烏魯木齊大氣邊界層風(fēng)溫垂直結(jié)構(gòu)特征

胡義成，伊里哈木，王秋香，魏文壽，古麗格娜

（1.新疆氣象信息中心，新疆烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002）

烏魯木齊大氣邊界層風(fēng)溫垂直結(jié)構(gòu)特征

胡義成1，伊里哈木1，王秋香1，魏文壽2，古麗格娜1

（1.新疆氣象信息中心，新疆烏魯木齊 830002；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002）

利用烏魯木齊市2011—2012年08時、20時L波段（1型）雷達探測的高空資料，分析了烏魯木齊邊界層內(nèi)氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速和相對濕度的垂直分布及其時間變化特征。結(jié)果表明：邊界層內(nèi)溫度廓線的日變化和季節(jié)變化比較顯著；各月均有逆溫出現(xiàn)，且08時較20時更易出現(xiàn)逆溫，20時只有冬季出現(xiàn)脫地逆溫，冬季08時逆溫層厚度較厚且強度最大。邊界層內(nèi)夏、冬兩季風(fēng)速隨高度變化波動較大，春、秋兩季變化較小。冬季在距地1 000 m附近風(fēng)速明顯大于其它3個季節(jié)。地面層春、夏、秋三季08時盛行西南偏南風(fēng)，冬季盛行偏東風(fēng)和西南風(fēng)；20時春季盛行東北風(fēng)，夏秋盛行偏北風(fēng)，冬季則盛行東風(fēng)。隨高度增加，大氣環(huán)流對風(fēng)的影響逐漸增強，至2 500 m附近逐漸轉(zhuǎn)換為西北風(fēng)；日風(fēng)向的變化具有明顯的山谷風(fēng)特點。08、20時的相對濕度冬季最大，夏季最小，且隨高度增加，春、夏兩季08、20時相對濕度的變化較大。

烏魯木齊；大氣邊界層結(jié)構(gòu)；L波段雷達；四季特征

大氣邊界層是對流層下部直接受地面影響的氣層[1]，影響因素包括地表摩擦、蒸發(fā)和蒸騰、熱量輸送、污染物排放及地形擾動等。大氣邊界層中各類氣象要素有著較為復(fù)雜的時空變化特征，同時這種變化直接影響到人類本身的生存環(huán)境質(zhì)量[2]。研究表明可吸入顆粒物濃度與逆溫強度、底高有顯著關(guān)系；另外，大氣邊界層內(nèi)的流場分布特征不僅與局地降水有密切關(guān)系，而且對大氣中的環(huán)境污染物輸送、擴散等有重要影響。要對城市環(huán)境進行區(qū)域規(guī)劃，對大氣環(huán)境進行預(yù)報和治理，首先必須搞清楚區(qū)域氣候特征和大氣邊界層的結(jié)構(gòu)[3-4]。

何清[9]利用系留氣艇觀測試驗資料對烏魯木齊大氣邊界層溫度和風(fēng)廓線進行了研究；孟齊輝[10]對烏魯木齊地區(qū)東南大風(fēng)與氣壓場演變的關(guān)系進行了研究；韓茜[11]利用Vaisala系留探空儀系統(tǒng)資料對烏魯木齊降雪與非降雪天氣邊界層結(jié)構(gòu)變化特征開展了研究；劉增強[12]分析了烏魯木齊市低空大氣逆溫特征；李景林[13]、萬瑜[14]對烏魯木齊市低空溫度層結(jié)與采暖期大氣污染的關(guān)系進行了研究；胡晏玲[15]對烏魯木齊市冬季近地逆溫特點及其與可吸入顆粒物濃度的相關(guān)關(guān)系進行了分析。然而受到探測手段和資料長度的限制，科技工作者過去對烏魯木齊邊界層風(fēng)溫時空結(jié)構(gòu)特征的研究較少。因此，開展大氣邊界層風(fēng)溫時空結(jié)構(gòu)特征的研究，全面掌握其較大范圍內(nèi)的低空流場特征分布，對提高烏魯木齊的環(huán)境保護和天氣預(yù)報服務(wù)水平、改善市民的生存環(huán)境質(zhì)量等都有重要指導(dǎo)意義。通過采用烏魯木齊近些年的探空資料，分析了烏魯木齊市大氣邊界層氣溫、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速的垂直分布及其季節(jié)變化特征，以期為烏魯木齊市大氣污染的預(yù)報、大氣環(huán)境評價和城市天氣預(yù)報提供參考，更好地服務(wù)于社會。

