三種方法確定濟(jì)南夏季日最大邊界層高度的對比研究

王棟成，湯子?xùn)|，邱粲,2，曹潔，董旭光

(1.山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031；2.上海師范大學(xué)地理系，上海 200234)

引言

在大氣邊界層特征物理參數(shù)中，邊界層高度(HBL)是最為重要的參數(shù)之一，它不僅決定著一個(gè)地區(qū)的大氣環(huán)境容量或大氣自凈能力[1-2]，而且還強(qiáng)烈影響著云和對流發(fā)展及演變過程，同時(shí)也是空氣質(zhì)量監(jiān)測和天氣預(yù)報(bào)中最為重要的物理參數(shù)之一，是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式初始化十分關(guān)鍵的因素[3-5]。HBL對于天氣、氣候和大氣污染研究是一個(gè)至關(guān)重要的參量[6]。污染擴(kuò)散等大氣環(huán)境過程深受邊界層特性的影響，如大氣邊界層流動、湍流、穩(wěn)定度、HBL及日變化等，其中HBL參量尤為重要，它指示了污染物在垂直方向上的擴(kuò)散和稀釋能力[7]。日最大HBL，又稱為最大混合層厚度，它所表示的是一天中空氣混合較強(qiáng)的最大高度，它越厚，則稀釋和擴(kuò)散空氣中污染物質(zhì)的能力就越強(qiáng)，反之則越弱，因此研究它對于預(yù)報(bào)空氣污染潛勢有重要意義[8]。

目前，獲得日最大HBL的傳統(tǒng)方法，主要可分為三類[9-15]：一是以地面氣象資料為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式法，如國標(biāo)法[1,14-17]、羅氏法[14,18]、聯(lián)合頻率法-羅氏法B[14]、薩默斯(Summents)法[14]等，該類方法實(shí)用性強(qiáng)，資料易得且數(shù)據(jù)量大，但由于HBL變化的復(fù)雜性和以地面常規(guī)觀測資料判斷邊界層變化的局限性，各種參數(shù)化方案的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)[9-13]；二是以探空氣象資料為基礎(chǔ)的廓線測量法，如干絕熱曲線法[19-22]、實(shí)測法[14]、風(fēng)速極值法[23-25]、位溫法[14,26](虛位溫梯度法[3,27-28])、濕度梯度法[3,29]、湍流能量法[10,25]、綜合評定法[30]等，廓線測量是確定大氣邊界層結(jié)構(gòu)最常用的方法，可較準(zhǔn)確地判斷HBL，但由于大氣邊界層的特性和結(jié)構(gòu)不是常規(guī)氣象觀測的內(nèi)容，因此對它的研究依賴于特定的試驗(yàn)項(xiàng)目或每日2～3次的L波段雷達(dá)探空，觀測資料在時(shí)間和空間上都非常有限[7]；三是以數(shù)值模式參數(shù)化為基礎(chǔ)的模擬方法，即基于湍流理論的多種大氣邊界層參數(shù)化方案結(jié)合數(shù)值模式來預(yù)報(bào)HBL[31-34]，如最常用的中尺度氣象模式WRF(Weather Research and Forecasting Mode)中有13種邊界層方案，雖然各方案都能模擬出HBL的日變化特征，但在不同的下墊面及天氣條件下，各方案在模擬HBL時(shí)往往存在不同程度的誤差[35]。可見，廓線測量應(yīng)是獲得HBL及相關(guān)參量最可靠的方法，也是驗(yàn)證、修正及改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法與結(jié)果的根本依據(jù)。

