鄭先念，張?zhí)鳎?文，買(mǎi)買(mǎi)提艾力·買(mǎi)買(mǎi)提依明，王順勝，余行杰，何 清，4，吳玉濤

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊830002；2.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；3.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒841000；4.新疆氣象局，新疆 烏魯木齊830002；5.山丹縣林業(yè)技術(shù)工作站，甘肅 張掖734100）

大氣邊界層（ABL，Atmospheric Boundary Layer）通常是指大氣的最低部分受地面直接作用的氣層，是地氣之間進(jìn)行物質(zhì)、能量、熱量和水汽交換必須通過(guò)的氣層，其厚度隨地表特征、季節(jié)和天氣背景變化而不同，范圍最薄時(shí)可為百米量級(jí)，最厚時(shí)可達(dá)3 km左右，平均厚度為1 km。近地層一般指大氣邊界層低部從地面向上50～100 m，2 m高度以下的這一層被稱為“貼地層”，也是與人類活動(dòng)和各項(xiàng)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成最為密切的一層。第一次工業(yè)革命以來(lái)生態(tài)失衡、環(huán)境惡化和氣候變化以及天氣氣候異常等均與大氣邊界層中發(fā)生的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和生態(tài)過(guò)程等密切相關(guān)。大氣邊界層中氣象要素的垂直廓線特征也是大氣物理、大氣化學(xué)以及大氣環(huán)境等研究工作者的重要研究課題[1-3]。

高原大氣邊界層由于特殊的下墊面性質(zhì)，使得它的厚度、干燥度與其它邊界層如城市、海洋、沙漠等邊界層相比，具有很大差異。高原下墊面的非均勻，使得微氣象特征在一定尺度上存在著極強(qiáng)的非均勻特征和極強(qiáng)的平流作用[4]。到目前為止，對(duì)我國(guó)干旱區(qū)、半干旱區(qū)不同下墊面的大氣邊界層結(jié)構(gòu)和廓線的研究[5-17]，取得了重大的研究成果和突破[18]；近年來(lái)一些學(xué)者分別在塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠及青藏高原等地，在不同天氣下對(duì)近地層空氣溫濕度垂直變化進(jìn)行了分析[19-26]，一些學(xué)者利用觀測(cè)和格點(diǎn)資料還分析了沙塵暴過(guò)境時(shí)近地層氣象要素脈動(dòng)特征及其相互關(guān)系[27]。然而，對(duì)于帕米爾高原大氣廓線和氣象要素脈動(dòng)的研究甚少。

帕米爾高原塔什庫(kù)爾干區(qū)域作為典型的高原下墊面，是中巴經(jīng)濟(jì)走廊的必經(jīng)之地，對(duì)區(qū)域大氣邊界層的研究顯得極為重要。本文利用中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所在塔什庫(kù)爾干縣紅其拉甫口岸建立的帕米爾高原陸氣相互作用觀測(cè)站32 m梯度鐵塔資料，分析該區(qū)域近地層氣象要素的變化情況，為系統(tǒng)認(rèn)識(shí)帕米爾高原大氣邊界層風(fēng)、溫、濕垂直結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律提供基礎(chǔ)參考，從而為中巴經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè)的氣象災(zāi)害防御工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所的帕米爾高原陸氣相互作用觀測(cè)站（36°51″N，75°27′42″E，海拔高度4 733 m）位于中國(guó)與巴基斯坦交界的紅其拉普口岸附近的山坡上（圖1），于2017年7月建設(shè)，8月正式運(yùn)行。從該區(qū)域2010年以來(lái)的自動(dòng)氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，區(qū)域年平均氣溫為-5.6℃，年最低氣溫為-28.8℃，1月平均氣溫為-16.3℃，7月平均氣溫為5.3℃，常年盛行風(fēng)向?yàn)閃、WNW，年平均風(fēng)速為4.2 m·s-1，屬于嚴(yán)寒的強(qiáng)烈大陸性高山氣候。

