重慶山地通量觀測及其不同時間尺度變化特征分析

杜欽，高陽華，黃靜，高松

(1.重慶市氣象科學研究所，重慶401147；2.西南大學，重慶400715)

引言

通量觀測是認識氣候系統(tǒng)各圈層相互作用的重要橋梁(許小峰，2020)。無論是對生態(tài)系統(tǒng)、氣候系統(tǒng)還是大氣運動的研究，通量都是最重要的基礎(chǔ)信息。陸地作為大氣系統(tǒng)的下邊界，與大氣及其他圈層之間進行的各種時空尺度的物質(zhì)能量交換過程，直接影響局地乃至全球大氣環(huán)流和氣候的基本特征(Dirmeyer，2006；王健等，2018)。湍流運動是大氣邊界層內(nèi)的重要運動方式，也是下墊面與大氣能量與物質(zhì)輸送交換的主要載體。大氣運動所需要的熱能及水汽通過邊界層的湍流運動由地表輸送到自由大氣，給大氣運動提供所需要的熱能和水汽；同時，地表的熱量通量及動量通量又決定了邊界層內(nèi)湍流及擴散的強度和穩(wěn)定度，并且控制著風、溫度和濕度的變化(翟國慶和高坤，1997；徐詳?shù)碌龋?001；孫睿，2003；蔡斐和潘益農(nóng)，2010；曾新民等，2014；劉鵬，2016；李茂善等，2019)?？梢?，地表通量是陸-氣相互作用的關(guān)鍵因子，開展地表通量觀測，對于準確地確定地氣之間的通量特征，幫助理解天氣氣候現(xiàn)象顯得尤為重要。

國內(nèi)外針對地表水熱通量的研究展開了大量的科學實驗，并取得一定成果。例如在法國的HAPEX-MOBILHY(1986)實驗(Thomas，1991)，在美國的FIFE(1988，1990)實驗(Sellers，1988；Bolle，1993)、在巴西的LBA(1998—2000)實驗(Avissar，2002)，在我國的HEIFE(1988，1990—1992，1994—1995)實驗(胡隱樵，1994；林朝輝，2001)、TIPEX(1997，1998，2014—2017，2018—2021)實驗(馬耀明，2000；趙平，2018)。四川盆地及其東部和南部的山區(qū)不僅是盆地內(nèi)渦源地之一，也是低渦切變線型極端小時降水高發(fā)區(qū)(吳夢雯，2019)。目前，針對該區(qū)域的暴雨與地表通量之間的相關(guān)研究主要通過數(shù)值模擬的手段展開(畢寶貴等，2005；段海霞，2008；盧萍和宇如聰，2008；母靈，2014；吳秋月，2018)，這些研究表明地表通量的變化對于暴雨的強度、落區(qū)、發(fā)生時間有著密切的關(guān)系，但是缺乏相關(guān)的實況觀測來幫助進一步解釋和理解地-氣之間的能量交換對暴雨的觸發(fā)機制。鑒于該區(qū)域的降水的復雜性和突發(fā)性特點，依托西南大學在重慶北碚和金佛山建成的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站，2019年重慶市氣象科學研究所開展了山地通量觀測和山地降水相關(guān)研究。為了了解該試驗觀測數(shù)據(jù)的可靠性和適用性，本文基于試驗觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合ERA5再分析資料、鄰近氣象觀測數(shù)據(jù)分析了該數(shù)據(jù)的可靠性，并對該資料的不同時間變化特征進行分析，以期為該數(shù)據(jù)在后續(xù)研究應用中提供參考。

1 觀測與數(shù)據(jù)處理

1.1 觀測試驗

喀斯特生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站包括三個渦動通量觀測站和自動氣象觀測站，其分布如圖1 所示。通量觀測儀主要由數(shù)據(jù)采集器，超聲風速儀、氣體分析儀組成，詳情見表1。儀器采樣頻率為10 Hz，由數(shù)據(jù)采集器自動存儲10 Hz 原始數(shù)據(jù)，觀測系統(tǒng)工作時在線計算通量，并存儲30 min 的各類通量數(shù)據(jù)，其中感熱和潛熱通量數(shù)據(jù)精度保留小數(shù)點后5 位，動量通量保留小數(shù)點后8位。

圖1 四川盆地周邊通量觀測站分布圖Fig.1 Distribution of flux observation stations around Sichuan basin.

