北極揚馬延島大氣邊界層高度的氣候特征分析

張祥 張葉暉 韓靖博 張樂 史婉蓉

(南京信息工程大學, 江蘇 南京 210044)

0 引言

大氣邊界層(Planetary Boundary Layer, PBL)是人類日常活動的主要空間, 它的特性和變化與人類息息相關。PBL一般是指靠近地表約1—2 km的大氣層區域, 大氣在這一區域內與地球表面進行著動量、熱量和物質交換, 進而影響天氣、氣候的變化。此外, 大氣邊界層也影響著大氣污染物的輸送和擴散, 在做城市規劃、工業區選址的環境影響評估時, 都需要對當地大氣邊界層的特性進行了解[1-2]。大氣邊界層高度(Planetary Boundary Layer Height, PBLH)通常用于表征大氣邊界層內的垂直混合程度以及自由對流層交換水平[3], 是直接影響大氣污染物擴散的重要因素。PBLH作為大氣模式和空氣污染模式的一個重要參數, 一直備受國內外相關領域科學家的重視。PBLH的測量手段和計算方法很多, 因而得到的結果也各不相同[4-8]。例如, Vogelezang等[6]提出的總體理查遜數 (Bulk Richardson Number, BRN)方法; Joffre等[8]和Eresmaa等[9]提出的Richardson Number法以及Heffter[10]提出的基于位溫梯度的計算方法。Seibert等[11]總結和比較了一些測量方法和計算方法, 如氣泡上升法、Bulk Richardson Number方法和基于激光雷達探測的計算方法等,并指出根據不同測量方法得到的數據需利用一些相應合適的計算方法來推算PBLH。國內學者[12-13]通過分析我國各地區氣象站點數據, 得到各月份的平均PBLH, 從而了解我國境內空氣污染的氣候特征, 以及PBLH對大氣污染的影響。研究發現[14-17], 氣候模式中雖然有對邊界層過程進行參數化, 但是一些模式里描述的大氣邊界層特性與實際測量數據得出的結果存在差異, 而這個差異會對某些模式, 如空氣質量模式等造成很大的影響。

近年來, 研究大氣邊界層的數值模式以及參數化方案變得愈發重要, 但是研究區域以中緯度地區為主, 對于高緯度極區的研究很少。北極作為整個地球氣候系統中的冷源, 對全球氣候變化有很大的影響。在全球氣候變化的背景下, 北極地區的氣候也正經歷著變化[18]。因此, 加大對北極地區大氣邊界層高度的氣候學特征研究, 深入研究極地氣候變化及其對全球氣候系統帶來的影響具有很高的科學價值[19]。位于格陵蘭島和冰島之間的揚馬延(Jan Mayen)島, 地處北極圈內, 具有極區下墊面的特征, 并且數據資料較為豐富。目前, 對北極揚馬延島地區的大氣邊界層物理過程研究很少。通過研究北極揚馬延島的大氣邊界層過程, 可以較好地理解極區邊界層的特性, 為未來進一步的研究奠定基礎。

1 資料和方法

本研究所用資料來自美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)下屬國家氣象數據中心(NCDC)的全球綜合無線電探空資料(IGRA), 資料版本為1.0。IGRA所觀測的是每個固定氣壓層上測到的氣象要素, 同時其數據都是經過質量控制的。本研究中主要用到的IGRA數據集提供的氣象要素有氣壓、風速、水汽壓、位勢高度、位溫、地理高度、地面相對濕度(Relative Humidity, RH)、地面氣溫(Surface Temperature, ST)、抬升凝結高度(Lifting Condensation Level, LCL)和自由對流高度(Level of Free Convection, LFC)。其中, 地面相對濕度和地面氣溫均為距地面2 m高度處的測量結果。本研究所采用的站點地理坐標為70.93°N、8.67°W,海拔高度9 m, 資料序列從1963—2015年, 但由于建站初期所測得的資料質量并不理想, 所以本研究最終采用1973—2015年間00:00 UTC及12:00 UTC兩個時刻的無線電探空資料。而這期間揚馬延島的無線電探空站也歷經了幾次變更,1975年站點位置變更, 1976年、1982年、1986年、1993年以及2004年站點探測儀器更新并更換模式。但經過計算比較, 這幾次變更并沒有造成大氣邊界層高度的跳變等異常情況。同時,Zhang等[16]在研究歐洲上空大氣邊界層高度時指出由于儀器變化帶來的數據集變化不會影響趨勢分析研究。Wang等[20]在運用IGRA數據對全球陸地上空大氣邊界層高度進行研究時,對全球846個探空站點進行了突變點檢測, 指出絕大部分突變點出現在美國上空, 而Jan Mayen站并沒有出現明顯的變化。因此,認為Jan Mayen探空站位置變更以及探空儀器變化對PBLH的計算影響不大。

