基于激光雷達(dá)的天津海-岸-陸地區(qū)大氣邊界層高度研究

劉敬樂(lè),史 靜,李培彥,姜 明,蔡子穎,韓素芹,崔 曄,姚 青

基于激光雷達(dá)的天津海-岸-陸地區(qū)大氣邊界層高度研究

劉敬樂(lè)1*,史 靜1,李培彥2,3,姜 明1,蔡子穎4,韓素芹4,崔 曄1,姚 青4

(1.天津氣象雷達(dá)研究試驗(yàn)中心,天津 300061；2.天津市氣象科學(xué)研究所,天津 300074；3.天津市海洋氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300074；4.天津市環(huán)境氣象中心,天津 300074)

利用2018年8月～2019年7月的氣溶膠激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)天津城市、渤海沿岸和渤海地區(qū)的大氣邊界層高度進(jìn)行了反演,并利用無(wú)人機(jī)探空觀測(cè)對(duì)激光雷達(dá)反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)結(jié)合天津大氣邊界層觀測(cè)站、塘沽站和渤海A平臺(tái)站的不同氣象特征分析了大氣邊界層高度的分布特征及其差異產(chǎn)生的原因.結(jié)果表明:激光雷達(dá)和無(wú)人機(jī)觀測(cè)獲得的大氣邊界層高度具有較高一致性,在穩(wěn)定、中性和不穩(wěn)定層結(jié)條件下兩者的相關(guān)系數(shù)分別為0.508,0.565和0.687.天津城區(qū)和塘沽地區(qū)各季節(jié)的大氣邊界層高度日變化規(guī)律較為一致,與各季節(jié)湍流動(dòng)能和感熱通量日變化規(guī)律接近,均呈單峰型分布,A平臺(tái)大氣邊界層高度具有明顯的海洋大氣特征,表現(xiàn)為冬季高于城區(qū)和塘沽,夏季則與之相反.夏季由于海陸環(huán)流造成的熱力內(nèi)邊界層的形成,是市區(qū)與塘沽大氣邊界層高度差異產(chǎn)生的原因之一,2019年夏季塘沽出現(xiàn)熱力內(nèi)邊界層的情況下,其午后邊界層高度下降約30～160m,與城區(qū)的大氣邊界層高度差升高約150～300m.

大氣邊界層高度；氣溶膠激光雷達(dá)；海-岸-陸；無(wú)人機(jī)；天津

大氣邊界層高度(Planetary boundary layer height,以下簡(jiǎn)稱,PBLH)是污染物擴(kuò)散模式、氣候模式、大氣模式的一個(gè)重要輸入?yún)?shù),對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)中的物理過(guò)程,天氣預(yù)報(bào)的診斷分析,城市污染物的監(jiān)控也有相當(dāng)重要的作用[1-2].PBLH需要利用溫、濕度、風(fēng)速等氣象要素的垂直剖面進(jìn)行診斷.傳統(tǒng)觀測(cè)手段是利用無(wú)線電探空氣球、系留氣球、氣象鐵塔以及飛機(jī)直接獲取氣象要素垂直剖面,但由于探空資料存在時(shí)空分辨率的不足,加之邊界層變化復(fù)雜性的影響,該方法在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的制約.隨著激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)、云高儀、聲雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、RASS等地基遙感技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)了大氣邊界層連續(xù)觀測(cè)和高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)獲取可以在PBLH反演中發(fā)揮重要作用[3-5].

激光雷達(dá)在PBLH反演中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,其反演原理主要是利用自由大氣與大氣邊界層中氣溶膠或氣體分子的濃度差異導(dǎo)致的后向散射信號(hào)差異來(lái)提取PBLH,基于該方法研究已獲得了許多成果.Sicard等[6]通過(guò)對(duì)比一階梯度法、拐點(diǎn)法和對(duì)數(shù)梯度法,發(fā)現(xiàn)拐點(diǎn)法反演的PBLH結(jié)果與探空資料反演結(jié)果最為接近.Davis等[7]使用了小波協(xié)方差提取PBLH,發(fā)現(xiàn)小波協(xié)方差方法主要依賴于Haar函數(shù)尺度間隔的選取.Steyn等[8]提出了曲線擬合法,該方法使用了整層的后向散射信號(hào),具有更好的穩(wěn)定性.Toledo等[9]在不同大氣條件下反演PBLH,對(duì)一階梯度、拐點(diǎn)法、對(duì)數(shù)梯度法、小波變換法、方差分析法和聚類分析法的可靠性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在絕大多數(shù)情況下多種反演的PBLH都比較接近且與探空方法反演結(jié)果差距較小,但在有殘留層氣溶膠存在情況下,各反演結(jié)果差距較大.總體而言,上述方法反演的邊界層(混合層)高度與實(shí)際探空資料的計(jì)算結(jié)果基本一致,但考慮到邊界層結(jié)構(gòu)演變的復(fù)雜性,不同方法仍存在各自的適用范圍.

