段春鋒 田紅 黃勇 劉俊杰 曹雯

（1 安徽省氣候中心，合肥 230031；2 安徽省氣象科學研究所 大氣科學與衛(wèi)星遙感安徽省重點實驗室，合肥 230031；3 壽縣國家氣候觀象臺 中國氣象局淮河流域典型農(nóng)田生態(tài)氣象野外科學試驗基地，壽縣 232200）

0 引言

近地層是與地球表面最為直接作用的氣層，人類活動、生態(tài)環(huán)境變化以及天氣氣候異常都與大氣近地層的物理過程、化學過程和生態(tài)過程密切相關(guān)。因此近地層氣象要素的結(jié)構(gòu)特征和廓線特征一直是大氣物理、大氣化學和大氣環(huán)境等科學研究的重點方向[1]。特別是近地層處于離地面在100 m以下的空間，大氣直接受下墊面的影響，氣象要素有著復雜的時空變化特征[2]。

近年來，學者們高度重視并開展了大范圍近地層大氣特征研究。李英等[3]研究了青藏高原東坡冬夏季近地層風、溫、濕梯度特征。郭鳳霞等[4]利用鐵塔觀測研究了合肥郊區(qū)近地層風速廓線特征。李鵬等[5]利用測風塔研究了風能豐富地區(qū)平原、山地和沿海三種地形近地層風速廓線特征。楊湘婧等[6]對比分析了L波段探空廓線數(shù)據(jù)與鐵塔梯度觀測數(shù)據(jù)的近地層溫、濕、壓特征。解以楊等[7]研究了天津氣象塔溫度和風速的日變化特征和廓線特征。龔璽等[8]研究了內(nèi)蒙古草原近地層風速廓線。李靖等[9]研究了安徽吉陽核電廠址溫度梯度和風廓線規(guī)律的適用性。陳勝東等[10]研究了江西九江近地層溫度梯度及風廓線規(guī)律的適用性。金莉莉等[11]研究了烏魯木齊市城區(qū)和郊區(qū)近地層風速廓線。何清團隊[12-16]對塔克拉瑪干沙漠腹地塔中近地層氣象要素廓線開展了一系列的研究。然而由于缺乏氣象梯度觀測，對淮河流域近地層大氣廓線特征的研究甚少。

本文利用壽縣國家氣候觀象臺32 m氣象觀測塔梯度系統(tǒng)采集的風速、氣溫、濕度資料，分析了淮河流域2007年7月—2019年12月農(nóng)田近地層風速、溫度和濕度日變化特征和廓線特征，為淮河流域開展近地層大氣觀測試驗和大氣環(huán)境研究提供觀測事實，對于認識淮河流域農(nóng)田小氣候規(guī)律、改進土壤—植被—大氣系統(tǒng)的近地層模型以及提高農(nóng)業(yè)氣象服務科技水平等具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 觀測場地概況

觀測地點位于壽縣國家氣候觀象臺。近地層通量觀測場在2007年7月—2013年4月期間位于九龍，在2013年5月至今位于窯口。九龍觀測場面積17畝（1畝約為666.7 m2），東、南、西三面為大片農(nóng)田，北面為居民區(qū)，位于城區(qū)中心以南 9 km處，處于城南保障圩和瓦埠湖九里聯(lián)圩之間，不在縣城總體規(guī)劃之內(nèi)；觀測塔立在場內(nèi)西南角，周圍2～5 km2范圍內(nèi)基本是同一類型均一平坦農(nóng)田；觀測場北部邊緣分別有一高約2 m的水泥平臺和數(shù)據(jù)釆集室；觀測場南部30 m處有一條水泥馬路，路邊有少量樹木分布。窯口觀測場面積300畝，周圍有100畝保護控制土地，四面均為大片農(nóng)田，位于城區(qū)中心以南12 km處；觀測塔立在基準氣候觀測區(qū)東北側(cè)，下墊面平坦開闊，周邊植被類型為當?shù)氐湫偷牡钧溳喿鬓r(nóng)田。兩個觀測場的觀測環(huán)境30～50年不受破壞，下墊面均為平坦、開闊、一致的農(nóng)作物種植區(qū)，一年兩熟，稻麥輪作，周邊無污染源、無高層建筑。

