基于船載GPS探空數(shù)據(jù)的黃東海大氣邊界層高度分析*

孔 揚(yáng)，張?zhí)K平

（1.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海洋－大氣相互作用與氣候山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.寧波市氣象局，浙江 寧波 315000）

大氣邊界層（ABL）或稱行星邊界層（PBL），是地球生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。它緊貼地面，高度一般在100～3 000m，直接受地球表面的影響，對(duì)表面強(qiáng)迫力響應(yīng)的時(shí)間尺度約為1h或更?。?］。大氣邊界層影響著污染物的擴(kuò)散和成云、降水等天氣現(xiàn)象的發(fā)生，而且在控制下墊面能量和水汽等物質(zhì)向上輸運(yùn)到自由大氣的過程中起到關(guān)鍵作用。黃東海是海霧多發(fā)區(qū)，研究該海區(qū)的大氣邊界層（MABL）對(duì)海上層云、海霧等天氣現(xiàn)象的變化特征均有重要意義。

影響大氣邊界層的發(fā)展，最終使邊界層高度出現(xiàn)時(shí)空分布不均勻的主要有2個(gè)因素：湍流和垂直運(yùn)動(dòng)。湍流的形成可分為熱力作用、動(dòng)力作用以及云頂輻射冷卻；垂直運(yùn)動(dòng)則具體指天氣系統(tǒng)或大尺度背景環(huán)流的影響［2］。

廖國蓮［3］指出，大氣穩(wěn)定度是決定大氣邊界層厚度的最主要因子。大氣越不穩(wěn)定，水平和垂直湍流交換越強(qiáng)，邊界層厚度越大；而在大氣層結(jié)為穩(wěn)定的條件下，大氣湍流得不到發(fā)展，湍流能達(dá)到的厚度低，邊界層厚度就小。另外天氣系統(tǒng)對(duì)大氣邊界層高度也有重要影響［4－5］。由于海陸熱力差異等因素，海洋大氣邊界層的日變化、年變化都與陸地邊界層有很大區(qū)別［2］。涂靜［6］、韓美［7］等對(duì)黃東海 MABL的時(shí)空分布特征及機(jī)制均有較為系統(tǒng)的研究，但由于海上觀測資料獲取不易，結(jié)論都是基于再分析數(shù)據(jù)及沿海的站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)得到的，基于實(shí)測數(shù)據(jù)的研究很少。

本文借助2012年5、11月2次出海觀測得到的探空數(shù)據(jù)，結(jié)合再分析資料、沿海站點(diǎn)探空等對(duì)黃東海MABL的高度變化及溫濕特征進(jìn)行了分析，為研究MABL高度變化的機(jī)制、為大氣模式中邊界層參數(shù)化方案的改進(jìn)提供觀測依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)、方法介紹

1.1 資料

本文采用以下資料：

（1）美國國家預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的FNL（Final A-nalysis）再分析數(shù)據(jù)和CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）再分析數(shù)據(jù)，用于MABL的氣候態(tài)分析。

（2）海溫分析用到了美國國家海洋和大氣管理局NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）提供的OISST（Daily Optimum Interpolation Sea Surface Temperature）海溫?cái)?shù)據(jù)，空間分辨率0.25（°）×0.25（°）網(wǎng)格。

（3）搭載在“東方紅2號(hào)”科學(xué)考察船上的儀器測得的海上實(shí)測數(shù)據(jù)，包括GPS探空、自動(dòng)氣象站、CTD等。本文使用北京長峰聲表面波公司自主研發(fā)的AF-06-A型GPS探空儀。