以往針對(duì)天津地區(qū)PBLH的研究多以城市為研究對(duì)象,例如Quan等[10]在天津使用三種遙感儀器(風(fēng)廓線雷達(dá),微波輻射計(jì)及激光雷達(dá))對(duì)天津地區(qū)大氣邊界層演變過(guò)程及其對(duì)地面大氣污染物濃度影響進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度和PBLH之間可能存在正反饋.李夢(mèng)等[11]和蔡子穎等[12]分別利用激光云高儀和數(shù)值模式對(duì)天津PBLH特征及其對(duì)細(xì)顆粒物污染的影響進(jìn)行了分析.天津位于渤海西岸,處在典型的“C”型海岸帶,海陸熱力差異使得海陸邊界層發(fā)展及其結(jié)果存在顯著不同[13],本文通過(guò)利用天津城市、沿海和海上平臺(tái)的3臺(tái)氣溶膠激光雷達(dá)進(jìn)行PBLH反演,以掌握天津海-岸-陸地區(qū)PBLH特征及其變化規(guī)律,對(duì)于研究邊界層結(jié)構(gòu)對(duì)重污染天氣的影響具有一定意義.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 觀測(cè)站點(diǎn)

圖1 主要觀測(cè)站點(diǎn)位置和使用設(shè)備

觀測(cè)站點(diǎn)分別位于中國(guó)氣象局天津大氣邊界層觀測(cè)站,天津國(guó)家氣象科技園以及天津市渤海埕北A平臺(tái).其中天津大氣邊界層觀測(cè)站(39°04′N(xiāo), 117°12′E,站號(hào)54517),位于天津市城區(qū)南部,距離渤海西岸約47.5km,在研究中作為天津內(nèi)陸地區(qū)代表站點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱,市區(qū));天津國(guó)家氣象科技園(39o09′N(xiāo), 117o49′E),位于天津市濱海新區(qū)(塘沽),距離渤海西岸約0.5km,在研究中作為渤海沿岸代表站點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱,塘沽);天津市渤海埕北A平臺(tái)即渤海埕北A平臺(tái)國(guó)家基本氣象站(38°27′N(xiāo),118°25′E,站號(hào)54646),該站距渤海北岸約70km,距渤海南岸約40km,在研究中作為海上站點(diǎn)的代表(以下簡(jiǎn)稱,A平臺(tái)).站點(diǎn)位置如圖1所示.

1.2 儀器與數(shù)據(jù)

觀測(cè)中市區(qū)、塘沽和A平臺(tái)使用的激光雷達(dá)為北京怡孚和融科技有限公司生產(chǎn)的EV型激光雷達(dá)(偏振Mie散射微脈沖激光雷達(dá)),設(shè)備主要觀測(cè)范圍可達(dá)20km,探測(cè)盲區(qū)為60m,空間分辨率為15m,數(shù)據(jù)采集頻率為6min.研究中激光雷達(dá)觀測(cè)時(shí)間為2018年8月至2019年7月.

研究中利用無(wú)人機(jī)探空觀測(cè)作為對(duì)激光雷達(dá)反演PBLH結(jié)果的驗(yàn)證手段,無(wú)人機(jī)探空觀測(cè)于2018年冬季(2018年12月和2019年1月)和2019年夏季(2019年7月)開(kāi)展,無(wú)人機(jī)探空一天6次,分別為05:00、08:00、11:00、14:00、17:00和20:00(BTC),試驗(yàn)地點(diǎn)位于氣象科技園內(nèi)(117.80oE,39.17oN).無(wú)人機(jī)探空使用CAWS-UAV2000無(wú)人機(jī)自動(dòng)氣象探測(cè)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面至1.5km高度大氣溫濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素的高垂直分辨率連續(xù)觀測(cè),同時(shí)通過(guò)無(wú)人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)吊艙搭載TEMO PDR-1500顆粒物監(jiān)測(cè)儀,可實(shí)現(xiàn)PM2.5和PM10等氣溶膠質(zhì)量濃度的連續(xù)觀測(cè)[14].無(wú)人機(jī)探空觀測(cè)詳細(xì)要素如表1所示.