1.2 資料來源

壽縣國家氣候觀象臺近地層通量觀測系統(tǒng)由湍流觀測分系統(tǒng)和梯度觀測分系統(tǒng)組成，其中梯度觀測中氣象塔高 32 m。湍流觀測分系統(tǒng)包括三維超聲風溫儀和紅外 H2O/CO2分析儀。梯度觀測分系統(tǒng)由安裝在梯度塔上的 5 層溫度、濕度、風速傳感器，1 層風向傳感器，四分量長、短波（向上、向下）輻射傳感器，光合有效輻射傳感器，氣壓、紅外地表溫度傳感器，5層鉑電阻地溫傳感器，5 層土壤水分觀測傳感器和 1層 3 點土壤熱通量傳感器組成。基本觀測項目包括：脈動溫度，脈動濕度，脈動風速，5 層風速，1 層風向，5 層溫度、濕度，長波、短波（向上、向下）輻射，地表溫度，5 層地溫，5 層土壤水分，土壤熱通量、氣壓。儀器布設如圖1，觀測項目和傳感器信息見表1和表2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)中國氣象局《近地層通量觀測規(guī)范》[17]和氣象行業(yè)標準《地面氣象觀測資料質(zhì)量控制》[18]，對原始數(shù)據(jù)進行了完整性檢驗、數(shù)據(jù)合理性檢驗、數(shù)據(jù)一致性檢驗，異常值剔除檢查。使用的數(shù)據(jù)是經(jīng)數(shù)據(jù)采集器處理后的半小時平均數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時段為2007年7月—2019年12月共149個月，其中2010年11月、2012年12月、2013年5月—2014年12月、2016年2月觀測數(shù)據(jù)缺測。經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后，氣溫、風速、水汽壓、氣壓的有效觀測數(shù)據(jù)分別為79.22%、77.32%、78.43%、79.24%，數(shù)據(jù)缺測率分別為20.77%、20.71%、20.74%、20.71%，數(shù)據(jù)異常率分別為0.01%、1.97%、0.84%、0.05%。半小時氣溫、風速、水汽壓、氣壓數(shù)據(jù)最大值為39.9 ℃、14.1 m/s、48.3 hPa、1045 hPa，最小值為-12.3 ℃、0.1 m/s、0.5 hPa、988 hPa。

濕度分析采用的是比濕，首先根據(jù)比濕定義和氣體狀體方程利用水汽壓和氣壓將水汽壓轉(zhuǎn)換為比濕。計算公式為：

其中：q為比濕，單位g/kg，e為實際水汽壓，p為大氣壓，單位為hPa。

2 結(jié)果分析

2.1 近地層風速、溫度、濕度日變化特征

2.1.1 風速日變化特征

年平均風速日變化呈單峰型（圖2a），2～30 m風速峰值均出現(xiàn)在12時30分，分別為2.68、3.01、3.45、3.81、4.01 m/s；2 m和4 m風速谷值出現(xiàn)在01時30分，10 m、20 m和30 m出現(xiàn)在03時，分別為1.50、1.80、2.27、2.85、3.32 m/s；峰值是谷值的1.79、1.68、1.52、1.34、1.21倍。白天風速變化幅度大，夜間較為平穩(wěn)，變化幅度小。從2 m風速來看，白天為1.61～2.68 m/s，夜間僅為1.50～1.78 m/s。風速隨高度增加逐漸增大，2 m均在2.7 m/s以下，而30 m則在3.3 m/s以上。

圖1 近地層通量觀測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of flux observation system in the surface layer