（4）青島市氣象局、臺(tái)州市氣象局提供的青島站、洪家站L波段探空雷達(dá)數(shù)據(jù)。

1.2 計(jì)算方法

MABL 高度計(jì)算采用位溫廓線法［1，9－10］，按照對(duì)流邊界層（CBL），中性邊界層（NRL）和穩(wěn)定邊界層（SBL）不同的位溫特點(diǎn)確定。由于剩余層不直接受地面湍流輸運(yùn)的影響，本文在計(jì)算MABL高度時(shí)沒有考慮剩余層。其中CBL的位溫在邊界層頂有明顯的驟降，位溫梯度很大，容易辨別；NRL中的位溫與CBL類似，但MABL頂梯度較小，界線模糊，需排除卷夾層部分；SBL高度的判定則結(jié)合溫度廓線，以逆溫層頂為主要判據(jù)。

2 出海概況（設(shè)備、人工觀測項(xiàng)目）

借助中國海洋大學(xué)“東方紅2號(hào)”科學(xué)考察船分別于2012年5、11月對(duì)黃東海MABL進(jìn)行了探測，航線如圖1所示。春季航次（5月1～12日）由浙江省舟山市長峙碼頭出發(fā)，航行到青島，共得到黃、東海上空探空數(shù)據(jù)12個(gè)；冬季航次（10月30日～11月10日）由青島港出發(fā)，到達(dá)長江口外東海北部后返回青島，其間得到12個(gè)探空數(shù)據(jù)。

考慮到SST對(duì)MABL的重要影響，施放探空氣球的站位選取主要依據(jù)不同海區(qū)的海溫變化。由于5月份海溫梯度較大（見圖1（a）），同時(shí)長江口以東的海區(qū)出現(xiàn)冷、暖舌交匯，導(dǎo)致海氣溫差出現(xiàn)了正、負(fù)不同的分布，分別代表下墊面不同的穩(wěn)定度。春季航次成功取得了冷、暖海面（相對(duì)SAT）上MABL的探空數(shù)據(jù)。11月，整個(gè)海區(qū)的海氣溫差都為正，因此探空站位并沒有海－氣界面穩(wěn)定度的顯著差異。2個(gè)航段的探空數(shù)據(jù)基本能按照早、中、晚平均分布。

圖1 2012年5月（a）、11月（b）航線（黑色折線）及探空氣球釋放站點(diǎn)（星號(hào)）示意圖Fig.1 Ship tracks and atmospheric sounding sites in May（a）and Nov（b），2012

3 GPS探空數(shù)據(jù)分析

3.1 春季航次

3.1.1 邊界層高度分析 5月份航次的海氣溫差分布如圖2所示。海氣溫差在冷水區(qū)的日變化很大，春季航次經(jīng)歷了由海氣溫差為正的暖海區(qū)到海氣溫差為負(fù)的冷海區(qū)的航行過程，航線經(jīng)過東海海洋鋒①本文海洋鋒是指海表面溫度鋒。的北部分支。這一航次的觀測結(jié)果能夠作為海洋鋒影響大氣邊界層的重要參考。

圖2 春季航次探空站點(diǎn)海氣溫差分布圖（站點(diǎn)號(hào)分布見圖1）Fig.2 The SST-SAT of the GPS sounding positions along the spring cruise（The positions are shown in Fig.1.）

1日14 時(shí)～2日19時(shí)位于暖水區(qū)，海氣溫差為正，但數(shù)值較小。位溫廓線（見圖3）表現(xiàn)出弱的對(duì)流邊界層特征，且日變化較小。對(duì)流邊界層中低層位溫梯度顯著增大的高度與邊界層高度相當(dāng)。1日14時(shí)船位于碼頭，層結(jié)不穩(wěn)定，利于生成浮力對(duì)流，MABL較高。2日8時(shí)、14時(shí)、19時(shí)分別對(duì)應(yīng)早、中、晚3個(gè)時(shí)段，MABL的高度幾乎不變。航行記錄表明，當(dāng)天天氣為多云間陰，故太陽輻射的影響較小。由于海溫變化小，晚上仍能保持正海氣溫差，可以維持對(duì)流邊界層，與陸地邊界層日間對(duì)流、夜間穩(wěn)定的變化特征明顯不同。