Seidel等[21]對10種計算PBLH的方法進行了對比研究, 得出Vogelezang等[6]最初提出的BRN法既可以準確判斷出夜晚穩定邊界層高度,又能夠準確指出白天對流邊界層高度, 比較適用于較大數據集的氣候學研究分析, 故本文也使用該方法。

BRN是浮力頻率與風剪切的比值, 其定義如下:

其中,z是高度,g是重力加速度,θv是虛位溫,u和v是緯向和經向風分量,b是常數,u*是表面摩擦速度, 下標s表示地表。由于摩擦速度項遠遠小于風切變項, 故本研究中忽略此項。由于無線電探空觀測中沒有觀測到地表風, 所以地表風記為0,即us和vs為0。由于探空資料中未直接給出虛位溫θv, 因此需要通過資料中的位溫θ、氣壓P以及水汽壓e導出:

最終, 可以得到一個簡化后的方程組作為計算大氣邊界層高度的理論依據, 方程組如下所示:

計算出Ri數后, 對于每一層計算出的Ri數,從地面向上掃描, 找到第一個Ri≥0.25的高度,確定其為第一層, 并將這層與其臨近的比它低的那一高度層進行線性插值, 從而估算出Ri=0.25時的高度即為大氣邊界層高度。

2 結果

挪威揚馬延島位于在挪威本土以西的北冰洋上,島嶼為西南至東北走向, 長約62 km, 寬約14 km,面積約為372.5 km2。島上地形高峻, 多冰川, 貝倫火山為全島最高點, 海拔2 277 m。由于揚馬延島地處北極圈內, 所以每年的5月17日至7月28日左右, 揚馬延島會出現極晝現象; 而到了每年的11月19日至次年1月23日左右, 會出現極夜的現象。此外, 揚馬延島位于西一區, 觀測時刻世界時00:00 UTC和12:00 UTC分別處于當地時23:00(夜晚)和11:00(白天)。為了能夠更加全面了解揚馬延島背景大氣狀況, 本文給出了揚馬延島多年月平均地面氣溫(ST)、地面相對濕度(RH)、抬升凝結高度(LCL)和自由對流高度(LFC)的時間序列(圖1)。

圖1 揚馬延島多年月平均值時間序列. a)地面氣溫(ST); b)地面相對濕度(RH); c)抬升凝結高度(LCL); d)自由對流高度(LFC)Fig.1. Time series of monthly averaged value at Jan Mayen. a) ST; b) RH; c) LCL; d) LFC

揚馬延島雖然處在北極圈內, 但是全年溫度變化不明顯(圖1a), 溫度變幅在–5—5℃, 全年溫差僅約10℃, 而這主要是受到墨西哥灣暖流(Gulf Stream)的影響, 暖流加熱島嶼周邊海面上空大氣,進而影響到島嶼本身氣溫, 最終導致地處北極圈內的揚馬延島全年溫差較小。地面氣溫在4—8月持續升高, 而8月至次年3月持續降低。這與揚馬延島的極晝極夜時長有關, 極晝期間, 地表全天吸收太陽輻射, 地表增溫; 極夜期間, 沒有太陽輻射的能量輸入, 地表向外發射長波輻射, 地表降溫。圖1b顯示, 地面相對濕度在夏季達到1年中的最大值, 而在冬春季節則維持在1年中的較低水平, 且春、夏、秋三季白天相對濕度小于夜間的相對濕度。抬升凝結高度一般可以粗略用作估算云底高度, 圖1c顯示秋冬季節至次年早春, 揚馬延島的抬升凝結高度較高, 而整個春末至夏季當地抬升凝結高度都較低, 其中全年以7月高度為最低。這表明揚馬延島常年多云, 云層高度較低, 年均高度313 m, 且春夏兩季白天云層高度略高于夜間,此外較低的云高也說明當地的相對濕度可能較大,這與圖1b的結果吻合較好。圖1d的自由對流高度作為衡量對流強弱的指標, 其季節變化表現為冬春季節的對流高度高于夏季, 且春、夏、秋三季夜間對流強度比白天大。