近年來，快速發(fā)展的風(fēng)廓線雷達(dá)(wind profile radar，WPR)[36-37]、激光雷達(dá)[38-40]、微波輻射計(jì)[40]等，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)且高時(shí)空分辨率獲取大氣邊界層各參數(shù)的分布數(shù)據(jù)，顯示出優(yōu)越性，邊界層的觀測研究進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代[25]。其中，WPR能夠快速、細(xì)致地反映邊界層的結(jié)構(gòu)、厚度、湍流演變過程特征[36]。WPR產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)(Cn2)是表征湍流變化強(qiáng)弱的一個(gè)重要參數(shù)，Cn2與氣溫、氣壓、濕度密切相關(guān)，且隨著高度的增加呈指數(shù)遞減規(guī)律[36]，并表現(xiàn)為在邊界層頂出現(xiàn)極大值或者偏離正常值幅度大值[25,36-46]，從Cn2垂直廓線的時(shí)間序列中可以判定HBL[36]。對流邊界層頂部的夾卷過程造成溫度和濕度垂直梯度增強(qiáng)，導(dǎo)致這一層的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2變高，Cn2的這種垂直分布特征經(jīng)常被用來定位出HBL[6]?，F(xiàn)階段基于WPR資料進(jìn)行HBL確定的研究尚較少，且多屬方法探索、個(gè)例或短期分析。國外如，BIANCO and WILCZAK[28]提出了基于Cn2等綜合指標(biāo)的模糊邏輯判別方法確定對流HBL，并給出了三天的結(jié)果對比；HEO et al.[41]提出了聯(lián)合使用Cn2和垂直速度方差估計(jì)對流HBL的新方法，并對其適用性進(jìn)行了初步分析；BIANCO and WILCZAK[28]對模糊邏輯判別方法進(jìn)行了改進(jìn)，并提供了個(gè)例驗(yàn)證；ALLABAKASH et al.[43]采用改進(jìn)的模糊邏輯方法給出了Gadanki測站兩年各月07—20時(shí)對流HBL日變化。國內(nèi)如，曹曉彥等[44]、王敏仲等[45]、蔣德海等[46]、張堅(jiān)[25]、金莉莉等[10]、王棟成等[11]對Cn2極大值法及求導(dǎo)后放大躍變特征的偏離度法等進(jìn)行了方法研究或個(gè)例驗(yàn)證，張哲等[6]對比分析了Cn2最大后向散射法、改進(jìn)后的Cn2和垂直速度方差相結(jié)合法兩種方法的適用性，但均尚未系統(tǒng)深入研究最大HBL的較長時(shí)期的統(tǒng)計(jì)特征和演變規(guī)律。

本研究針對WPR偏離度法[11]、L波段雷達(dá)探空干絕熱曲線法[19-22]、國標(biāo)法[1,14-17]三種方法各自確定的濟(jì)南夏季同期日最大HBL進(jìn)行對比，分析最大HBL的統(tǒng)計(jì)特征和演變規(guī)律，研究其與各氣象條件的相關(guān)性，并評估比較三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為改進(jìn)HBL的各種確定方法、研究大氣邊界層精細(xì)化結(jié)構(gòu)與大氣污染的關(guān)系，提高環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和大氣自凈能力判定的準(zhǔn)確率等提供更好的參考依據(jù)，為推動邊界層理論研究、實(shí)踐及應(yīng)用做出有意義的探索。

1 資料與方法

1.1 資料來源

研究采用的2014年6月1—30日和7月15—24日逐小時(shí)整點(diǎn)后18 min、高度層100～3 940 m的Cn2等數(shù)據(jù)，來自濟(jì)南WPR站(經(jīng)度：117°33′E，緯度：36°41′N，海拔121.8 m)實(shí)時(shí)每6 min產(chǎn)品數(shù)據(jù)ROBS文件。該站固定式邊界層WPR型號為CLC-11-D型，主要技術(shù)指標(biāo)：雷達(dá)工作頻率為1 280±20 MHz，探測數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率r≤6 min，有效數(shù)據(jù)最低探測高度為100 m、最高探測高度h≥3 km，雷達(dá)工作模式包括低模式(分辨率為30、60、120、240 m)、高模式(分辨率為60、120、240 m)，輸出產(chǎn)品數(shù)據(jù)的高度分辨率為60 m(820 m以下)、120 m(820～2 020 m)、240 m(2 020 m以上)三種。濟(jì)南WPR站2014年Cn2產(chǎn)品數(shù)據(jù)非原始值，而是10×log(Cn2)且取整后的結(jié)果，Cn2突變值被削平無法用以判斷HBL，本研究基于該站經(jīng)質(zhì)量控制后業(yè)務(wù)上傳的原始產(chǎn)品數(shù)據(jù)和WPR設(shè)備參數(shù)等，采用中國氣象局《風(fēng)廓線雷達(dá)通用數(shù)據(jù)格式(V1.2)》《風(fēng)廓線儀功能規(guī)格需求書(試行)》《風(fēng)廓線雷達(dá)觀測規(guī)定(試行)》、QX/T 78—2007《風(fēng)廓線雷達(dá)信號處理規(guī)范》等推薦的雷達(dá)氣象散射方程(Keeler，1993)[36]，對逐6 min的Cn2數(shù)據(jù)進(jìn)行重新計(jì)算，并經(jīng)一致性平均、時(shí)空連續(xù)性檢驗(yàn)質(zhì)量控制[37]，按通用數(shù)據(jù)格式的要求統(tǒng)一定標(biāo)輸出。實(shí)測Cn2廓線數(shù)據(jù)常出現(xiàn)個(gè)別高度層值缺測為0、連續(xù)2層以上為同一個(gè)數(shù)值、異常大值或小值等現(xiàn)象，根據(jù)氣象場的變化是有連續(xù)性的氣象原理[47]，在各高度上進(jìn)行上下層、在時(shí)間上進(jìn)行前后3個(gè)時(shí)次的數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)判斷，剔除異常數(shù)據(jù)并用前后或上下點(diǎn)平均來替代該點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可以得到較為完整連續(xù)的隨高度變化的Cn2廓線。另外，因WPR低模式、高模式探測銜接問題，940、2 020 m層Cn2數(shù)據(jù)常為較大值，導(dǎo)致單一特征高度層的Cn2偏大，對此采用上、下層內(nèi)插方法暫替代異常值[11]。

