大氣邊界層高度的確定及其在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中的應(yīng)用

汪晉，廖前鋒，閆申，王毅，項(xiàng)杰

(1.南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，南京211222；2.陸軍工程大學(xué)教務(wù)處，南京210007；3.國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院，長(zhǎng)沙410028；4.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，長(zhǎng)沙410028)

引 言

大氣邊界層(Atmospheric Boundary Layer，ABL)位于對(duì)流層底部，是最接近地球表面的一層大氣。由于受到地表摩擦和非絕熱加熱等的影響，ABL具有明顯不同于其上自由大氣的特征，如，有別于自由大氣中的平流特征，ABL 內(nèi)大氣的運(yùn)動(dòng)形式主要為湍流，會(huì)對(duì)動(dòng)量、熱量和水汽等的輸送過程產(chǎn)生重要影響(Stull，1988；趙鳴和苗曼倩，1992；Garratt，1992；盛裴軒等，2013)。研究ABL過程對(duì)了解大尺度天氣過程的演變、研究長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和氣候理論等問題，具有重要的意義(高登義，1994；周明煜等，2000；張強(qiáng)和胡隱樵，2001；胡非等，2003；Medeiros et al.，2005)。此外，人類主要生活于ABL 內(nèi)，ABL 對(duì)人們的生產(chǎn)、生活等各種活動(dòng)有重要影響。如ABL與空氣污染密切相關(guān)(任桂萍等，2021)，ABL 中的湍流運(yùn)動(dòng)對(duì)于空氣污染物具有擴(kuò)散和混合的作用(因而在空氣污染氣象學(xué)中ABL又稱為混合層)；ABL高度決定了污染物擴(kuò)散稀釋的潛在空間范圍，ABL 高度高時(shí)，污染物可以在更大的空間內(nèi)擴(kuò)散稀釋，從而降低濃度。因此，ABL 高度與近地面污染物濃度呈負(fù)相關(guān)(Du et al.，2013)，重污染過程往往伴隨較低的ABL高度(Qu et al.，2017)；同時(shí)，作為空氣污染物主要成分的氣溶膠對(duì)ABL 也有反饋?zhàn)饔?Yu et al.，2002；Li et al.，2017)；對(duì)于都市ABL來說，高的顆粒物濃度會(huì)加強(qiáng)ABL的穩(wěn)定性，這會(huì)進(jìn)一步地降低ABL 的高度，導(dǎo)致顆粒物濃度進(jìn)一步增加(Petaja et al.，2016)。所以，研究ABL 過程對(duì)于保護(hù)環(huán)境以及保障人民的身心健康具有重要的作用。

ABL 與降水(尤其是強(qiáng)降水，如暴雨)過程有密切的關(guān)系。研究表明，ABL 中的物理過程，如ABL 中的動(dòng)量、熱量、水汽的輸送、ABL中的摩擦效應(yīng)以及地形的作用等對(duì)于暴雨的發(fā)生發(fā)展有重要的影響(Benjamin and Carlson，1986；趙鳴，2008；陳鵬等，2014)。由于ABL中湍流運(yùn)動(dòng)的尺度很小(屬于次網(wǎng)格尺度的運(yùn)動(dòng))，大氣數(shù)值天氣(或氣候)模式難以解析這種尺度的運(yùn)動(dòng)，通常需要進(jìn)行參數(shù)化處理。因此，ABL 過程的參數(shù)化一直是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式及數(shù)值氣候模式研發(fā)的關(guān)鍵問題之一，也是暴雨模擬研究中的熱點(diǎn)問題(蔡薌寧等，2006；盛杰和林永輝，2010；沈新勇等，2017；程銳等，2019)。ABL高度(或深度)是ABL的一個(gè)重要參數(shù)，估計(jì)準(zhǔn)確的ABL高度數(shù)值對(duì)于數(shù)值天氣(或氣候)模式具有重要的意義。一方面，ABL高度數(shù)值是ABL 本身的參數(shù)化方案所必須的；另一方面，它也是數(shù)值天氣(或氣候)模式中其他的物理過程參數(shù)化所需要的。同時(shí)，ABL高度信息也是空氣污染物預(yù)報(bào)模式的輸入?yún)?shù)。準(zhǔn)確的ABL 高度數(shù)據(jù)對(duì)于提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)精度、化學(xué)成分預(yù)報(bào)精度等有重要影響。因此，確定ABL高度在氣象學(xué)上具有重要意義(潘云仙和蔣維楣，1982；洪鐘祥等，1998；李茂善等，2006；伍大洲等，2006；張璐等，2011；孔揚(yáng)和張?zhí)K平，2014)。

