古爾班通古特沙漠邊界層氣象要素廓線觀測分析

霍文，顧軍明，楊興華，楊帆，何清*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆 塔中 841000；3.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054）

古爾班通古特沙漠邊界層氣象要素廓線觀測分析

霍文1，2，顧軍明1，3，楊興華1，2，楊帆1，2，何清1，2*

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站，新疆 塔中 841000；3.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054）

利用2011年10月15—24日在古爾班通古特沙漠腹地系留氣艇邊界層試驗的探測資料，分析了沙漠腹地近地層風、溫、濕等氣象要素廓線垂直分布特征及其變化情況，結論如下：（1）20時—08時存在逆溫，08時逆溫最強，逆溫強度為2.85℃/100 m，逆溫層高度為700 m，之后逆溫逐漸消失；夜晚近地層濕度明顯大于上層大氣，在100 m高度差內，濕度先快速減小再緩慢增大，與白天相反，20時近地面出現逆濕，1 100 m高度濕度發生明顯切變；逆溫層以上風速隨高度變化呈多峰態，逆溫層范圍內風速增大趨勢明顯，900～1 100 m之間存在200 m厚的恒風區，1 100 m以上風速再次增大，白天的風速小于夜間。（2）風速波動范圍大約為2～8 m/s，近地面100 m范圍內風速隨高度快速增大，風向由東南風向南風轉變，600～900 m之間風速變化減緩，風向由從南風逐漸向東風轉變，以東南風為主，風速與風向同步改變。（3）600 m以下隨溫度升高濕度快速減小，600～1 100 m之間又持續增大，1 100～1 500 m之間呈波動變化的趨勢，1 500 m增大明顯。（4）風切變指數夜晚大于白天，最大值在23時（20.88），最小值在中午14時（0.97），平均風切變指數為9.61。混合層厚度平均為125.88 m。

古爾班通古特沙漠；近地層；氣象要素；廓線

大氣邊界層亦稱行星邊界層，通常是指大氣層的最底下的一個薄層，其厚度為1 000 m左右[1]，即受地面直接影響并與地面直接相互作用的氣層，是地球表面與自由大氣之間進行物質、能量交換的場所和媒介。大氣中熱量和水汽源主要集中在下墊面，下墊面首先影響與之直接接觸的大氣邊界層，氣候變化通過大氣與地球表面相互作用來響應和實現，全球氣候與邊界層氣象要素的變化密切相關。研究大氣邊界層中的大氣運動規律，是搞清整個大氣運動的重要組成部分，也有利于促進氣象觀測、天氣預報、氣候預測及大氣物理等研究的進步。近年來對邊界層結構特征的研究，尤其復雜地形條件下的大氣邊界層特征一直是邊界層氣象學研究的熱點。

