產(chǎn)生活的影響，就必須弄清楚近地層中風(fēng)、溫場(chǎng)和湍流場(chǎng)的規(guī)律。近年來,近地面層微氣象學(xué)愈來愈受到科學(xué)家們的關(guān)注,尤其是在干旱區(qū)和半干旱區(qū)進(jìn)行的一系列大型試驗(yàn)，對(duì)于弄清近地層微氣象特征有重要意義。胡隱樵等[2]首次發(fā)現(xiàn)了鄰近綠洲的荒漠大氣逆濕，并總結(jié)提出了綠洲與荒漠相互作用下熱力內(nèi)邊界層的特征。王俊勤、胡隱樵、陳家宜等[3]于1991年8、10月在HEIFE實(shí)驗(yàn)區(qū)的3種下墊面（農(nóng)田綠洲、戈壁和沙漠）上進(jìn)行了邊界層探測(cè)，分析結(jié)果表明，被大片戈壁或沙漠包圍的綠洲在整個(gè)時(shí)次上邊界層內(nèi)溫度低于周圍環(huán)境，濕度大于周圍環(huán)境，綠洲“冷島效應(yīng)”明顯。劉樹華[4]利用二維大氣邊界層模式研究了平坦、均勻戈壁下墊面對(duì)流大氣的位溫和比濕廓線及其時(shí)間變化的垂直結(jié)構(gòu)。朱平、蔣瑞賓[5]利用黑河實(shí)驗(yàn)所取得的資料，對(duì)比分析了綠洲、沙漠及戈壁邊界層中風(fēng)、溫、濕分布規(guī)律。閻宇平，王介民等[6]采用區(qū)域大氣模擬系統(tǒng)—RAMS，模擬了黑河實(shí)驗(yàn)區(qū)沙漠戈壁上空的“逆濕”，并研究了“逆濕”發(fā)生時(shí)沙漠戈壁大氣邊界層結(jié)構(gòu)。奧銀煥、呂世華、陳玉春[7]利用 1991年 10月HEIFE實(shí)驗(yàn)期間獲取的系留氣球梯度探測(cè)資料，對(duì)比分析了黑河地區(qū)常見的3種不同下墊面（綠洲、沙漠和戈壁邊界層）風(fēng)、溫度、濕度場(chǎng)的分布規(guī)律，客觀驗(yàn)證了河西地區(qū)秋季午夜后出現(xiàn)的低空急流和逆濕氣層兩大特點(diǎn)。李祥余[8]等人利用塔中“80 m觀測(cè)塔梯度探測(cè)系統(tǒng)”資料,詳細(xì)分析了塔中春季晴天、陰天近地層溫度、濕度和風(fēng)速廓線特征。何清[9]等人分析了塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴過境時(shí)近地層風(fēng)速、溫度和濕度廓線特征。王敏仲等[10]利用塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)試驗(yàn)站風(fēng)廓線雷達(dá)資料，分析了沙漠晴天邊界層湍流、大氣溫度、水平風(fēng)速風(fēng)向以及垂直速度的發(fā)展演變特征和日變化規(guī)律，然而對(duì)于南疆沙漠北緣過渡帶不同下墊面大氣結(jié)構(gòu)和氣象要素廓線的研究甚少，且以往針對(duì)近地面層氣象要素變化特征、廓線分布特征及空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確定[11-15]，大多基于短時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù),資料的連續(xù)性和系統(tǒng)性較差，對(duì)于天氣型的分析大多也僅限于晴天、陰天和沙塵天氣[8-10]，像沙漠地區(qū)難得的降水過程分析幾乎沒有，而這些天氣過程對(duì)于沙漠地區(qū)的人類活動(dòng)和生態(tài)安全又極其重要。

利用中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所哈德、肖塘10 m自動(dòng)氣象站，近地層梯度氣象要素觀測(cè)資料（2011年7月1—31日），對(duì)比分析了沙漠邊緣相距50 km的兩地，在典型天氣情況下不同下墊面近地層風(fēng)、溫、濕廓線的變化特征，為更好的認(rèn)識(shí)和了解塔克拉瑪干沙漠北緣近地層微氣象特征及變化規(guī)律，為陸面過程的完善和數(shù)值模擬的研究打好基礎(chǔ)，從理論基礎(chǔ)上指導(dǎo)防沙、治沙，并為沙漠周邊城市的氣候變化研究和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到一定指導(dǎo)作用，也可以更好的為沙漠地區(qū)的石油部門提供氣象服務(wù)。