采用的2014年6月1—30日和7月15—24日每日07、13、19時(shí)整點(diǎn)后15 min、高度層0～4 000 m的氣溫、氣壓、濕度、氣壓、虛溫等數(shù)據(jù)，來自濟(jì)南L波段雷達(dá)波段探空雷達(dá)記錄文件。L波段雷達(dá)探空數(shù)據(jù)均經(jīng)質(zhì)量控制，符合《常規(guī)高空氣象探測規(guī)范》[48]。L波段雷達(dá)探空秒級和分鐘級數(shù)據(jù)的高度分辨率分別為6～7 m、400 m，考慮L波段雷達(dá)整點(diǎn)后15 min開始探測，氣球按照400 m·min-1上升，10 min上升的高度足以涵蓋WPR探測每6 min、100～3 940 m的高度范圍，因此本研究采用的整點(diǎn)后18 min的ROBS數(shù)據(jù)與整點(diǎn)后15 min的L波段雷達(dá)探空數(shù)據(jù)的時(shí)空匹配基本一致。每10 m高度層間隔的各數(shù)據(jù)，利用L波段高空氣象探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件內(nèi)插獲取[49]。

采用的2014年6月1—30日和7月15—24日每日地面氣象觀測逐小時(shí)氣溫、地表溫度、風(fēng)速、降水?dāng)?shù)據(jù)，以及總低云量和日最高氣溫等數(shù)據(jù)，來自章丘國家基本氣象觀測站，數(shù)據(jù)均經(jīng)自動、人工審核與質(zhì)量控制，符合《地面氣象觀測規(guī)范》[50]要求，其中總低云量采用內(nèi)插法得到逐小時(shí)值[2]。章丘國家基本氣象觀測站與濟(jì)南WPR觀測站、濟(jì)南L波段雷達(dá)探空觀測站屬于相同站場，觀測場經(jīng)緯度、海拔高度基本一致，本文統(tǒng)稱為濟(jì)南站。

1.2 濟(jì)南夏季日最大HBL的三種確定方法

考慮實(shí)用性和可操作性，本研究選擇采用以下三種方法，各自確定濟(jì)南2014年夏季6月1—30日和7月15—24日共40 d的逐日最大HBL，并進(jìn)行對比分析。

方法一：偏離度法，基于WPR觀測的Cn2，將每一時(shí)次的10×log(Cn2)廓線的實(shí)測值與其擬合曲線值的差定義為偏離度，實(shí)際偏離度最大值對應(yīng)的高度層判斷為該時(shí)次的實(shí)測HBL[11]，然后將每日07—19時(shí)的逐小時(shí)結(jié)果，排序篩選得到日最大HBL。

方法二：干絕熱曲線法，在溫度-高度圖上，從每日地面最高氣溫所在點(diǎn)沿干絕熱線上升，與當(dāng)日07：15的L波段雷達(dá)探空溫度廓線相交，所得交點(diǎn)距地面的高度即為直接估算的當(dāng)日最大HBL[19-22]。

方法三：國標(biāo)法，根據(jù)GB/T 13201—91《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》[16]，基于地面氣象觀測的總云量、低云量和距地面10 m高度風(fēng)速(U10)，通過計(jì)算太陽高度角，再查算出Pasquill大氣穩(wěn)定度等級，然后采用公式計(jì)算HBL=as×U10/f(as為不同大氣穩(wěn)定度對應(yīng)的混合層系數(shù)，f為地轉(zhuǎn)參數(shù))[1,14-17]，最終計(jì)算出每日07—19時(shí)的逐小時(shí)HBL，排序篩選得到日最大HBL。