表1 CAWS-UAV2000無(wú)人機(jī)探空觀測(cè)要素

研究中利用氣象塔觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用溫差—風(fēng)速法[16]對(duì)大氣穩(wěn)定度進(jìn)行計(jì)算,此方法能較好的反映大氣熱力湍流和機(jī)械湍流的影響.對(duì)大氣穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)如表2所示, A表示強(qiáng)不穩(wěn)定,B表示不穩(wěn)定,C表示弱不穩(wěn)定,D 表示中性,E表示較穩(wěn)定,F表示穩(wěn)定.以往研究結(jié)果證明[17],對(duì)于天津地區(qū),此種大氣穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)較為合理.本文中不穩(wěn)定層結(jié)包括A、B和C類情況,中性層結(jié)為D類情況,穩(wěn)定層結(jié)包括E和F類情況.

表2 DT和u組合法確定穩(wěn)定度的分類標(biāo)準(zhǔn)

注:表中代表40m高度風(fēng)速,△代表100m和30m高度溫差.

1.3 大氣邊界層高度反演方法

利用無(wú)人機(jī)搭載的溫、濕度及氣壓傳感器可以將位溫梯度的明顯不連續(xù)高度視為PBLH,這里確定PBLH的方法使用的是位溫梯度法[18],通過(guò)計(jì)算每個(gè)高度層的虛位溫,得到每個(gè)時(shí)刻的虛位溫廓線再判別大氣層結(jié)狀態(tài),再根據(jù)虛位溫梯度最小值出現(xiàn)高度計(jì)算出邊界層高度(PBLH).計(jì)算公式如下,式中為空氣比氣體常數(shù),取值為287J/(k·kg),為溫度,p為比定壓熱容,取1004.07J/(k·kg),為混合比可用相對(duì)濕度數(shù)據(jù)計(jì)算.

激光雷達(dá)反演PBLH采用小波協(xié)方差法[19-20].一般情況下,在邊界層內(nèi)氣溶膠的濃度顯著高于上層自由大氣,因此有更強(qiáng)的激光回波.然而,實(shí)際大氣往往不是理想狀態(tài),邊界層和自由大氣的過(guò)渡常常不是很明顯,利用小波協(xié)方差的方法可以將微弱的信號(hào)變化放大,這種方法可以更準(zhǔn)確的反演PBLH.本研究使用Haar函數(shù)進(jìn)行小波變換[21],函數(shù)定義如下:

式中:()為激光雷達(dá)后向散射系數(shù);Zb和Zt分別為后向散射系數(shù)信號(hào)上下限,本研究取值分別為200m和3000m.其工作原理是通過(guò)和的不同取值,重復(fù)計(jì)算W得到其最大值的位置,為邊界層高度.在計(jì)算中通過(guò)設(shè)定不同的積分步長(zhǎng)(值和值)獲得最優(yōu)反演結(jié)果.根據(jù)以往研究結(jié)果[22-23],本文取=90.

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)人機(jī)探空與激光雷達(dá)反演的大氣邊界層高度對(duì)比分析