卞林根等[2]利用系留氣艇研究了冬季北京城區大氣邊界層結構特征，發現在100～200 m高度以下，城區和郊區風速和風向隨高度分布都出現了明顯的拐點，300 m以上高度風向和風速基本趨于一致。熊秋芬[3]分析了濃霧發生發展的不同階段，邊界層中逆溫層、濕度和風的分布是有差別的。王開存等[4]利用蘭州河谷盆地城鄉過渡區邊界層觀測資料，發現夜間200 m高度以下有較強的冷平流，在250～400 m高度有較弱的暖平流，冷暖溫度平流對測點上空邊界層溫度和層結變化有顯著影響。姜大膀等[5]得出冬季蘭州貼地逆溫層厚度最厚（平均740 m）、強度最強（平均0.53℃/100 m），脫地逆溫層底相對高度最低（平均935 m）。劉增強等[6]在烏魯木齊也證明冬季是逆溫特征最為顯著的季節，貼地逆溫厚度最厚,平均為860 m，脫地逆溫底高平均為534 m，頂高平均為1 187 m。奧銀煥等[7]證明戈壁綠洲邊緣的確存在冷濕舌，白天09—18時有冷濕舌出現，高度一般維持在0～600 m，冷濕舌受風速、風向等因素的影響很大。青藏高原因其特殊的非均勻下墊面組成與當地高太陽輻射、高地表熱量通量相結合造成了下墊面近地層溫濕場、風場、熱力輻射場等在時間上的不定長和空間分布上的不均勻，近年來有大量學者對其進行了研究[8-10]。發現雨季到來后，水平風速及其垂直切變顯著減小，大氣低層600 m以下水平風速的日變化、風向的日際變化加大。隨著全球變暖，對于氣候變化十分敏感的干旱半干旱地區，尤其是沙漠地區，也成為科學家研究的熱點。董旭光等[11]利用寧夏鴛鴦湖地區61 m鐵塔一年的氣象觀測資料，分析了該地區近地層不同高度各氣象要素的變化規律。佴抗等[12]利用20 m的觀測塔對巴丹吉林沙漠的比濕進行觀測。孫繼明等[13]研究了沙漠地區沙塵天氣微氣象特征。程穆寧等[14]利用2005年1月至2006年4月朱日和地區20 m氣象塔的風向、風速、氣溫、相對濕度的觀測資料，分析沙漠地區春季近地層氣象要素的分布規律。朱平、蔣瑞賓[15]利用黑河實驗所取得的資料，對比分析了綠洲、沙漠及戈壁邊界層中風、溫、濕分布規律。李祥余等[16，17]、王珂等[18]分析了南疆沙漠腹地春季晴天、陰天近地層風速、溫度和濕度廓線特征,發現最強逆溫出現在凌晨06時，30 m比濕變化的分界點，白天只有在10 m以下高度，日夜間的風廓線近似遵循對數律關系。

古爾班通古特沙漠位于新疆北部準噶爾盆地腹部（44°11′～46°21′N、84°03′～90°00′E），是我國最大的固定半固定沙漠，面積4.88萬km2[19]。以典型的大陸性溫帶荒漠氣候為主，干燥少雨是其主要氣候特征，風向以東北風和西風為主，年積溫3 000～3 500℃,年降水量70～150 mm，冬季有20 cm厚的穩定積雪[20]。由于古爾班通古特沙漠腹地人跡罕至,獲取長期連續的氣象地面觀測資料非常困難，沙漠腹地近地層氣象學問題,歷來也是研究中的難點，多數學者均利用沙漠周邊氣象站資料或短期科學考察數據來研究新疆沙漠環境及氣候變化,但對沙漠腹地近地層氣象要素特征的研究較少。為了進一步認識古爾班通古特沙漠腹地大氣邊界層風、溫場結構及變化規律，為改進沙塵暴預報和為沙漠化防治提供科學依據，中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所利用系留氣艇，于2011年10月15—24日對古爾班通古特沙漠腹地（45°35′N、87°45′E）進行了觀測試驗，獲取了寶貴的邊界層實測資料。試驗點下墊面為固定和半固定的沙丘，沙丘上生長著梭梭、紅柳等稀疏的植被,海拔高度為500 m。

1 數據與方法

1.1 儀器參數

使用芬蘭Vaisala公司生產的TTS111型氣象探空儀分別對邊界層氣溫、相對濕度、氣壓和風等要素進行了觀測，詳細的儀器性能參數見表1。

1.2 數據采集

由于觀測期間北疆地區發生了持續的陰雨天氣，對實驗觀測造成了較大影響，本文挑選其中比較特殊的天氣背景和時間段進行分析，時間為北京時間。觀測時次為每天的2：00、5:00……23:00，每3 h觀測一次，16、17日為陰天，夜間05—08時有降水過程，23日為典型晴天，日變化情況選取17日為典型天氣進行分析。

試驗過程中氣艇升降速度的大小是影響數據準確性和垂直分辨率的一個關鍵因素。當氣艇上升速率較大時，觀測要素的垂直分辨率會變低，反之，則垂直分辨率變高。北疆秋季特別是夜間氣溫較低，探空儀電池受溫度影響，會出現供電不穩或者電池電量過快負載的情況致使傳輸信號出現中斷的現象。為了解決上述問題，觀測數據的處理遵循了以下原則：只分析觀測階段氣艇上升過程中的數據；當每次測量的各個要素都是連續并且可靠時才采用，若缺測任意一組則視為無效觀測數據；在同一高度上獲取多次觀測重復數據，以平均值代表該高度上的觀測結果。