圖1 帕米爾高原陸氣相互作用觀測(cè)站地理位置示意圖

觀測(cè)站32 m梯度鐵塔共有7個(gè)層次觀測(cè)平臺(tái)，高度分別為0.5、1、2、4、10、20、32 m。在梯度鐵塔的1、2、4、10、20、32 m橫臂左側(cè)（西北向）離橫臂邊緣5 cm處安裝了風(fēng)向風(fēng)速探頭，在橫臂右側(cè)（東南向）離橫臂115 cm處安裝了溫濕度探頭[3]。數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz，采集結(jié)果輸出為1 s、10 s、1 min、30min、1 h、1 d不等的時(shí)間數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)，文章采用梯度探測(cè)系統(tǒng)小時(shí)平均的氣象要素?cái)?shù)據(jù)，分析了2017年8月18日晴天和30日陰雨天氣時(shí)近地層風(fēng)速、氣溫和濕度廓線分布和脈動(dòng)特征。

比濕（q）由相對(duì)濕度計(jì)算得到，利用中國(guó)氣象局地面觀測(cè)規(guī)范中方法計(jì)算[28]。

脈動(dòng)風(fēng)速、氣溫和比濕以小時(shí)平均的風(fēng)速、氣溫和比濕與相應(yīng)時(shí)段小時(shí)數(shù)據(jù)的日平均風(fēng)速、氣溫和比濕之差表示，用以反映風(fēng)速、氣溫和比濕的波動(dòng)范圍，以此體現(xiàn)這3種要素的日波動(dòng)幅度[29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 近地層風(fēng)速廓線特征

近地層32 m高度范圍內(nèi)晴天時(shí)風(fēng)速廓線分布規(guī)律與陰雨天氣的差異明顯（圖2）。晴天（圖2a），日夜風(fēng)速廓線分布規(guī)律存在明顯差異。在白天近地層風(fēng)速均隨高度升高而波動(dòng)增大，而夜間與其相反，風(fēng)速值白天大于夜間，風(fēng)速梯度和風(fēng)速值變化的幅度夜間均大于白天。具體表現(xiàn)為，4 m以下風(fēng)速值隨高度增高呈增大變化，4 m以上風(fēng)速值在白天隨高度增高均呈增大趨勢(shì)，到了夜間又隨高度增高呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，且各層風(fēng)速的變化幅度夜晚大于白天，風(fēng)廓線的拐點(diǎn)出現(xiàn)4 m高度層。因此，只有在0.5～4 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速值隨高度的分布規(guī)律呈對(duì)數(shù)分布，4 m高度以上風(fēng)速廓線呈波動(dòng)減小的變化趨勢(shì)。

陰雨天氣時(shí)，夜間和白天風(fēng)速廓線的分布總體呈隨高度升高而增大的變化趨勢(shì)，廓線大部分時(shí)段的分布呈現(xiàn)隨著高度增高而變小的對(duì)數(shù)律關(guān)系加線性分布（圖2b）。具體表現(xiàn)為，近地層10 m以上風(fēng)速值隨高度增高幾乎保持不變，受地面輻射加熱導(dǎo)致大氣層結(jié)不穩(wěn)定，10 m高度以下風(fēng)速值隨高度降低而減小，風(fēng)速梯度隨高度減小而增大，風(fēng)速值和風(fēng)速梯度變化的幅度，夜間均小于白天。另外，02和12時(shí)這2條廓線在近地層4 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速值隨高度增加而增大，在4～32 m高度范圍內(nèi)廓線風(fēng)速值隨高度增加而不變。

圖2 晴天（a）和陰雨（b）天氣時(shí)近地層風(fēng)速廓線特征

本文與前人在城市[12-14]、沙漠[23]和青藏高原[25]風(fēng)速廓線和脈動(dòng)的研究均存在一些差異，尤其晴天下4 m高度以上風(fēng)速隨高度呈現(xiàn)波動(dòng)減小趨勢(shì)，原因可能在于，一方面是風(fēng)速隨高度的變化很大程度上取決于大氣層結(jié)的穩(wěn)定性[30]，近地層大氣層結(jié)處于穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)速廓線向下凹，近地層大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)速廓線向上凹；另一方面，觀測(cè)塔地處帕米爾高原，地表生長(zhǎng)著寒荒植物的半山腰緩坡上，天氣多變，所以高寒和多變的天氣會(huì)影響大氣層結(jié)的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響風(fēng)速，使得風(fēng)速在時(shí)間和垂直變化上都呈現(xiàn)一些獨(dú)特性。