3日14 時(shí)～5日12時(shí)，船進(jìn)入冷水區(qū)，海氣溫差為負(fù)。MABL類型為穩(wěn)定邊界層，MABL高度的判據(jù)基本以逆溫層頂?shù)母叨葹闇?zhǔn)。此段MABL高度很低且沒有明顯的日變化。注意到該時(shí)段太陽輻射強(qiáng)，而午后時(shí)刻如3日14時(shí)和5日12時(shí)，MABL的結(jié)構(gòu)與當(dāng)天早、晚完全一致，表現(xiàn)出穩(wěn)定邊界層的特征，這說明在冷海區(qū)太陽輻射并不是一個(gè)影響MABL日變化的重要因素。

3.1.2 邊界層溫濕廓線分析 圖3中看出，冷水側(cè)MABL為穩(wěn)定邊界層，底層出現(xiàn)逆溫層，高度遞減。由水汽廓線可知，在暖水側(cè)（1、2日）2 000m以下水汽充足，相對(duì)濕度在80%以上。在MABL中，整層接近飽和（100%）層次的高度跟MABL的高度保持一致，體現(xiàn)了MABL對(duì)水汽垂直傳輸?shù)挠绊憽＠渌畟?cè)（3、4、5日）則明顯不同。MABL以上的大氣中水汽含量銳減，相對(duì)濕度低至40%以下。由于穩(wěn)定邊界層中湍流較弱，MABL低，海表空氣混合不足，無法將水汽通過湍流混合傳至上空，故低層相對(duì)濕度也較小。

圖3 5月各站點(diǎn)位溫（實(shí)線，單位：K）和溫度（虛線，單位：℃）廓線Fig.3 Potential temperature and air temperature profiles of each sounding position in May

圖4 5月1～5日每天14：00位溫、相對(duì)濕度、溫度、露點(diǎn)和抬升速度的探空曲線圖Fig.4 The potential temperature，relative humidity，temperature，dew point and rise speed of 14：00pm soundings everyday from 1to 5，May

3.1.3 垂直風(fēng)切變分析 動(dòng)力作用造成的湍流是影響邊界層高度的重要因子。本文重點(diǎn)分析一下幾條廓線700m以下的垂直風(fēng)切變大小與MABL高度的關(guān)系。垂直風(fēng)切變的計(jì)算公式如下，其中z與z～1間隔為30m。

從圖5中可以看到，5月份低層大氣中存在較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，部分氣層的風(fēng)切變數(shù)值能達(dá)到1.5m/s以上。在暖區(qū)，2日的風(fēng)切變雖較大，但MABL高度不及1日。而在冷區(qū)，風(fēng)切變與MABL的相關(guān)較好。5日風(fēng)切變最強(qiáng)，其MABL達(dá)到了300m；3、4日風(fēng)切變依次減弱，其MABL高度也分別為240和180m。由此看來，在冷區(qū)的穩(wěn)定邊界層中，熱力對(duì)流減少，風(fēng)切變帶來的動(dòng)力作用較為重要，而在暖區(qū)，海氣溫差產(chǎn)生的不穩(wěn)定對(duì)流、浮力通量等起到更重要的作用。

圖5 5月份700m以下垂直風(fēng)切變廓線（s－1）和風(fēng)矢量（m·s－1）Fig.5 Vertical wind shear（s－1）and wind vector（m·s－1）under 700min May

3.2 秋季航次

3.2.1 邊界層高度分析 由于11月在黃東海海溫普遍高于氣溫，故秋季航次探測到的MABL均為對(duì)流邊界層，邊界層頂與自由大氣間具有明顯的分界?？傮w來說，MABL沒有明顯的日變化。太陽輻射對(duì)MABL的高度起到較明顯的作用。以6和8日為例：根據(jù)航行記錄，6日全天為多云天氣，太陽輻射很少，09、16、21 3個(gè)時(shí)刻的MABL高度也基本不變，都在1 500m左右；8日天氣則為晴，太陽輻射充足，故MABL有緩慢發(fā)展的趨勢(shì)，3、6、11時(shí)高度依次遞增。

