淮河流域農(nóng)田近地層風(fēng)速、溫度和濕度廓線特征

段春鋒 田紅 黃勇 劉俊杰 曹雯

（1 安徽省氣候中心，合肥 230031；2 安徽省氣象科學(xué)研究所 大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031；3 壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái) 中國(guó)氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，壽縣 232200）

0 引言

近地層是與地球表面最為直接作用的氣層，人類活動(dòng)、生態(tài)環(huán)境變化以及天氣氣候異常都與大氣近地層的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和生態(tài)過(guò)程密切相關(guān)。因此近地層氣象要素的結(jié)構(gòu)特征和廓線特征一直是大氣物理、大氣化學(xué)和大氣環(huán)境等科學(xué)研究的重點(diǎn)方向[1]。特別是近地層處于離地面在100 m以下的空間，大氣直接受下墊面的影響，氣象要素有著復(fù)雜的時(shí)空變化特征[2]。

近年來(lái)，學(xué)者們高度重視并開(kāi)展了大范圍近地層大氣特征研究。李英等[3]研究了青藏高原東坡冬夏季近地層風(fēng)、溫、濕梯度特征。郭鳳霞等[4]利用鐵塔觀測(cè)研究了合肥郊區(qū)近地層風(fēng)速廓線特征。李鵬等[5]利用測(cè)風(fēng)塔研究了風(fēng)能豐富地區(qū)平原、山地和沿海三種地形近地層風(fēng)速廓線特征。楊湘婧等[6]對(duì)比分析了L波段探空廓線數(shù)據(jù)與鐵塔梯度觀測(cè)數(shù)據(jù)的近地層溫、濕、壓特征。解以楊等[7]研究了天津氣象塔溫度和風(fēng)速的日變化特征和廓線特征。龔璽等[8]研究了內(nèi)蒙古草原近地層風(fēng)速廓線。李靖等[9]研究了安徽吉陽(yáng)核電廠址溫度梯度和風(fēng)廓線規(guī)律的適用性。陳勝東等[10]研究了江西九江近地層溫度梯度及風(fēng)廓線規(guī)律的適用性。金莉莉等[11]研究了烏魯木齊市城區(qū)和郊區(qū)近地層風(fēng)速廓線。何清團(tuán)隊(duì)[12-16]對(duì)塔克拉瑪干沙漠腹地塔中近地層氣象要素廓線開(kāi)展了一系列的研究。然而由于缺乏氣象梯度觀測(cè)，對(duì)淮河流域近地層大氣廓線特征的研究甚少。

本文利用壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)32 m氣象觀測(cè)塔梯度系統(tǒng)采集的風(fēng)速、氣溫、濕度資料，分析了淮河流域2007年7月—2019年12月農(nóng)田近地層風(fēng)速、溫度和濕度日變化特征和廓線特征，為淮河流域開(kāi)展近地層大氣觀測(cè)試驗(yàn)和大氣環(huán)境研究提供觀測(cè)事實(shí)，對(duì)于認(rèn)識(shí)淮河流域農(nóng)田小氣候規(guī)律、改進(jìn)土壤—植被—大氣系統(tǒng)的近地層模型以及提高農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)科技水平等具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 觀測(cè)場(chǎng)地概況

觀測(cè)地點(diǎn)位于壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)。近地層通量觀測(cè)場(chǎng)在2007年7月—2013年4月期間位于九龍，在2013年5月至今位于窯口。九龍觀測(cè)場(chǎng)面積17畝（1畝約為666.7 m2），東、南、西三面為大片農(nóng)田，北面為居民區(qū)，位于城區(qū)中心以南 9 km處，處于城南保障圩和瓦埠湖九里聯(lián)圩之間，不在縣城總體規(guī)劃之內(nèi)；觀測(cè)塔立在場(chǎng)內(nèi)西南角，周圍2～5 km2范圍內(nèi)基本是同一類型均一平坦農(nóng)田；觀測(cè)場(chǎng)北部邊緣分別有一高約2 m的水泥平臺(tái)和數(shù)據(jù)釆集室；觀測(cè)場(chǎng)南部30 m處有一條水泥馬路，路邊有少量樹(shù)木分布。窯口觀測(cè)場(chǎng)面積300畝，周圍有100畝保護(hù)控制土地，四面均為大片農(nóng)田，位于城區(qū)中心以南12 km處；觀測(cè)塔立在基準(zhǔn)氣候觀測(cè)區(qū)東北側(cè)，下墊面平坦開(kāi)闊，周邊植被類型為當(dāng)?shù)氐湫偷牡钧溳喿鬓r(nóng)田。兩個(gè)觀測(cè)場(chǎng)的觀測(cè)環(huán)境30～50年不受破壞，下墊面均為平坦、開(kāi)闊、一致的農(nóng)作物種植區(qū)，一年兩熟，稻麥輪作，周邊無(wú)污染源、無(wú)高層建筑。