根據(jù)大氣的層結(jié)穩(wěn)定性ABL分為不穩(wěn)定ABL、穩(wěn)定ABL 和中性ABL。不穩(wěn)定ABL 又稱為對(duì)流ABL(Garratt，1992)，通常出現(xiàn)在地表受熱產(chǎn)生對(duì)流或云頂輻射冷卻產(chǎn)生對(duì)流的情形下，其頂部往往伴隨著逆溫和(或)濕度的急劇下降；穩(wěn)定ABL通常在夜間出現(xiàn)，常常伴隨著以地表為底的逆溫層(Garratt，1992)；中性ABL 較少出現(xiàn)，如陸地夜間ABL 中的剩余層(Residual Layer，RL)就屬于中性ABL(Stull，1988)。不穩(wěn)定ABL的頂(其高度即為ABL高度)常?？梢愿鶕?jù)一些物理量在ABL頂具有顯著的梯度(如逆溫、水汽含量的急劇下降等)而確定，而穩(wěn)定ABL 頂?shù)拇_定卻沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，穩(wěn)定ABL頂可以根據(jù)需要采用不同的方式定義，如定義為以地表為底的逆溫層的頂(Seidel et al.，2010)，或者是湍流強(qiáng)度占近地面湍流強(qiáng)度的一小部分比例的位置(Stull，1988)，或者是利用Richardson 數(shù) 定 義(Vogelezang and Holtslag，1996)。不 穩(wěn) 定ABL 的高度從數(shù)百米到數(shù)千米不等，而由于穩(wěn)定ABL中的湍流擴(kuò)散弱，穩(wěn)定ABL 的高度最多不超過幾百米(Garratt，1994)。

確定ABL 高度的研究工作有很多。張宏昇等(2020)對(duì)ABL 高度的確定作了很好的總結(jié)，介紹了兩種類型的確定ABL高度的研究工作，其一是利用遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)確定ABL高度，重點(diǎn)是地基遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)(如激光雷達(dá)/云高儀、地基微波輻射計(jì)、聲雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)等數(shù)據(jù))，對(duì)于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)只是簡(jiǎn)單介紹了掩星探測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用；其二是利用預(yù)報(bào)方程、診斷公式通過參數(shù)化的方法計(jì)算ABL 高度，其優(yōu)點(diǎn)是只需輸入少量數(shù)據(jù)即可計(jì)算得出ABL高度，盡管方法簡(jiǎn)便實(shí)用，但所得結(jié)果精度相對(duì)較差，在缺乏大氣廓線觀測(cè)值的地區(qū)參數(shù)化方法有較高的應(yīng)用價(jià)值。至于ABL高度數(shù)據(jù)的應(yīng)用，該文獻(xiàn)只在引言中籠統(tǒng)地提及了在天氣預(yù)報(bào)和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式中有應(yīng)用，并沒有詳細(xì)的研究工作介紹。本文從不同角度介紹了ABL高度的確定及其應(yīng)用，即針對(duì)四種常見類型的觀測(cè)資料，包括常規(guī)探空資料、衛(wèi)星遙感探測(cè)資料、激光雷達(dá)探測(cè)資料及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)掩星探測(cè)資料，介紹確定ABL高度的主要方法及其進(jìn)展情況；通過對(duì)不同方法和結(jié)果進(jìn)行比較，提出在同時(shí)具有多種觀測(cè)資料時(shí)如何處理ABL 高度的三個(gè)基本原則；最后，以目前廣泛應(yīng)用的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF (Weather Research and Forecasting)為例，重點(diǎn)介紹ABL 高度數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣(或氣候)預(yù)報(bào)模式中的應(yīng)用，以期為改進(jìn)、完善數(shù)值天氣(或氣候)預(yù)報(bào)模式中的ABL參數(shù)化方案提供有益的參考依據(jù)。

1 利用常規(guī)探空資料確定ABL高度

對(duì)于不穩(wěn)定ABL來說，ABL頂往往伴隨著一個(gè)或多個(gè)物理量存在明顯的梯度，如溫度(逆溫)、濕度、氣溶膠粒子濃度、臭氧濃度、湍流強(qiáng)度和折射率等。因此，利用這些物理量的單個(gè)探測(cè)廓線或模式輸出廓線就可以確定ABL 頂所在的高度，即ABL高度。常規(guī)探空數(shù)據(jù)一直是氣象學(xué)家確定ABL 高度的主要數(shù)據(jù)源(Seibert et al.，2000；徐桂榮等，2014；Dai et al.，2014)，基于常規(guī)探空廓線確定ABL 高度的方法主要包括氣塊法、最大梯度法、湍流法及Richardson 數(shù)法等四種，下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.1 氣塊法

Holzworth(1964)提出了“氣塊法”的基本思想，把從地面(具有最高溫度的)某點(diǎn)出發(fā)的干絕熱廓線與該處(或臨近的)探空溫度廓線的交點(diǎn)處的高度定義為ABL高度，即在這個(gè)高度上與在地面具有相同的虛位溫值。利用該方法確定的ABL 高度也稱為“混合高度”，通常用于空氣污染物的預(yù)報(bào)以評(píng)估在ABL 中釋放的污染物的濃度。然而用這種方法確定的結(jié)果強(qiáng)烈依賴于地面溫度，會(huì)出現(xiàn)對(duì)流ABL頂沒有逆溫的情形(Seibert et al.，2000)。因此，Beljaars和Betts(1992)提出了改進(jìn)的氣塊法，并且被Wotawa 等(1996)和Seibert等(2000)所應(yīng)用。氣塊法是一種基本的方法，主要用于不穩(wěn)定ABL的情形。