3.2.2 邊界層溫濕廓線分析 由于秋季航次海氣溫差均為正，大氣層結(jié)一致，所以各項(xiàng)特征都十分類似。本文選8日11時(shí)作為典型個(gè)例，討論11月黃東海MABL的溫濕特征。由圖可知，MABL內(nèi)、外相對(duì)濕度差異顯著?？礈囟嚷饵c(diǎn)差可知，由于降溫，在MABL內(nèi)相對(duì)濕度隨高度增加。進(jìn)入自由大氣后濕度銳減至接近于零，11月水汽被局限在MABL以內(nèi)。3 500m以上相對(duì)濕度突然增加，可能是由于探空氣球進(jìn)入云層導(dǎo)致的。

3.2.3 垂直風(fēng)切變分析 由圖8可知，11月的整層風(fēng)速不小，但風(fēng)速在MABL內(nèi)的分布較為均勻，垂直風(fēng)切變相比5月份明顯減小，且?guī)讞l廓線數(shù)值上相差不大。因此動(dòng)力作用形成的湍流不大，對(duì)MABL并沒有明顯的影響。

圖6 秋季各站點(diǎn)位溫廓線Fig.6 Potential temperature profiles of each sounding position in Autumn

圖7 8日11時(shí)的位溫、相對(duì)濕度、溫度、露點(diǎn)和抬升速度的探空曲線圖Fig.7 The potential temperature，relative humidity，temperature，dew point and rise speed of 11：00pm sounding 1～8Nov.

圖8 秋季垂直風(fēng)切變廓線（s－1）和風(fēng)矢量（m·s－1）Fig.8 Vertical wind shear（s－1）and wind vector（m·s－1）under 2 000min Autumn

4 MABL和相對(duì)濕度的氣候態(tài)分析

本文選取CFSR再分析資料進(jìn)一步分析MABL在氣候態(tài)（2003—2009年逐月平均）下的特征。同時(shí)，探空數(shù)據(jù)也能夠評(píng)估再分析資料對(duì)MABL的模擬能力。

如圖9，SST梯度大值區(qū)能指示海洋鋒的位置。氣候態(tài)年平均下，東海黑潮海洋鋒①黑潮表面暖水與其北部陸架冷水之間海表面溫度梯度很大，形成了明顯的海表面溫度鋒——東海黑潮海洋鋒。為東北－西南走向，參考劉敬武等［8］SST梯度大于2℃/100km的部分，位于27°N～32°N之間，從臺(tái)灣島東北部沿海延伸至日本九州西南部洋面。沿AB線做剖面來研究整個(gè)黃東海海區(qū)的MABL、水汽、環(huán)流變化規(guī)律以及海洋鋒帶來的局地影響。

在圖10中，根據(jù)氣壓和高度的關(guān)系［9］，500hPa等壓面對(duì)應(yīng)高度約為5 500m。故繪制MABL高度時(shí)垂向坐標(biāo)選取0～5 500m，以配合相對(duì)濕度場1 000～5 00hPa的氣壓坐標(biāo)。圖1 0中MABL與相對(duì)濕度的位置基本符合實(shí)際。在黃東海海區(qū)，MABL、自由大氣的風(fēng)場和濕度場均存在明顯的季節(jié)變化。

圖9 氣候態(tài)年平均SST分布圖Fig.9 Climate annual mean SST

在CFSR數(shù)據(jù)中，MABL高度已經(jīng)通過模式計(jì)算直接給出。MABL夏季最低，冬季最高。數(shù)值上，CF-SR數(shù)據(jù)5月MABL高度為300～600m，略高于觀測；11月為1 200m左右，與觀測基本一致。MABL內(nèi)，5月份在海洋鋒上空出現(xiàn)暖區(qū)上升，冷區(qū)下沉的次級(jí)環(huán)流。