1.2 資料來(lái)源

壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)近地層通量觀測(cè)系統(tǒng)由湍流觀測(cè)分系統(tǒng)和梯度觀測(cè)分系統(tǒng)組成，其中梯度觀測(cè)中氣象塔高 32 m。湍流觀測(cè)分系統(tǒng)包括三維超聲風(fēng)溫儀和紅外 H2O/CO2分析儀。梯度觀測(cè)分系統(tǒng)由安裝在梯度塔上的 5 層溫度、濕度、風(fēng)速傳感器，1 層風(fēng)向傳感器，四分量長(zhǎng)、短波（向上、向下）輻射傳感器，光合有效輻射傳感器，氣壓、紅外地表溫度傳感器，5層鉑電阻地溫傳感器，5 層土壤水分觀測(cè)傳感器和 1層 3 點(diǎn)土壤熱通量傳感器組成?；居^測(cè)項(xiàng)目包括：脈動(dòng)溫度，脈動(dòng)濕度，脈動(dòng)風(fēng)速，5 層風(fēng)速，1 層風(fēng)向，5 層溫度、濕度，長(zhǎng)波、短波（向上、向下）輻射，地表溫度，5 層地溫，5 層土壤水分，土壤熱通量、氣壓。儀器布設(shè)如圖1，觀測(cè)項(xiàng)目和傳感器信息見(jiàn)表1和表2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)中國(guó)氣象局《近地層通量觀測(cè)規(guī)范》[17]和氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制》[18]，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了完整性檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)，異常值剔除檢查。使用的數(shù)據(jù)是經(jīng)數(shù)據(jù)采集器處理后的半小時(shí)平均數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時(shí)段為2007年7月—2019年12月共149個(gè)月，其中2010年11月、2012年12月、2013年5月—2014年12月、2016年2月觀測(cè)數(shù)據(jù)缺測(cè)。經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后，氣溫、風(fēng)速、水汽壓、氣壓的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)分別為79.22%、77.32%、78.43%、79.24%，數(shù)據(jù)缺測(cè)率分別為20.77%、20.71%、20.74%、20.71%，數(shù)據(jù)異常率分別為0.01%、1.97%、0.84%、0.05%。半小時(shí)氣溫、風(fēng)速、水汽壓、氣壓數(shù)據(jù)最大值為39.9 ℃、14.1 m/s、48.3 hPa、1045 hPa，最小值為-12.3 ℃、0.1 m/s、0.5 hPa、988 hPa。

濕度分析采用的是比濕，首先根據(jù)比濕定義和氣體狀體方程利用水汽壓和氣壓將水汽壓轉(zhuǎn)換為比濕。計(jì)算公式為：

其中：q為比濕，單位g/kg，e為實(shí)際水汽壓，p為大氣壓，單位為hPa。

2 結(jié)果分析

2.1 近地層風(fēng)速、溫度、濕度日變化特征

2.1.1 風(fēng)速日變化特征

年平均風(fēng)速日變化呈單峰型（圖2a），2～30 m風(fēng)速峰值均出現(xiàn)在12時(shí)30分，分別為2.68、3.01、3.45、3.81、4.01 m/s；2 m和4 m風(fēng)速谷值出現(xiàn)在01時(shí)30分，10 m、20 m和30 m出現(xiàn)在03時(shí)，分別為1.50、1.80、2.27、2.85、3.32 m/s；峰值是谷值的1.79、1.68、1.52、1.34、1.21倍。白天風(fēng)速變化幅度大，夜間較為平穩(wěn)，變化幅度小。從2 m風(fēng)速來(lái)看，白天為1.61～2.68 m/s，夜間僅為1.50～1.78 m/s。風(fēng)速隨高度增加逐漸增大，2 m均在2.7 m/s以下，而30 m則在3.3 m/s以上。

圖1 近地層通量觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of flux observation system in the surface layer

表2 地下儀器分布和觀測(cè)項(xiàng)目Table 2 Underground instrument distribution and observation items