通過(guò)比較無(wú)人機(jī)觀測(cè)期間,無(wú)人機(jī)觀測(cè)和塘沽激光雷達(dá)獲得的PBLH結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),兩者的平均值分別為695.2±307.9m和860.7±418.0m,無(wú)人機(jī)觀測(cè)結(jié)果較低.進(jìn)一步分析不同大氣層結(jié)條件下兩者變化的一致性可以發(fā)現(xiàn)(圖2),在穩(wěn)定、中性和不穩(wěn)定層結(jié)條件下兩者相關(guān)系數(shù)分別為0.51**,0.57**和0.69**(文中**表示相關(guān)性通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)),通常利用激光雷達(dá)獲得的PBLH高于無(wú)人機(jī)觀測(cè)結(jié)果,兩者的相對(duì)誤差分別為8.0%,15.1%和19.7%.在不穩(wěn)定層結(jié)條件下兩者相關(guān)性較高的原因與日間邊界層發(fā)展主要是熱力湍流的貢獻(xiàn),而污染物和其他粒子是通過(guò)湍流垂直輸送到達(dá)邊界層頂,故多出現(xiàn)不穩(wěn)定層結(jié)的日間時(shí)段兩者的相關(guān)性最高,變化較為一致,但其相對(duì)誤差較大的原因與不穩(wěn)定層結(jié)條件下大氣邊界層較高,而無(wú)人機(jī)觀測(cè)高度上限為1.5km有關(guān).在穩(wěn)定層結(jié)和中性層結(jié)條件下兩者相關(guān)性相對(duì)較低的原因是穩(wěn)定層結(jié)和中性層結(jié)多出現(xiàn)于夜間及日出和傍晚,由于在沒(méi)有平流的情況下,白天擴(kuò)散到邊界層的被動(dòng)示蹤物夜間仍會(huì)殘留層中,殘留層氣溶膠濃度并未明顯下降,導(dǎo)致大氣邊界層消散過(guò)程不易于被激光雷達(dá)捕捉到,造成其識(shí)別PBLH與殘留層高度混淆.Seibet等的研究[1]也指出了比較不同手段確定的混合層高度時(shí),認(rèn)為激光雷達(dá)探測(cè)提取的PBLH較從溫度廓線出發(fā)定義的邊界層高度大.但從總體上看激光雷達(dá)和無(wú)人機(jī)觀測(cè)獲得的PBLH具有較高的一致性.

圖2 不同大氣層結(jié)穩(wěn)定條件下激光雷達(dá)和無(wú)人機(jī)觀測(cè)反演PBLH對(duì)比

2.2 天津海-岸-陸地區(qū)大氣邊界層高度變化特征

由于天津城區(qū)、塘沽及渤海A平臺(tái)的地理位置存在差異,為了比較3個(gè)站點(diǎn)的PBLH變化一致性,對(duì)3個(gè)站點(diǎn)PBLH日均值進(jìn)行了相關(guān)性分析[10],可以發(fā)現(xiàn)天津城區(qū)與塘沽、城區(qū)與A平臺(tái)及塘沽與A平臺(tái)的相關(guān)系數(shù)分別為0.52**、0.24**和0.27**.3個(gè)站點(diǎn)之間PBLH變化雖然存在相關(guān)性,但相關(guān)性均不高,這說(shuō)明3個(gè)站點(diǎn)的PBLH變化均有典型的局地特征,能較好的代表天津城市、沿海和近海地區(qū)的整體變化規(guī)律.

從表3中給出的天津市區(qū)、塘沽和A平臺(tái)的各季節(jié)PBLH(由于2018年9～10月A平臺(tái)站激光雷達(dá)故障缺測(cè)時(shí)次較多,因此在統(tǒng)計(jì)時(shí)對(duì)A平臺(tái)秋季結(jié)果不做分析),可以發(fā)現(xiàn),天津城區(qū)PBLH季節(jié)變化表現(xiàn)出夏季>春季>秋季>冬季的特征.這種季節(jié)變化特征與以往對(duì)京津冀城市地區(qū)PBLH的研究結(jié)果[24]基本一致,影響天津城區(qū)PBLH季節(jié)變化特征的主要因素是太陽(yáng)輻射季節(jié)變化造成的地-氣季節(jié)熱力差異.其中春季形成較高PBLH的原因與春季強(qiáng)盛的西北氣流造成的較強(qiáng)的利于邊界層發(fā)展的機(jī)械剪切湍流有關(guān)[25].

塘沽的PBLH季節(jié)變化具有明顯的沿海特征,表現(xiàn)為PBLH秋季>夏季>春季>冬季,其中塘沽秋冬季PBLH與城區(qū)差異較小,而春夏季塘沽PBLH明顯低于城區(qū),其原因與天津地區(qū)春夏季盛行東南環(huán)流,受海陸環(huán)流調(diào)節(jié)影響下沿海地區(qū)形成的熱力內(nèi)邊界層(Thermal internal boundary layer,以下簡(jiǎn)稱, TIBL)的有關(guān).以往對(duì)京津冀沿海地區(qū)PBLH的研究結(jié)果[26]表明,秦皇島等沿海地區(qū)春夏季易形成熱力內(nèi)邊界層,造成春夏季沿海地區(qū)PBLH明顯低于北京、石家莊、天津等城市地區(qū).