表2 地下儀器分布和觀測項目Table 2 Underground instrument distribution and observation items

06時以后，太陽輻射開始增強，近地面氣溫升高，大氣逐漸形成不穩(wěn)定層結(jié)，上下層空氣的湍流交換加強，上層空氣的動量下傳，近地層空氣獲得動量，風速快速增大，09時增速最大，2 m風速每小時增加0.32 m/s；隨后增速逐漸減慢，風速緩慢增加，到12時30分達到峰值；午后，隨著太陽輻射減弱，湍流交換減弱，風速緩慢減?。话?，地面輻射平衡快速下降，湍流交換進一步減弱，風速迅速減小，17時風速減速最大，2 m風速每小時降低0.36 m/s；夜間，隨著近地層逆溫逐漸形成，湍流交換繼續(xù)減弱，風速持續(xù)減小，01—03時達到谷值。

按照春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12—2月）劃分四季。四季風速日變化特征（圖2b—2e）與年平均風速相似，呈單峰型:正午最大，午夜最小；高層大，低層??；變幅白天大，晚上小。但各季節(jié)風速大小、風速日變化的峰值和谷值出現(xiàn)時間存在明顯差異。冬季風速最大，春季其次，夏季最小，2 m風速冬季為1.76～3.06 m/s，夏季為1.23～2.29 m/s，前者是后者的1.33～1.43倍。四季風速峰值出現(xiàn)在11時30分—13時30分，谷值主要出現(xiàn)在00時30分—03時。2～30 m風速峰值和2～4 m風速谷值出現(xiàn)時間秋季均最早，冬季其次，夏季最晚。夏季風速峰值出現(xiàn)時間高層晚于低層，2 m和4 m出現(xiàn)在14時30分，10～30 m出現(xiàn)在15時30分；春季、秋季和冬季峰值出現(xiàn)時間高低層一致，分別為12時30分、11時30分、12時。春季風速谷值出現(xiàn)時間低層早于高層，2～4 m在01時30分，10～20 m在03時30分，30 m在07時。夏季高低層一致，2～30 m均出現(xiàn)在03時。秋冬季低層晚于高層，秋季2～10 m在00時30分，20 m在23時30分，30 m在18時30分；冬季2～10 m在01時，20 m在23時30分，30 m在18時30分。

圖2 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）風速日變化Fig. 2 Daily variation of wind velocity in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e)

2.1.2 溫度日變化特征

年平均氣溫日變化呈單峰型（圖3a），峰值2～10 m出現(xiàn)在15時，20～30 m出現(xiàn)在15時30分，分別為20.7、20.4、20.3、20.3、20.1 m/s；谷值2 m和4 m出現(xiàn)在06時，10～30 m出現(xiàn)在06時30分，分別為13.5、13.6、14.1、14.5、14.6 m/s；峰值是谷值的1.54、1.50、1.44、1.40、1.38倍。氣溫日變化幅度隨著高度升高而降低。氣溫白天下午比上午高，夜間前半夜比后半夜高。早晨和傍晚均有一個不同高度氣溫的交點，即等溫層結(jié)，氣溫不隨高度變化，等溫時刻大約出現(xiàn)在08時和17時30分。白天氣溫隨高度降低，為氣溫遞減層結(jié)；晚上氣溫隨高度升高，為逆溫層結(jié)。

06時以后，太陽輻射逐漸增強，地面輻射平衡由負轉(zhuǎn)為正，地面溫度急劇上升，熱量由地面輸向大氣，氣溫快速上升。氣溫上升速度低層快于高層，08時前后不同高度氣溫基本接近。09時氣溫上升速度最大，2 m為每小時升高1.39 ℃，30 m為0.99 ℃。15時左右氣溫達到峰值，比太陽輻射峰值時間滯后2.5 h。隨后，太陽輻射逐漸減弱，氣溫快速下降。氣溫下降速度低層快于高層，17時30分前后不同高度氣溫基本接近。18時氣溫下降速度最快，2 m為每小時下降1.17 ℃，30 m僅為0.54 ℃。夜間，地面輻射平衡由正轉(zhuǎn)為負，地面迅速冷卻，氣溫持續(xù)下降，直到06時達到谷值。