06時(shí)以后，太陽(yáng)輻射開(kāi)始增強(qiáng)，近地面氣溫升高，大氣逐漸形成不穩(wěn)定層結(jié)，上下層空氣的湍流交換加強(qiáng)，上層空氣的動(dòng)量下傳，近地層空氣獲得動(dòng)量，風(fēng)速快速增大，09時(shí)增速最大，2 m風(fēng)速每小時(shí)增加0.32 m/s；隨后增速逐漸減慢，風(fēng)速緩慢增加，到12時(shí)30分達(dá)到峰值；午后，隨著太陽(yáng)輻射減弱，湍流交換減弱，風(fēng)速緩慢減?。话?，地面輻射平衡快速下降，湍流交換進(jìn)一步減弱，風(fēng)速迅速減小，17時(shí)風(fēng)速減速最大，2 m風(fēng)速每小時(shí)降低0.36 m/s；夜間，隨著近地層逆溫逐漸形成，湍流交換繼續(xù)減弱，風(fēng)速持續(xù)減小，01—03時(shí)達(dá)到谷值。

按照春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12—2月）劃分四季。四季風(fēng)速日變化特征（圖2b—2e）與年平均風(fēng)速相似，呈單峰型:正午最大，午夜最??；高層大，低層?。蛔兎滋齑?，晚上小。但各季節(jié)風(fēng)速大小、風(fēng)速日變化的峰值和谷值出現(xiàn)時(shí)間存在明顯差異。冬季風(fēng)速最大，春季其次，夏季最小，2 m風(fēng)速冬季為1.76～3.06 m/s，夏季為1.23～2.29 m/s，前者是后者的1.33～1.43倍。四季風(fēng)速峰值出現(xiàn)在11時(shí)30分—13時(shí)30分，谷值主要出現(xiàn)在00時(shí)30分—03時(shí)。2～30 m風(fēng)速峰值和2～4 m風(fēng)速谷值出現(xiàn)時(shí)間秋季均最早，冬季其次，夏季最晚。夏季風(fēng)速峰值出現(xiàn)時(shí)間高層晚于低層，2 m和4 m出現(xiàn)在14時(shí)30分，10～30 m出現(xiàn)在15時(shí)30分；春季、秋季和冬季峰值出現(xiàn)時(shí)間高低層一致，分別為12時(shí)30分、11時(shí)30分、12時(shí)。春季風(fēng)速谷值出現(xiàn)時(shí)間低層早于高層，2～4 m在01時(shí)30分，10～20 m在03時(shí)30分，30 m在07時(shí)。夏季高低層一致，2～30 m均出現(xiàn)在03時(shí)。秋冬季低層晚于高層，秋季2～10 m在00時(shí)30分，20 m在23時(shí)30分，30 m在18時(shí)30分；冬季2～10 m在01時(shí)，20 m在23時(shí)30分，30 m在18時(shí)30分。

圖2 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）風(fēng)速日變化Fig. 2 Daily variation of wind velocity in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e)

2.1.2 溫度日變化特征

年平均氣溫日變化呈單峰型（圖3a），峰值2～10 m出現(xiàn)在15時(shí)，20～30 m出現(xiàn)在15時(shí)30分，分別為20.7、20.4、20.3、20.3、20.1 m/s；谷值2 m和4 m出現(xiàn)在06時(shí)，10～30 m出現(xiàn)在06時(shí)30分，分別為13.5、13.6、14.1、14.5、14.6 m/s；峰值是谷值的1.54、1.50、1.44、1.40、1.38倍。氣溫日變化幅度隨著高度升高而降低。氣溫白天下午比上午高，夜間前半夜比后半夜高。早晨和傍晚均有一個(gè)不同高度氣溫的交點(diǎn)，即等溫層結(jié)，氣溫不隨高度變化，等溫時(shí)刻大約出現(xiàn)在08時(shí)和17時(shí)30分。白天氣溫隨高度降低，為氣溫遞減層結(jié)；晚上氣溫隨高度升高，為逆溫層結(jié)。

06時(shí)以后，太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng)，地面輻射平衡由負(fù)轉(zhuǎn)為正，地面溫度急劇上升，熱量由地面輸向大氣，氣溫快速上升。氣溫上升速度低層快于高層，08時(shí)前后不同高度氣溫基本接近。09時(shí)氣溫上升速度最大，2 m為每小時(shí)升高1.39 ℃，30 m為0.99 ℃。15時(shí)左右氣溫達(dá)到峰值，比太陽(yáng)輻射峰值時(shí)間滯后2.5 h。隨后，太陽(yáng)輻射逐漸減弱，氣溫快速下降。氣溫下降速度低層快于高層，17時(shí)30分前后不同高度氣溫基本接近。18時(shí)氣溫下降速度最快，2 m為每小時(shí)下降1.17 ℃，30 m僅為0.54 ℃。夜間，地面輻射平衡由正轉(zhuǎn)為負(fù)，地面迅速冷卻，氣溫持續(xù)下降，直到06時(shí)達(dá)到谷值。