2 結果分析

2.1 溫度垂直結構特征

觀測期間古爾班通古特沙漠腹地邊界層夜間存在明顯的逆溫（圖1），20時逆溫形成，之后邊界層一直處于逆溫狀態，早晨08時逆溫最強，日出后隨著太陽有效輻射增強，逆溫逐漸消失，與南疆秋季逆溫最強出現在06時不同[16]。逆溫導致邊界層趨于更加穩定，逆溫層頂高度在08時達到700 m的最大值，逆溫強度為2.85℃/100 m，整個夜晚的其他時段也都在600 m左右；凌晨02時為599 m，逆溫強度為1.5℃/100 m；20時為551 m，逆溫強度為1.8℃/100 m，而白天溫度廓線都符合溫度垂直遞降率的變化趨勢。古爾班通古特沙漠腹地逆溫的形成機制主要是氣候背景、地理條件、天氣條件共同作用影響的結果，在沙漠腹地內部洼地，夜間四周坡地輻射冷卻的空氣下沉匯聚到盆地底部，當高空有暖平流時，在盆地里形成非常穩定的逆溫結構。

2.2 濕度垂直結構特征

由圖2可知，貼地面濕度明顯高于上層大氣，在100 m的范圍內，相對濕度先快速降低，之后呈緩慢上升的趨勢。早晨08時，海拔500～600 m的范圍內，相對濕度從41%降低到16%，降低了25%，之后相對濕度又開始上升，但變化的幅度明顯小于逆溫層。11時開始在近地面100 m的范圍內，相對濕度隨海拔的變化明顯不同于夜晚，先是快速升高，然后才開始緩慢變化上升，對照圖1可知，這個時段近地面逆溫已經消失，地面溫度快速升高，大氣湍流運動有利于水汽向上層大氣運輸。14時和17時，相對濕度隨高度的增加而緩慢變化，但變化的幅度都比較小。20時逆溫已經形成，近地面也出現了逆濕的現象，相對濕度又一次快速降低。沙漠腹地干燥少雨，白天濕度小于夜晚，1 100 m是相對濕度變化的一個明顯分界點，1 100 m以下相對濕度變化較小，而1 100 m以上，相對濕度變化明顯，08時、11時和14時甚至出現了明顯的濕度峰值，這可能是當時天空有含水量豐富的云層通過。

2.3 風速垂直結構特征

觀測試驗期間古爾班通古特沙漠腹地大氣邊界層風速廓線垂直特征非常明顯（圖3），逆溫層以上風速隨高度的變化不再遵循對數規律，而以多峰態變化。全天內在海拔600 m以下風速都較小，但是風速隨高度的上升而增大趨勢明顯，600 m時風速已經達到了6 m/s以上。02—08時逆溫層范圍內風速快速增大，600 m之后風速又開始快速減小，在900～1 100 m之間風速幾乎沒有什么變化，形成了200 m厚的恒風區，1 100 m之后風速又開始增大，而白天風速隨高度的變化很緩慢，呈波動增大的趨勢，從夜晚20時開始近地面風速又隨高度快速增大，在600 m高度以上緩慢減小，1 200 m以上又呈相反的變化趨勢。對照圖1和圖3，可以發現邊界層風速的垂直分布與溫度層結有較好的對應關系，逆溫層抑制了上層大氣中的動量向下傳輸，使得逆溫層以下風速較小。從廓線變化來說，總體上白天的風速小于夜間，因為夜間由于地面的冷卻作用，近地層溫差變大，氣壓差促進了風力的增大。

2.4 垂直風速切變指數α的計算方法

近地層風速的垂直變化取決于指數α的值，α值的大小反映了隨高度增大的快慢。α值大表示風速梯度大；α值小表示風速梯度小[21]。在這里用500、600 m高度平均風速計算了一日內α指數的大小。風切變指數計算公式如下：