1 資料與方法

基于烏魯木齊L波段（1型）雷達2011年1月—2012年12月的常規(guī)高空氣象探測數(shù)據(jù)（08時、20時兩個時次），建立烏魯木齊大氣邊界層5個氣象要素（氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速）數(shù)據(jù)庫，其垂直分辨率為50 m。所使用的資料已經(jīng)經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，符合中國氣象局對探空資料的精度要求。通過對上述氣象要素數(shù)據(jù)進行常規(guī)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析，以期揭示烏魯木齊大氣邊界層結(jié)構(gòu)的一些基本特征。

2 大氣邊界層溫度的垂直結(jié)構(gòu)特征

2.1 溫度廓線特征

城市邊界層的溫度結(jié)構(gòu)分布模態(tài)對城市氣候特征和污染物擴散規(guī)律有重要影響。圖1為烏魯木齊2011—2012年春、夏、秋、冬四季08時和20時的平均溫度廓線。由圖可見，烏魯木齊市溫度廓線的早晚和季節(jié)變化都比較顯著。春、秋兩季以及全年08時和20時的溫度結(jié)構(gòu)基本相似，08時各季節(jié)均出現(xiàn)逆溫且冬季逆溫層最厚，20時只有冬季出現(xiàn)脫地逆溫。距地1 500 m以下屬于邊界層的中心層結(jié)，在1 500 m以下，08時和20時溫度結(jié)構(gòu)的差異較大，各季節(jié)的差異也較大；1 500 m以上，各季節(jié)、各時次的溫度結(jié)構(gòu)基本趨于相似。逆溫層以上，各季節(jié)氣溫隨高度均呈遞減分布。

2.2 逆溫層變化特征

2.2.1 逆溫頻率

圖2為烏魯木齊市2011—2012年08時、20時各月的逆溫出現(xiàn)頻率情況?？梢钥闯觯簽豸斈君R各月08時和20時均有逆溫出現(xiàn)。08時各月逆溫出現(xiàn)頻率最低的是6月，為55.0%，最高是1月和12月，均為93.5%，08時年平均逆溫出現(xiàn)頻率為83.2%；20時逆溫出現(xiàn)頻率的最小值在5月，為14.5%；最高值在1月，為96.8%，且年均逆溫頻率為53.9%。由此可見，逆溫比例有明顯的季節(jié)變化，冬半年的逆溫比例明顯大于夏半年。其中，整個冬季的逆溫出現(xiàn)頻率占97.8%，而夏季只占13.0%。每個季節(jié)08時出現(xiàn)的逆溫頻率要高于20時，這說明烏魯木齊清晨更利于逆溫層的形成，這可能與夜間—清晨地面持續(xù)的輻射冷卻造成地面熱量喪失有很大關(guān)系。

2.2.2 逆溫層底高度月分布特征

烏魯木齊08時、20時逆溫層底的年平均高度分別為639.8 m、2 543.5 m（圖3、圖4），相對于重慶[5]和濟南[6]等地區(qū)來說，逆溫層的平均起始高度偏高，這可能是受到地理位置和地形等綜合因素的影響所致。烏魯木齊全年各月20時逆溫層的起始高度均高于08時，另外，08時逆溫層月平均出現(xiàn)頻率明顯大于20時。這主要是由于08時的氣溫較低（日氣溫的最低值一般出現(xiàn)在日出前后），近地面大氣層對流活動減弱；除冬季外，20時太陽大都處于地平線之上，雖然近地層大氣接受到的太陽輻射熱量在減少，但此時的地面輻射對逆溫層的抬升作用不可忽視，這可能就是烏魯木齊逆溫層平均高度高于中國其它地區(qū)的主要原因之一。