晴天和陰雨天氣下各高度層脈動(dòng)風(fēng)速概率分布近似符合高斯函數(shù)，且高度越高，概率分布擬合曲線越陡，脈動(dòng)風(fēng)速分布越集中（圖3）。日變化上，風(fēng)速脈動(dòng)均呈現(xiàn)高度越高風(fēng)速脈動(dòng)范圍越大、波動(dòng)的范圍白天均比夜間大，且隨著高度的增加風(fēng)速脈動(dòng)均呈增大趨勢(shì)，風(fēng)速脈動(dòng)值在0.5 m高度層分別為-1.0～1.0 m/s、-1.2～1.4 m/s，到了20 m高度層分別為-2.2～2.1 m/s、-2.4～2.4 m/s。說(shuō)明高度并不能改變脈動(dòng)風(fēng)速的分布規(guī)律，僅改變脈動(dòng)風(fēng)速的波動(dòng)范圍和概率分布的集中性，與安志山等[29，31]在沙漠綠洲過(guò)渡帶和沙漠腹地的研究結(jié)論一致。

各高度風(fēng)速脈動(dòng)值隨著時(shí)間的變化呈無(wú)明顯周期性的增大或減小變化特點(diǎn)，說(shuō)明風(fēng)速還有間歇性特點(diǎn)。晴天（圖3a）和陰雨天氣（圖3b）的風(fēng)速脈動(dòng)最大波動(dòng)幅度分別為4.4和5.2 m/s，最小值波動(dòng)幅度分別為2.1、2.6 m/s。相鄰高度層間均具有顯著相關(guān)性，經(jīng)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，晴天的相鄰高度相關(guān)性均在0.90以上、陰雨天氣相鄰高度相關(guān)性均在0.96以上。

圖3 晴天（a）和陰雨（b）天氣時(shí)近地層風(fēng)速脈動(dòng)特征

當(dāng)然，不同天氣下的風(fēng)速脈動(dòng)也存在不同點(diǎn)，晴天時(shí)夜間（20—07時(shí)）呈現(xiàn)出高度越高風(fēng)速脈動(dòng)的值越小，陰雨天則在14—00時(shí)呈高度越高風(fēng)速脈動(dòng)越大，其他時(shí)段則與之相反。

2.2 近地層氣溫廓線特征

氣溫廓線上日、夜間32 m高度范圍內(nèi)溫差均呈現(xiàn)陰雨天氣小于晴天（圖4）。但是就其日分布類型[3]來(lái)說(shuō)也不相同，晴天均可分為夜間輻射型、早上過(guò)渡型、白天日射型及傍晚過(guò)渡型，而陰雨天氣不是很明顯。

晴天（圖4a），由于夜間地面輻射冷卻，近地層呈逆溫特征，大氣層結(jié)穩(wěn)定，而近地層這種穩(wěn)定的逆溫分布不利于湍流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，使得熱量不能很快地傳到地表。19時(shí)進(jìn)入夜間，氣溫持續(xù)降低且隨著時(shí)間變化降溫幅度逐步減弱，19—00時(shí)氣溫降低了4～6℃，04—06時(shí)氣溫降低到0.3～0.5℃。

氣溫廓線07時(shí)左右呈早上過(guò)渡型，隨著太陽(yáng)輻射影響，地表溫度迅速升高并由地面向高空打破近地層的逆溫分布，07時(shí)在貼地層1 m高度處存在1個(gè)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之下受到太陽(yáng)輻射的影響已經(jīng)慢慢進(jìn)入白天的日射型，而在拐點(diǎn)以上還處于夜間輻射型狀態(tài)，直到10時(shí)近地層的氣溫廓線才全部進(jìn)入白天日射型。

