風(fēng)廓線雷達(dá)資料和L探空資料確定濟(jì)南夏季邊界層高度的對(duì)比研究

王棟成，湯子?xùn)|，邱 粲,2，董旭光，曹 潔

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

引 言

大氣邊界層的高度是污染物擴(kuò)散、氣候及大氣等模式的一個(gè)重要輸入?yún)?shù)，邊界層高度的變化對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)中的物理過程、天氣預(yù)報(bào)的診斷分析、環(huán)境空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)、空氣污染物的監(jiān)控與預(yù)測(cè)、大氣環(huán)境容量的確定等也有相當(dāng)重要的作用[1-3]?；诓煌奈锢砹浚卸ㄟ吔鐚痈叨鹊囊罁?jù)不同[4]。目前，邊界層高度的確定方法主要有兩類：一是基于參數(shù)化和簡(jiǎn)單的模型計(jì)算，二是基于廓線測(cè)量[5]。參數(shù)化方法主要包括國(guó)標(biāo)法[6,7]、羅氏法[7,8]、聯(lián)合頻率法-羅氏法B[7]、薩默斯(Summents)經(jīng)驗(yàn)公式法[7]、最小二乘曲線擬合法[9]等。參數(shù)化方法實(shí)用性強(qiáng)，但由于邊界層高度變化的復(fù)雜性及以地面常規(guī)觀測(cè)資料判斷邊界層變化的局限性，各種參數(shù)化方案的準(zhǔn)確性均有待進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)[5]。廓線測(cè)量法主要包括干絕熱法[7,10-11]、實(shí)測(cè)法[7，12]、風(fēng)速極值法[13-15]、位溫法[4,7](虛位溫梯度法[15-17])、濕度梯度法[1,18]、湍流能量法[4,15]、綜合評(píng)定法[7]等。廓線測(cè)量是確定大氣邊界層結(jié)構(gòu)最常用的方法，可較準(zhǔn)確地判斷邊界層高度，但大氣邊界層的特性和結(jié)構(gòu)資料并不是常規(guī)氣象觀測(cè)的內(nèi)容，因此對(duì)它的研究只能依賴于特定的試驗(yàn)項(xiàng)目或每日2～3次的L探空，觀測(cè)資料在時(shí)間和空間上都非常有限[19]。

1 資料與方法

1.1 資 料

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0-4000 m的氣溫、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)，來自濟(jì)南L波段探空雷達(dá)記錄文件。L探空數(shù)據(jù)均經(jīng)質(zhì)量控制，符合中國(guó)氣象局《高空氣象探測(cè)規(guī)范》。L探空秒級(jí)和分鐘級(jí)數(shù)據(jù)的高度分辨率分別為6～7 m、400 m?？紤]L探空整點(diǎn)后15 min開始探測(cè)，氣球按照400 m/min的速度上升，10 min的高度足以涵蓋WPR探測(cè)每6 min、3980 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探空數(shù)據(jù)的時(shí)空匹配一致。每10 m高度層間隔的氣溫、相對(duì)濕度資料，利用L波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件內(nèi)插獲取[35]。

采用的地面氣象逐小時(shí)數(shù)據(jù)來自章丘氣象站，數(shù)據(jù)均經(jīng)自動(dòng)、人工審核與質(zhì)量控制，符合中國(guó)氣象局《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》要求。章丘氣象站與濟(jì)南WPR觀測(cè)站、濟(jì)南L探空觀測(cè)站屬于相同站場(chǎng)，觀測(cè)場(chǎng)經(jīng)緯度、海拔高度基本一致，本文統(tǒng)稱為濟(jì)南站。

1.3 對(duì)比方法

表1 2014年濟(jì)南夏季三種方法判斷HCBL的能力對(duì)比

2 結(jié)果分析

2.1 個(gè)例分析

(1)三種方法確定的結(jié)果對(duì)比

表2 三種方法確定的濟(jì)南站2014年7月18日HCBL結(jié)果對(duì)比

圖1 L探空虛位溫梯度法(a)、濕度梯度法(b)、WPR偏離度法(c)三種方法確定的濟(jì)南站2014年7月18日07時(shí)(a1-a6)、13時(shí)(b1-b6)、19時(shí)(c1-c6)HCBL對(duì)比