表1 三個通量觀測站基本情況及觀測設(shè)備信息Table 1 Equipment information of flux observation stations.

1.2 數(shù)據(jù)來源

文章所用數(shù)據(jù)包括：(1) 通量站的通量觀測數(shù)據(jù)(潛熱通量、感熱通量和動量通量，時間分辨率30 min)和通量自動氣象站的觀測數(shù)據(jù)(溫度、氣壓、相對濕度、風速，時間分辨率10 min)。(2)通量站鄰近15 km范圍內(nèi)的自動氣象站觀測數(shù)據(jù)(氣溫、降水、氣壓、相對濕度和風速，時間分辨率1 h。(3)歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)的ERA5-Land 的0.1°×0.1°逐小時再分析資料中的氣溫、降水、露點溫度、10 m 高度u/v風速、感熱通量和潛熱通量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 通量觀測數(shù)據(jù)處理

先將通量觀測數(shù)據(jù)和通量站的自動氣象觀測數(shù)據(jù)進行整理，剔除異常值，再提取整點的數(shù)據(jù)作為該時刻的小時通量觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計按50%的比率判定是否缺測，即若某日的小時數(shù)據(jù)缺測率超過50%，則該日值記為缺測；若某月的日數(shù)據(jù)缺測率超過50%，則該月值記為缺測；分別記3—5月、6—8月、9—11月和12月—次年2 月為春夏秋冬四季，若某季缺測日超過50%，則該季值記為缺測；若某月內(nèi)某小時數(shù)據(jù)缺測率超過50%，則該月該時次的小時均值記為缺測。

1.3.2 ERA5數(shù)據(jù)的處理

從ERA5格點數(shù)據(jù)中采用距離權(quán)重系數(shù)插值方法將格點資料插值到站點上，根據(jù)露點溫度和溫度計算相對濕度，根據(jù)水平u、v風速計算風向和風速，將感熱通量、潛熱通量和降水的累積值轉(zhuǎn)換為小時值，并剔除異常值。

2 通量觀測可靠性和適用性分析

為了解地表通量實況觀測數(shù)據(jù)的可信度以及能否用于山地降水研究，以2019年“4.19”重慶西部暴雨為例，選取2019 年4 月18 日00：00—22 日23：00(北京時，下同)為統(tǒng)計時段，其中主要降水時段為4 月19 日12：00—21日08：00。通過計算通量站的實況觀測與鄰近氣象站、ERA5 再分析資料相同觀測要素之間的相關(guān)性，分析通量觀測數(shù)據(jù)的可靠性。

2.1 通量觀測的可靠性分析

2.1.1 通量自動氣象站觀測與鄰近氣象站觀測對比

由于通量自動氣象觀測站的降水數(shù)據(jù)不準確，能否采用鄰近氣象自動觀測站的降水參與研究成為首要解決的問題。從表2 中可見，所有鄰近氣象站的溫度、相對濕度、氣壓和85%以上鄰近氣象站的風速均通過0.05顯著性檢驗，說明通量觀測站與鄰近自動氣象觀測站有相似的地面氣象背景，可以考慮以鄰近氣象站小時降水代表通量站的降水。

表2 相關(guān)系數(shù)通過0.05顯著性檢驗的站點與鄰近總站數(shù)的比率Table 2 The ratio of stations with correlation coefficient passing 0.05 significance test.

2.1.2 與ERA5再分析數(shù)據(jù)的對比

商橋東岳廟內(nèi)，有清順治年間廟載碑文：“南臨潁水，清流屈曲，巢文許由之風猶有存焉。綠柳垂絲，紅花夾岸，風帆上下，魚躍鳥飛?！笨梢姰敃r水上風貌。家鄉(xiāng)當時的繁華亦可見一斑。