1.2 最大梯度法

ABL 頂往往伴隨著逆溫和(或)濕度等的急劇下降，通常利用位溫最大垂直梯度來確定ABL 高度(Stull，1988；Garratt，1992)，這種位溫最大垂直梯度層表示從對(duì)流不穩(wěn)定區(qū)域(位于下方)到位于上方的穩(wěn)定區(qū)域的過渡區(qū)。Ao等(2012)直接利用溫度或濕度的最大垂直梯度(絕對(duì)值)確定ABL 高度，具體實(shí)施時(shí)需要首先計(jì)算位溫(或溫度、濕度)的垂直梯度，由于觀測(cè)數(shù)據(jù)往往含有噪聲，再加上算法的原因，計(jì)算得到的垂直梯度可能含有較大的誤差，導(dǎo)致結(jié)果不可靠，甚至是錯(cuò)誤的。針對(duì)這種實(shí)際情況，有學(xué)者在計(jì)算垂直梯度之前先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等平滑處理(Amiridis et al.，2007；楊富燕等，2016)；Zeng 等(2004)在最大梯度法中采用了閾值判據(jù)，即對(duì)于海洋上的不穩(wěn)定ABL，把虛位溫的垂直梯度首次大于或等于3 K·km-1(稱為閾值)所在的高度作為ABL高度；Dai等(2014)利用位溫垂直梯度廓線來確定對(duì)流邊界層(Convective Boundary Layer，CBL)或云蓋頂邊界層(Cloud-Topped Boundary Layer，CTBL)高度：對(duì)于CBL 來說，其頂部逆溫層相對(duì)較弱，故設(shè)置相對(duì)較小的位溫梯度閾值來確定ABL高度(即在逆溫層底部首次超過閾值的高度)；而對(duì)于CTBL來說，其頂部逆溫明顯，故可以設(shè)置相對(duì)較大的位溫梯度閾值來確定ABL高度，或者直接取位溫梯度最大值所在的高度為ABL 高度。為了減少觀測(cè)誤差對(duì)計(jì)算梯度的影響，還可以采用數(shù)值微分方法(Cheng et al.，2003；Xiang et al.，2021)。

在最大梯度法中采用閾值判據(jù)時(shí)，閾值的選擇具有一定的主觀性，這會(huì)產(chǎn)生估計(jì)的ABL高度的不確定性。最大梯度法既可用于不穩(wěn)定ABL 也可用于穩(wěn)定ABL，但是對(duì)于穩(wěn)定ABL，最大梯度法應(yīng)用起來更復(fù)雜(Dai et al.，2014)。目前，最大梯度法仍然是確定ABL高度的主要方法，應(yīng)用廣泛。

1.3 湍流法

ABL 與自由大氣之間的主要區(qū)別在于ABL 具有湍流性，湍流能夠使ABL 內(nèi)產(chǎn)生混合過程，因而ABL能夠響應(yīng)地表的強(qiáng)迫。因此，ABL可定義為湍流擾動(dòng)層，而ABL 高度就為湍流消失的高度，也即存在連續(xù)湍流的最大高度(Dai et al.，2011)。探測(cè)ABL 高度的湍流方法就是利用儀器(如放置于飛機(jī)上)直接(高頻)觀測(cè)垂直風(fēng)速，得到垂直風(fēng)速廓線，然后對(duì)風(fēng)速廓線進(jìn)行高通濾波(如小波濾波器)，消除低頻分量，得到風(fēng)速脈動(dòng)值，風(fēng)速脈動(dòng)值顯著減少的高度就是ABL 高 度。Wang 等(1999)、Dai 等(2011)、Zhang 等(2014)均利用了湍流方法對(duì)外場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)確定了ABL高度。

湍流方法被認(rèn)為是確定ABL 高度的最準(zhǔn)確的方法，對(duì)任何類型的大氣層結(jié)(不穩(wěn)定、穩(wěn)定、中性)都適用。但是，湍流直接觀測(cè)中所使用的設(shè)備代價(jià)昂貴，所以除了在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中偶爾使用以外，日常觀測(cè)很少使用這種設(shè)備，這決定了湍流方法在確定ABL高度的工作中應(yīng)用較少。

1.4 Richardson數(shù)法

Richardson 數(shù)是一個(gè)無量綱數(shù)，表示浮力抑制的湍流與風(fēng)切變產(chǎn)生的湍流之比，是判定湍流產(chǎn)生與否的重要參數(shù)，也是判定流體靜力穩(wěn)定性的指標(biāo)，可直接用來估算ABL 高度，這就是確定ABL 高度的Richardson數(shù)法。

Richardson 數(shù)法既可應(yīng)用于不穩(wěn)定ABL，也可應(yīng)用于穩(wěn)定ABL(Georgoulias et al.，2009)，特別適合于在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中確定ABL 高度(Straume et al.1998；Zilitinkevich and Baklanov，2002；Jericevic and Grisogono，2006)，因?yàn)閿?shù)值模式中需要進(jìn)行自動(dòng)處理。Richardson數(shù)法也可應(yīng)用于從探空資料確定ABL高度(Zeng et al.，2004；Balsley et al.，2006；Hennemuth and Lammert，2006；Sicard et al.，2006)。如Guo 等(2019)利用中國(guó)區(qū)域1976—2016 年的無線電探空資料，采用整體Richardson數(shù)法確定了ABL高度，并分析了ABL高度的時(shí)空變化特征。