白天地面受太陽(yáng)輻射加熱作用，地面氣溫急劇上升，熱量由地面向近地面大氣層中傳輸，氣溫隨高度增加而減小，大氣處于超絕熱不穩(wěn)定狀態(tài)。因熱力不穩(wěn)定的加強(qiáng)使得上下層之間熱量交換增多且分布逐漸趨于均勻，所以氣溫梯度隨高度增加而加速減小。增溫幅度在08—10時(shí)最大，期間整個(gè)32 m近地層氣溫增加了3.3℃左右。18時(shí)左右，氣溫廓線進(jìn)入傍晚過(guò)渡型，由于午后隨著太陽(yáng)高度角不斷變小，地面輻射平衡很快下降，下墊面迅速冷卻，于是緊貼地面的氣溫也隨之下降，但上層大氣還保持日間增溫的形勢(shì)。同時(shí)從20時(shí)廓線看出，4 m高度范圍內(nèi)近地層氣溫以較大的遞增速度向上增溫，而在4 m以上高度氣溫變化不大，說(shuō)明20時(shí)之后近地層大氣完全進(jìn)入氣溫隨高度上升的夜間輻射型。

陰雨天氣下近地層氣溫廓線與晴天相比，基本上為白天日射型類型，各高度層氣溫變化幅度均比晴天小，不同點(diǎn)在于夜晚氣溫隨高度增高幾乎保持不變（圖4b）。陰雨天氣受熱力不穩(wěn)定的加強(qiáng)使得湍流混合增強(qiáng)，上下層之間熱量交換增多且分布逐漸趨于均勻，因而氣溫梯度隨高度增加而減小的速度較快。由16時(shí)廓線可以看出，白天近地層10 m內(nèi)氣溫隨高度升高而快速降低，10 m以上氣溫則隨高度升高而減小，但幅度非常小，32 m的氣溫比10 m的僅低1.1℃。夜間，氣溫的隨高度升高幾乎不變?？傮w上，近地層10 m內(nèi)氣溫日較差陰雨天比晴天小，但隨著高度升高各層氣溫日較差均趨于相同。

圖4 晴天（a）和陰雨（b）天氣近地層氣溫廓線特征

由于湍流運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，近地層上任一高度的氣溫都具有脈動(dòng)特征（圖5a），晴天各高度層的脈動(dòng)幅度日變化均在7℃以上，最大可達(dá)12.2℃，可見(jiàn)近地層氣溫脈動(dòng)能很大，而且高度越貼近地面，氣溫脈動(dòng)愈大[27]。同時(shí)，各層的比濕脈動(dòng)分布規(guī)律呈現(xiàn)白天（06—18時(shí)）隨著高度降低而增大、夜間隨著高度降低而減?。?8—06時(shí)），在中午前后達(dá)到最大，日出前達(dá)到最小，白天的變化幅度大于夜間的特點(diǎn)。

由圖5b可知，陰雨天氣各高度層的脈動(dòng)幅度均在1℃以上，最大可達(dá)1.4℃，可見(jiàn)近地層中氣溫脈動(dòng)能明顯比晴天的小，且與晴天相反，高度越貼近地面，氣溫脈動(dòng)愈小。氣溫脈動(dòng)在日變化上與晴天一致。總體上，各個(gè)高度層上晴天的脈動(dòng)幅度均大于陰雨天氣。

圖5 晴天（a）和陰雨（b）天氣近地層氣溫脈動(dòng)特征

2.3 近地層濕度廓線特征

由圖6可知，不同天氣下近地層比濕廓線分布規(guī)律均隨著高度增加呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明地表全天都有水汽向高空蒸發(fā)輸送。晴天天氣（圖6a）10 m高度內(nèi)比濕值隨高度升高明顯減小，在10～32 m幾乎維持同一比濕值，各高度層的比濕值在1.7～4.4 g/kg，且比濕值白天明顯小于夜間。

圖6 晴天（a）和陰雨（b）天近地層比濕廓線特征

陰雨天氣（圖6b）比濕廓線隨高度的變化趨勢(shì)與晴天相似，整體看均隨高度的增加而減小，且白天的這種變化更顯著，同時(shí)，在近地層2 m范圍內(nèi)，大部分時(shí)段都有一個(gè)極小值，極小值出現(xiàn)高度以上，比濕隨高度增加而增加，廓線呈逆濕[32-33]特征，極小值出現(xiàn)高度以下，比濕隨高度減小而增加。20和06時(shí)各個(gè)高度層比濕值明顯比白天的要大、比夜晚要小。