圖10 沿AB線的相對(duì)濕度（填色，單位：%）、流線、MABL高度（紅色線，單位：m）、SST（黑色線，單位：℃）2003—2009氣候態(tài)月平均分布圖Fig.10 Climate monthly mean RH （shaded，%），stream，MABL height（red line，m）and SST（black line，℃）along section AB line from 2003to 2009

水汽的時(shí)間、空間分布表現(xiàn)為：季節(jié)上夏季空氣中總的水汽含量普遍高于其他三季，7月份整個(gè)海區(qū)的水汽都能到達(dá)700hPa，而2、11月水汽則被限制在850hPa以下。5月份較為特殊，海洋鋒以南的暖海面上水汽能到達(dá)700hPa甚至更高，而海洋鋒以北，水汽被限制在低層大氣中。這與觀測事實(shí)相符。

水汽的空間分布對(duì)應(yīng)著MABL的空間變化。圖3中2、5、11月份相對(duì)濕度大于80%的區(qū)域均位于MABL內(nèi)，且隨著MABL的起伏而有高低變化。7月份海洋鋒基本消失，MABL高度基本不變，低層水汽的分布也就沒有隨緯度的變化了，其整層水汽含量雖然很高，但看相對(duì)濕度大于80%的高濕區(qū)仍在MABL以內(nèi)。以上特征與觀測事實(shí)吻合，說明CFSR數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確刻畫出水汽的垂直分布特征。

韓美等［7］通過Micaps地面觀測、JRA25再分析資料指出，在春季黃東海32°N以南暖海面上低云發(fā)生頻率較高，32°N～36°N海面較冷，是海霧高頻區(qū)。圖3（a）、（b）中的相對(duì)濕度分布與上述現(xiàn)象相一致。風(fēng)場的改變疊加在東海海洋鋒之上，與邊界層中的次級(jí)環(huán)流等相互作用，造成了相對(duì)濕度的分布隨季節(jié)改變而不同。

5 船載探空與岸基探空的對(duì)比

5.1 與青島站資料對(duì)比

L波段雷達(dá)數(shù)據(jù)的選取上，本文選擇了當(dāng)時(shí)考察船位于黃海北部，與青島站同緯度的5月5日、11月2日，用來對(duì)比分析黃海沿海地區(qū)邊界層與海上邊界層的異同。

圖12 5月1日、11月7日臺(tái)州洪家站L波段雷達(dá)探空資料溫濕廓線圖（圖例同圖9）Fig.12 The L-band radar soundings in HJ station on May 1and Nov 7

5月份青島站的MABL高度約為200m，11月則為1 400m左右，高度范圍與海上探空一致。沿岸站點(diǎn)表現(xiàn)出了5月遠(yuǎn)低于11月的特征，區(qū)別于陸地邊界層，與CFSR氣候態(tài)海洋邊界層的特點(diǎn)相符。

日變化上，5月5日的2個(gè)時(shí)次中，邊界層都表現(xiàn)出了一定的對(duì)流特征，這與同緯度上海區(qū)的MABL不同，后者為穩(wěn)定邊界層。但2個(gè)時(shí)次的探空廓線都沒有出現(xiàn)強(qiáng)的對(duì)流，而是維持在較淺的200m以下，又與典型路陸上邊界層不同。這體現(xiàn)出了受海洋影響，低層大氣升溫較慢，從而延緩邊界層發(fā)展的特點(diǎn)。

11月2 日早7點(diǎn)為典型的穩(wěn)定邊界層上覆蓋剩余層。其中剩余層混合均勻，是前一天對(duì)流邊界層的剩余；白天對(duì)流發(fā)展旺盛，能夠維持到晚19點(diǎn)，但此時(shí)下層開始受陸地夜間降溫的影響，位溫開始降低，呈現(xiàn)出向穩(wěn)定邊界層轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