四季氣溫日變化特征（圖3b—3e）與年平均氣溫相似，為單峰型，午后最大，早晨最?。话滋焐衔绱?，下午??；前半夜大，后半夜?。粴鉁刈兎蛯哟螅邔有?；白天氣溫隨高度降低，晚上隨高度升高，早晨和傍晚存在等溫現(xiàn)象，氣溫不隨高度變化。但四季氣溫高低、氣溫日變化的峰值和谷值出現(xiàn)時間明顯不同。夏季氣溫最高，秋季其次，冬季最低。2 m氣溫夏季為24.7～30.7 ℃，冬季為1.2～8.0 ℃，前者是后者的3.8～19.9倍。氣溫峰值出現(xiàn)在14時30分—16時，夏秋季早于冬春季，前者在14時30分—15時30分，后者在15—16時。氣溫谷值出現(xiàn)在05時30分—08時，夏季最早，在05時30分—06時，春季其次，冬季最晚，在07時30分—08時。四季氣溫峰值和谷值出現(xiàn)時間低層均早于高層，如春季2 m、4～10 m、20～30 m氣溫峰值分別出現(xiàn)在15時、15時30分和16時。早晨等溫夏季出現(xiàn)最早，大約在07時，冬季最晚，大約在09時；傍晚等溫冬季出現(xiàn)最早，大約在17時，夏季最晚，大約在18時30分。

圖3 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）溫度日變化Fig. 3 Daily variation of temperature in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e)

圖4 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）濕度日變化Fig. 4 Daily variation of humidity in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e)

2.1.3 濕度日變化特征

年平均比濕日變化呈雙峰型（圖4a），主峰值出現(xiàn)在09時—09時30分，次峰值出現(xiàn)在19時30分—22時30分，兩個谷值出現(xiàn)在05時—05時30分和15時—15時30分，2～4 m主谷值出現(xiàn)在05時30分，20～30 m出現(xiàn)在15時30分。主峰值分別為10.8、10.4、10.1、10.2、9.6 g/kg，主谷值分別為9.9、9.7、9.5、9.5、9.0 g/kg，兩者差異較小。比濕隨高度先降低后上升再降低，4～20 m存在逆濕現(xiàn)象，除14—16時外多數(shù)時間20 m比濕大于10 m；03—06時20 m比濕大于4 m。早晨4 m和20 m比濕、午后10 m和20 m的比濕均存在交點，即等濕現(xiàn)象。

06時以后，太陽輻射緩慢增強，地面溫度逐漸上升，比濕急劇上升，09時30分達到峰值。比濕增幅隨高度增加而減小，06—09時2 m比濕增大了0.97 g/kg，而30 m增幅較小，只有0.36 g/kg。隨著太陽輻射增強，地面溫度快速升高，比濕以每小時約0.1 g/kg的幅度緩慢下降，15時30分達到次谷值。之后，隨著太陽輻射的下降，比濕又開始上升，直到19時30分達到次峰值。夜間，地面冷卻降溫，比濕持續(xù)下降，直到06時達到谷值；比濕降幅隨高度增加而越小，19時30分—06時2 m比濕降幅0.65 g/kg，而30 m僅有0.07 g/kg。