2.2.3 逆溫層厚度和強度

逆溫層的強弱還可以用逆溫厚度和強度來表征。盡管烏魯木齊08、20時全年各月均有逆溫層出現(xiàn)（圖5、圖6），但各月逆溫層的厚度和強度不盡相同。就逆溫層厚度而言，08時、20時逆溫層月平均厚度最大值都出現(xiàn)在1月，分別為851.3 m、735.1 m，兩個時次逆溫層厚度次大值均出現(xiàn)在冬季，而且冬季逆溫層厚度要明顯大于其它各季節(jié)。在冬季、冬春交替和秋冬交替的一些時日，大氣邊界層之內(nèi)往往形成2～3個厚度和強度不同的逆溫層，有時甚至出現(xiàn)多達5個逆溫層。春、夏、秋三季的逆溫層厚度均變化不大。

烏魯木齊08、20時兩個時次逆溫層月平均強度最大值均出現(xiàn)在10月，分別為2.8℃/100 m和1.6℃/100 m，月平均強度最小值08時出現(xiàn)在1月，為1.1℃/100 m，20時出現(xiàn)在7月，為0.8℃/100 m。烏魯木齊秋冬交替季節(jié)逆溫強度大，逆溫層多，這可能是由于蒙古反氣旋的冷空氣在準(zhǔn)噶爾盆地堆積，使得烏魯木齊冬季近地面大氣穩(wěn)定[12]所致；加上又三面環(huán)山，在冬季往往容易形成一個巨大穩(wěn)定、倒扣的鍋蓋形逆溫層，把城市污氣籠罩之下，不利于污染物的擴散。其它如4月、5月和9月08時以及3月、9月20時的逆溫層強度雖然也比較大，但日數(shù)一般不連續(xù)出現(xiàn)，這可能是因為這些時段正值夏季或換季時節(jié)，天氣過程頻繁、對流旺盛造成的。

3 大氣邊界層風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)特征

3.1 風(fēng)速的垂直結(jié)構(gòu)特征

近地層風(fēng)對城市大氣污染物的輸送和擴散有重要影響，其發(fā)展變化直接或間接地影響了市民的生存環(huán)境質(zhì)量。圖7為烏魯木齊市不同季節(jié)08時、20時從地面到2 500 m高度內(nèi)的平均風(fēng)速廓線。由圖可見，烏魯木齊市邊界層內(nèi)不同高度的平均風(fēng)速具有明顯的季節(jié)變化特征，大體呈“S”型。08時秋冬兩季邊界層內(nèi)風(fēng)速隨高度上升變化較大，春夏兩季變化較小，在500 m以下的近地層，全年各季節(jié)風(fēng)速的垂直遞增率基本持平，風(fēng)速隨高度增加每100 m的平均升速為0.50 m/s；20時夏季和冬季風(fēng)速隨高度上升變化較劇烈，夏季風(fēng)速在近地層的增幅較大，每100 m為0.67 m/s，冬季最小，每100 m為0.59 m/s。在距地1 000 m附近，烏魯木齊冬季的風(fēng)速明顯大于其它3個季節(jié)，這與冬季低空型東南風(fēng)出現(xiàn)頻率高，對烏魯木齊風(fēng)廓線影響很大[9]有關(guān)。08時冬季風(fēng)速的垂直遞增率較春、夏、秋三季大，這與冬季烏魯木齊上空盛行低空東南大風(fēng)有很大關(guān)聯(lián)[8]。20時春夏兩季風(fēng)速的垂直遞增率大于秋冬二季，這是由于春夏季對流旺盛，造成高低層大氣通過垂直湍流混合有關(guān)。

