熱浪條件下大氣邊界層結(jié)構(gòu)的日變化特征

摘 要：基于北京首都國際機(jī)場2008—2019年的AMDAR數(shù)據(jù)記錄，探究大氣邊界層溫度和風(fēng)的日變化特征及其對熱浪事件的響應(yīng)。將熱浪事件定義為日平均氣溫連續(xù)2 d以上超過暖季（5—9月）日平均氣溫95%分位數(shù)的高溫天氣過程。研究發(fā)現(xiàn)：北京市大氣邊界層溫度有顯著的日變化，通常在15：00達(dá)到最高值。在白天，對流邊界層發(fā)展旺盛，而夜間有較為明顯的輻射逆溫。北京大氣邊界層風(fēng)速同樣具有顯著的日變化和垂直差異，3 000 m以下往往在02：00～04：00達(dá)到最大風(fēng)速，在較低層，白天多為東南風(fēng)而夜間多為東北風(fēng)；在較高層，整個(gè)日平均變化幾乎表現(xiàn)為西北風(fēng)。

關(guān)鍵詞：行星邊界層；熱浪；AMDAR

中圖分類號：P421.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

當(dāng)前，全球呈現(xiàn)出氣候變暖的趨勢，部分地區(qū)極端天氣持續(xù)發(fā)生。在過去的數(shù)十年間，熱浪事件在全球的影響范圍擴(kuò)大了數(shù)十倍，對各國人民的生產(chǎn)生活都帶來了巨大的影響[1-2]。由國內(nèi)外學(xué)者的研究可知，熱浪天氣的不斷發(fā)生會導(dǎo)致人們，尤其是幼童和老年人及部分健康狀態(tài)欠佳的人群持續(xù)暴露于熱浪環(huán)境中，使這部分人的中暑、心血管疾病、呼吸道疾病的發(fā)病率和死亡率上升[3]。在可預(yù)見的未來，由于溫室氣體濃度不斷上升，一方面，熱浪天氣會加劇城市“熱島效應(yīng)”的強(qiáng)度；另一方面，城市受自身地理位置、地表?xiàng)l件等因素的影響，熱浪天氣的強(qiáng)度增大，給城市居民的生活帶來了不可忽視的影響[4]。

1 熱浪的定義

本研究將熱浪定義為根據(jù)2008—2019年日平均溫度至少連續(xù)2 d超過暖季（即5月1日—9月30日）平均溫度95%的時(shí)期。在之前的研究中，不同研究者會使用不同的閾值定義熱浪事件。而本研究選擇用相對閾值作為判斷熱浪事件的標(biāo)準(zhǔn)，用以確保熱浪期和非熱浪周期之間的差異顯著和保持相對較大的熱浪事件樣本。在本研究中，對邊界層結(jié)構(gòu)的分析將不考慮具體某一日的邊界層變化情況，而是圍繞氣象要素的平均日變化展開，探究十年來機(jī)場探測數(shù)據(jù)的平均變化情況及其總體分布特征，以及對比熱浪和非熱浪期的大氣邊界層氣象要素，以展示其差異性和一致性。

2 數(shù)據(jù)與地理位置

2.1 數(shù)據(jù)

采用北京首都國際機(jī)場的AMDAR探測數(shù)據(jù)以及對大氣邊界層的日變化觀測記錄，該數(shù)據(jù)記錄基于世界氣象組織發(fā)布的飛機(jī)氣象數(shù)據(jù)中提供的客機(jī)有關(guān)氣象要素的報(bào)告。同時(shí)，采用RAOB站點(diǎn)提供的無線電探空數(shù)據(jù)作為地表探空數(shù)據(jù)。RAOB站點(diǎn)提供的無線電探空數(shù)據(jù)通常在世界時(shí)00：00和12：00各提供一次觀測數(shù)據(jù)，主要用于對大氣中溫度，氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等的探測，通常可以提供部分固定氣壓層的探測數(shù)據(jù)。作為當(dāng)前相對精準(zhǔn)的氣象要素觀測資料之一，本研究將其作為判斷AMDAR數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基準(zhǔn)。

2.2 地理位置

北京首都國際機(jī)場位于北京市東北方向，AMDAR

數(shù)據(jù)顯示其經(jīng)緯度為（40.08°N，116.61°E）；RAOB顯示的經(jīng)緯度為（39.93°N，116.28°E），兩者間距36 km。機(jī)場地處北京市，北京市位于我國華北地區(qū)，華北平原東北邊緣，為典型的北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季溫暖多雨，冬季寒冷干燥，年平均降水量500 mm