四季比濕日變化特征（圖4b—4e）與年平均比濕相似，呈雙峰型，上午大于午后，傍晚大于早晨，比濕隨高度存在逆濕現(xiàn)象。但四季比濕大小、比濕日變化的峰值和谷值出現(xiàn)時間明顯不同。夏季比濕最大，為16.8～19.5 g/kg，秋季其次，冬季最小，僅為3.3～3.9 g/kg。比濕主峰值出現(xiàn)在08時30分—11時，春季最早，在08時30分—09時，夏季其次，冬季最晚，在10時30分—11時；次峰值主要出現(xiàn)在18時30分—22時，高層晚于低層，如春季2 m、4 m、10 m、20 m和30 m分別出現(xiàn)在18時30分、19時30分、20時、22時和22時。主谷值低層出現(xiàn)在05—07時，春夏季早于秋冬季；主谷值高層春季、夏季和秋季出現(xiàn)在15時—15時30分，冬季出現(xiàn)在07—08時。次谷值低層出現(xiàn)在15時—15時30分，春夏季早于秋冬季；次谷值高層春季、夏季和秋季出現(xiàn)在05時30分—09時30分，春夏季早于秋季，冬季在15時—15時30分。

圖5 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）風速廓線和年（f）風速對數(shù)廓線Fig. 5 Wind velocity profiles in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e) and wind velocity logarithmic profiles in years (f)

2.2 近地層風速、溫度、濕度廓線特征

2.2.1 風速廓線特征

近地層年平均風速廓線呈現(xiàn)為風速隨高度增加而增大，風速梯度隨高度增加而減小的對數(shù)律關(guān)系（圖5a、5f）。白天風速隨高度遞增率明顯小于夜間（圖5a）。從年平均風速對數(shù)廓線（圖5f）來看，白天風速與高度的對數(shù)呈明顯的線性關(guān)系，表明白天風速以對數(shù)關(guān)系向上遞增；夜間風速與高度的對數(shù)呈明顯的對數(shù)關(guān)系，表明夜間風速以比對數(shù)關(guān)系更快的速度，即對數(shù)加線性規(guī)律向上遞增。與繆啟龍等[13]、何清等[14]、李祥余等[15-16]的研究結(jié)論基本一致，風速廓線可以分為穩(wěn)定層結(jié)的夜間風速廓線和不穩(wěn)定層結(jié)的白天風速廓線[13]。

白天受太陽輻射影響，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，湍流混合作用增強，上下層之間動量交換增大，風切變減小，風速以對數(shù)關(guān)系向上遞增。夜間，近地層出現(xiàn)逆溫，大氣層結(jié)穩(wěn)定，湍流混合作用減弱，湍流交換減小，風切變增大，風速以比白天更快的速度向上遞增。白天10—16時2 m到30 m風速增加1.28～1.70 m/s，風速垂直遞增率為4.6～6.1 m/（s·100 m）。夜間2 m到30 m風速增加1.77～1.91 m/s，風速垂直遞增率為6.3～6.8 m/（s·100 m），為白天的1.1～1.4倍。風速垂直遞增率最大值出現(xiàn)在21時，最小值出現(xiàn)在10時。

四季風速廓線特征（圖6b—6e）與年平均風速相似，表現(xiàn)為風速隨高度增加而增大，風速梯度隨高度增加而減小，白天風速垂直遞增率小于夜間。但四季風速垂直遞增率大小及其最大值和最小值出現(xiàn)時間明顯不同。風速垂直遞增率春季最大，為4.92～7.49 m/（s·100 m），秋季其次，夏季最小，為4.85～6.33 m/（s·100 m）。風速垂直遞增率最大值春季出現(xiàn)最早，在21時，夏季和秋季其次，均在21時30分，冬季最晚，在01時30分。最小值春夏季出現(xiàn)最早，在09時，冬季其次，在10時，秋季最晚，在13時30分。

圖6 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）溫度廓線Fig. 6 Air temperature profiles in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e)

2.2.2 溫度廓線特征

近地層年平均氣溫隨高度有四種變化特征，即白天隨高度遞減，晚上隨高度遞增，早晨隨高度先遞減后遞增，傍晚隨高度先遞增后遞減（圖6a）。與繆啟龍等[13]、何清等[14]、李祥余等[15-16]的研究結(jié)論基本一致，分別對應白天日射型、夜間輻射型、早上過渡型和傍晚過渡型四種溫度廓線類型[19]。