1 研究區(qū)概況

哈德（40°45.1′N、83°42.6′E，海拔 912 m）位于塔克拉瑪干沙漠北緣荒漠向綠洲過渡區(qū)，下墊面為平坦的風(fēng)蝕裸露古河床，屬于塔里木河南沖積—淤積平原，在哈德流動(dòng)沙丘上安裝了一套10 m鐵塔相關(guān)系統(tǒng)。氣象站往北2 km為胡楊林，東距肖塘站50 km，測(cè)站周邊有稀疏的灌叢沙包和稀疏矮小的植被，灌叢沙包的高度1.5～2.0 m，稀疏的植被多為紅柳與梭梭，距離最近的沙包約50 m，植被約10 m。肖塘地處塔克拉瑪干沙漠北部邊緣、距離塔里木河約40 km，是典型的沙漠腹地—荒漠—綠洲過渡帶，觀測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)位于距離沙漠公路肖塘1號(hào)井1 000 m的沙漠中，地處古河床的南岸，北距胡楊林約2 km，是沙漠與荒漠的交匯處，觀測(cè)點(diǎn)下墊面為流動(dòng)性沙漠，部分地區(qū)有古河床裸露，周圍有新月形沙丘和復(fù)合型新月形沙丘鏈，一般寬6～15 m，高1～10 m。圖1地表土壤粒度組成以細(xì)砂（125～250 μm）、極細(xì)砂（62.5～125 μm）為主，占78.5% 。

圖1 哈德、肖塘地區(qū)地理位置圖

2 資料處理與方法

哈德、肖塘10 m梯度探測(cè)系統(tǒng)是塔克拉瑪干沙漠塔中大氣環(huán)境觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站的重要組成部分。塔上共有 5層觀測(cè)平臺(tái)，高度分別為 0.5、1、2、4、10 m，其中風(fēng)速、溫度、濕度5層，2 m和 10 m安裝有風(fēng)向儀。本文使用的是小時(shí)平均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間是當(dāng)?shù)貢r(shí)（注：肖塘當(dāng)?shù)貢r(shí)間比北京時(shí)間晚2 h 25 min），其中分別選取一天內(nèi) 02:00、08:00、14:00 和20:00的數(shù)據(jù)，每6 h一次。儀器輸出的數(shù)據(jù)包括：Ta_Avg（溫度）、RH_Avg（相對(duì)濕度）、WS_Avg（風(fēng)速），儀器參數(shù)見表1。

表1 儀器參數(shù)表

3 結(jié)果分析

根據(jù)肖塘自動(dòng)氣象站地面氣象觀測(cè)記錄，從2011年7月數(shù)據(jù)中，仔細(xì)挑選了晴天、沙塵暴和雨天這3種典型天氣，用來代表哈德、肖塘地區(qū)各種典型天氣類型。其中7月12日為晴天，7月20日為沙塵暴，沙塵暴從中午13:41持續(xù)到下午18:25，持續(xù)時(shí)間為4 h 44 min，最大風(fēng)速達(dá)到了14.2 m/s，7月1日為雨天，當(dāng)日降水量達(dá)到了6.1 mm。各日具體氣象要素見表2。

3.1 典型天氣型風(fēng)速廓線對(duì)比分析

由圖2可知晴天哈德地區(qū)風(fēng)速梯度日變化特征明顯，風(fēng)速較小，白天風(fēng)速大于夜間，平均風(fēng)速為2.6m/s，小于其它典型天氣，14:00和20:00風(fēng)速梯度差較大，10 m范圍內(nèi)梯度差為1.05 m/s，凌晨02:00近地面2 m以下風(fēng)速隨高度的增加而減小，但梯度差不大，早晨08:00各層風(fēng)速梯度差依舊較小，0.5～10 m范圍內(nèi)僅為0.26 m/s，14:00和20:00風(fēng)速以指數(shù)形式增長，0.5～4 m范圍內(nèi)風(fēng)速梯度差較大；對(duì)比肖塘地區(qū)風(fēng)速廓線，02:00風(fēng)速廓線變化更復(fù)雜，0.5～10 m范圍內(nèi)風(fēng)速梯度差為1.01 m/s，遠(yuǎn)大于哈德地區(qū)的0.26 m/s，08:00和20:00肖塘地區(qū)風(fēng)速廓線與哈德地區(qū)變化形態(tài)基本一致，但是各層風(fēng)速明顯大于哈德地區(qū)，中午14:00哈德地區(qū)各層風(fēng)速卻大于肖塘，0.5～10 m范圍內(nèi)風(fēng)速梯度也都在1.0 m/s左右。這說明肖塘地區(qū)具有較強(qiáng)的沙漠氣候特點(diǎn)，風(fēng)速變化要早于哈德，而哈德地區(qū)由于更靠近綠洲，地面植被增大了其地表粗糙度，風(fēng)速梯度變化不明顯。