左右，在華北地區(qū)屬于氣候較為濕潤的地區(qū)。由于北京是典型的季風(fēng)氣候，因此一年四季分明，又有“北京灣”這一特殊地形，西北部與太行山相接，東南部與渤海相鄰，導(dǎo)致風(fēng)向日變化大，白天多偏南風(fēng)，夜間多偏北風(fēng)，可能會有“山谷風(fēng)”對該地區(qū)風(fēng)速造成影響；溫度四季變化和日變化較大，出現(xiàn)南北部溫差較大的情況。

3 大氣邊界層結(jié)構(gòu)的日變化特征

3.1 大氣邊界層風(fēng)溫日變化

圖1和圖2為AMDAR數(shù)據(jù)2008—2019年北京首都國際機(jī)場溫度與風(fēng)速的平均日變化。該地區(qū)的溫度存在較強(qiáng)的時(shí)間變化和垂直變化。日平均最高溫度出現(xiàn)在15：00附近，且整體邊界層溫度變化較為一致，自地表向上，溫度隨高度上升而下降；白天，溫度升高導(dǎo)致對流邊界層發(fā)展旺盛，夜間，出現(xiàn)明顯的逆溫層。而經(jīng)向風(fēng)與緯向風(fēng)都有強(qiáng)烈的垂直方向上的日變化，緯向風(fēng)在近地面為負(fù)，在1 500 m以上為正；經(jīng)向風(fēng)在近地面多數(shù)時(shí)間為正，凌晨出現(xiàn)負(fù)值，在1 500 m以上為正。因此，北京首都機(jī)場總體在近地面為東南風(fēng)，在較高層大氣中為偏西風(fēng)。其中，較高層中的風(fēng)向變化可能受到大氣環(huán)流西風(fēng)帶的影響。無論是緯向風(fēng)還是經(jīng)向風(fēng)，近地面日平均風(fēng)速都在凌晨達(dá)到最大值，約

3 m/s。此外，邊界層底部經(jīng)向風(fēng)的風(fēng)速變化較大，這可能是機(jī)場附近飛機(jī)升降帶來的氣流造成的影響[5]。

AMDAR數(shù)據(jù)繪制的3 000 m以下溫度和風(fēng)速的平均日變化圖展示了溫度與風(fēng)兩個(gè)變量在邊界層的整體結(jié)構(gòu)，也表現(xiàn)出AMDAR數(shù)據(jù)在探測邊界層結(jié)構(gòu)變化的應(yīng)用中具有較高的準(zhǔn)確性，可以很好地反映出氣象要素在邊界層中的變化情況[6-10]。

圖1" 2008—2019年北京首都國際機(jī)場平均溫度日變化

（單位：K）

圖2" 2008—2019年北京首都國際機(jī)場緯向風(fēng)與經(jīng)向風(fēng)的平均日變化

3.2 大氣邊界層結(jié)構(gòu)對熱浪的響應(yīng)

3.2.1 溫度

圖3為北京首都國際機(jī)場2008—2019年熱浪期與非熱浪期平均溫度日變化的比較。從平均溫度日變化特征圖可以看出，無論是在熱浪期還是在非熱浪期，邊界層的溫度都存在強(qiáng)烈的日變化，并且平均溫度隨著高度升高而下降，近地面溫度約在300 K，3 000 m上的溫度降至280 K以下。并且，通過對比日平均溫度日變化可以看出，相較于非熱浪期，熱浪期的邊界層溫度日變化更加強(qiáng)烈，垂直方向上溫度梯度也更加明顯，從而可推得熱浪天氣的發(fā)生發(fā)展會導(dǎo)致邊界層溫度的變化發(fā)展更加劇烈，熱浪天氣會對大氣邊界層的結(jié)構(gòu)變化造成一定的影響。

從圖3可以看到，熱浪天氣產(chǎn)生時(shí)，溫度相對于非熱浪期有明顯的升高，約在每日15：00附近達(dá)到日平均最高溫度。在熱浪期，日平均最高溫度約為310 K，而在非熱浪期，日平均溫度最高約為298 K。這是由于在熱浪天氣過程中，白天大氣輻射由上至下，通過熱量交換使地表溫度逐漸升高，下午整個(gè)邊界層達(dá)到溫度最高點(diǎn)。此外，日平均溫度圖顯示夜間邊界層出現(xiàn)明顯的逆溫層，受白天高溫影響，有利于形成溫暖的夜間殘留層，殘留層儲存的溫度會導(dǎo)致翌日邊界層溫度偏高。

除了熱浪期相較于非熱浪期在整體溫度上出現(xiàn)明顯的上升，熱浪期垂直方向上的平均溫度與非熱浪期間也體現(xiàn)出較大的差異，熱浪期垂直方向上溫度變化更加明顯，整體溫度變化更加劇烈。可以看出，熱浪天氣的發(fā)生發(fā)展會對邊界層的平均溫度日變化和平均溫度在垂直方向上的變化造成較大的影響。