A平臺(tái)PBLH季節(jié)變化與城區(qū)差異明顯,具有明顯的海洋大氣特征,冬季A平臺(tái)PBLH高于城區(qū)和塘沽,夏季則與之相反,春季A平臺(tái)PBLH與城區(qū)接近.形成海洋和陸地PBLH季節(jié)差異的原因主要是下墊面熱容量的差異,春、夏季海溫等于或小于氣溫,海上大氣層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定,冬季則相反,海溫要高于氣溫,海上易形成不穩(wěn)定的下墊面.

表3 天津地區(qū)各季節(jié)PBLH(m)

圖3 天津地區(qū)各季節(jié)PBLH日變化

從天津城區(qū)、塘沽和A平臺(tái)各季節(jié)PBLH的日變化(圖3)中可以發(fā)現(xiàn),城區(qū)和塘沽各季節(jié)PBLH日變化均呈單峰型分布,變化規(guī)律較為一致,一般情況下日出前后(4-5時(shí))最低,日出后隨著大氣邊界層逐漸由穩(wěn)定層結(jié)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定層結(jié),大氣湍流運(yùn)動(dòng)隨地表吸收太陽(yáng)輻射不斷增強(qiáng),PBLH逐步升高,PBLH的峰值一般出現(xiàn)在熱力湍流最為強(qiáng)盛的14時(shí)前后,此后PBLH隨著大氣湍流強(qiáng)度的減弱也隨之降低,日落后地表開(kāi)始輻射降溫,對(duì)流邊界層逐漸消失,隨著夜間穩(wěn)定邊界層開(kāi)始形成,PBLH維持相對(duì)低值.對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),城區(qū)大氣邊界層高度通常高于塘沽,城區(qū)各季節(jié)PBLH日最高值分別為1237m、1221m、1127m和1040m,分別高于塘沽的921m、1134m、1095m和947m.城市地區(qū)PBLH高于沿海地區(qū)的特點(diǎn)與城市下墊面的熱容量、動(dòng)力粗糙度明顯高于沿海地區(qū),從而造成城市近地面湍流強(qiáng)度強(qiáng)于沿海和城郊地區(qū)有關(guān)[27].A平臺(tái)PBLH日變化與城區(qū)和塘沽存在明顯差異,主要表現(xiàn)在A平臺(tái)PBLH日變化幅度較低,對(duì)比發(fā)現(xiàn),春、夏、冬季A平臺(tái)的PBLH日較差分別為146m、333m、264m,明顯低于城區(qū)(594m、652m、478m)和塘沽(368m、598m、404m),同時(shí)A平臺(tái)PBLH日變化隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度日變化的單峰型特征不明顯.

2.3 天津海-陸地區(qū)大氣邊界層高度差異原因分析

從天津城區(qū)和A平臺(tái)各季節(jié)的TKE及熱通量日變化(圖4)中可以看出,感熱通量的日變化主要受地表輻射能量收支變化影響,白天隨著日出后下墊面溫度逐漸升高,大氣感熱通量向上輸送,湍流動(dòng)能增加,大氣邊界層逐步發(fā)展,12:00前后感熱通量達(dá)到一天中的最高值,此后隨著太陽(yáng)輻射降低,大氣和下墊面溫差減小,感熱通量逐漸降低,夜間大氣溫度一般高于地表溫度,因此城區(qū)夜間的感熱通量通常為負(fù)值.由于海洋熱容量高,夜間海表溫度高于海面大氣溫度,因此A平臺(tái)夜間感熱通量向上輸送量顯著高于城區(qū),冬季夜間的感熱通量為30～50W/m2左右,這是冬季夜間A平臺(tái)大氣邊界層高度高于城區(qū)的主要原因.同時(shí),由于海-氣溫差的日變化低于陸-氣溫差日變化,因此A平臺(tái)感熱通量日變化明顯低于城區(qū),這也是A平臺(tái)PBLH日變化幅度較低的主要原因.