近年來歐洲中心提供的ERA5再分析資料被廣泛應用于各種研究，證明了其可靠性。將通量實況觀測與ERA5 再分析資料進行對比，可從側(cè)面反映出通量觀測的可靠程度。計算兩種資料的感熱、潛熱通量和小時降水相關(guān)系數(shù)，其中通量觀測的小時降水由鄰近站的小時降水均值代替。從表3可知，在無降水時，兩種通量觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，在有降水時，相關(guān)性明顯降低，甚至沒有通過顯著性檢驗，說明降水發(fā)生期間，ERA5 資料與實況觀測有著較大的差別。這兩種資料誰更為可信呢？圖2為降水時段內(nèi)虎頭村站的感熱通量和潛熱通量與ERA5 的時序圖。從圖中可見，在ERA5 的感熱通量在降水時段主要表現(xiàn)為正值，即地面對近地層大氣主要表現(xiàn)為持續(xù)的加熱過程，而實況觀測則顯示，在降水發(fā)生時段，感熱和潛熱通量均存在著正負交替變化的現(xiàn)象，說明隨著降水的發(fā)生，當降水落到地面之后，地表溫度迅速降低，地面對大氣的加熱逐漸轉(zhuǎn)為對大氣的冷卻過程，同時，地面的水汽由蒸發(fā)轉(zhuǎn)為凝結(jié)過程，而隨著降水的減弱或暫停，由降水帶來的地表降溫幅度減小，地表溫度緩慢回升，地面對大氣的作用又逐漸從冷卻過程轉(zhuǎn)為加熱過程和由凝結(jié)過程轉(zhuǎn)為蒸發(fā)過程，為下一次降水過程的出現(xiàn)提供水熱能量。說明實況觀測較ERA5數(shù)據(jù)更能反映降水時地面水熱通量實際演變情況。表3說明槽上站和虎頭村站的降水用鄰近站平均降水代替的方法是可行的，而金佛山站降水相關(guān)性不明確，可能與鄰近氣象站數(shù)較少有關(guān)。

2.2 通量觀測的適用性分析

通過前面分析可知，降水期間三站的通量觀測數(shù)據(jù)比ERA5更能反映本地通量的實際演變情況，那么，這些數(shù)據(jù)能否用于山地暴雨的研究，與常規(guī)氣象觀測要素有是否有顯著相關(guān)性？下面將從以下幾個方面展開分析。

2.2.1 感熱通量與常規(guī)氣象要素的相關(guān)性分析

地表感熱通量主要取決于風速和地氣溫差，一般風速和地氣溫差越大，感熱通量越大。從表4可見，槽上的感熱通量與所有站的溫度為正相關(guān)，與相對濕度為負相關(guān)，與大部分站點的風速為正相關(guān)；虎頭村站與槽上站類似；說明兩站感熱通量的增大伴隨著環(huán)境溫度增加、環(huán)境相對濕度下降和局地風速的增加；而槽上和虎頭村站的感熱通量與近一半左右站的降水為較弱的負相關(guān)；金佛山站的感熱通量與風速為負相關(guān)，其原因有待后續(xù)研究。

表3 ERA5再分析數(shù)據(jù)與通量觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)Table3 The correlation coefficients between fluxes in ERA5 and observations at flux stations.

圖2 虎頭村站的感熱通量(a)和潛熱通量(b)與ERA5的時序圖Fig.2 (a)Time sequence diagram of sensible heat flux and(b)latent heat flux of flux observations at Hutoucun and ERA5 data.

表4 槽上、虎頭村、金佛山三站感熱通量與氣象要素的相關(guān)系數(shù)表Table 4 Correlation coefficient between sensible heat flux and environmental meteorological factors.

2.2.2 潛熱通量與環(huán)境氣象要素的相關(guān)性分析

地表潛熱通量主要取決于風速以及地表和大氣的濕度差異，當陸地表面溫度越高時，蒸發(fā)也越強。從表5 可見，槽上站的潛熱通量與所有站的溫度為正相關(guān)，與相對濕度為負相關(guān)，與部分站點的風速為正相關(guān)，與部分站點的降水為負相關(guān)；虎頭村站的潛熱通量與降水沒有明顯的相關(guān)性，其他要素相關(guān)性與槽上站類似；金佛山站的潛熱通量與所有站的溫度也為正相關(guān)。說明潛熱通量的增加，伴隨著環(huán)境溫度的增加、相對濕度減小和局地風速的增加。

表5 槽上、虎頭村、金佛山三站潛熱通量與氣象要素的相關(guān)系數(shù)表Table 5 Correlation coefficient between latent heat flux and meteorological elements.