因WPR對雨滴很敏感[3,37]，當(dāng)降水出現(xiàn)時(shí)各高度層的Cn2均明顯增大，所以當(dāng)有雨時(shí)HBL無法判別。本研究也證實(shí)，地面或空中降雨時(shí)段、各高度層相對濕度連續(xù)較大時(shí)段(多高度層連續(xù)大于85%以上)，WPR觀測的Cn2數(shù)據(jù)均不適用于判定HBL，即方法一適用性有局限；同時(shí)L波段雷達(dá)探空數(shù)據(jù)也不適用于判定HBL，即方法二適用性同樣有局限。因此，首先剔除這兩種因素影響的樣本，然后得到三種方法確定的日最大HBL樣本數(shù)共3×25個(gè)，同樣得到方法一和方法三確定的逐小時(shí)HBL樣本數(shù)共2×303個(gè)，基于此進(jìn)行統(tǒng)一對比分析。

2 結(jié)果分析

2.1 三種方法確定的日最大HBL對比

三種方法確定的日最大HBL結(jié)果對比及相關(guān)分析分別見圖1、2，圖2中若其中二者逐日結(jié)果對應(yīng)相同則所有點(diǎn)應(yīng)分布在從左下角到右上角的對角線上(下同)。

圖1 三種方法確定的濟(jì)南2014年6—7月25 d各日最大HBL對比Fig.1 Comparison of the daily maximum HBL determined by the three methods in Jinan in 25 d from June to July 2014

1)偏離度法、干絕熱曲線法、國標(biāo)法三種方法確定的濟(jì)南夏季25 d的日最大HBL平均值分別為2 500.0 m、2 529.1 m、2 469.9 m，三種方法總體一致、差異較小，偏離度法與后兩者分別相差-29.1 m、+30.1 m。25 d同日期的日最大HBL比較，偏離度法、國標(biāo)法分別與干絕熱曲線法的日最大偏差為+722.6 m(6月6日)、+928.2 m(6月3日)，標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)分別為337.1 m、485.4 m，顯示國標(biāo)法的偏差較偏離度法的大；且國標(biāo)法與偏離度法的日最大偏差+1 079.9 m(6月3日)、σ=636.7 m更大(圖2)。

圖2 三種方法確定的濟(jì)南2014年6—7月25 d各日最大HBL相關(guān)性對比(a.偏離度法與干絕熱曲線法的相關(guān)性，b.偏離度法與國際法的相關(guān)性，c.干絕熱曲線法與國際法的相關(guān)性)Fig.2 Comparison of correlations of the daily maximum HBL determined by the three methods in Jinan in 25 d from June to July 2014 (a. correlation between the deviation degree method and the dry adiabatic curve method, b. correlation between the deviation degree method and the national standard method, c. correlation between the dry adiabatic curve method and the national standard method)

2)偏離度法與干絕熱曲線法結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R較高，為0.668(圖2a)，通過0.01信度檢驗(yàn)，說明兩方法確定的25組日最大HBL相關(guān)性較好。但國標(biāo)法與偏離度法、干絕熱曲線法結(jié)果的R均為負(fù)值，分別為-0.130、-0.064(圖2b、c)，均未能通過0.10信度檢驗(yàn)，相關(guān)性不好。兩組基于探空實(shí)測資料診斷確定的日最大HBL相關(guān)性較好，但均與基于地面觀測資料半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的HBL相關(guān)性不好，顯示國標(biāo)法并不能很好地反映HBL實(shí)時(shí)變化的實(shí)際狀況。

3)基于實(shí)測資料確定日最大HBL，應(yīng)是獲得HBL及相關(guān)參量最可靠的方法，雖然偏離度法、干絕熱曲線法，不同確定方法的結(jié)果會有一些差異，但兩者總體上都有較好的代表性。囿于國標(biāo)法是基于多年均值的地面風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度聯(lián)合概率分布推導(dǎo)的[17]，原理上該方法只適用于平均狀況下的HBL估算，而對于實(shí)時(shí)HBL的判定準(zhǔn)確度低、代表性也相對較差。

2.2 偏離度法與國標(biāo)法兩種方法確定的HBL演變規(guī)律對比

干絕熱曲線法只能給出直接估算的每日最大HBL，并不能給出其出現(xiàn)的確切時(shí)間，而其他兩種方法可給出。偏離度法和國標(biāo)法確定的25 d每日07—19時(shí)逐小時(shí)的HBL演變分別見圖3a和圖3b，日最大HBL出現(xiàn)時(shí)間對比見圖4，同時(shí)在圖3中給出了07、13、19時(shí)L波段雷達(dá)探空實(shí)測虛位溫梯度法[3,11,27-28]的確定結(jié)果，以進(jìn)行對比。