四季氣溫日變化特征（圖3b—3e）與年平均氣溫相似，為單峰型，午后最大，早晨最??；白天上午大，下午??；前半夜大，后半夜小；氣溫變幅低層大，高層??；白天氣溫隨高度降低，晚上隨高度升高，早晨和傍晚存在等溫現(xiàn)象，氣溫不隨高度變化。但四季氣溫高低、氣溫日變化的峰值和谷值出現(xiàn)時(shí)間明顯不同。夏季氣溫最高，秋季其次，冬季最低。2 m氣溫夏季為24.7～30.7 ℃，冬季為1.2～8.0 ℃，前者是后者的3.8～19.9倍。氣溫峰值出現(xiàn)在14時(shí)30分—16時(shí)，夏秋季早于冬春季，前者在14時(shí)30分—15時(shí)30分，后者在15—16時(shí)。氣溫谷值出現(xiàn)在05時(shí)30分—08時(shí)，夏季最早，在05時(shí)30分—06時(shí)，春季其次，冬季最晚，在07時(shí)30分—08時(shí)。四季氣溫峰值和谷值出現(xiàn)時(shí)間低層均早于高層，如春季2 m、4～10 m、20～30 m氣溫峰值分別出現(xiàn)在15時(shí)、15時(shí)30分和16時(shí)。早晨等溫夏季出現(xiàn)最早，大約在07時(shí)，冬季最晚，大約在09時(shí)；傍晚等溫冬季出現(xiàn)最早，大約在17時(shí)，夏季最晚，大約在18時(shí)30分。

圖3 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）溫度日變化Fig. 3 Daily variation of temperature in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e)

圖4 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）濕度日變化Fig. 4 Daily variation of humidity in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e)

2.1.3 濕度日變化特征

年平均比濕日變化呈雙峰型（圖4a），主峰值出現(xiàn)在09時(shí)—09時(shí)30分，次峰值出現(xiàn)在19時(shí)30分—22時(shí)30分，兩個(gè)谷值出現(xiàn)在05時(shí)—05時(shí)30分和15時(shí)—15時(shí)30分，2～4 m主谷值出現(xiàn)在05時(shí)30分，20～30 m出現(xiàn)在15時(shí)30分。主峰值分別為10.8、10.4、10.1、10.2、9.6 g/kg，主谷值分別為9.9、9.7、9.5、9.5、9.0 g/kg，兩者差異較小。比濕隨高度先降低后上升再降低，4～20 m存在逆濕現(xiàn)象，除14—16時(shí)外多數(shù)時(shí)間20 m比濕大于10 m；03—06時(shí)20 m比濕大于4 m。早晨4 m和20 m比濕、午后10 m和20 m的比濕均存在交點(diǎn)，即等濕現(xiàn)象。

06時(shí)以后，太陽(yáng)輻射緩慢增強(qiáng)，地面溫度逐漸上升，比濕急劇上升，09時(shí)30分達(dá)到峰值。比濕增幅隨高度增加而減小，06—09時(shí)2 m比濕增大了0.97 g/kg，而30 m增幅較小，只有0.36 g/kg。隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，地面溫度快速升高，比濕以每小時(shí)約0.1 g/kg的幅度緩慢下降，15時(shí)30分達(dá)到次谷值。之后，隨著太陽(yáng)輻射的下降，比濕又開(kāi)始上升，直到19時(shí)30分達(dá)到次峰值。夜間，地面冷卻降溫，比濕持續(xù)下降，直到06時(shí)達(dá)到谷值；比濕降幅隨高度增加而越小，19時(shí)30分—06時(shí)2 m比濕降幅0.65 g/kg，而30 m僅有0.07 g/kg。