3.2.2 風(fēng)分量

與非熱浪期相比，風(fēng)分量的垂直和日變化特征表現(xiàn)出相似的變化情況。熱浪期緯向風(fēng)在近地面風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，在邊界層上部風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)，與非熱浪期的緯向風(fēng)風(fēng)向較為一致；而熱浪期經(jīng)向風(fēng)在近地面風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，在較高層風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，與非熱浪期的經(jīng)向風(fēng)風(fēng)向出現(xiàn)一定的差異。風(fēng)速在02：00～04：00達(dá)到最大值?？傮w而言，熱浪期邊界層的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)風(fēng)速都有一定程度的增大，平均緯向風(fēng)風(fēng)速低層（1 500 m以下）由0～3 m/s上升至0～6 m/s，高層則由3～6 m/s降至0～

6 m/s，經(jīng)向風(fēng)整層平均風(fēng)速上升1～2 m/s。這表明熱浪會導(dǎo)致風(fēng)速有所增大，熱浪期和非熱浪期相比，緯向風(fēng)風(fēng)向沒有明顯的改變，低層為東風(fēng)，高層為西風(fēng)；經(jīng)向風(fēng)風(fēng)向低層非熱浪期以南風(fēng)為主，熱浪期則轉(zhuǎn)為北風(fēng)，高層非熱浪期為北風(fēng)，熱浪期轉(zhuǎn)為南風(fēng)。熱浪期緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)的日變化劇烈，垂直方向上變化

顯著。

圖3" 2008—2019年3 000 m以下北京首都國際機(jī)場溫度在熱浪和非熱浪期的平均日變化（單位：K）

經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)在每日22：00逐漸增大，在02：00

～04：00達(dá)到一天風(fēng)速的最大值，低層約為3 m/s，高層約為8 m/s。當(dāng)熱浪天氣發(fā)生發(fā)展時(shí)，無論是經(jīng)向風(fēng)還是緯向風(fēng)，熱浪期平均風(fēng)速相對于非熱浪期間都有所增加。

以上結(jié)果表明，在北京首都國際機(jī)場的數(shù)據(jù)中，邊界層風(fēng)分量的變化呈垂直和日變化。在熱浪條件下，風(fēng)速的日變化會更加劇烈，在垂直方向上也會出現(xiàn)顯著的變化。由于北京首都國際機(jī)場位于城市附近，因此，邊界層風(fēng)速、風(fēng)向的變化也可能與熱浪期城市的地表?xiàng)l件有關(guān)。

4 結(jié)束語

以往研究表明，機(jī)場上空頻繁的飛機(jī)起飛降落會導(dǎo)致邊界層中風(fēng)分量受到飛機(jī)起降氣流造成的擾動(dòng)，AMDAR數(shù)據(jù)顯示的邊界層低層中風(fēng)速風(fēng)向的日變化特征可能會受到一定程度的影響。本研究表明，邊界層的風(fēng)速、風(fēng)向變化除了受到熱浪等氣候條件的影響，還需要考慮當(dāng)?shù)氐乇項(xiàng)l件對近地面風(fēng)速、風(fēng)向產(chǎn)生的影響。北京首都國際機(jī)場所處地理位置為北京市東北方向，5—9月白天華北平原受到太陽輻射導(dǎo)致溫度上升，夜間西北地區(qū)的山地降溫速度快，導(dǎo)致溫度下降速度大于平原地區(qū)，從而在夜間產(chǎn)生較大的溫差。這可能導(dǎo)致北京首都國際機(jī)場夜間AMDAR數(shù)據(jù)顯示風(fēng)速上升，近地面風(fēng)速在凌晨達(dá)到日平均風(fēng)速的最大值。在春夏、夏秋相交時(shí)，由于北京依山傍海，平原地區(qū)地形平坦，因此，山地和海洋因地勢和地表?xiàng)l件的區(qū)別而使得產(chǎn)生的熱量得到充分的交換，近地面風(fēng)速增大。

通過對比邊界層氣象要素在熱浪期和非熱浪期的平均日變化可以看出，邊界層的結(jié)構(gòu)在溫度、緯向和經(jīng)向風(fēng)等方面的表現(xiàn)基本一致，在熱浪事件發(fā)生發(fā)展時(shí)，邊界層氣象要素的日變化會更加劇烈。日變化圖的對比分析表明氣象要素在熱浪期和非熱浪期的條件下存在差異。

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收稿日期：2024-07-24

作者簡介：郭怡寧（2001—），女，福建福安人，助理工程師，研究方向?yàn)榇髿饪茖W(xué)。