圖3 偏離度法(a)和國標(biāo)法(b)確定的濟(jì)南2014年6—7月25 d 中07—19時(shí)逐小時(shí)HBL演變Fig.3 Evolution of the hourly HBL determined by the deviation degree method (a) and the national standard method (b) in Jinan from 07:00 to 19:00 in 25 d from June to July 2014

圖4 偏離度法和國標(biāo)法確定的濟(jì)南2014年6—7月25 d日最大HBL出現(xiàn)時(shí)間對比Fig.4 Comparison of the occurrence time of the daily maximum HBL determined by the deviation degree method and the national standard method in Jinan in 25 d from June to July 2014

1)方法一(偏離度法)確定的濟(jì)南夏季日最大HBL為3 460.0 m，出現(xiàn)在6月6日15時(shí)(圖3a)；25 d的逐小時(shí)HBL最大值出現(xiàn)時(shí)間相對集中，在午后13—16時(shí)均有出現(xiàn)(圖4)，其中以15時(shí)最多，為13 d(占比52.0%)，其次是14時(shí)6 d(占比24.0%)、16時(shí)5 d(占比20.0%)、13時(shí)1 d(占比4.0%)，符合對流邊界層演變的一般規(guī)律[23,33,35]。25 d平均的HBL(圖3a)，最大值2 360.8 m出現(xiàn)在15時(shí)，07—15時(shí)HBL呈緩慢增高態(tài)勢，而15—19時(shí)HBL則快速降低。逐日實(shí)時(shí)和25 d平均的HBL演變規(guī)律基本一致，但25 d各日HBL逐小時(shí)值是波浪起伏式變化的，而非平均值那樣的持續(xù)增高或降低，07—15時(shí)HBL總體呈現(xiàn)緩慢增高態(tài)勢，而15時(shí)后有一些HBL是斷崖式降低的，如6月3、6、24、28日和7月19、22日等，而另一些則是延續(xù)滯后至16時(shí)才迅速降低的，如6月17、23、27日和7月15、16日等。分析原因是，對流邊界層的形成階段是由于熱力抬升增強(qiáng)導(dǎo)致的熱泡式起伏增長，而崩潰階段則是熱力抬升減弱導(dǎo)致坍塌式快速降低[3]。

2)方法三(國標(biāo)法)計(jì)算的濟(jì)南夏季日最大HBL為3 099.9 m，出現(xiàn)在6月3日12時(shí)(圖3b)；25 d的逐小時(shí)HBL最大值出現(xiàn)時(shí)間相對分散，在09—17時(shí)均有出現(xiàn)(圖4)，其中以16時(shí)最多，為6 d(占比24.0%)，其次是13時(shí)4 d(占比16.0%)，09、11、12、13、15時(shí)均為3 d(占比12.0%)，10、14、17時(shí)均為1 d(占比4.0%)。25 d平均HBL最大值為1 976.7 m，出現(xiàn)在16時(shí)，07—12時(shí)HBL緩慢增高，16—19時(shí)HBL快速降低(圖3b)。逐日實(shí)時(shí)和25 d平均的HBL演變，都在午后13—15時(shí)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象(圖3b)，且自13時(shí)開始與偏離度法、L波段雷達(dá)探空虛位溫梯度法的結(jié)果也差異較大，這與對流邊界層演變的午后峰值規(guī)律顯著不同。分析原因是，受近地面觀測風(fēng)速和近地面大氣穩(wěn)定度等級的影響權(quán)重過大，導(dǎo)致國標(biāo)法估算的實(shí)時(shí)HBL準(zhǔn)確度低，尤其是在午后峰值時(shí)段不適用，如6月11、17、22、24、27、29日和7月18日等(圖3b)，其中6月27日14時(shí)距地面10 m高度的風(fēng)速為0.4 m·s-1，大氣穩(wěn)定度等級為D類，國標(biāo)法計(jì)算HBL僅為87.3 m；而偏離度法確定的14時(shí)HBL為2 020 m，L波段雷達(dá)探空虛位溫梯度法確定該日13：15的HBL為1 740 m，干絕熱曲線法確定的該日午后最大HBL為2 505.1 m。

3)偏離度法與L波段雷達(dá)探空虛位溫梯度法確定的HBL平均值在早晨、中午、傍晚均基本一致(圖3a)，兩者07、13、19時(shí)的差值均很小，分別為+28.4 m、+24.3 m、-29.2 m；而國標(biāo)法與L波段雷達(dá)探空虛位溫梯度法確定的HBL平均值僅在傍晚基本一致(圖3b)，早晨、中午則差異較大，兩者07、13、19時(shí)的差值分別為+220.0 m、-385.3 m、-43.1 m。