Richardson 數(shù)法建立在這樣一個(gè)基本假設(shè)之上，即當(dāng)Richardson 數(shù)超過某個(gè)臨界值時(shí)連續(xù)湍流會(huì)終止。這種方法的一個(gè)弊端是它的臨界值選取的不確定性，臨界值選取可從0.15變化至0.55，而且一旦選定以后，這個(gè)臨界值對(duì)于所有類型的ABL(不管是不穩(wěn)定的、穩(wěn)定的還是中性的)都是相同的，這不太合理；同時(shí)，Richardson 數(shù)法并不太適用于大多數(shù)被動(dòng)的空基反演的溫度廓線(紅外和微波)，因?yàn)楸粍?dòng)獲取的廓線的垂直分辨率最多為1～2 km，對(duì)于估計(jì)ABL 高度，這是一種非常粗略的分辨率。為了彌補(bǔ)Richardson數(shù)法的不足，Zhang等(2014)利用四個(gè)外場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)Richardson 數(shù)法的臨界值進(jìn)行了修正，把四個(gè)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的ABL分為強(qiáng)穩(wěn)定ABL、弱穩(wěn)定ABL和不穩(wěn)定ABL三類，對(duì)每一類都利用線性擬合和統(tǒng)計(jì)誤差最小化方法得到各自最優(yōu)的Richardson 數(shù)臨界值。這樣，對(duì)不同穩(wěn)定性的ABL采用不同的臨界值就可以得到更準(zhǔn)確的ABL 高度估計(jì)值。Zhang 等(2014)的Richardson數(shù)臨界值選擇方案值得進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。

2 利用常規(guī)衛(wèi)星遙感資料確定ABL高度

利用衛(wèi)星遙感資料確定ABL 高度的優(yōu)勢(shì)在于可得到其時(shí)空變化的全球和區(qū)域統(tǒng)計(jì)特征，許多研究在這方面提出了不同的方法和技巧。Minnis 等(1992)、Wood 和Bretherton (2004)、Zuidema 等(2009)先后利用副熱帶海洋上空層云和層積云頂?shù)臏囟群秃１頊囟?sea surface temperature，SST)來估計(jì)ABL 高度，其原理如下：ABL內(nèi)的溫度廓線與干絕熱廓線很接近，并且在大多數(shù)海洋上海氣交界面處的海氣溫度差異是很小的，因此可以使用海表溫度SST結(jié)合干絕熱大氣的溫度直減率得到ABL高度。從氣候?qū)W研究的實(shí)用性角度考慮，這個(gè)方法只適用于完整云塊的區(qū)域，對(duì)于陸地或深度淺的積云區(qū)域效果并不好。因此，有人提出了直接利用云頂高度估計(jì)的改進(jìn)方法，Wu 等(2008)使用空基激光雷達(dá)估計(jì)云頂高度來確定ABL 高度，而Karlsson等(2010)利用多角度成像光譜輻射計(jì)估計(jì)云頂高度來確定ABL高度。但是，以上這些方法都面臨著同樣的問題，即塊狀云的頂并不總是與ABL頂一致。

另一些研究人員則直接利用衛(wèi)星遙感反演的溫濕廓線數(shù)據(jù)確定ABL 高度。Fetzer 等(2004)利用大氣紅外探測(cè)儀AIRS反演的溫度和濕度廓線資料來確定位于ABL頂?shù)哪鏈匚恢?，因而得到ABL高度。該方法的不足之處是，它僅能給出ABL高度的粗略估計(jì)，因?yàn)槔€的垂直分辨率是很低的(對(duì)溫度來說是約1 km，對(duì)濕度來說是約2 km)，不足以解析ABL頂?shù)募?xì)微結(jié)構(gòu)。