表2 肖塘、哈德地區(qū)各種典型天氣氣象參數(shù)表

與晴天不同，沙塵暴天氣風(fēng)速廓線的分布很特殊，總體上各個(gè)時(shí)段風(fēng)速都較大，尤其是沙塵暴發(fā)生時(shí)，0.5～2 m間風(fēng)速持續(xù)升高，2 m以上風(fēng)速變化較小，2 m是風(fēng)速變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。哈德地區(qū)02:00風(fēng)速以指數(shù)形式增長，0.5～10 m范圍內(nèi)梯度值為1.13 m/s，早晨08:00風(fēng)速廓線變化與02:00保持一致，但各層風(fēng)速已經(jīng)明顯小于02:00，14:00近地層風(fēng)速在2 m范圍內(nèi)開始快速增大，在0.5～2 m范圍內(nèi)風(fēng)速梯度值為2.3 m/s，2～10 m范圍內(nèi)為1.64 m/s，這說明隨高度的增加風(fēng)速變化變小。對(duì)比肖塘地區(qū)變化情況，和哈德地區(qū)一樣02:00各層的風(fēng)速都比較小，但是肖塘地區(qū)的變化更復(fù)雜，0.5～1 m高度間風(fēng)速呈減小趨勢(shì)，08:00肖塘的風(fēng)速和哈德的變化趨勢(shì)一樣，但是各層風(fēng)速明顯大于哈德，2 m處哈德比肖塘大1.56 m/s，中午14:00是沙塵暴爆發(fā)的時(shí)刻，兩地風(fēng)速都開始快速增高，但哈德各層風(fēng)速稍微大于肖塘，晚上20:00沙塵暴已經(jīng)結(jié)束，兩地風(fēng)速已經(jīng)降低至較小的水平，但哈德地區(qū)比肖塘地區(qū)風(fēng)速明顯偏大，平均風(fēng)速大于3 m/s。這說明這次沙塵暴對(duì)哈德地區(qū)的影響比肖塘地區(qū)更大，持續(xù)時(shí)間也更久。

圖2 肖塘、哈德地區(qū)各種典型天氣風(fēng)速廓線

南疆沙漠降水稀少，且年際變化大，降水主要集中在春、夏季節(jié)，7月1日降水量達(dá)到6.1 mm，當(dāng)天夜晚風(fēng)速小于白天，降雨時(shí)段風(fēng)速明顯偏大，這有利于空氣間對(duì)流的增強(qiáng)而產(chǎn)生降水，其中1 m處為風(fēng)速變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，02:00哈德地區(qū)各層風(fēng)速較大，0.5～10 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速梯度值為2.25 m/s，08:00哈德地區(qū)風(fēng)速變化較復(fù)雜，0.5～1 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速呈減小趨勢(shì)，而1～2 m高度范圍內(nèi)變化趨勢(shì)相反，在1 m高度差內(nèi)風(fēng)速增加2.22 m/s，2 m以上風(fēng)速變化不明顯，14:00和20:00風(fēng)速都是隨高度的增加而增加。對(duì)比肖塘地區(qū)變化情況，除了08:00變化與哈德不一致外，其它時(shí)段風(fēng)速變化和哈德地區(qū)基本保持一致，這說明雨天不同下墊面風(fēng)速的變化差異不明顯。

3.2 典型天氣型溫度廓線對(duì)比分析

晴天近地層溫度廓線分布日變化特征較明顯（圖3a），夜間輻射型、早上過渡型、白天日射型和傍晚過渡型都有出現(xiàn)，夜晚溫度低于白天，晝夜溫差大，這與李祥余[22]等人在塔中地區(qū)的研究一致。哈德地區(qū)在夜晚02:00近地面存在較強(qiáng)的逆溫，溫度隨高度的增加而升高，0.5～10 m范圍內(nèi)相差4.8℃，溫度垂直遞減率為50.5℃/100 m，早晨08:00為早上過渡型，逆溫已經(jīng)消失，近地面溫度升高較明顯，2 m以上溫度梯度值較小，中午14:00溫度達(dá)到日最大值，溫度垂直遞減率為31.5℃/100 m，傍晚20:00溫度已經(jīng)下降到較低的水平，逆溫層已經(jīng)形成，為晚上過渡型。肖塘地區(qū)白天各個(gè)時(shí)段溫度的變化情況與哈德幾乎完全一樣，中午14:00溫度達(dá)到最大值，這與塔中地區(qū)的研究相一致[8]，17:00地面溫度的變化比上層變化更快速，溫度廓線逐漸讓時(shí)間軸靠近，除了夜晚02:00，其它時(shí)段肖塘地區(qū)梯度溫度都大于哈德地區(qū)。溫度日變化差值也要大于哈德，這與肖塘下墊為流動(dòng)性沙漠的升溫快降溫快有關(guān)。