3.2 風(fēng)向特征

烏魯木齊市深處亞歐大陸腹地，地處天山北麓，準(zhǔn)格爾盆地南緣，屬于中溫帶大陸性干旱季風(fēng)區(qū)，這種特殊的地理環(huán)境導(dǎo)致其邊界層內(nèi)的盛行風(fēng)向也具有顯著的大陸性特點。圖8為烏魯木齊大氣邊界層08時、20時各月近地層常年盛行風(fēng)向及其發(fā)生頻率，由此可以看出，烏魯木齊市近地面層盛行風(fēng)向隨觀測時間和季節(jié)的變化而明顯發(fā)生變化。

08時，烏魯木齊市地面層在春、夏、秋三季盛行西南偏南風(fēng)，冬季則盛行東北風(fēng)和西南偏南風(fēng)。距地1 000 m，春、夏、秋、冬四季風(fēng)向常年盛行東南風(fēng)、東北風(fēng)和西北風(fēng)，至距地2 500 m高度上轉(zhuǎn)化為西北風(fēng)。烏魯木齊氣象站在距地2 500 m處的海拔高度為3 436 m，與此站700 hPa規(guī)定等壓面的高度相當(dāng)，風(fēng)在此高度上基本脫離了邊界層的影響，處于邊界層向西風(fēng)帶控制區(qū)的過渡區(qū)，因此四季均常年盛行西北風(fēng)。

20時，烏魯木齊春、秋二季地面層盛行東北風(fēng)和北風(fēng)，夏季盛行西北風(fēng)和偏北風(fēng)，冬季則盛行東風(fēng)。距地1 000 m處，冬季轉(zhuǎn)為盛行東南風(fēng)，春、夏和秋季均分別盛行北風(fēng)、東北風(fēng)和西北風(fēng)。至距地2 500 m處，春夏秋冬四季則常年盛行西北風(fēng)。從地面至距地1 000 m附近，冬季風(fēng)向與其它3個季節(jié)的風(fēng)向明顯不一致，這主要是因為冬季空氣冷重，地形和下墊面對風(fēng)的影響作用增大，低空型東南風(fēng)頻率高所致。至2 500 m高度附近，四季風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為一致，這主要是因為此處已脫離?？寺鼘?，位于大氣邊界層頂部，地面摩擦對空氣流動已不起主導(dǎo)作用，風(fēng)向主要受到大氣環(huán)流的影響[8]。

另外，烏魯木齊市的盛行風(fēng)向也隨觀測時次而發(fā)生變化。用20時代表白天，08時代表夜晚，發(fā)現(xiàn)烏魯木齊市日風(fēng)向的變化具有明顯的山谷風(fēng)特點。白天近地層盛行風(fēng)向以偏北風(fēng)為主，風(fēng)從準(zhǔn)噶爾盆地吹向天山，即谷風(fēng)；夜晚以偏南風(fēng)為主，風(fēng)從天山吹向準(zhǔn)噶爾盆地，即山風(fēng)。

4 大氣邊界層相對濕度廓線特征

圖9為烏魯木齊2 500 m以下大氣邊界層不同季節(jié)內(nèi)08時、20時的相對濕度廓線。春季邊界層內(nèi)平均相對濕度最小，除08時300 m以下變化較大外，其他層次變幅較小。夏季相對濕度在距地200 m以下，均為全年最小，200 m以上，增速最快，這也與夏季高溫蒸發(fā)和空氣垂直對流活動有關(guān)。秋季邊界層內(nèi)的相對濕度變化較為穩(wěn)定。在距地高度1 300 m以下，08時和20時的相對濕度值均為冬季最大，且從近地層到150 m附近，相對濕度均呈先增大后急劇減小的變化趨勢，這說明冬季近地層水汽含量高，相對濕度大。烏魯木齊邊界層內(nèi)相對濕度廓線的這一分布特點，也與其春秋干燥涼爽，夏季炎熱干燥，冬季寒冷潮濕、逆溫層厚度大等氣候特點相一致。1 500 m以上，春、夏、秋、冬四季均有相同的變化趨勢。這說明在距地1 500 m處附近，大氣相對濕度受地面的影響明顯減弱，而這一高度也大致為烏魯木齊市大氣邊界層的平均厚度。