2.3 不同方法確定的日最大HBL與各氣象條件的相關(guān)關(guān)系

2.3.1HBL與氣溫、地表溫度、風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系

1)三種方法確定的濟(jì)南2014年6—7月25 d的日最大HBL，其中與日最高氣溫的相關(guān)性最好的是干絕熱曲線法(R=0.965)，其次是偏離度法(R=0.693)，而國標(biāo)法最差(R=-0.067，未通過0.05信度檢驗(yàn)，即不相關(guān))；與日最高地表溫度的相關(guān)性最好的是干絕熱曲線法(R=0.736)，其次是偏離度法(R=0.423)，而國標(biāo)法最差(R=0.340，未通過0.05信度檢驗(yàn)，即不相關(guān))；但是，與距地面10 m高度風(fēng)速的相關(guān)性最好的是國標(biāo)法(R=0.880)，而偏離度法(R=-0.148)和干絕熱曲線法(R=-0.085)都較差，未通過0.05信度檢驗(yàn)，即不相關(guān)(圖5)。

圖5 三種方法確定的濟(jì)南2014年6—7月25 d中日最大HBL與各氣象要素的相關(guān)性對比(a1/a2/a3.偏離度法，b1/b2/b3.干絕熱曲線法，c1/c2/c3.國標(biāo)法；a1/b1/c1.日最高氣溫，a2/b2/c2.日最高地表溫度，a3/b3/c3.距地面10 m風(fēng)速)Fig.5 Comparison of correlations between the daily maximum HBL determined by the three methods and various meteorological elements in Jinan in 25 d from June to July 2014 (a1/a2/a3. the deviation degree method, b1/b2/b3. the dry adiabatic curve method, c1/c2/c3. the national standard method; a1/b1/c1. the daily maximum air temperature, a2/b2/c2. the daily maximum surface temperature, a3/b3/c3. wind speed at 10 m)

2)兩種方法確定的25 d每日07—19時(shí)逐小時(shí)的HBL，其中偏離度法HBL與氣溫、地表溫度的相關(guān)性25 d總體均較好，R分別在0.521～0.970、0.542～0.958之間，較為穩(wěn)定一致、波動幅度小，且均通過0.05信度檢驗(yàn)；但是，偏離度法HBL與風(fēng)速的相關(guān)性總體較差，R在-0.673～0.919之間，不穩(wěn)定且波動幅度大，僅有8組(占比32.0%)通過0.05信度檢驗(yàn)，其余17組均未通過(圖6a)。國標(biāo)法HBL與氣溫、地表溫度的相關(guān)性25 d總體均較差，R分別在-0.330～0.778、0.091～0.872之間，不穩(wěn)定且波動幅度較大，分別有10組(占比40.0%)、14組(占比56.0%)通過0.05信度檢驗(yàn)，其余15、11組均未通過；國標(biāo)法HBL與風(fēng)速的相關(guān)性總體較好但不穩(wěn)定，有20組(占比80.0%)通過了0.05信度檢驗(yàn)且R在0.568～0.959之間，其余5組未通過且R在-0.513～0.411之間(圖6b)。

以上結(jié)果是三種方法的確定原理和采用的基礎(chǔ)資料的直接反映，偏離度法確定HBL是基于WPR觀測的高空的Cn2，判定時(shí)與地面氣象要素沒有直接計(jì)算關(guān)聯(lián)；干絕熱曲線法確定HBL則借助于每日地面最高氣溫，故與氣溫的相關(guān)性最好；而國標(biāo)法確定HBL則直接引用距地面10 m高度的風(fēng)速計(jì)算，故與風(fēng)速的相關(guān)性最好。由于影響HBL的主要因素是太陽直接輻射，太陽直接輻射加熱地面引起向上的感熱通量，然后加熱近地面層空氣，形成對流，使邊界層得到發(fā)展[51]，可見偏離度法、干絕熱曲線法確定的HBL與地表溫度、氣溫的相關(guān)性均較好，且兩方法的HBL與氣溫的相關(guān)系數(shù)總體上高于與地表溫度的相關(guān)系數(shù)，即符合太陽輻射—地表溫度—?dú)鉁亍狧BL的響應(yīng)關(guān)系和響應(yīng)次序，而國標(biāo)法確定的HBL與地表溫度、氣溫的相關(guān)性均較差，未能反映這一響應(yīng)。