圖3 肖塘、哈德地區(qū)各種典型天氣溫度廓線

發(fā)生沙塵暴時(shí)，不像晴天、陰天那樣溫度有較好的日變化，沙塵暴發(fā)生之前，大氣呈逆溫狀態(tài)，沙塵暴過境時(shí)，大氣層結(jié)在沙塵暴爆發(fā)前后發(fā)生了由穩(wěn)定向不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)變（圖3b）。哈德地區(qū)02:00近地層處于逆溫狀態(tài)，9.5 m高度范圍內(nèi)溫度垂直遞減率為5.2℃/100 m，08:00逆溫消失，貼地面溫度快速升高，但沙塵暴暴發(fā)后各層溫度快速降低，中午14:00應(yīng)該為日最高溫度，但是哈德地區(qū)12:00近地面溫度卻持續(xù)下降，10 m處溫度為26.3℃，比08:00的27.1℃還低0.8℃，這說明沙塵暴是一個(gè)明顯的降溫過程，20:00隨著沙塵天氣的結(jié)束，近地層又一次進(jìn)入逆溫狀態(tài)，溫度垂直遞減率僅為4.3℃/100 m?？傊惶靸?nèi)溫度的變化不是很明顯，氣溫日較差為14.2℃，遠(yuǎn)低于晴天時(shí)的20.2℃，這是由于沙塵暴發(fā)生在一天中太陽輻射最強(qiáng)的時(shí)候，天空中彌漫的沙塵阻擋了太陽短波輻射的進(jìn)入，導(dǎo)致地面增溫減弱。對(duì)比肖塘地區(qū)情況，全天內(nèi)肖塘地區(qū)溫度都大于哈德地區(qū)，特別是早晨08:00，肖塘地區(qū)10 m處溫度比哈德地區(qū)高5.6℃，這說明流動(dòng)性沙面更有利用溫度的快速升高，傍晚20:00肖塘地區(qū)近地面溫度快速降低，9.5 m高度范圍內(nèi)溫度垂直遞減率為22.4℃/100 m，遠(yuǎn)大于哈德地區(qū)的4.3℃/100 m，其中1 m為沙塵暴發(fā)生時(shí)溫度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

降雨過程近地面溫度變化不同于其它天氣類型，哈德地區(qū)02:00近地面處于逆溫狀態(tài)，各層溫度大于肖塘，4 m以下溫度變化較明顯，早晨08:00逆溫消失，近地面溫度快速升高，肖塘溫度變化明顯大于哈德，但是到中午14:00兩地近地面溫度變化呈相反的趨勢(shì)，哈德地區(qū)溫度變化為白天日射性，下層溫度大于上層，但是肖塘地區(qū)已經(jīng)進(jìn)入了逆溫狀態(tài)，0.5 m溫度降低最明顯，20:00溫度已經(jīng)降低至最低值，且肖塘溫度高于哈德（圖3c）?？傊邓^程是一個(gè)近地面溫度降低的過程，其中流動(dòng)性沙面更明顯。

3.3 典型天氣型相對(duì)濕度廓線對(duì)比分析

晴天近地層相對(duì)濕度日變化較復(fù)雜，夜晚大于白天，與溫度變化相反（圖4a）。哈德地區(qū)凌晨02:00相對(duì)濕度達(dá)到最大值，0.5～2 m高度范圍內(nèi)隨高度的增加而降低，只有在2～4 m間緩慢增加，4 m以上相對(duì)濕度又開始降低，早晨08:00隨著近地面溫度的升高，相對(duì)濕度開始快速降低，其中哈德地區(qū)在0.5～1 m間相對(duì)濕度隨高度增加而降低，1 m以上呈增加趨勢(shì)，中午14:00時(shí)相對(duì)濕度已經(jīng)降低到較小的水平，傍晚20:00隨近地面溫度的降低相對(duì)濕度又開始升高，對(duì)比肖塘地區(qū)情況，發(fā)現(xiàn)全天各個(gè)時(shí)段肖塘地區(qū)近地面相對(duì)濕度都小于哈德，其變化情況也比哈德地區(qū)簡(jiǎn)單，這可能是由于流動(dòng)性沙面在晴天升溫更快，其單一的下墊面性質(zhì)更有利于近地面水分的散失。