白天日射型溫度廓線出現(xiàn)在09時30分—17時。白天隨著太陽輻射逐漸增強，地面溫度急劇上升，熱量由地面輸向大氣，因此，溫度隨高度增加而減小，近地層氣溫垂直遞減率為 0.79～3.23 ℃/100 m，最大值出現(xiàn)在12時，40 m氣溫比2 m降低0.9 ℃。由于大氣層結(jié)不穩(wěn)定，湍流混合作用增強，上下層熱量交換增多，因此溫度梯度隨高度增加而迅速減小。氣溫垂直遞減率隨高度增加明顯減小，12時2～4 m氣溫遞減率為19 ℃/100 m，而4～40 m僅為2 ℃/100 m。

夜間輻射型溫度廓線出現(xiàn)在20—07時。夜間地面輻射冷卻，熱量由大氣輸向地面，因此近地層出現(xiàn)逆溫，氣溫隨高度增加而增大。夜間近地層氣溫垂直遞增率為4.06～4.93 ℃/100 m，最大值出現(xiàn)在22時，40 m氣溫比2 m升高1.4 ℃。夜間氣溫垂直變化率明顯大于白天，為白天的1.5～5.1倍。由于大氣層結(jié)穩(wěn)定，湍流混合作用減弱，上層熱量不能很快地傳到下層。因此溫度梯度隨高度增加而減小的速度沒有白天快。氣溫垂直遞增率隨高度增加而減小，22時2～4 m氣溫遞增率為11 ℃/100 m，而4～40 m為4.5 ℃/100 m。

早上過渡型溫度廓線出現(xiàn)在07時30分—09時。表現(xiàn)為氣溫隨高度遞增轉(zhuǎn)變?yōu)殡S高度遞減。早晨，太陽輻射開始增強，地面輻射平衡很快由負轉(zhuǎn)正，地面迅速增溫破壞了近地層逆溫分布，這個破壞過程由低層向高層傳播。此時下層大氣已經(jīng)進入白天日射型，而上層大氣依然處于夜間輻射型。8時溫度廓線可以看出，4 m高度處存在拐點，2～4 m氣溫已經(jīng)進入白天日射型，隨高度遞減，而4～30 m還處于夜間輻射型，隨高度遞增。

傍晚過渡型溫度廓線出現(xiàn)在17時30分—19時30分，表現(xiàn)為氣溫隨高度遞減轉(zhuǎn)變?yōu)殡S高度遞增。傍晚，太陽輻射明顯減弱，地面輻射平衡很快由正轉(zhuǎn)負，地面迅速冷卻，近地面氣溫快速下降，但高層大氣還保持日間增溫。此時下層大氣已經(jīng)進入夜間輻射型，而上層大氣依然處于白天日射型。18時廓線可以看出， 20 m高度存在拐點，2～20 m氣溫已經(jīng)形成逆溫，進入夜間輻射型，隨高度遞增；20～30 m還保持微弱的日射型，隨高度遞減。

四季氣溫廓線特征（圖6b—6e）與年平均氣溫相似，均表現(xiàn)出白天日射型、夜間輻射型、早上過渡型和傍晚過渡型四種溫度廓線類型。但四季氣溫垂直變化率大小及其最大值出現(xiàn)時間明顯不同。白天氣溫垂直遞減率春季最大，秋季其次，冬季最小。春季最大值為3.53 ℃/100 m，出現(xiàn)在12時30分；夏季、秋季、冬季最大值均出現(xiàn)在12時，分別為3.34、3.39、2.69 ℃/100 m。夜間氣溫垂直遞增率前半夜秋季最大，春季其次；后半夜春季最大，秋季其次；冬季均最小。夏季和秋季最大值出現(xiàn)在21時，分別為2.19、6.94 ℃/100 m，春季和冬季出現(xiàn)在1時和3時30分，分別為6.13、5.11 ℃/100 m。早上過渡型和傍晚過渡型四季均非常短。春季和夏季早上過渡型均出現(xiàn)在07時30分—08時，早于秋冬季（08時—08時30分和08時30分—09時）。秋冬季傍晚過渡型均為17時30分—18時，早于春夏季（18時30分—19時和18時—18時30分）。