5.2 與洪家站資料對(duì)比

位于浙江省臺(tái)州市的洪家站L波段雷達(dá)數(shù)據(jù)常被用來研究東海MABL，選取考察船最靠近洪家站的5月1日、11月7日進(jìn)行分析。

同青島站一樣，洪家站11月邊界層高度也大于5月，與CFSR結(jié)果一致。同時(shí)，相同季節(jié)下洪家站的邊界層高度大于青島站，這也印證了黃東海MABL南高北低的空間分布。5月份洪家站的邊界層日變化較小，也與海上邊界層類似。

對(duì)比沿岸數(shù)據(jù)和出海觀測數(shù)據(jù)，5月份海邊的對(duì)流相比海上更強(qiáng)，MABL也能達(dá)到更高的500m。11月1日14時(shí)還未開船，在碼頭釋放的探空曲線與洪家站的層結(jié)特征是一致的。

11月受陸地影響明顯，沿岸邊界層出現(xiàn)明顯的日變化，7日7時(shí)探空曲線表現(xiàn)為上層剩余層，底層對(duì)流開始發(fā)展，此時(shí)邊界層不足100m；19時(shí)進(jìn)入夜間，邊界層則發(fā)展到800m以上，并由底層開始出現(xiàn)逆溫、變?yōu)榉€(wěn)定層結(jié)。整個(gè)過程帶有明顯的陸上邊界層特征。

6 結(jié)論

利用GPS探空儀實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合CFSR再分析資料、NGSST、OISST、L波段雷達(dá)資料對(duì)黃東海大氣邊界層的變化特征和影響因子進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）5月海氣溫差的不均勻分布產(chǎn)生不同的大氣層結(jié)，決定MABL的類型：暖海面上為對(duì)流邊界層，冷海面上則為穩(wěn)定邊界層，兩類邊界層高度都在300m以下。與陸地邊界層不同，不同類型MABL的日變化都很小。在暖區(qū)，海氣溫差為正，其大小與MABL的高度變化相關(guān)，風(fēng)切變的影響并沒有凸顯；在冷區(qū)，海氣溫差與MABL相關(guān)性不大，風(fēng)切變的作用更為顯著。

（2）11月，黃東海海氣溫差為正，且數(shù)值較大，全海區(qū)MABL表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)流邊界層特征，MABL高度平均在1 000m以上。MABL日變化較小，海氣溫差的大小與太陽輻射都能影響MABL的發(fā)展高度，11月份的垂直風(fēng)切變較小，動(dòng)力作用形成的湍流對(duì)MABL貢獻(xiàn)不大。水汽被限制在MABL內(nèi)，MABL高度決定了水汽被輸送的高度。

（3）探空資料證實(shí)，由CFSR數(shù)據(jù)確定的MABL高度即高濕層的高度，海表面產(chǎn)生的水汽通過MABL中的湍流混合到達(dá)MABL層頂。東海黑潮形成的冷、暖海區(qū)使得其上MABL以海洋鋒為界南高北低，配合自由大氣中的等熵面運(yùn)動(dòng)等，造成海洋鋒兩側(cè)水汽分布的顯著差異，夏季隨著海洋鋒消失，此現(xiàn)象也消失。這種分布特征與春季黃東海南部多低云，北部多霧的天氣現(xiàn)象吻合。

（4）通過與青島站、洪家站L波段雷達(dá)的探空資料對(duì)比，發(fā)現(xiàn)沿海地區(qū)的大氣邊界層兼具海洋、陸地邊界層的特征。受海洋影響，兩沿岸站點(diǎn)邊界層高度與海上MABL差別不大，跟GPS探空、CFSR數(shù)據(jù)有相同的季節(jié)變化特征，能夠代表黃、東海大氣邊界層特點(diǎn)。但受陸地影響，沿岸站點(diǎn)邊界層高度日變化較海上更劇烈，有對(duì)流、穩(wěn)定邊界層間的轉(zhuǎn)化，因此在替代海上邊界層日變化研究時(shí)具有局限性。

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