因此，利用常規(guī)衛(wèi)星遙感資料確定ABL高度還存在明顯的不足，這方面的研究工作相對(duì)較少。

3 利用激光雷達(dá)探測(cè)資料確定ABL高度

激光雷達(dá)的主要探測(cè)數(shù)據(jù)為后向散射回波信號(hào)強(qiáng)度，它受氣溶膠和水汽的影響大。許多影響光散射的氣溶膠粒子來自于地球表面(如海鹽、灰塵和土壤顆粒)，因?yàn)锳BL 頂通常具有逆溫特性(屬于穩(wěn)定層結(jié))，這限制了這些氣溶膠粒子向上的擴(kuò)散，因此氣溶膠粒子主要分布于ABL內(nèi)，在ABL和其上的清潔大氣之間氣溶膠粒子濃度有一個(gè)顯著的下降，反映在激光雷達(dá)回波信號(hào)中，就是后向散射回波信號(hào)強(qiáng)度在ABL頂也有 一 個(gè) 顯 著 的 下 降(Boers et al.，1984；Hooper and Eloranta，1986)，這 一 特 征 可 用 來 確 定ABL 高 度。Hooper 和Eloranta(1986)利用地基激光雷達(dá)探測(cè)ABL風(fēng)速時(shí)也探測(cè)了ABL 深度(即ABL 高度)，提出了確定ABL深度的后向散射方差法(backscatter variance，也稱為標(biāo)準(zhǔn)差法)。Steyn等(1999)、Hageli等(2000)、Eresmaa等(2012)提出了曲線擬合方法，用理想的激光雷達(dá)后向散射強(qiáng)度廓線擬合實(shí)際的后向散射觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定混合層深度和(或)夾卷層厚度。Davis 等(2000)、Brooks(2003)提出利用小波協(xié)方差變換方法確定ABL高度。Sawyer 和Li (2013)、Hicks 等(2015)還將曲線擬合方法和小波協(xié)方差變換方法結(jié)合起來確定ABL 高度。這些方法本質(zhì)上都是最大梯度方法。由于激光雷達(dá)具有高時(shí)空分辨率和較高精度的優(yōu)勢(shì)，利用激光雷達(dá)探測(cè)ABL高度近年來受到了廣泛的重視(Wang et al.，2012；王琳等，2012；Compton et al.，2013；李紅等，2015；Lewis et al.，2013；楊富燕等，2016)，它既可以用來探測(cè)陸地ABL 高度(McGrath-Spangler and Denning，2012)，也可以用來探測(cè)海洋ABL 高度(Palm，2005)，還可以探測(cè)全球ABL高度，如星載激光雷達(dá)(Zhang et al.，2016)，穩(wěn)定與不穩(wěn)定ABL 都可以探測(cè)，是一個(gè)前沿的研究方向。

4 利用GNSS掩星探測(cè)資料確定ABL高度

作為一種新型的大氣遙感探測(cè)手段，GNSS 掩星探測(cè)技術(shù)具有高精度、高垂直分辨率、全球準(zhǔn)均勻覆蓋、全天候觀測(cè)、長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)(Kursinski et al.，1996；Kuo et al.，2004)，在國(guó)際上受到廣泛的重視。一些國(guó)家啟動(dòng)了眾多的掩星探測(cè)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目獲得了大量的中性大氣和電離層電子密度廓線數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、氣候及空間天氣研究和預(yù)報(bào)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。如我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)與美國(guó)聯(lián)合實(shí)施的掩星探測(cè)項(xiàng)目“氣象、電離層和氣候星座觀測(cè)系統(tǒng)(Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate，COSMIC，2006-2011)”成為最成功的掩星探測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。在COSMIC 項(xiàng)目之后，美國(guó)和臺(tái)灣地區(qū)又推出了名為FORMOSAT-7/COSMIC-2的后續(xù)掩星探測(cè)項(xiàng)目，COSMIC-2項(xiàng)目每天能跟蹤超過4 000多條高質(zhì)量廓線。

由于GNSS 掩星探測(cè)技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于氣候?qū)W研究，因此不少學(xué)者利用掩星探測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品來確定ABL 高度。von Engeln 等(2005)利用全譜反演中的截?cái)喔叨葋泶_定ABL 高度；Sokolovskiy 等(2006)利用線性回歸方法估計(jì)折射率廓線的垂直導(dǎo)數(shù)，通過確定折射率垂直梯度的最大下降點(diǎn)(斷點(diǎn)，即不連續(xù)點(diǎn))來確定ABL 高度；Sokolovskiy 等(2007)又提出利用彎角廓線確定ABL高度，其思想是確定固定長(zhǎng)度范圍(一般取300 m)內(nèi)的彎角最大下降值。Guo 等(2011)采用斷點(diǎn)方法，利用一年的COSMIC掩星探測(cè)折射率數(shù)據(jù)得到了熱帶和亞熱帶海洋地區(qū)ABL 高度的時(shí)空分布，并且空間分布特征與歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF(European Center for Medium-Range Weather Forecasts)全球分析資料的結(jié)果一致，但是平均來說前者的量值要大于后者的量值。Ao等(2012)把折射率和水汽壓垂直梯度的最小值點(diǎn)看作為ABL頂，其高度定義為ABL高度，并且引入了相對(duì)最小梯度(或顯著參數(shù))來表征所得ABL 高度的質(zhì)量指標(biāo)，結(jié)果表明由COSMIC 掩星數(shù)據(jù)確定的ABL 高度的平均值與ECMWF 再分析資料(European Center for Medium-Range Weather Forecasts reanalysis interim，ERA-Int)的結(jié)果具有相似的空間分布和季節(jié)變化特征，但是前者比后者要高500 m，且COSMIC 掩星數(shù)據(jù)的ABL 高度的標(biāo)準(zhǔn)差也高于ERA-Int的相應(yīng)結(jié)果。其他一些學(xué)者也進(jìn)行 了 類 似 的 工 作(Chan and Wood，2013；Ho et al.，2015；廖麒翔等，2015；劉艷等，2015)。Basha 等(2018)利用小波協(xié)方差變換方法基于全球多個(gè)掩星探測(cè)計(jì)劃數(shù)據(jù)得到了全球ABL高度的氣候態(tài)分布，這些分布顯示了ABL 高度具有明顯的季節(jié)變化，其中夏季最高，春秋次之，冬季最低。周文等(2018)利用COSMIC掩星資料，通過計(jì)算大氣折射率最小梯度來確定青藏高原地區(qū)ABL高度，并用無線電探空資料對(duì)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。而Yan 等(2019)、周建印等(2020)、Xiang 等(2021)則利用數(shù)值微分方法結(jié)合反問題中的正則化策略來計(jì)算彎角、折射率廓線的垂直梯度進(jìn)而確定ABL高度，該方法在理論上更嚴(yán)謹(jǐn)，適用范圍更廣。