夏季夜間2～4 m氣溫隨高度增加而減小，與年和其他季節(jié)的夜間輻射型溫度廓線明顯不同。夏季夜間2 m氣溫比4 m高，可能與夏季農(nóng)田下墊面為水稻，夜間水稻冠層溫度高有關(guān)。

2.2.3 濕度廓線特征

近地層年平均比濕廓線表現(xiàn)為隨高度增加先減小后增大再減?。▓D7 a）。比濕1 0 m 以內(nèi)隨高度升高而緩慢減小，比濕垂直遞減率為3.65～9.79 g/（kg·100 m），白天遞減率明顯大于夜間，最大值在12時30分，最小值在05時30分。10～20 m出現(xiàn)逆濕層，比濕隨高度增加而增大。逆濕層比濕垂直遞增率為-0.21～2.04 g/（kg·100 m）。夜間逆濕比白天更為明顯，尤其是后半夜，最大值發(fā)生在05時30分。14—18時比濕隨高度增加而減小，沒有發(fā)生逆濕，其中15時30分遞減率最大。20～30 m比濕度隨高度增加而減小，垂直遞減率為4.74～6.46 g/（kg·100 m），最大值出現(xiàn)在08時，最小值出現(xiàn)在14時30分。

四季中，10～20 m比濕多數(shù)隨高度增加而增大，存在逆濕，但時間長短差異明顯。夏季逆濕時間最長，一天24小時均出現(xiàn)逆濕；其次是秋季，有18 h，出現(xiàn)在20時—15時30分；冬季有14.5 h，出現(xiàn)在23—13時；春季逆溫時間最短，有12.5 h，出現(xiàn)在22時30分—10時30分。比濕垂直遞增率最大值夏季出現(xiàn)最早，在05時30分，遞增率最大，為4.61 g/（kg·100 m）；秋季其次，在06時30分，為1.9 g/（kg·100 m）；冬季最晚最小，在07時，僅為0.41 g/（kg·100 m）。

四季中，2～10 m和20～30m比濕均為隨高度增加而減小，但比濕垂直遞減率夏季最大，2～10 m為8.48～19.69 g/（kg·100 m），20～30 m為8.4～11.13 g/（kg·100 m）；秋季其次，冬季最小，2～10 m為0.7～2.59 g/（kg·100 m），20～30米為2.4～2.93 g/（kg·100 m）。冬季20～30 m比濕垂直遞減率比2～10 m大；春季、夏季、秋季白天和前半夜2～10 m比濕垂直遞減率比20～30 m大，后半夜則相反。2～10 m比濕垂直遞減率最大值冬季出現(xiàn)最早，在09時，秋季其次，夏季最晚，在13時。比濕垂直遞減率最小值出現(xiàn)在05時30分—06時，春夏季早于秋冬季。20～30 m比濕垂直遞減率最大值出現(xiàn)在08～09時，春夏季早于秋冬季；最小值出現(xiàn)在14時30分—15時30分，秋冬季早于春夏季。