式中：α為風切變指數，V2為高度Z2的風速，V1為高度Z1的風速。

由表2可以得出夜晚風切變指數明顯大于白天，最大值在23時，為20.88，最小值在14時，為0.97，平均風切邊指數為9.61。

2.5 混合層高度L的計算方法

大氣混合層厚度的計算方法有國標法、干絕熱法、羅氏法等，本文采用干絕熱法進行計算[22]。干絕熱曲線法是由Holzworth在研究美國一些地區平均最大混合層深度（MMD）時提出的。他考慮夜間由于地面輻射冷卻，近地面空氣形成逆溫，呈穩定狀態。主要考慮熱力因子影響，即太陽輻射造成的日間升溫的極大值對混合層厚度的影響是最主要的。本文只計算了存在逆溫的2:00、5:00、8:00、20:00、23:00等5個時段的混合層高度，計算公式如下：

由表3可知，夜晚混合層高度小于白天，這是由于白天太陽有效輻射較強，近地層大氣加熱效果明顯，空氣間通過湍流上下混合更充分，05—08時混合層厚度從98.06 m增加到201.8 m，隨著夜晚地面溫度降低，混合層厚度也減小，23時為178.66 m，平均為125.88 m。

2.6 擬合變化特征分析

為了更好地反映秋季古爾班通古特沙漠腹地近地層風速、風向，溫度、濕度變化相關情況，對觀測期間的風速、風向，溫度、濕度數據求平均，用來反映秋季沙漠腹地風速、風向，溫度、濕度變化情況。

由圖4可知，秋季古爾班通古特沙漠腹地風速波動范圍大約為2～6 m/s，地面風速一般較小，近地面100 m的高度范圍內，風速隨高度的增加快速增大，風速從1 m/s（500 m）升高到4.5 m/s（600 m），增大了3.5 m/s，而此高度內風向變化較小，由東南風向南風轉變，之后隨著高度的增加風速開始快速減小，600～900 m的范圍內，風速從4.5 m/s減小到3.1 m/s，之后風速隨高度的增加減緩，基本保持在2.8 m/s左右，而在此時間段內，風向的變化是從南風逐漸向東風轉變，但轉變的速率很小。之后，風向隨高度的增加緩慢變化，風速卻在1 500 m以上快速增大，到2 000 m時已經增大到4.6 m/s，在500 m高度內增大了1.8 m/s。總之，伴隨著風速的變化，風向一般也會發生改變，具有一定的同步改變性，風向以東南風為主。

觀測期間，近地層溫度、濕度的變化比較特殊，在整個觀測高度保持相反的變化趨勢（圖5），在600 m以下溫度升高明顯，這也反映了沙漠腹地存在較強的逆溫層，而此階段相對濕度卻快速減小，從500 m的43%減小到600 m的38%，減少了5%，之后溫度隨高度升高而持續降低，這與對流層溫度隨高度的變化規律相一致，2 000 m時溫度已經下降到1.8℃，比地面的11℃降低了9.2℃，而相對濕度的變化較復雜，600～1 100 m之間持續增大，1 100～1 500 m之間呈波動變化的趨勢，1 500 m以上又開始增大，這可能是由于觀測數據的缺失，造成平均后的數值不能更好地反映實際情況。總之相對濕度隨高度的增加而緩慢增大，與溫度變化截然相反。

3 結論

利用古爾班通古特沙漠腹地系留氣艇2010年10月15—24日觀測試驗的數據，對觀測期間古爾班通古特沙漠腹地大氣邊界層風、溫、濕廓線及其風速、風向的連續變化進行了研究分析，得出如下結論：