利用GNSS掩星探測(cè)資料確定ABL高度的不足之處有：掩星探測(cè)未必能達(dá)到地表附近，因此對(duì)于淺薄的ABL(尤其是穩(wěn)定ABL)，掩星探測(cè)技術(shù)不太容易探測(cè)到它們的高度。

5 確定ABL高度的不同方法和結(jié)果的比較

上文介紹了用于確定ABL 高度的各種數(shù)據(jù)及主要方法。一些學(xué)者對(duì)不同方法及不同數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行了比較研究。如Seidel等(2010)利用全球10 a的505個(gè)探空站的觀測(cè)資料(包括正常分辨率和高分辨率的廓線數(shù)據(jù))，對(duì)七種方法(氣塊法、位溫的最大垂直梯度法、比濕的最小垂直梯度法、相對(duì)濕度的最小垂直梯度法、折射率的最小垂直梯度法、懸空的逆溫層法、以地面為底的逆溫層法即穩(wěn)定ABL法)確定ABL高度進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了ABL高度氣候態(tài)數(shù)據(jù)中的參數(shù)不確定性(指溫度、位溫、虛位溫、相對(duì)濕度、比濕、折射率數(shù)據(jù)所得結(jié)果的差異)和結(jié)構(gòu)不確定性(指所用的方法和數(shù)據(jù)分辨率的不同而產(chǎn)生的差異性)，得到了一些有意義的結(jié)果。例如，不同方法所得結(jié)果的差異達(dá)到了數(shù)百米，ABL 高度對(duì)探空數(shù)據(jù)的分辨率更敏感，標(biāo)準(zhǔn)分辨率數(shù)據(jù)的結(jié)果比高分辨率數(shù)據(jù)的結(jié)果偏大等等。Gu等(2021)用11 a的COSMIC全球無線電掩星數(shù)據(jù)(小波協(xié)方差變換法)、無線電探空數(shù)據(jù)(Integrated Global Radiosonde Archive，IGRA) (整體Richardson 數(shù)法)以及歐洲中心再分析資料ERA-Int(氣塊法)對(duì)全球ABL高度進(jìn)行了估算比較，結(jié)果表明ERA-Int和IGRA數(shù)據(jù)估算得到的全球ABL高度的空間分布較為一致，相關(guān)性較好；由COSMIC 掩星數(shù)據(jù)估算得到的ABL 高度比探空數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)估算的結(jié)果系統(tǒng)性地偏大。

總之，用于確定ABL 高度的各種數(shù)據(jù)、各種方法都有各自的適應(yīng)性和優(yōu)缺點(diǎn)，利用不同方法、不同數(shù)據(jù)所得到的ABL高度具有差異性(不確定性)。如果同時(shí)利用多種觀測(cè)手段獲得了多種觀測(cè)資料，如濕度、溫度、臭氧濃度、湍流強(qiáng)度、示蹤物(如氣溶膠粒子)、折射率等，那么可以利用這些資料得到多個(gè)ABL高度的估計(jì)值，而且一般來說，這些估計(jì)值都是不相同的。如何處理ABL高度同時(shí)具有多個(gè)估計(jì)值的情形，是一個(gè)在實(shí)際應(yīng)用中必須要考慮的問題?？梢园凑找韵氯齻€(gè)原則來處理ABL 高度具有多個(gè)估計(jì)值的“窘境”：(1)準(zhǔn)確性原則。觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性是其被采用的主要原則。如湍流法被認(rèn)為是確定ABL 高度的最準(zhǔn)確的方法，如果有湍流強(qiáng)度的觀測(cè)資料，則應(yīng)該首先利用湍流強(qiáng)度觀測(cè)資料確定ABL 高度；又如，衛(wèi)星遙感反演的溫度相對(duì)濕度來說準(zhǔn)確性更高，因此在沒有湍流強(qiáng)度觀測(cè)資料的情況下可以利用衛(wèi)星遙感反演的溫度廓線信息估計(jì)ABL 高度。如果有無線電探空的溫度濕度廓線，由于探空的溫濕廓線比衛(wèi)星遙感反演的溫濕廓線精度高，則可以利用探空的溫濕廓線確定ABL高度。(2)目的性原則。根據(jù)研究任務(wù)目的的不同而選擇合適的觀測(cè)資料來確定ABL 高度。如在空氣質(zhì)量的模擬與預(yù)報(bào)中，可以采用氣塊法確定ABL 高度；而在ABL 高度的氣候?qū)W研究中，可以利用GNSS 掩星探測(cè)折射率廓線數(shù)據(jù)來確定ABL 高度，因?yàn)檎凵渎释瑫r(shí)含有溫度和水汽的信息，而且GNSS 掩星探測(cè)廓線數(shù)據(jù)具有高精度、高垂直分辨率、全球準(zhǔn)均勻覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于氣候?qū)W研究。(3)科學(xué)性原則。從科學(xué)上探討ABL 高度出現(xiàn)多個(gè)估計(jì)值的原因。