圖4 各季節(jié)市區(qū)與渤海A平臺(tái)湍流動(dòng)能和感熱、潛熱通量日變化

天津城區(qū)各季節(jié)潛熱通量的日變化趨勢(shì)與感熱通量較為一致(圖4),其中春、秋、冬季潛熱通量日最高值分別為107W/m2,53W/m2和21W/m2,明顯低于春、秋、冬季感熱通量日最高值(春季為195W/m2,秋季為128W/m2,冬季為145W/m2),夏季,由于大氣濕度明顯高于其他季節(jié),潛熱通量一般高于感熱通量.由此可見(jiàn),城區(qū)PBLH日變化主要受到太陽(yáng)輻射造成地面感熱通量變化的影響,其中夏季潛熱通量對(duì)PBLH的影響高于其它季節(jié).冬季,由于海洋上的湍流強(qiáng)度和水汽含量均高于陸地,因此A平臺(tái)的潛熱通量明顯高于城區(qū),而其潛熱通量的日變化分布變化波動(dòng)較為雜亂,可能與冬季海洋風(fēng)速變化較大對(duì)水汽輸送造成的影響有關(guān).

2.4 天津海岸-內(nèi)陸地區(qū)大氣邊界層高度差異原因分析

圖5 夏季TIBL對(duì)城區(qū)和沿海地區(qū)邊界層高度日變化的影響

進(jìn)一步分析夏季市區(qū)與塘沽的PBLH差異可以發(fā)現(xiàn),塘沽大氣邊界層高度在00:00～12:00前后與城區(qū)變化基本一致,而在12:00后塘沽大氣邊界層高度開(kāi)始逐漸下降并與城區(qū)存在約200～300m的高度差(圖3),出現(xiàn)這種情況的原因與夏季沿海地區(qū)午后時(shí)間形成的TIBL有直接關(guān)系[26].夏季TIBL的形成主要是由于海風(fēng)環(huán)流將海上穩(wěn)定氣團(tuán)吹向陸地,降低地氣溫差從而使地氣熱通量降低,在陸地原有混合層內(nèi)形成一個(gè)高度較低的TIBL.而隨著海風(fēng)深入內(nèi)陸的距離增大,熱力內(nèi)邊界層逐漸減弱至消失,由于天津市區(qū)與海岸的距離約為50km,其受海風(fēng)環(huán)流影響而形成熱力內(nèi)邊界層情況較少,以往研究結(jié)果也顯示天津市區(qū)雖然受海風(fēng)環(huán)流影響但大氣邊界層高度不會(huì)受TIBL形成的影響[26].分析發(fā)現(xiàn),2019年夏季塘沽出現(xiàn)TIBL的日數(shù)為38d,如圖5所示,較之無(wú)TIBL日,TIBL形成的午后PBLH偏低約30～160m,與城區(qū)的PBLH差值升高約150～300m.對(duì)比渤海沿岸的秦皇島地區(qū)夏季PBLH分布情況發(fā)現(xiàn),夏季秦皇島無(wú)TIBL形成情況下,PBLH最高值出現(xiàn)在16:00,高度為959m,而在出現(xiàn)TLBL情況下,PBLH最高值僅為502m,出現(xiàn)在9:00[28].由于渤海沿岸地區(qū)夏季TIBL的形成和變化規(guī)律,受海陸溫差、海陸環(huán)流等多因素影響[29],因此完全掌握TIBL演變規(guī)律還需進(jìn)行更深入的綜合分析.

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)2018年8月至2019年7月塘沽的激光雷達(dá)和無(wú)人機(jī)觀測(cè)獲得的PBLH分別為695.2±307.9m和860.7±418.0m,對(duì)比兩者變化發(fā)現(xiàn)其具有較高一直性,在穩(wěn)定、中性和不穩(wěn)定層結(jié)條件下兩者的相關(guān)系數(shù)分別為0.508**,0.565**和0.687**.

3.2 天津海-岸-陸地區(qū)PBLH季節(jié)變化呈現(xiàn)不同特征,城區(qū)PBLH表現(xiàn)出夏季>春季>秋季>冬季的特征,塘沽PBLH表現(xiàn)為秋季>夏季>春季>冬季的特征,A平臺(tái)PBLH具有明顯的海洋大氣特征,表現(xiàn)為冬季高于城區(qū)和塘沽,夏季則與之相反.

3.3 天津城市-沿海地區(qū)的PBLH日變化規(guī)律較為一致,均呈現(xiàn)出于單峰型分布,與各季節(jié)湍流動(dòng)能和感熱通量日變化規(guī)律接近.城區(qū)各季節(jié)PBLH日最高值高于塘沽,這與城市地區(qū)下墊面熱容量和動(dòng)力粗糙度高于沿海地區(qū),造成城市近地面湍流強(qiáng)度較高有關(guān).A平臺(tái)PBLH日變化幅度較低,且無(wú)明顯單峰型日變化特征.