（1）觀測期間沙漠腹地20時至08時存在貼地逆溫，8時逆溫最強，逆溫層高度為700 m，之后隨溫度上升，逆溫逐漸消失，溫度廓線也符合溫度垂直遞減率的變化趨勢；夜晚在100 m的高度差內，濕度先快速減小又緩慢增大,白天在近地面100 m的范圍內，濕度隨海拔的變化先快速增大，然后開始緩慢減小，20時逆溫形成，近地面也出現逆濕現象，1 100 m是濕度變化的一個明顯分界點；逆溫層以上風速隨高度的變化不再遵循對數規律，而以多峰態變化。逆溫層范圍內風速隨高度的上升而增大趨勢明顯，在900～1 100 m之間風速穩定，1 100 m之后風速又開始增大，邊界層風速的垂直分布與溫度層關系密切，逆溫層導致近地面風速較小，總體上白天風速小于夜晚。

（2）秋季古爾班通古特沙漠腹地風速復雜多變，波動范圍大約為2～8 m/s，地面風速一般較小，近地面100 m的高度范圍內，風速隨高度的增加快速增大，風向由東南風向南風轉變，600～900 m之間，風速在2.8 m/s左右減緩變化，而風向的變化是從南風逐漸向東風轉變，1 500 m以上風速快速增大。總之，風速與風向同步改變，以東南風為主。

（3）近地層溫度、濕度在整個觀測高度兩者保持相反的變化趨勢，在600 m以下溫度升高而相對濕度快速減小，之后溫度隨高度升高而持續減小，相對濕度在600～1 100 m之間持續增大，1 100～1 500 m之間，呈波動變化的趨勢，1 500 m以上又開始增大。

（4）風切變指數最大值在23時（20.88），最小值在14時（0.97），平均風切邊指數為9.61，夜晚大于白天。夜晚混合層高度小于白天，可能是由于白天太陽有效輻射較強，近地層大氣加熱效果明顯，5時混合層厚度從98.06 m增加到8時的201.8 m，隨著夜晚地面溫度降低，混合層厚度也減小，23時為178.66 m，平均為125.88 m。

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Analysis on Boundary Layer Meteorological Elements Profile in the Gurbantunggut Desert

HUO Wen1，2，GU Junming1，3，YANG Xinghua1，2，YANG Fan1，2，HE Qing1，2*
（1.Institute of Desert Meteorology，CMA，Urumqi 830002，China；2.Desert Atmosphere and Environment Observation Experiment of Taklimakan Station，Tazhong 841000，China；3.College of Geography Science and Tourism，Xingjiang Normal University，Urumqi 830054，China）

By Use of the detecting test datas of tethered balloon boundary layer at Gurbantunggut Desert hinterland in the autumn during 15th to 24th October，2011，This study Analyzed the vertical distribution characteristics of desert surface layer wind,temperature,humidity and other meteorological element profile and its changes.Conclusions were as follows：（1）Temperature inversion existed during 20:00—08:00.The top of the inversion layer is located at 700 m.The inversion rate was largest at 08:00,which was 2.85℃/100 m.The humidity of lower atmosphere is significantly higher than that of upper atmosphere.Humidity inversion occurred at 20:00.There was an obvious shear of the humidity at the height of 1100 m.Wind speed appeared to be rising with the height within the inversion layer,while it showed multiple peaks out of the inversion layer（.2）Wind speed ranged between 2～8 m/s.The change of wind speed within 100m near the ground was very obvious,while it is not obvious at 600～900 m.The speed value was approximately constant at 900～1 100 m.（3）The wind shear index at night was larger than that in the day,with the largest value of 20.88 at 23:00 and the lowest value of 0.97 at 14:00.The average valve of wind shear index is 9.61 and the average value of mixing layer thickness is 125.88 m.

Gurbantunggut Desert；surface layer；meteorological elements；profile

P445

B

1002-0799（2015）01-0017-07

霍文，顧軍明，楊興華，等.古爾班通古特沙漠邊界層氣象要素廓線觀測分析[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（1）：17-23.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.004

2013-10-11；

2014-05-10

國家自然科學基金項目（41305107，41175017）和公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201306066）共同資助。

霍文（1981-），男，副研究員，從事沙漠氣象研究。E-mail：huowenpet@idm.cn