四季比濕日變化特征（圖4b—4e）與年平均比濕相似，呈雙峰型，上午大于午后，傍晚大于早晨，比濕隨高度存在逆濕現(xiàn)象。但四季比濕大小、比濕日變化的峰值和谷值出現(xiàn)時(shí)間明顯不同。夏季比濕最大，為16.8～19.5 g/kg，秋季其次，冬季最小，僅為3.3～3.9 g/kg。比濕主峰值出現(xiàn)在08時(shí)30分—11時(shí)，春季最早，在08時(shí)30分—09時(shí)，夏季其次，冬季最晚，在10時(shí)30分—11時(shí)；次峰值主要出現(xiàn)在18時(shí)30分—22時(shí)，高層晚于低層，如春季2 m、4 m、10 m、20 m和30 m分別出現(xiàn)在18時(shí)30分、19時(shí)30分、20時(shí)、22時(shí)和22時(shí)。主谷值低層出現(xiàn)在05—07時(shí)，春夏季早于秋冬季；主谷值高層春季、夏季和秋季出現(xiàn)在15時(shí)—15時(shí)30分，冬季出現(xiàn)在07—08時(shí)。次谷值低層出現(xiàn)在15時(shí)—15時(shí)30分，春夏季早于秋冬季；次谷值高層春季、夏季和秋季出現(xiàn)在05時(shí)30分—09時(shí)30分，春夏季早于秋季，冬季在15時(shí)—15時(shí)30分。

圖5 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）風(fēng)速廓線和年（f）風(fēng)速對(duì)數(shù)廓線Fig. 5 Wind velocity profiles in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e) and wind velocity logarithmic profiles in years (f)

2.2 近地層風(fēng)速、溫度、濕度廓線特征

2.2.1 風(fēng)速廓線特征

近地層年平均風(fēng)速廓線呈現(xiàn)為風(fēng)速隨高度增加而增大，風(fēng)速梯度隨高度增加而減小的對(duì)數(shù)律關(guān)系（圖5a、5f）。白天風(fēng)速隨高度遞增率明顯小于夜間（圖5a）。從年平均風(fēng)速對(duì)數(shù)廓線（圖5f）來(lái)看，白天風(fēng)速與高度的對(duì)數(shù)呈明顯的線性關(guān)系，表明白天風(fēng)速以對(duì)數(shù)關(guān)系向上遞增；夜間風(fēng)速與高度的對(duì)數(shù)呈明顯的對(duì)數(shù)關(guān)系，表明夜間風(fēng)速以比對(duì)數(shù)關(guān)系更快的速度，即對(duì)數(shù)加線性規(guī)律向上遞增。與繆啟龍等[13]、何清等[14]、李祥余等[15-16]的研究結(jié)論基本一致，風(fēng)速廓線可以分為穩(wěn)定層結(jié)的夜間風(fēng)速廓線和不穩(wěn)定層結(jié)的白天風(fēng)速廓線[13]。

白天受太陽(yáng)輻射影響，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，湍流混合作用增強(qiáng)，上下層之間動(dòng)量交換增大，風(fēng)切變減小，風(fēng)速以對(duì)數(shù)關(guān)系向上遞增。夜間，近地層出現(xiàn)逆溫，大氣層結(jié)穩(wěn)定，湍流混合作用減弱，湍流交換減小，風(fēng)切變?cè)龃?，風(fēng)速以比白天更快的速度向上遞增。白天10—16時(shí)2 m到30 m風(fēng)速增加1.28～1.70 m/s，風(fēng)速垂直遞增率為4.6～6.1 m/（s·100 m）。夜間2 m到30 m風(fēng)速增加1.77～1.91 m/s，風(fēng)速垂直遞增率為6.3～6.8 m/（s·100 m），為白天的1.1～1.4倍。風(fēng)速垂直遞增率最大值出現(xiàn)在21時(shí)，最小值出現(xiàn)在10時(shí)。

四季風(fēng)速廓線特征（圖6b—6e）與年平均風(fēng)速相似，表現(xiàn)為風(fēng)速隨高度增加而增大，風(fēng)速梯度隨高度增加而減小，白天風(fēng)速垂直遞增率小于夜間。但四季風(fēng)速垂直遞增率大小及其最大值和最小值出現(xiàn)時(shí)間明顯不同。風(fēng)速垂直遞增率春季最大，為4.92～7.49 m/（s·100 m），秋季其次，夏季最小，為4.85～6.33 m/（s·100 m）。風(fēng)速垂直遞增率最大值春季出現(xiàn)最早，在21時(shí)，夏季和秋季其次，均在21時(shí)30分，冬季最晚，在01時(shí)30分。最小值春夏季出現(xiàn)最早，在09時(shí)，冬季其次，在10時(shí)，秋季最晚，在13時(shí)30分。

圖6 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）溫度廓線Fig. 6 Air temperature profiles in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e)