在夏季云層高度較低, 冬春季云層較高的狀態下, 揚馬延島的多年月平均大氣邊界層高度的時間序列(圖2, 實線)顯示3—10月當地時11:00(白天)的大氣邊界層高度明顯高于當地時23:00(夜晚)的高度, 略高100 m左右, 而11月至次年2月份則剛好相反, 當地時23:00的高度高于當地時11:00的高度。由冬到夏, 月均高度呈現一個遞減的趨勢, 7月達最低, 約250 m, 而由夏至冬, 則呈現一個遞增的趨勢, 冬日高度約為600 m。簡言之, 揚馬延島極晝時期的大氣邊界層高度小于極夜時期的大氣邊界層高度。而地面相對濕度的月平均變化趨勢則與大氣邊界層高度的變化趨勢相反,其中00:00 UTC時段兩者相關系數為–0.962,12:00 UTC時段為-0.942, 夏季地面相對濕度處于1年中的最大值, 其中以7月平均相對濕度為最大, 約為91%。

圖2 揚馬延島大氣邊界層高度(PBLH)和地面相對濕度(RH)多年月平均時間序列Fig.2. Time series of monthly averaged PBLH and RH at Jan Mayen

對于中低緯度而言, 溫度與大氣邊界層高度是正相關的, 即溫度越高, 感熱通量越大, 邊界層內大氣對流越強盛, 大氣邊界層也越高[22-23]。而本文研究發現, 北極圈內的揚馬延島, 卻出現冬春季節大氣邊界層高度比夏季大氣邊界層高度高出2—3倍的情況; 大氣邊界層高度與濕度成反相關關系。為了進一步驗證這一猜想, 本文選取了同樣位于北極圈內且與Jan Mayen島氣候較為相似的Bjornoya島上的探空站(74.52°N, 19.02°E,海拔18 m)進行對比研究。圖3顯示, Bjornoya島多年月平均的大氣邊界層高度與地面相對濕度同樣表現為反相關關系, 其中00:00 UTC時段兩者相關系數為–0.968, 12:00 UTC時段為–0.879。這些結果均暗示著, 北極揚馬延島夏季月均大氣邊界層高度可能主要是受到地面相對濕度的影響,夏季較高的水汽可能抑制了Jan Mayen島邊界層內的大氣對流過程, 從而夏季表現為較低的高度。在此基礎上, 本研究對這一發現進行了更深的研究探討。

圖3 Bjornoya島大氣邊界層高度(PBLH)和地面相對濕度(RH)多年月平均時間序列Fig.3. Time series of monthly averaged PBLH and RH at Bjornoya

從地面相對濕度與大氣邊界層高度年平均序列(圖4)也可以看出, 地面相對濕度的年變化在幾個大氣邊界層年均高度的峰值點處, 如1975年、1983年等年份都呈現較好的反相關。此外, 從圖2也可以發現, 月均地面相對濕度的變化與PBLH的變化是同期且反向的。而月均地面溫度的變化與PBLH的變化并不是同期的, 最高溫度出現在8月, 而月均PBLH的最低值出現在7月, 并且由圖1d可知, 夏季相對其他季節較高的地面氣溫并沒有給揚馬延島帶來較強的大氣對流過程, 相反自由對流高度在整個夏季都表現為1年中的低值。這些表明, 與地面氣溫相比, 地面相對濕度對于該地大氣邊界層高度的變化影響較大, 相對濕度與大氣邊界層高度大體呈現一個反相關關系。地面相對濕度對大氣邊界層高度的影響過程主要表現為較高的相對濕度會導致較高的潛熱通量, 進而限制大氣對流過程[16](圖1d)。通過分析當地1 000 m以下月均風場(圖5), 對比12:00 UTC和00:00 UTC兩個時段各月的風場垂直分布情況, 夏季兩個時段內低空風速較小, 其中以7月低空風速為最小, 進而反映邊界層內的弱對流過程, 而冬春季節低空風速較大, 反映出邊界層內較強的對流過程, 從而造成夏季大氣邊界層高度偏低。此外, 對于白天(12:00 UTC)對流邊界層高度大于夜晚(00:00 UTC)穩定邊界層高度這一現象, 主要是由于相對濕度的日差異所導致的。圖1b顯示, Jan Mayen站白天月均相對濕度大于夜間月均相對濕度。白天較高的相對濕度會限制當地的大氣對流過程, 因而白天大氣邊界層高度小于夜間的高度。