3.4 通過(guò)對(duì)比各季節(jié)天津城區(qū)和A平臺(tái)的TKE及熱通量日變化可以發(fā)現(xiàn),形成海陸PBLH日變化差異的與海-陸下墊面類型造成的感熱和潛熱輸送日變化差異有直接關(guān)系.A平臺(tái)的感熱和潛熱通量呈春夏季低、秋冬季高的季節(jié)分布特征,與PBLH季節(jié)變化特征相似,這種熱通量季節(jié)分布特征與內(nèi)陸地區(qū)季節(jié)分布情況相反,是海洋與陸地PBLH季節(jié)變化差異的主要原因.

3.5 分析發(fā)現(xiàn),夏季由于海陸環(huán)流造成的TIBL的形成,是市區(qū)與塘沽PBLH差異產(chǎn)生的原因之一, 2019年夏季塘沽出現(xiàn)TIBL的情況下,其午后PBLH下降約30～160m,與城區(qū)的PBLH差升高約150～ 300m.

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Study of atmospheric boundary layer height over Tianjin sea-shore-land area based on Lidar.

LIU Jing-le1*, SHI Jing1, LI Pei-yan2,3, JIANG Ming1, CAI Zi-ying4, HAN Su-qin4, CUI Ye1, YAO Qing4

(1.Tianjin Meteorological Radar Research & Trial Centre, Tianjin 300061；2.Tianjin Institute of Meteorology, Tianjin 300074；3.Tianjin Key Laboratory for Oceanic Meteorology, Tianjin 300074；4.Tianjin Environmental Meteorological Center, Tianjin 300074)., 2023,43(10)：5070～5077

The atmospheric boundary layer heights over urban area of Tianjin, the Bohai coast and the Bohai area were retrieved using the aerosol Lidar observation data from August 2018 to July 2019. And the result of aerosol Lidar inversion were verified by sounding observation of unmanned aerial vehicle. Combined with the different meteorological characteristics of Tianjin atmospheric boundary layer observation station, Tanggu sation and Bohai A-platform station, the distribution characteristics of the atmospheric boundary layer heights and the reasons for the differences were analyzed. The results showed that the atmospheric boundary layer heights obtained by Lidar and unmanned aerial vehicle had high uniformity, and the correlation coefficients between them were 0.508, 0.565 and 0.687, respectively, under stable, neutral and unstable stratification conditions. The diurnal variation of the atmospheric boundary layer heights in Tianjin urban area and Tanggu area showed unimodal distribution, which was close to the diurnal variation of turbulent kinetic energy and sensible heat flux in each season. The atmospheric boundary layer heights of A-platform had obvious characteristics of ocean atmosphere, which were higher than those of the urban area and Tanggu area in winter, but the opposite performance in summer. The formation of the intra-thermal boundary layer caused by the sea-land circulation in summer was one of the reasons for the difference in the heights of the atmospheric boundary layer between the urban area and Tanggu. When the intra-thermal boundary layer appeared in Tanggu in summer of 2019, the height of the afternoon boundary layer decreased by 30 to 160m approximately, while the difference between the boundary layer heights of Tanggu and the urban area increased by 150 to 300m approximately.

atmospheric boundary layer height；aerosol Lidar；sea-shore-land；unmanned aerial vehicle；Tianjin

X51

A

1000-6923(2023)10-5070-08

2023-03-02

天津市氣象局科研項(xiàng)目(202206ybxm04);上甸子國(guó)家大氣本底站開(kāi)放研究課題(SDZ20220917);環(huán)渤海區(qū)域科技協(xié)同創(chuàng)新基金項(xiàng)目(QYXM202113)

* 責(zé)任作者, 工程師, liujinglexxx@163.com

劉敬樂(lè)(1986-),男,天津人,工程師,碩士,主要從事大氣邊界層和環(huán)境氣象研究.發(fā)表論文30篇.liujinglexxx@163.com.

劉敬樂(lè),史 靜,李培彥,等.基于激光雷達(dá)的天津海-岸-陸地區(qū)大氣邊界層高度研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(10):5070-5077.

Liu J L, Shi J, Li P Y, et al. Study of atmospheric boundary layer height over Tianjin sea-shore-land area based on Lidar [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5070-5077.