2.2.2 溫度廓線特征

近地層年平均氣溫隨高度有四種變化特征，即白天隨高度遞減，晚上隨高度遞增，早晨隨高度先遞減后遞增，傍晚隨高度先遞增后遞減（圖6a）。與繆啟龍等[13]、何清等[14]、李祥余等[15-16]的研究結(jié)論基本一致，分別對(duì)應(yīng)白天日射型、夜間輻射型、早上過(guò)渡型和傍晚過(guò)渡型四種溫度廓線類型[19]。

白天日射型溫度廓線出現(xiàn)在09時(shí)30分—17時(shí)。白天隨著太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng)，地面溫度急劇上升，熱量由地面輸向大氣，因此，溫度隨高度增加而減小，近地層氣溫垂直遞減率為 0.79～3.23 ℃/100 m，最大值出現(xiàn)在12時(shí)，40 m氣溫比2 m降低0.9 ℃。由于大氣層結(jié)不穩(wěn)定，湍流混合作用增強(qiáng)，上下層熱量交換增多，因此溫度梯度隨高度增加而迅速減小。氣溫垂直遞減率隨高度增加明顯減小，12時(shí)2～4 m氣溫遞減率為19 ℃/100 m，而4～40 m僅為2 ℃/100 m。

夜間輻射型溫度廓線出現(xiàn)在20—07時(shí)。夜間地面輻射冷卻，熱量由大氣輸向地面，因此近地層出現(xiàn)逆溫，氣溫隨高度增加而增大。夜間近地層氣溫垂直遞增率為4.06～4.93 ℃/100 m，最大值出現(xiàn)在22時(shí)，40 m氣溫比2 m升高1.4 ℃。夜間氣溫垂直變化率明顯大于白天，為白天的1.5～5.1倍。由于大氣層結(jié)穩(wěn)定，湍流混合作用減弱，上層熱量不能很快地傳到下層。因此溫度梯度隨高度增加而減小的速度沒(méi)有白天快。氣溫垂直遞增率隨高度增加而減小，22時(shí)2～4 m氣溫遞增率為11 ℃/100 m，而4～40 m為4.5 ℃/100 m。

早上過(guò)渡型溫度廓線出現(xiàn)在07時(shí)30分—09時(shí)。表現(xiàn)為氣溫隨高度遞增轉(zhuǎn)變?yōu)殡S高度遞減。早晨，太陽(yáng)輻射開(kāi)始增強(qiáng)，地面輻射平衡很快由負(fù)轉(zhuǎn)正，地面迅速增溫破壞了近地層逆溫分布，這個(gè)破壞過(guò)程由低層向高層傳播。此時(shí)下層大氣已經(jīng)進(jìn)入白天日射型，而上層大氣依然處于夜間輻射型。8時(shí)溫度廓線可以看出，4 m高度處存在拐點(diǎn)，2～4 m氣溫已經(jīng)進(jìn)入白天日射型，隨高度遞減，而4～30 m還處于夜間輻射型，隨高度遞增。

傍晚過(guò)渡型溫度廓線出現(xiàn)在17時(shí)30分—19時(shí)30分，表現(xiàn)為氣溫隨高度遞減轉(zhuǎn)變?yōu)殡S高度遞增。傍晚，太陽(yáng)輻射明顯減弱，地面輻射平衡很快由正轉(zhuǎn)負(fù)，地面迅速冷卻，近地面氣溫快速下降，但高層大氣還保持日間增溫。此時(shí)下層大氣已經(jīng)進(jìn)入夜間輻射型，而上層大氣依然處于白天日射型。18時(shí)廓線可以看出， 20 m高度存在拐點(diǎn)，2～20 m氣溫已經(jīng)形成逆溫，進(jìn)入夜間輻射型，隨高度遞增；20～30 m還保持微弱的日射型，隨高度遞減。

四季氣溫廓線特征（圖6b—6e）與年平均氣溫相似，均表現(xiàn)出白天日射型、夜間輻射型、早上過(guò)渡型和傍晚過(guò)渡型四種溫度廓線類型。但四季氣溫垂直變化率大小及其最大值出現(xiàn)時(shí)間明顯不同。白天氣溫垂直遞減率春季最大，秋季其次，冬季最小。春季最大值為3.53 ℃/100 m，出現(xiàn)在12時(shí)30分；夏季、秋季、冬季最大值均出現(xiàn)在12時(shí)，分別為3.34、3.39、2.69 ℃/100 m。夜間氣溫垂直遞增率前半夜秋季最大，春季其次；后半夜春季最大，秋季其次；冬季均最小。夏季和秋季最大值出現(xiàn)在21時(shí)，分別為2.19、6.94 ℃/100 m，春季和冬季出現(xiàn)在1時(shí)和3時(shí)30分，分別為6.13、5.11 ℃/100 m。早上過(guò)渡型和傍晚過(guò)渡型四季均非常短。春季和夏季早上過(guò)渡型均出現(xiàn)在07時(shí)30分—08時(shí)，早于秋冬季（08時(shí)—08時(shí)30分和08時(shí)30分—09時(shí)）。秋冬季傍晚過(guò)渡型均為17時(shí)30分—18時(shí)，早于春夏季（18時(shí)30分—19時(shí)和18時(shí)—18時(shí)30分）。