揚馬延島的大氣邊界層高度不僅在年內變化顯著, 其年際變化也十分有特點。圖4顯示, 在1973—1988年間, 揚馬延島大氣邊界層高度呈現下降的趨勢, 而在1988—1995年這8年間, 揚馬延島的年均大氣邊界層高度快速增高, 1995—2015年間, 大氣邊界層高度整體保持一個平穩的狀態。地面相對濕度的年平均變化序列則顯示,1983—1991年間, 地面相對濕度出現了明顯的上升, 而后于1991—1995年間快速下降。這期間,年均大氣邊界層高度表現為一段上升過程。通過求解地面相對濕度與年均大氣邊界層高度的相關關系發現, 兩者相關系數僅為–0.454。因此, 對于Jan Mayen站大氣邊界層高度的多年變化趨勢而言, 主要是受地面相對濕度的影響, 但可能還受到其他物理因素的影響。

圖4 揚馬延島大氣邊界層高度(PBLH)和地面相對濕度(RH)年平均時間序列Fig.4. Time series of annually averaged PBLH and RH at Jan Mayen

圖5 揚馬延島月均風場垂直分布圖. a) 00:00 UTC, b) 12:00 UTCFig.5. The vertical distribution of monthly averaged wind field at Jan Mayen. a) 00:00UTC; b) 12:00UTC

對于在1988—1995年期間年均大氣邊界層高度的快速增大, 對比這段時期的觀測數據, 排除了數據本身導致產生的跳變, 該段時期站點并未移動, 觀測數據的高度分辨率也并沒有變化。研究發現, 1986年8月—1988年2月以及1994年1月—1995年3月期間, 處于厄爾尼諾事件發生期[24], 墨西哥灣暖流在此期間會北移0.2個緯度[25], 這表明墨西哥灣暖流的強度在厄爾尼諾期間會得到一定的加強, 進而影響揚馬延島的背景大氣情況, 從而有可能導致年均大氣邊界層高度出現這種跳變。此外, 有研究顯示在全球變暖的背景下, 北極地區也發生巨大變化, 自70年代以來北極地區海冰面積和厚度不斷減少[26]; 而海冰面積的減少會直接影響到下墊面的輻射傳輸過程,進而影響大氣中的熱量平衡, 這也可能會對島嶼的常年氣候產生一定程度影響, 進而也可能會影響到大氣邊界層內的物理過程, 造成大氣邊界層高度產生一定的變化。

3 總結

本研究通過運用BRN方法對北極揚馬延島1973年—2015年的43年間IGRA數據分析其大氣邊界層高度變化特征, 通過研究其多年月均高度以及年際高度, 得出以下結論。

1. 揚馬延島夏季自由對流高度和大氣邊界層高度全年最低, 其中以7月的PBLH為全年最低,約262 m, 而12月的PBLH為全年最高, 約612 m。

2. 揚馬延島白天對流邊界層高度高于夜間穩定邊界層高度。

3. 受墨西哥灣暖流的影響, 揚馬延島全年溫差較小, 地面氣溫對大氣邊界層過程影響較小,不是造成夏季大氣邊界層高度低的主要原因。

4. 揚馬延島大氣邊界層高度與地面相對濕度呈現出明顯的反相關關系; 揚馬延島夏季較高的地面相對濕度導致較大的潛熱通量, 進而限制大氣對流過程。因此, 對于揚馬延島而言, 水汽是造成夏季大氣邊界層高度較低的主要原因。

5. 揚馬延島夏季低空風速較小, 而冬春季節低空風速較大, 這也表明夏季低空對流弱于冬季低空對流, 從而表現出夏季邊界層高度低于其他季節。

6. 揚馬延島年均大氣邊界層高度經歷了一個先降再升后平穩的過程, 1973—1988年為波動降低過程, 1988—1995年為快速增長的過程,1995—2015年圍繞550 m左右上下波動。

揚馬延島作為北極圈內的一個站點, 其大氣邊界層物理過程十分特殊和復雜。由于受到墨西哥灣暖流的影響, 暖流不僅改變了當地的氣候條件還帶來了豐富的水汽, 影響當地的地面相對濕度, 進而影響到大氣邊界層高度。值得一提的是,與揚馬延島臨近的Bjornoya島大氣邊界層高度也受到了水汽的影響。這兩個海島表現出類似的高度特征, 而這種特殊的邊界層過程是否是高緯度的海島探空站所特有的, 值得進一步研究。不僅如此, 1988年與1995年這兩年是厄爾尼諾事件發生的年份, 而這兩年間揚馬延島的年均大氣邊界層高度經歷了一次陡升, 這次過程與厄爾尼諾是否有直接聯系, 或者厄爾尼諾造成的墨西哥灣暖流北移是否造成了這次陡升的過程。這些都值得進行更深入的研究和探討, 從而完善對極區大氣邊界層物理過程的機制研究。

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