氣候異常對廓線特征有明顯影響。選擇2016年、2017年秋季作為氣候異常的典型個例，并進一步分析其廓線特征。2016年、2017年秋季壽縣均出現(xiàn)持續(xù)性陰雨天氣，降水量較1981—2010年平均值分別異常偏多98%和148%，為1961年以來歷史同期第三多和第二多，導致大范圍農(nóng)田土壤持續(xù)過濕，發(fā)生嚴重漬澇。2016年秋季2～4 m和20～30 m比濕均為隨高度增加而減小，4～10 m比濕隨高度增加而增加，10～20 m比濕隨高度變化較?。▓D8a）。2017年秋季2～4 m和10～30 m比濕均為隨高度增加而減小，4～10 m比濕隨高度增加而增加（圖8b）。作為對比，選擇2007年秋季作為降水異常偏少的典型個例。2007年秋季降水異常偏少64%，為1961年以來歷史同期第9少。2007年秋季2～30 m比濕多數(shù)為隨高度增加而減?。▓D8c）。與多年平均廓線（圖7d）相比，2016年和2017年秋季比濕廓線特征最大差異是在4～10 m，而2007年在10～20 m；降水偏多年比濕廓線在4～10 m多了一個明顯的逆濕層，而降水偏少年在10～20 m逆溫層消失，變?yōu)楸葷耠S高度增加而減小。表明降水異常對濕度廓線的影響主要表現(xiàn)在逆濕程度：降水異常偏多時，逆濕現(xiàn)象更為明顯；降水異常偏少時，逆濕現(xiàn)象不明顯，甚至消失。

圖7 年平均（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）比濕廓線Fig. 7 Humidity profiles in years (a), spring (b), summer (c), autumn (d) and winter (e)

3 結(jié)論

本研究利用壽縣國家氣候觀象臺32 m氣象觀測塔梯度系統(tǒng)采集的風速、氣溫、濕度資料，分析了淮河流域2007年7月—2019年12月農(nóng)田近地層風速、溫度和濕度日變化特征和廓線特征。

風速和氣溫日變化呈單峰型，而濕度日變化呈雙峰型。風速峰值在11時30分—13時30分，谷值在00時30分—03時；峰值時間秋季最早，夏季最晚，夏季高層晚于低層，春季、秋季和冬季高低層一致；谷值時間春季低層早于高層，夏季高低層一致，秋冬季低層晚于高層。氣溫峰值在14時30分—16時，夏秋季早于冬春季；谷值在05時30分—08時，夏季最早，冬季最晚；四季峰值和谷值時間低層早于高層；早晨等溫出現(xiàn)在07—09時，夏季最早，冬季最晚；傍晚等溫出現(xiàn)在17時—18時30分，冬季最早，夏季最晚。濕度主峰值在08時30分—11時，春季最早，冬季最晚；次峰值在18時30分—22時，高層晚于低層。主谷值低層在05—07時，春夏季早于秋冬季；主谷值高層春季、夏季和秋季在15時—15時30分，冬季在07—08時。次谷值低層在15時—15時30分和05時30分—09時30分，春夏季早于秋冬季。

風速隨高度遞增，風速梯度隨高度遞減。風速垂直遞增率白天小于夜間；春季最大，夏季最??；最大值在21時—01時，春季最早，冬季最晚；最小值在09時—13時30分，春夏季最早，秋季最晚。氣溫白天隨高度遞減，晚上隨高度遞增，早晨隨高度先遞減后遞增，傍晚隨高度先遞增后遞減。氣溫垂直遞減率白天最大值在12時—12時30分，春季最大，冬季最小。晚上逆溫最大值在21—03時，秋季最大，冬季最小。早上過渡型出現(xiàn)在07時30分—09時，春夏季早于秋冬季。傍晚過渡型出現(xiàn)在17時30分—19時，秋冬季早于春夏季。濕度隨高度先減小后增大再減??；10～20 m存在逆濕現(xiàn)象，夜間比白天明顯，尤其是后半夜；逆濕時間夏季最長，春季最短；逆濕最大值在05時30分—07時，夏季最大最早，冬季最小最晚；2～10 m和20～30 m隨高度遞減，垂直遞減率夏季最大，冬季最小；垂直遞減率2～10 m最大值在09—13時，冬季最早，夏季最晚，20～30 m最大值在08—09時，春夏季早于秋冬季。