夏季夜間2～4 m氣溫隨高度增加而減小，與年和其他季節(jié)的夜間輻射型溫度廓線明顯不同。夏季夜間2 m氣溫比4 m高，可能與夏季農(nóng)田下墊面為水稻，夜間水稻冠層溫度高有關(guān)。

2.2.3 濕度廓線特征

近地層年平均比濕廓線表現(xiàn)為隨高度增加先減小后增大再減?。▓D7 a）。比濕1 0 m 以內(nèi)隨高度升高而緩慢減小，比濕垂直遞減率為3.65～9.79 g/（kg·100 m），白天遞減率明顯大于夜間，最大值在12時(shí)30分，最小值在05時(shí)30分。10～20 m出現(xiàn)逆濕層，比濕隨高度增加而增大。逆濕層比濕垂直遞增率為-0.21～2.04 g/（kg·100 m）。夜間逆濕比白天更為明顯，尤其是后半夜，最大值發(fā)生在05時(shí)30分。14—18時(shí)比濕隨高度增加而減小，沒(méi)有發(fā)生逆濕，其中15時(shí)30分遞減率最大。20～30 m比濕度隨高度增加而減小，垂直遞減率為4.74～6.46 g/（kg·100 m），最大值出現(xiàn)在08時(shí)，最小值出現(xiàn)在14時(shí)30分。

四季中，10～20 m比濕多數(shù)隨高度增加而增大，存在逆濕，但時(shí)間長(zhǎng)短差異明顯。夏季逆濕時(shí)間最長(zhǎng)，一天24小時(shí)均出現(xiàn)逆濕；其次是秋季，有18 h，出現(xiàn)在20時(shí)—15時(shí)30分；冬季有14.5 h，出現(xiàn)在23—13時(shí)；春季逆溫時(shí)間最短，有12.5 h，出現(xiàn)在22時(shí)30分—10時(shí)30分。比濕垂直遞增率最大值夏季出現(xiàn)最早，在05時(shí)30分，遞增率最大，為4.61 g/（kg·100 m）；秋季其次，在06時(shí)30分，為1.9 g/（kg·100 m）；冬季最晚最小，在07時(shí)，僅為0.41 g/（kg·100 m）。

四季中，2～10 m和20～30m比濕均為隨高度增加而減小，但比濕垂直遞減率夏季最大，2～10 m為8.48～19.69 g/（kg·100 m），20～30 m為8.4～11.13 g/（kg·100 m）；秋季其次，冬季最小，2～10 m為0.7～2.59 g/（kg·100 m），20～30米為2.4～2.93 g/（kg·100 m）。冬季20～30 m比濕垂直遞減率比2～10 m大；春季、夏季、秋季白天和前半夜2～10 m比濕垂直遞減率比20～30 m大，后半夜則相反。2～10 m比濕垂直遞減率最大值冬季出現(xiàn)最早，在09時(shí)，秋季其次，夏季最晚，在13時(shí)。比濕垂直遞減率最小值出現(xiàn)在05時(shí)30分—06時(shí)，春夏季早于秋冬季。20～30 m比濕垂直遞減率最大值出現(xiàn)在08～09時(shí)，春夏季早于秋冬季；最小值出現(xiàn)在14時(shí)30分—15時(shí)30分，秋冬季早于春夏季。