5 結(jié)論

通過對烏魯木齊市大氣邊界層內(nèi)各氣象要素的綜合分析表明：

（1）烏魯木齊邊界層內(nèi)溫度廓線的日變化和季節(jié)變化比較顯著，距地1 500 m以下各季節(jié)、各時次的溫度結(jié)構(gòu)差異較大，1 500 m以上各季節(jié)、各時次的溫度結(jié)構(gòu)基本趨于穩(wěn)定。

（2）各月均有逆溫出現(xiàn)，且08時較20時更易出現(xiàn)逆溫，20時只有冬季出現(xiàn)脫地逆溫，冬季08時逆溫層厚度較厚且強度最大。

（3）邊界層內(nèi)夏、冬兩季風(fēng)速隨高度變化波動較大，春、秋兩季變化較小。冬季在距地1 000 m附近風(fēng)速明顯大于其它3個季節(jié)。地面層春、夏、秋三季08時盛行西南偏南風(fēng)，冬季盛行東北風(fēng)；20時春季盛行東北風(fēng)，夏秋盛行偏北風(fēng)，冬季則盛行東風(fēng)。隨高度增加，大氣環(huán)流對風(fēng)的影響逐漸增強，2 500 m附近逐漸轉(zhuǎn)換為西北風(fēng)；日風(fēng)向的變化具有明顯的山谷風(fēng)特點。

（4）08、20時的相對濕度冬季最大，夏季最小，且隨高度增加，春、夏兩季08、20時相對濕度的變化較大。

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Atmospheric Boundary Layer Structure and Its Characteristics in Different Seasons in Urumqi

HU Yicheng1，Yilihamu1，WANG Qiuxiang1，WEI Wenshou2，Guligena1
（1.Xinjiang Meteorological Information Center，Urumqi 830002，China；2.Institute of Desert and Meteorology，CMA，Urumqi 830002，China）

Based on the L-band radar system data during 2011-2012,we built the atmospheric boundary layer structure database in Urumqi.Atmospheric boundary layer conditions such as vertical distribution and time variation characteristics of temperature,wind velocity,wind direction and humidity were analyzed.The results show that there were significant changes in daily and seasonal variations in profiles of temperature in atmospheric boundary layer below 1 500 m,and they were basically stabile above 1 500 m.There was temperature inversion in each month which occurs more in the morning（8:00）than in the evening（20:00），and generally thicker and the strongest temperature inversion occured in winter.The wind velocity had more change with altitude increase in summer and winter,and less in spring and autumn.The wind velocity near 1 000 m altitude was significantly greater than that of the other 3 seasons.The prevailing wind direction in surface layer was SSW in spring,summer,and autumn,and E,SW in winter in the morning,as well as NE in spring,N in summer,E in winter in the evening.The wind direction had a significant characteristics of mountain valley breeze.There was the highest humidity in winter,and the lowest in summer,as well as a higher variation with altitude change in spring and summer.

Urumqi；atmospheric boundary layer structure；L-band radar system；seasonal characteristics

P404

B

1002-0799（2015）03-0044-06

胡義成，伊里哈木，王秋香，等.烏魯木齊大氣邊界層風(fēng)溫垂直結(jié)構(gòu)特征[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（3）：44-49.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.03. 007

2014-07-09；

2014-09-02

2012年國家科技支撐計劃項目（2012BAC23B01），2012年國家級公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201206013）共同資助。

胡義成（1984-），男，工程師，主要從事高空和地面氣象資料質(zhì)量控制以及樹木年輪氣候研究。E-mail：hyc6013wayne@sina.com