(2)逐小時(shí)HCBL的日變化

基于方法三確定的濟(jì)南站2014年7月18日07-19時(shí)逐小時(shí)HCBL變化見圖2，并同時(shí)給出了該日地表溫度、氣溫日變化和方法一、方法二確定的早中晚HCBL。由圖2可見，該日HCBL自07時(shí)的640 m逐漸波浪起伏式增高，至午后15-16時(shí)達(dá)到最高值2740 m，其后快速降低，至19時(shí)為760 m。與通常的HCBL最高值出現(xiàn)在15時(shí)略有不同，該日最高值持續(xù)至16時(shí)。分析原因是該日在太陽(yáng)輻射作用下，地表長(zhǎng)波輻射較強(qiáng)，地表溫度最高達(dá)64.3 ℃(13時(shí))，近地面氣溫13-16時(shí)滯后響應(yīng)且緩慢持續(xù)增高達(dá)36.0 ℃(16時(shí))，大氣邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)使近地層熱量向上傳遞，上下層熱交換充分且對(duì)流較強(qiáng)、熱浮力和動(dòng)力抬升作用滯后所致。同時(shí)也顯示，HCBL最高值對(duì)近地面熱通量作用的響應(yīng)時(shí)間尺度為1 h或更短，而對(duì)地表熱通量作用的響應(yīng)時(shí)間尺度則可滯后達(dá)3 h，這與張堅(jiān)[15]、盧萍[39]等的研究結(jié)果一致。

圖2 偏離度法確定的濟(jì)南WPR站2014年7月18日白天的逐小時(shí)HCBL變化

2.2 夏季6-7月三種方法可對(duì)比有效樣本的統(tǒng)計(jì)分析

圖3 三種方法判定的2014年濟(jì)南夏季07時(shí)(a)、13時(shí)(b)、19時(shí)(c)HCBL結(jié)果逐樣本對(duì)比

表3 三種方法判定的2014年濟(jì)南夏季同時(shí)刻HCBL統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比

(1)三種方法確定的結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

三種方法確定的HCBL均值、最小值、最大值雖個(gè)別有差異但差異較小，總體一致性很好，表明WPR實(shí)測(cè)和L探空實(shí)測(cè)結(jié)果均能很好地反映大氣邊界層高度變化的實(shí)際狀況。方法三確定的濟(jì)南2014年6-7月白天平均HCBL為1124.4 m，其中07時(shí)的為510.0 m，13時(shí)的為1884.5 m，19時(shí)的為658.2 m。

07時(shí)，方法三的平均值較前兩者的差值分別為+14.3、+9.3 m，最小值的差值分別為+20、0 m，最大值的差值分別為-20、-20 m。30組有效樣本中，方法三與前兩者的差值范圍在-180～+250 m(76.7%樣本的差值在-80～+100 m)、-180～+200 m(80.0%樣本的差值在-100～+100 m)。方法一和方法二的差值范圍很小，為-50～+80 m，且83.3%樣本的差值在-20～+30 m，平均值差僅5.0 m。

13時(shí)，方法三的平均值較前兩者的差值分別為+36.4、+21.6 m，最小值的差值分別為+20、+10 m，最大值的差值分別為+50、+80 m。31組有效樣本中，方法三與前兩者的差值范圍在-170～+490 m(70.0%樣本的差值在-80～+100 m)、-270～+310 m(63.3%樣本的差值在-100～+100 m)。方法一和方法二的差值范圍為-380～+290 m，且80.6%樣本的差值在-40～+80 m，平均值差僅14.8 m。

19時(shí)，方法三的平均值則較前兩者的差值分別為-27.3、-25.4 m，最小值的差值分別為-70、-30 m，最大值的差值分別為+40、+40 m。11組有效樣本中，方法三與前兩者的差值范圍在-130～+40 m(90.9%樣本的差值在-70～+40 m)、-150～+50 m(81.8%樣本的差值在-60～+50 m)。方法一和方法二的差值為-60～+110 m，且90.9%樣本的差值在-60～+10 m，平均值差僅1.9 m。