2.2.3 動量通量與環(huán)境氣象要素的相關(guān)性分析

表6 槽上、虎頭村、金佛山三站動量通量與氣象要素的相關(guān)系數(shù)表Table 6 Correlation coefficient between momentum flux and meteorological elements.

2.2.4 通量增量與降水的相關(guān)性分析

為了更進一步了解地表通量與降水之間的關(guān)系，分別計算三種地表通量增量與鄰近氣象站小時降水在有降水時的相關(guān)系數(shù)。由表7可見：槽上站的感熱通量和潛熱通量增量與局部降水為負相關(guān)，動量通量與局部降水為正相關(guān)；虎頭村站的感熱和潛熱通量增量與個別站降水有相關(guān)性，動量通量與局部降水為正相關(guān)；金佛山站的感熱、潛熱和動量增量與個別站降水有相關(guān)性。

表7 有降水時三站通量增量與降水的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficient between flux increment and precipitation in precipitation period.

3 地表通量的不同時間尺度變化特征

通過上述分析可知，重慶山地通量觀測數(shù)據(jù)與降水等氣象要素存在著一定的相關(guān)關(guān)系，該觀測數(shù)據(jù)是可信的，特選取2019年1月1日00時—2020年2月29日23時的通量觀測數(shù)據(jù)，進一步分析重慶山地通量的不同時間尺度變化特征。

3.1 地表通量季節(jié)變化特征

地面與大氣之間的熱量交換，主要通過直接加熱或冷卻大氣，陸面蒸發(fā)或凝結(jié)的過程來實現(xiàn)，而在加熱/冷卻或蒸發(fā)/凝結(jié)的同時，能量的傳輸則由動量通量來實現(xiàn)。潛熱通量的正/負值表示地面水汽有蒸發(fā)/凝結(jié)過程；感熱通量的正/負值表示地面對大氣有加熱/冷卻過程；動量通量值的大小反應了湍流運動的強度，即陸面與邊界層大氣之間能量交換的強度。表8為2019年度三個通量觀測站的潛熱通量、感熱通量和動量通量的季節(jié)值。從表中可見，三種通量的季節(jié)均值均為正值，說明在季節(jié)上地面對大氣主要表現(xiàn)為加熱和蒸發(fā)作用。在潛熱通量的季節(jié)變化中，三站均表現(xiàn)為夏季最大，冬季最小，說明夏季降水最多，地面水汽蒸發(fā)量最大，而冬季降水最少，地面水汽蒸發(fā)量最小。在感熱通量的季節(jié)變化中，槽上站和虎頭村站表現(xiàn)為夏季最大，冬季最小，金佛山站表現(xiàn)為春季最大，冬季最小。黃珊等(2020)通過ERA5 再分析資料得到西南地區(qū)春季感熱通量比夏季大，而潛熱通量則是夏季大，春季小的結(jié)論，此次觀測試驗數(shù)據(jù)也表明三站的潛熱通量以及金佛山站感熱通量的季節(jié)變化與該研究結(jié)果一致。在動量通量的季節(jié)變化中，三站均表現(xiàn)為春季最大，冬季最小，說明春季湍流運動最強而冬季最弱。

表8 2019年三個通量站的通量觀測季值Table 8 Seasonal mean of flux observations at flux stations in 2019.

標準差又稱標準偏差，主要反映觀測要素相對于均值的偏離程度。從表9 中可見：動量通量春季波動最大，潛熱通量和感熱通量夏季波動最大，三站其他季節(jié)的通量波動各有所不同。

表9 2019年各通量站的通量觀測季標準差Table 9 Seasonal standard deviation of flux observations at flux stations in 2019.

3.2 地表通量逐月變化特征

圖3為三站的三種通量在2019年1月—2019年12月的逐月時序圖。表3為三站之間各通量的相關(guān)系數(shù)，均通過0.05顯著性檢驗。從圖表中分析可知：在月尺度上水熱通量均為正，說明地面對大氣的作用依然表現(xiàn)為增溫和蒸發(fā)作用為主，三站的月變化總趨勢較為相近，虎頭村站的動量通量和感熱通量的月變化與槽上站更相似，其潛熱通量月變化趨勢與金佛山站更相似。說明盡管虎頭山和槽上站地理位置相近，其下墊面差異是導致兩者潛熱通量差異較大的主要原因。

圖3 槽上、虎頭村、金佛山通量觀測站潛熱通量(a)、感熱通量(b)、動量通量(c)的逐月變化Fig.3 Monthly variation of(a)latent heat flux,(b)sensible heat flux,and(c)momentum flux observed at Caoshang,Hutoucun and Jinfoshan.