圖4 肖塘、哈德地區(qū)各種典型天氣相對(duì)濕度廓線

沙塵暴天氣下兩地近地層相對(duì)濕度變化差異性最大（圖4b），02:00哈德地區(qū)大于肖塘地區(qū)，其變化形態(tài)一致，早晨08:00伴隨著地面溫度升高，哈德地區(qū)相對(duì)濕度開始快速增高，而肖塘地區(qū)卻降至最小，這一點(diǎn)明顯不同于其它天氣類型，之后，相對(duì)濕度的值又開始升高，在沙塵暴發(fā)生時(shí)兩地相對(duì)濕度都達(dá)到最大，而晴天時(shí)為最小，這說明沙塵暴是一個(gè)明顯的增濕過程，20:00伴隨著沙塵天氣的結(jié)束，相對(duì)濕度又開始降低。全天內(nèi)哈德地區(qū)近地層相對(duì)濕度都大于肖塘，日變化卻小于肖塘。

降水過程兩地相對(duì)濕度日較差較大，下午明顯大于早晨，夜晚在0.5 m處相對(duì)濕度變化很明顯（圖4c）。凌晨02:00哈德地區(qū)相對(duì)濕度明顯小于肖塘地區(qū)，這一點(diǎn)與晴天不同，其中0.5～1 m范圍內(nèi)濕度變化最明顯，之后相對(duì)濕度開始降低，早晨08:00哈德地區(qū)大于肖塘地區(qū)，且哈德的變化比肖塘簡(jiǎn)單，14:00兩地近地層相對(duì)濕度都有所升高，但增加的幅度很有限，其中哈德地區(qū)和肖塘地區(qū)在9.5 m的高度范圍內(nèi)濕度變化分別為0.13%和4.26%，之后兩地的相對(duì)濕度又開始升高，其中哈德地區(qū)升高趨勢(shì)更明顯。

4 結(jié)論與討論

（1）各種典型天氣過程中，兩地風(fēng)速廓線變化具有明顯的差異，晴天平均風(fēng)速明顯小于其它典型天氣，風(fēng)速廓線變化也較簡(jiǎn)單。晴天和降水過程1、2 m風(fēng)速變化明顯，這也與對(duì)青藏高原[13-15]和塔中[17]的研究結(jié)果一致，發(fā)生沙塵暴時(shí)2 m為風(fēng)速切變點(diǎn)，其中肖塘地區(qū)比哈德地區(qū)風(fēng)速日變化明顯，風(fēng)速梯度差也小，這是由于哈德地區(qū)地面有稀疏的植被分布，地面粗糙度較大，近地面風(fēng)速變化較小，而肖塘地區(qū)下墊面為流動(dòng)性沙面，沙漠氣候特征明顯。

（2）溫度的變化與下墊面性質(zhì)和天氣情況密切相關(guān)，研究區(qū)夜晚一般都會(huì)有逆溫存在，晝夜溫差大，肖塘地區(qū)溫度變化比哈德地區(qū)明顯，升溫快，降溫也快，尤其是在晴天大部分時(shí)間溫度都是高于哈德。發(fā)生沙塵暴時(shí)近地層溫度會(huì)急劇降低，梯度差值也較大，這與何清[17]、胡澤勇[18]等人的研究結(jié)果相一致，但是由于哈德地區(qū)植被的高度要高于戈壁地區(qū)，地表粗糙度更大，風(fēng)速溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)又不同于戈壁、草原地區(qū)[13，16]，其中沙塵暴對(duì)哈德地區(qū)的影響大于肖塘地區(qū)，雨天和沙塵暴一樣，近地面溫度也會(huì)快速降低，尤其是肖塘地區(qū)溫度的下降會(huì)更加明顯。（3）相對(duì)濕度變化與溫度變化緊密相關(guān)，還與近地面風(fēng)速大小有關(guān)，肖塘地區(qū)相對(duì)濕度變化大于哈德地區(qū)，具有更明顯的沙漠特征，尤其是在晴天和雨天，變化更明顯。晴天時(shí)2 m處濕度變化較明顯，沙塵暴和降水過程時(shí)1 m處是濕度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，李祥余[8]、何清[17]等人對(duì)沙漠腹地塔中的分析也反映了這一點(diǎn)，沙塵暴過境是一個(gè)明顯的降濕過程。總之兩地白天相對(duì)濕度小于夜晚，這與溫度的變化相反，哈德地區(qū)比肖塘地區(qū)“綠洲效應(yīng)”明顯。

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