(2)三種方法結(jié)果的相關(guān)性分析

圖4 三種方法確定的2014年濟(jì)南夏季07時(shí)(a1-a3)、13時(shí)(b1-b3)、19時(shí)(c1-c3)、全部樣本(d1-d3)HCBL的相關(guān)性對(duì)比單位：m

2.3 濟(jì)南夏季6-7月HCBL日變化

表4 偏離度法確定的濟(jì)南夏季6月、7月HCBL統(tǒng)計(jì)結(jié)果 m

(1)各典型日HCBL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)的HCBL總體呈現(xiàn)緩慢增高態(tài)勢(shì)，而15時(shí)后有一些HCBL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16-17時(shí)才迅速降低的，如6月17、23、27日和7月15、16日等。原因是對(duì)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(zhǎng)，而對(duì)流邊界層的崩潰階段則是熱力抬升減弱導(dǎo)致坍塌式快速降低[16]。

(2)濟(jì)南站夏季6月小時(shí)HCBL最高為3460.0 m，出現(xiàn)在6月6日15時(shí)(圖5a)；逐小時(shí)HCBL最高值在13-16時(shí)均可出現(xiàn)，其中以15時(shí)的最多，為18天，其次是14時(shí)的11天、13時(shí)的8天、16時(shí)的3天。7月小時(shí)HCBL最高為3220.0 m，出現(xiàn)在7月17日15時(shí)(圖5b)；逐小時(shí)HCBL最高值在14-16時(shí)均可出現(xiàn)，其中以15時(shí)的最多，為4天，其次是16時(shí)的3天、14時(shí)的2天。6月、7月平均HCBL日變化規(guī)律基本一致，均是早晚低、中午高，最高值均出現(xiàn)在15時(shí)，07-15時(shí)HCBL均為緩慢增高，15-19時(shí)HCBL則快速降低。6月、7月的07時(shí)平均高度分別為498.2、526.7 m，19時(shí)則分別為586.3、573.3 m，15時(shí)最高分別為2205.0、2157.1 m。7月的最高值略低于6月的，可能是時(shí)段短、樣本數(shù)少所致。

圖5 偏離度法確定的2014年濟(jì)南6月(a)和7月(b)HCBL月均值和典型日值的逐小時(shí)變化

(3)WPR與L探空確定的HCBL平均值早、中、晚均較為一致。6月07、13、19時(shí)的差值分別為+16.2、+40.7、-82.3 m，7月07、13、19時(shí)的差值分別為+3.7、0、-86.7 m。

3 結(jié)論與討論

(2)濟(jì)南6月、7月對(duì)流邊界層高度15時(shí)最高值可達(dá)3460.0、3220.0 m，平均值可達(dá)2205.0、2157.1 m。07-15時(shí)的對(duì)流邊界層高度為波浪起伏式緩慢增高態(tài)勢(shì)，15-19時(shí)的變化則是斷崖式降低，這與熱力抬升的增強(qiáng)和減弱過程直接相關(guān)。

(3)雖然WPR觀測(cè)數(shù)據(jù)具有高時(shí)間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，但其空間分辨率不及L探空數(shù)據(jù)的高。而且，WPR探測(cè)能力和產(chǎn)品數(shù)據(jù)的質(zhì)量，仍是制約確定大氣邊界層高度的關(guān)鍵因素。當(dāng)有降水時(shí)或各高度層的相對(duì)濕度連續(xù)較大時(shí)，或夜間邊界層高度低于WPR最小探測(cè)高度100 m時(shí)，或冬季探測(cè)能力低于邊界層頂高度時(shí)，或低層信號(hào)受地面雜波干擾時(shí)，或數(shù)據(jù)缺測(cè)較多、異常情況大量出現(xiàn)時(shí)，不同觀測(cè)模式、數(shù)據(jù)運(yùn)算方法等自身存在的諸多問題，均可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法判定邊界層高度的情形。當(dāng)然，相比3 km探測(cè)高度的WPR，6 km探測(cè)高度的WPR探測(cè)能力進(jìn)一步提高，可一定程度地解決大氣邊界層高度有時(shí)無(wú)法判定的問題。