2.3.2HBL與氣溫、地表溫度、風(fēng)速的時(shí)間響應(yīng)關(guān)系

由圖7中25 d的07—19時(shí)逐小時(shí)平均值變化來看，日地表溫度最高值出現(xiàn)在13時(shí)，日氣溫最高值則延遲2 h至15時(shí)出現(xiàn)，偏離度法確定的日最大HBL也是出現(xiàn)在15時(shí)，即平均狀態(tài)下，日最大HBL對最高氣溫的響應(yīng)時(shí)間在1 h左右，而對最高地表溫度的響應(yīng)時(shí)間為2 h左右，這符合大氣邊界層理論中關(guān)于太陽輻射—地表溫度—?dú)鉁亍狧BL的響應(yīng)關(guān)系和次序[25,51-54]。由圖8中25 d逐日出現(xiàn)時(shí)間來看，日最高地表溫度在11—15時(shí)均有出現(xiàn)且較為集中，最多出現(xiàn)在13時(shí)(占比48.0%)；日最高氣溫在12—17時(shí)均有出現(xiàn)，最多出現(xiàn)在15時(shí)(占比48.0%)；偏離度法日最大HBL在13—16時(shí)均有出現(xiàn)且較為集中，最多也出現(xiàn)在15時(shí)(占比52.0%)，即自統(tǒng)計(jì)概率角度分析也顯示這一響應(yīng)。但是，國標(biāo)法確定的平均狀態(tài)下日最大HBL出現(xiàn)在16時(shí)(圖7)，逐日的日最大HBL在09—17時(shí)均有出現(xiàn)且較為分散(圖8)，最多出現(xiàn)在16時(shí)(占比24.0%)，受近地面風(fēng)速和穩(wěn)定度等級影響大、午后13—15時(shí)的坍塌是導(dǎo)致國標(biāo)法日最大HBL出現(xiàn)時(shí)間偏差較大的主要原因，即國標(biāo)法不能準(zhǔn)確反映地表溫度—?dú)鉁亍狧BL的響應(yīng)關(guān)系和次序。

圖7 濟(jì)南2014年6—7月25 d平均的逐小時(shí)HBL與各氣象條件演變對比Fig.7 Comparison of the evolution of the average hourly HBL and various meteorological conditions in Jinan in 25 d from June to July 2014

圖8 濟(jì)南2014年6—7月25 d的逐日最大HBL、最高地表溫度、最高氣溫出現(xiàn)時(shí)間對比Fig.8 Comparison of the occurrence time of the daily maximum HBL, maximum surface temperature, and maximum air temperature in Jinan in 25 d from June to July 2014

平均狀態(tài)下的距地面10 m高度的風(fēng)速最大值出現(xiàn)在19時(shí)(圖7)，顯然偏離度法和國標(biāo)法確定的HBL與平均風(fēng)速的響應(yīng)關(guān)系和次序均不明顯。

2.4 兩種方法確定的HBL與污染物濃度的關(guān)系

圖9 濟(jì)南2014年7月18日07—19時(shí)逐小時(shí)HBL與各污染物濃度變化對比Fig.9 Comparison of changes in the hourly HBL and pollutant concentrations in Jinan from 07:00 to 19:00 on 18 July 2014

另外，近地面各污染物質(zhì)量濃度的最低值均出現(xiàn)在14時(shí)，而偏離度法最大HBL出現(xiàn)在15—16時(shí)，相差1～2 h，即兩者并非同步負(fù)相關(guān)，這對于空氣質(zhì)量模型的改進(jìn)十分關(guān)鍵。分析原因，應(yīng)是與前述的對流邊界層發(fā)展機(jī)制和各要素響應(yīng)次序有關(guān)，近地面熱浮力和動力抬升造成的湍流運(yùn)動最強(qiáng)應(yīng)是在14時(shí)前后，近地面污染物的擴(kuò)散和稀釋顯然受此影響更大一些；而持續(xù)向上傳遞的熱通量滯后造成最大HBL的出現(xiàn)時(shí)間延遲。

3 討論與小結(jié)