氣候異常對(duì)廓線特征有明顯影響。選擇2016年、2017年秋季作為氣候異常的典型個(gè)例，并進(jìn)一步分析其廓線特征。2016年、2017年秋季壽縣均出現(xiàn)持續(xù)性陰雨天氣，降水量較1981—2010年平均值分別異常偏多98%和148%，為1961年以來(lái)歷史同期第三多和第二多，導(dǎo)致大范圍農(nóng)田土壤持續(xù)過(guò)濕，發(fā)生嚴(yán)重漬澇。2016年秋季2～4 m和20～30 m比濕均為隨高度增加而減小，4～10 m比濕隨高度增加而增加，10～20 m比濕隨高度變化較?。▓D8a）。2017年秋季2～4 m和10～30 m比濕均為隨高度增加而減小，4～10 m比濕隨高度增加而增加（圖8b）。作為對(duì)比，選擇2007年秋季作為降水異常偏少的典型個(gè)例。2007年秋季降水異常偏少64%，為1961年以來(lái)歷史同期第9少。2007年秋季2～30 m比濕多數(shù)為隨高度增加而減?。▓D8c）。與多年平均廓線（圖7d）相比，2016年和2017年秋季比濕廓線特征最大差異是在4～10 m，而2007年在10～20 m；降水偏多年比濕廓線在4～10 m多了一個(gè)明顯的逆濕層，而降水偏少年在10～20 m逆溫層消失，變?yōu)楸葷耠S高度增加而減小。表明降水異常對(duì)濕度廓線的影響主要表現(xiàn)在逆濕程度：降水異常偏多時(shí)，逆濕現(xiàn)象更為明顯；降水異常偏少時(shí)，逆濕現(xiàn)象不明顯，甚至消失。

圖7 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）比濕廓線Fig. 7 Humidity profiles in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e)

3 結(jié)論

本研究利用壽縣國(guó)家氣候觀象臺(tái)32 m氣象觀測(cè)塔梯度系統(tǒng)采集的風(fēng)速、氣溫、濕度資料，分析了淮河流域2007年7月—2019年12月農(nóng)田近地層風(fēng)速、溫度和濕度日變化特征和廓線特征。

風(fēng)速和氣溫日變化呈單峰型，而濕度日變化呈雙峰型。風(fēng)速峰值在11時(shí)30分—13時(shí)30分，谷值在00時(shí)30分—03時(shí)；峰值時(shí)間秋季最早，夏季最晚，夏季高層晚于低層，春季、秋季和冬季高低層一致；谷值時(shí)間春季低層早于高層，夏季高低層一致，秋冬季低層晚于高層。氣溫峰值在14時(shí)30分—16時(shí)，夏秋季早于冬春季；谷值在05時(shí)30分—08時(shí)，夏季最早，冬季最晚；四季峰值和谷值時(shí)間低層早于高層；早晨等溫出現(xiàn)在07—09時(shí)，夏季最早，冬季最晚；傍晚等溫出現(xiàn)在17時(shí)—18時(shí)30分，冬季最早，夏季最晚。濕度主峰值在08時(shí)30分—11時(shí)，春季最早，冬季最晚；次峰值在18時(shí)30分—22時(shí)，高層晚于低層。主谷值低層在05—07時(shí)，春夏季早于秋冬季；主谷值高層春季、夏季和秋季在15時(shí)—15時(shí)30分，冬季在07—08時(shí)。次谷值低層在15時(shí)—15時(shí)30分和05時(shí)30分—09時(shí)30分，春夏季早于秋冬季。

風(fēng)速隨高度遞增，風(fēng)速梯度隨高度遞減。風(fēng)速垂直遞增率白天小于夜間；春季最大，夏季最??；最大值在21時(shí)—01時(shí)，春季最早，冬季最晚；最小值在09時(shí)—13時(shí)30分，春夏季最早，秋季最晚。氣溫白天隨高度遞減，晚上隨高度遞增，早晨隨高度先遞減后遞增，傍晚隨高度先遞增后遞減。氣溫垂直遞減率白天最大值在12時(shí)—12時(shí)30分，春季最大，冬季最小。晚上逆溫最大值在21—03時(shí)，秋季最大，冬季最小。早上過(guò)渡型出現(xiàn)在07時(shí)30分—09時(shí)，春夏季早于秋冬季。傍晚過(guò)渡型出現(xiàn)在17時(shí)30分—19時(shí)，秋冬季早于春夏季。濕度隨高度先減小后增大再減?。?0～20 m存在逆濕現(xiàn)象，夜間比白天明顯，尤其是后半夜；逆濕時(shí)間夏季最長(zhǎng)，春季最短；逆濕最大值在05時(shí)30分—07時(shí)，夏季最大最早，冬季最小最晚；2～10 m和20～30 m隨高度遞減，垂直遞減率夏季最大，冬季最??；垂直遞減率2～10 m最大值在09—13時(shí)，冬季最早，夏季最晚，20～30 m最大值在08—09時(shí)，春夏季早于秋冬季。