6 ABL高度信息在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中的應(yīng)用

如前所述，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式都包括ABL 過程。ABL 過程的湍流特性決定了ABL 運(yùn)動(dòng)方程組的閉合主要采用參數(shù)化(即次網(wǎng)格尺度的湍流通量利用預(yù)報(bào)的平均變量通過垂直擴(kuò)散方程來表示)來實(shí)現(xiàn)。參數(shù)化可以分為不同的形式，如1 階閉合(利用K-理論)、1.5階閉合(閉合后的方程中不僅包括1階閉合情形的標(biāo)準(zhǔn)變量，還包括湍流的位溫方差和湍動(dòng)能)、2 階閉合(閉合后的方程中只含有湍流的2階矩量)等，也可以分為局地閉合和非局地閉合(根據(jù)參數(shù)化關(guān)系式是否僅使用局地的信息確定)。目前廣泛應(yīng)用的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF 包含有多種ABL 參數(shù)化方案(Shin and Hong，2011)。常用的有：局地閉合方案，包括MYJ(Mellor-Yamada-Janjic)，QNSE (quasi-normal scale elimination)，Boulac (Bougeault-LaCarrere)，等 等(為1.5 階 閉合)；非局地閉合方案，包括YSU (Yonsei University)，ACM2 (new version of the asymmetric convective model(ACM))，等等(為1階閉合)。ABL高度信息在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式中的作用主要體現(xiàn)在：在ABL過程的參數(shù)化方案中，它是大多數(shù)參數(shù)化方案所必須的參量。

例如，在YSU 參數(shù)化方案中(Hong et al.，2006)，湍流運(yùn)動(dòng)的1階非局地閉合產(chǎn)生如下的擴(kuò)散方程

其中，C是預(yù)報(bào)變量，C=u，v，θ，q，qθ，qi，Kc是渦旋擴(kuò)散系數(shù)，γc是對(duì)局地梯度的修正項(xiàng)(它代表大尺度渦旋對(duì)擴(kuò)散的貢獻(xiàn))，是ABL頂逆溫層的通量，h是ABL 高度，z是垂直坐標(biāo)(從地面開始的高度)。動(dòng)量渦旋擴(kuò)散系數(shù)Km(C=u，v時(shí)的Kc)取如下形式(Hong et al.，2006)

其中，p是廓線形狀指數(shù)(通常取p=2)，k是馮卡門常數(shù)(k=0.4)，ws是混合層速度尺度，h、z的意義同上。

非局地?cái)U(kuò)散方程(1)的求解需要事先給定Kc的值，因此需要確定ABL高度h的數(shù)值。在YSU參數(shù)化方案中，h的值根據(jù)最低模式層和其上面的層之間的整體理Richardson 確定為第一個(gè)中性層的高度，具體來說是求解下列方程確定的

其中，Ribcr是臨界整體Richardson 數(shù)(取Ribcr=0.5)，U(h)是高度h處的水平風(fēng)速，θva和θv(h)分別是最低模式層和高度h處的虛位溫，θs是地表附近的合適的溫度值。

在ACM2 參數(shù)化方案中，同樣需要確定ABL 高度的數(shù)值，其方法與YSU的類似。在MYJ、QNSE、Boulac參數(shù)化方案中，ABL高度h的值確定為湍動(dòng)能TKE達(dá)到一個(gè)充分小的值(在WRF模式中，這個(gè)值取為0.005 m2·s-2)的高度。

對(duì)于不同的ABL過程參數(shù)化方案，其ABL內(nèi)的混合方式、夾卷方式以及ABL高度的確定方式等都不一定相同，因此一些學(xué)者對(duì)ABL參數(shù)化方案的性能進(jìn)行了評(píng)估研究。Hong 和Pan(1996)研究表明，中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式在預(yù)報(bào)降水時(shí)，預(yù)報(bào)能力與非局地的垂直混合方案和臨界Richardson數(shù)密切相關(guān)；Wisse和Vila-Guerau(2004)指出，在降水模擬過程中不同ABL參數(shù)化方案產(chǎn)生的模擬結(jié)果各有特點(diǎn)，并且對(duì)流性降水模擬結(jié)果對(duì)ABL 參數(shù)化方案十分敏感。Shin 和Hong (2011)通過利用WRF 模式對(duì)CASES-99 (the Cooperative Atmosphere-Surface Exchange Study)外場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中的某一天的天氣狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，檢驗(yàn)了上述五個(gè)ABL 參數(shù)化方案的性能。他們除了比較不同的ABL參數(shù)化方案對(duì)ABL結(jié)構(gòu)的影響之外，還比較了參數(shù)化方案對(duì)ABL 高度的影響，結(jié)果表明，無論白天還是晚上，不同參數(shù)化方案所得到的ABL高度的差別都很大，QNSE參數(shù)化方案給出的ABL最深，而Bou-Lac給出的ABL最淺。Weisman等(2008)、Xie等(2012)的工作表明，局地閉合的ABL參數(shù)化方案診斷的ABL高度比非局地閉合的方案診斷的ABL高度要低。