基于上述結(jié)果的對比分析，結(jié)合三種方法的原理和相關(guān)文獻(xiàn)研究資料，對比評估結(jié)果見表1。

表1 確定日最大HBL的三種方法綜合對比評估

1)偏離度法突出的優(yōu)點(diǎn)是：a)Cn2觀測數(shù)據(jù)量大且時(shí)間分辨率高，可實(shí)現(xiàn)逐6 min的實(shí)時(shí)HBL確定；b)囿于Cn2就是表征湍流變化強(qiáng)弱的一個(gè)參數(shù)[36]，因此依據(jù)其廓線在邊界層頂?shù)耐蛔兓蜍S變特征確定出的HBL結(jié)果準(zhǔn)確度較高，原理上優(yōu)于其他兩種方法；c)能判斷給出HBL出現(xiàn)的具體時(shí)間，且可給出時(shí)空演變，確定的HBL符合對流邊界層發(fā)展的規(guī)律，從而可為邊界層精細(xì)化結(jié)構(gòu)和演變特征的研究、應(yīng)用，提供很好的實(shí)測和驗(yàn)證基礎(chǔ)。但該方法也有缺陷：a)觀測數(shù)據(jù)的空間垂直分辨率不如其他兩種方法的高，導(dǎo)致確定的HBL在高度上的精度尚偏低；b)Cn2觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量需嚴(yán)格控制，這是制約HBL確定的關(guān)鍵因素，最大程度地剔除雜波干擾、修正異常數(shù)據(jù)是亟待解決的問題；c)降水或多高度層的濕度大于85%情形下該方法并不適用，且該判別需借助于地面和探空觀測資料，應(yīng)用尚有局限；d)屬于單一指標(biāo)判斷法，基于WPR觀測的Cn2、信噪比(SNR)、速度譜寬、垂直徑向速度等產(chǎn)品數(shù)據(jù)的綜合指標(biāo)判定HBL，可進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度并實(shí)現(xiàn)自動判別[11,28,42-43]。

2)干絕熱曲線法的優(yōu)點(diǎn)是：a)L波段雷達(dá)探空數(shù)據(jù)的高度層分辨率高，可達(dá)10 m級，得到的HBL準(zhǔn)確度較高；b)僅需要探空溫度資料和地面日最高氣溫，資料易得且方法簡易可操作，易于應(yīng)用與推廣；c)結(jié)果與方法一差異不大，相關(guān)性較好，證實(shí)確定結(jié)果較為接近實(shí)際的HBL[52]。但缺陷也很突出：a)該方法是基于將大氣邊界層內(nèi)熱力結(jié)構(gòu)的顯著變化僅僅歸結(jié)為地面上熱量輸入重新分配的結(jié)果，而不考慮動力的作用[8]，07：15后只考慮了熱力湍流的影響，而忽略平流、下沉以及機(jī)械湍流等的影響，因此晴天時(shí)HBL估算的精確度較高，而陰天時(shí)HBL估算的精確度較差[20,52]；b)L波段雷達(dá)探空站數(shù)量很少，遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需求；c)只能直接估算日最大HBL，不能確定HBL出現(xiàn)的具體時(shí)間，也不能給出HBL的時(shí)空演變，已不能滿足日益精細(xì)化邊界層結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用需求。

3)國標(biāo)法的優(yōu)點(diǎn)是：地面氣象臺站多、資料易于獲取、計(jì)算簡便。但缺陷很突出：a)能給出HBL出現(xiàn)時(shí)間但存在較大偏差，可給出HBL時(shí)空演變但午后峰值偏差大，存在坍塌現(xiàn)象，確定的HBL不符合對流邊界層演變規(guī)律，尤其在午后13—15時(shí)偏差更顯著，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確度低；b)囿于是基于多年均值的風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度聯(lián)合概率分布推導(dǎo)的[17]，原理上該方法只適用于平均狀況下的HBL確定，對于實(shí)時(shí)HBL的確定，適用性不好；c)僅依據(jù)地面觀測數(shù)據(jù)判斷高空1～4 km的大氣湍流狀況，導(dǎo)致與實(shí)際對流邊界層的演變存在較大偏差；d)屬于半經(jīng)驗(yàn)公式，適用于定常邊界層，對U10>6 m·s-1的非定常天氣過程不適用[17]。

4)偏離度法確定的濟(jì)南夏季25 d日最大HBL的平均值為2 500.0 m；逐小時(shí)HBL演變是波浪起伏式的，07—15時(shí)HBL緩慢增高、15時(shí)后有一些HBL是斷崖式降低的；日最大HBL對最高氣溫、最高地表溫度的平均響應(yīng)時(shí)間分別為1、2 h左右；HBL逐小時(shí)值與各污染物質(zhì)量濃度的相關(guān)性更好，但兩者并非同步負(fù)相關(guān)。這可為研究邊界層精細(xì)化結(jié)構(gòu)，提高空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和大氣自凈能力判定的準(zhǔn)確率等提供更好的參考。

5)冬季大氣層結(jié)穩(wěn)定、空氣污染的程度較重，日最大HBL是人們更為關(guān)心的，但目前L波段雷達(dá)探空加密觀測業(yè)務(wù)是在夏季三個(gè)月，建議冬季也應(yīng)進(jìn)行觀測；并應(yīng)結(jié)合WPR、激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)等的觀測資料，探索確定邊界層精細(xì)化結(jié)構(gòu)的更好方法，以不斷推進(jìn)理論研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用。