夜間時(shí)段廓線比濕值晴天約為4.0 g/kg，陰雨天約為6.4 g/kg。晴天，06—08時(shí)各層比濕的均值由原來(lái)的4.0 g/kg增大到4.2 g/kg，近地層10 m內(nèi)比濕隨高度減小而明顯增大。09—12時(shí)，各層的比濕值隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)、氣溫升高而減小。13—16時(shí)隨著氣溫達(dá)到日最高而比濕值降到日最低，為1.7 g/kg（32 m），拐點(diǎn)高度下降到20 m高度層，17時(shí)拐點(diǎn)下降到2 m，拐點(diǎn)以上呈現(xiàn)逆濕趨勢(shì)，18時(shí)比濕均值回升到4.3 g/kg左右，19—21時(shí)比濕繼續(xù)增大，08時(shí)比濕值達(dá)到一日最大，為4.5 g/kg（0.5 m），與陰雨天最大值出現(xiàn)在22時(shí)的時(shí)間截然不同。

空氣濕度也具有脈動(dòng)特征，采用比濕脈動(dòng)來(lái)討論不同高度空氣濕度的脈動(dòng)日變化特征。由圖7可見(jiàn)，不同天氣下的比濕脈動(dòng)值在時(shí)間序列上波動(dòng)性均具有一致性，即各高度的比濕脈動(dòng)在各時(shí)間段均呈同增或者同減。主要不同點(diǎn)在于晴天的比濕脈動(dòng)范圍比陰雨天大，晴天的比濕脈動(dòng)在09—10時(shí)出現(xiàn)明顯變化，即10—23時(shí)白天受太陽(yáng)輻射增溫，空氣相對(duì)濕度蒸發(fā)強(qiáng)烈作用，23時(shí)—次日09時(shí)夜晚氣溫逐漸降低，空氣相對(duì)濕度蒸發(fā)減弱，比濕脈動(dòng)值呈正值，比濕脈動(dòng)值達(dá)到日最大值，在14時(shí)降至最?。▓D7a）；陰雨天氣受降水和太陽(yáng)輻射影響較弱，比濕脈動(dòng)全天變化不是很顯著（圖7b）。

圖7 晴天（a）和陰雨天（b）的近地層比濕脈動(dòng)特征

結(jié)合圖4可知，比濕脈動(dòng)與氣溫脈動(dòng)具有同步性的變化趨勢(shì)，尤其在晴天這種變化特征更顯著。同時(shí)還看出比濕脈動(dòng)與風(fēng)速大致呈負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）不同天氣條件下帕米爾高原近地層風(fēng)速垂直變化特征存在顯著差異。晴天，白天風(fēng)速值隨高度降低呈現(xiàn)波動(dòng)減小趨勢(shì)，夜間風(fēng)速值隨高度降低呈現(xiàn)波動(dòng)增大趨勢(shì)，風(fēng)速梯度和風(fēng)速值變化的范圍夜間均大于白天；陰雨天，近地層風(fēng)速值基本上隨著高度降低而減小。不同天氣下各高度層脈動(dòng)風(fēng)速概率分布呈現(xiàn)高度越高，脈動(dòng)風(fēng)速分布越集中的特征。

（2）帕米爾高原近地層氣溫廓線的分布晴天和陰雨天不同。夜間輻射型、早上過(guò)渡型、白天日射型和傍晚過(guò)渡型等四種類型在晴天氣溫廓線日變化均有體現(xiàn)；陰雨天氣溫廓線基本上均為白天日射型。晴天，近地層中氣溫脈動(dòng)能很大，并隨著高度的降低而增大，而陰雨天氣的各高度層的氣溫脈動(dòng)幅度與晴天相反，總體上，晴天的脈動(dòng)幅度均大于陰雨天。

（3）不同天氣條件下帕米爾高原近地層比濕廓線分布規(guī)律均隨高度增加呈減小趨勢(shì)，且白天的這種變化更顯著，夜間時(shí)段內(nèi)廓線比濕值晴天約為4.0 g/kg，陰雨天約為6.4 g/kg。不同天氣條件下比濕脈動(dòng)值在時(shí)間序列上波動(dòng)性具有一致性，晴天的比濕脈動(dòng)范圍要比陰雨天氣大。同時(shí)比濕脈動(dòng)與氣溫脈動(dòng)具有同步性的變化趨勢(shì)，尤其在晴天時(shí)這種變化特征更顯著。