LeMone等(2013，2014)專門利用ABL高度信息來評(píng)估ABL 參數(shù)化方案的性能，其利用CASES-97 (the April-May 1997 Kansas-based Cooperative Atmosphere-Surface Exchange Study) 外場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)期間獲得的白天和夜晚的觀測(cè)數(shù)據(jù)首先確定ABL高度(作為觀測(cè)的ABL 高度)，然后利用這些ABL 高度值檢驗(yàn)WRF 模式中的四種ABL 參數(shù)化方案(YSU、MYJ、Bou-Lac、QNSE)對(duì)觀測(cè)的ABL高度的模擬能力。對(duì)于白天的對(duì)流ABL，LeMone等(2013，2014)直接把模式模擬的ABL 高度(即參數(shù)化方案給出的ABL 高度)與觀測(cè)的ABL 高度進(jìn)行比較，結(jié)果表明BouLac、MYJ、QNSE 參數(shù)化方案所得到的ABL 高度通常低于觀測(cè)值，而YSU參數(shù)化方案得到的ABL 高度略高于觀測(cè)值；對(duì)于夜晚的穩(wěn)定ABL，未直接比較模式模擬的ABL 高度和觀測(cè)的ABL 高度的偏差，而是比較它們?cè)谡麄€(gè)夜間的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明YSU和MYJ對(duì)于穩(wěn)定ABL的高度模擬具有較高的準(zhǔn)確度，而BouLac和QNSE的模擬能力則較差，需要進(jìn)行改進(jìn)。

可見，ABL高度信息不僅在ABL參數(shù)化中是必不可少的參量，同時(shí)也可用來檢驗(yàn)ABL參數(shù)化方案的性能。由于不同的參數(shù)化方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此如何進(jìn)一步改進(jìn)完善現(xiàn)有ABL參數(shù)化方案仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

7 結(jié)論與討論

本文從不同角度介紹ABL高度的確定及其應(yīng)用，提出在同時(shí)具有多種觀測(cè)資料時(shí)如何處理ABL 高度的三個(gè)基本原則，并WRF 模式為例重點(diǎn)介紹ABL 高度數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣(或氣候)預(yù)報(bào)模式中的應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

(1)ABL是自由大氣與地球表面(陸地和海洋)的連接通道，承擔(dān)著兩者之間動(dòng)量、熱量、水汽和氣溶膠(污染物)等化學(xué)成分的交換任務(wù)，在地球氣候系統(tǒng)中具有關(guān)鍵的作用。ABL高度是ABL的一個(gè)重要參數(shù)，數(shù)值天氣(或氣候)模式中的ABL過程的參數(shù)化均需要用到它，低層云的范圍、種類及其演化與ABL 高度也有關(guān)系，準(zhǔn)確獲取ABL高度數(shù)據(jù)具有重要的意義。

(2)對(duì)估計(jì)ABL 高度的主要方法及進(jìn)展情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。確定ABL高度的方法包括氣塊法、最大梯度法、湍流法、Richardson 數(shù)法等，這些方法本質(zhì)上都是最大梯度方法，涉及到的數(shù)據(jù)主要有常規(guī)探空溫濕廓線數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感反演溫濕廓線數(shù)據(jù)、氣溶膠濃度廓線數(shù)據(jù)、GNSS 掩星探測(cè)廓線數(shù)據(jù)等。關(guān)于ABL高度的研究，研究工作主要集中在兩方面：一是從觀測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)估計(jì)ABL高度并進(jìn)行精度驗(yàn)證；另一方面是結(jié)合ABL參數(shù)化方案應(yīng)用于數(shù)值天氣(或氣候)模式中，檢驗(yàn)ABL 參數(shù)化方案對(duì)暴雨、臺(tái)風(fēng)等高影響天氣過程模擬的影響以及數(shù)值模式對(duì)ABL 高度的診斷能力，以評(píng)估完善數(shù)值天氣(或氣候)模式和ABL 參數(shù)化方案。

影響ABL高度時(shí)空分布的主要因素有兩個(gè)：湍流運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)(Medeiros et al.，2005；韓美等，2012)；湍流運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力作用、熱力作用及云頂輻射冷卻有關(guān)，而垂直運(yùn)動(dòng)則與天氣系統(tǒng)或大尺度背景環(huán)流有關(guān)。影響ABL 高度量值大小及時(shí)空分布的具體因素包括：大氣穩(wěn)定度、下墊面狀況、太陽輻射、氣溶膠粒子濃度、積云和層積云、大尺度天氣系統(tǒng)等等(廖國(guó)蓮，2005)。由于ABL 高度涉及的因素多、問題復(fù)雜，關(guān)于ABL 高度確定及相關(guān)的問題仍然是一個(gè)前沿性的問題。近年來隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)為人們研究ABL問題提供了新的手段和途徑(Rieutord et al.，2021；Krishnamurthy et al.，2021)，有望解決ABL相關(guān)科學(xué)問題。

致謝：陳飛教授對(duì)ABL 高度數(shù)據(jù)在WRF 模式中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)，謹(jǐn)致謝忱！