表10 槽上、虎頭村、金佛山通量觀測站各地表通量月均值相關(guān)系數(shù)表Table 10 Correlation coefficient of monthly mean surface fluxes among observations at Caoshang,Hutoucun and Jinfoshan.

3.3 地表通量小時均值日變化特征

從表11 可知，三種通量主要表現(xiàn)單峰型，即白天湍流活動強，地面對大氣主要表現(xiàn)為加熱和蒸發(fā)過程，而夜間湍流活動減弱，地面對大氣主要表現(xiàn)為冷卻和凝結(jié)過程。其中，金佛山站的動量通量在春、夏、秋季表現(xiàn)為雙峰型，說明該站在夜間出現(xiàn)了湍流增強現(xiàn)象，較其余兩站有所不同。另外，不同站的各通量在不同季節(jié)出現(xiàn)的峰值時間也不完全一樣，說明地表通量的局地特征明顯，其差異原因有待進一步分析。

表11 通量日變化在各季的正值區(qū)和峰值時間Table 11 Positive value period and peek time of flux diurnal variation in each season.

4 結(jié)論與討論

本文以重慶西部暴雨為例，討論了重慶山地通量觀測資料的可靠性和適用性，在此基礎(chǔ)之上對2019年度通量觀測的季節(jié)和日變化特征進行了統(tǒng)計分析，得到以下主要結(jié)論。

(1)通量站與鄰近氣象站具有相似的氣象背景，通量觀測比ERA5 再分析資料更能反映出地表感熱和潛熱通量在降水期間的時間演變情況，該數(shù)據(jù)是可靠的，通量站的降水可以用鄰近站點平均降水代替。

(2)三種通量及其增量與溫度、相對濕度、風速和降水均呈現(xiàn)出不同的相關(guān)關(guān)系，尤其是動量通量與降水、風速為正相關(guān)，感熱和潛熱通量與溫度、風速為正相關(guān)，與相對濕度為負相關(guān)，槽上站的潛熱和感熱通量增量與局部降水為負相關(guān)，這些特征均表明通量觀測可以用于該次暴雨研究中。

(3)感熱和潛熱通量的季節(jié)和月變化特征表明，地面對大氣長期主要表現(xiàn)為加熱和蒸發(fā)作用，動量通量的季節(jié)變化表明春季湍流運動最強而冬季最弱。其日變化特征顯示潛熱和感熱通量以單峰型為主，即白天主要以增溫和蒸發(fā)作用為主，夜間以冷卻和凝結(jié)作用為主；動量通量以單峰型為主，即白天湍流活動較強，夜間相對較弱，只有金佛山站在春夏秋三季表現(xiàn)出雙峰型，即在夜間會出現(xiàn)湍流活動增強的情況。

(4)文章僅用單個例來說明通量觀測數(shù)據(jù)的可靠性和適用性，有必要后續(xù)進一步開展多個例和長時間序列的分析，夯實研究結(jié)果，另外可以結(jié)合數(shù)值模式，深入開展該次暴雨過程中，地面水熱通量和動量通量在局地強降水觸發(fā)機制方面的相關(guān)研究。

(5)文章研究表明三站的通量在不同時間尺度上的變化特征各有差異，有必要對其原因展開進一步研究。如何將通量觀測用于數(shù)值模式相關(guān)參數(shù)化方案的訂正，也是未來可以探討的研究方向。

(6)通量站鄰近相關(guān)站點的選擇目前僅采用了簡單的范圍劃分，并沒有綜合考慮各站氣象觀測要素的相關(guān)性，尤其是與降水有明顯相關(guān)性的站點的單獨篩選，因此后續(xù)可以擴展篩選范圍，綜合考慮各種氣象因子來確定相關(guān)站點的篩選。