東疆黑戈壁近地大氣邊界層氣象要素季節(jié)變化規(guī)律

阿吉古麗·沙依提 ，王遠弘 ，王 豫 ，劉永強

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；中國氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學試驗基地，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象學會，新疆 烏魯木齊830002；3.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊830002；）

近地大氣邊界層是指大氣邊界層中從地面向上幾十米（厚度可達50 ~100 m）的最底層[1]，可直接受下墊面的影響，其中，氣象要素的變化可以視為地氣相互作用的直接表現(xiàn)。同時，近地大氣邊界層與人類的生產(chǎn)活動也密切相關，各種天氣現(xiàn)象及氣象災害也多在此邊界層上發(fā)生，近地層各氣象要素的變化引起了國內外學者的廣泛關注[2]。我國西北干旱區(qū)地處亞洲的腹地，占國土面積的24.5%，地理位置比較特殊[3-4]，氣候干燥多風沙，自然降水少且分布很不均勻[5]，干旱區(qū)地表脆弱，對人類活動的響應敏感，很多環(huán)境問題在干旱半干旱區(qū)尤為突出[6]，而我國此干旱區(qū)域的氣候呈暖濕化趨勢[7]，干旱區(qū)大氣邊界層的研究，是干旱區(qū)氣候研究的重要組成部分[8-9]。西北干旱區(qū)春、夏季具有高感熱輸送特征，這種高感熱對于我國東部夏季氣候變異有著重要影響[10]。人口增長和過度的人類活動使得干旱區(qū)的生態(tài)環(huán)境趨向脆弱[11-12]。近年來，不少學者針對西北干旱區(qū)各類下墊面特征做了相關研究。在西北典型的不均勻下墊面黑河地區(qū)[13]，發(fā)現(xiàn)該地存在較強的地方性風和局地作用，綠洲和戈壁的小氣候特征在夏季差異很大，冬季差異很小。在我國第一大沙漠，塔克拉瑪干沙漠的腹地和北緣[14-16]，均發(fā)現(xiàn)了風速廓線滿足風速值隨高度增高而增大，風速梯度隨高度增高而減小的對數(shù)律關系；沙塵暴由爆發(fā)前到過境時，溫度廓線的溫度值由隨高度增高而增大轉變?yōu)闇囟戎惦S高度增高而減小；沙塵暴過境時，近地層大氣出現(xiàn)微弱逆濕現(xiàn)象，且整個沙塵暴天氣是一個降溫增濕的過程。而在北疆，對古爾班通古特沙漠的研究發(fā)現(xiàn)，沙塵暴的發(fā)生頻率低于塔中地區(qū)[17]，南北疆沙漠近地大氣邊界層氣象要素的季節(jié)變化規(guī)律有差異[18]。前人對西北干旱區(qū)地表輻射和熱量平衡、湍流通量和地表水分循環(huán)方面的研究取得了一系列新的認識，但是針對該地區(qū)戈壁下墊面近地大氣邊界層氣象要素變化的相關分析較少。

本文利用紅柳河戈壁陸氣相互作用觀測站（94°43′ E，41°32′ N，海拔 1579 m）2017 年觀測資料，分析東疆黑戈壁地區(qū)典型晴天下的戈壁近地層風、溫、濕廓線的變化特征，為更好地認識戈壁地區(qū)氣候和邊界層研究提供觀測事實。

1 數(shù)據(jù)及處理

1.1 研究區(qū)概況

紅柳河位于哈密地區(qū)和甘肅省交界處，周圍上百公里內無其他測站。該區(qū)域為礫石、砂礫覆蓋的戈壁下墊面。土壤發(fā)育微弱，石膏化過程和積鹽過程突出，表層有極不穩(wěn)定的孔狀結皮，其下為棕紅色緊實層及石膏層，其下的心土層為石膏結晶層，土壤發(fā)育為石膏棕色荒漠土。植被覆蓋稀疏，蓋度不足10%，屬于暖性干旱極干旱戈壁區(qū)[19]。紅柳河年平均氣溫為6.1 ℃，極端最高氣溫為40.6 ℃，最低氣溫為-35.1 ℃，年平均降水量為50.9 mm[20]。

1.2 資料來源與方法

紅柳河戈壁陸氣相互作用觀測站擁有35 m 梯度探測系統(tǒng)、輻射觀測系統(tǒng)、渦動相關觀測系統(tǒng)。其中 35 m 梯度觀測系統(tǒng)有 0.5、1、2、4、10、20、32 m 等7 層梯度觀測，以1 s 采集頻率對近地層內的風向風速、空氣溫度、空氣濕度、氣壓等數(shù)據(jù)進行觀測，并生成 10 s、1 min、30 min 觀測數(shù)據(jù)。

針對4 個季節(jié)的近地層氣象要素廓線分析，本文中選取 2017 年 1 月、4 月、7 月、10 月的 30 min晴天數(shù)據(jù)來代表冬季、春季、夏季和秋季。每天選擇00：00、02：00、04：00、06：00、08：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00、20：00、22：00 的值作為樣本進行分析。對于晴天資料的選取，利用紅柳河國家基本氣象站人工觀測天氣現(xiàn)象記錄，剔除了出現(xiàn)天氣和云量大于3 成的全天數(shù)據(jù)。通過地面氣象觀測記錄過濾后，所選取的冬季典型晴天為1 月6—31 日，春季典型晴天為 4 月 1—10 日、12—14 日、16—17 日、19—30 日，夏季典型晴天為 7 月 2—30 日，秋季典型晴天為10 月1—31 日。

對于梯度探測系統(tǒng)記錄，進行氣候極值和要素連續(xù)性檢查，根據(jù)檢查結果剔除了有異常的20 m高度處的風速測量結果。

2 分析與討論

2.1 東疆黑戈壁四季風速廓線特征

由圖1 可知，在晴天天氣狀況下，紅柳河近地層風速梯度日變化規(guī)律很明顯，風速隨著高度的升高而不斷增大，且0.5 ~ 4 m 風速的增量大于4 ~ 32 m的增量，各高度的白天風速梯度變化率小于夜間。由圖1 可以明顯地分辨出夜間穩(wěn)定型和白天不穩(wěn)定型，這是由于白天受到太陽輻射的影響，近地層能量交換平衡被擾亂，大氣層結不穩(wěn)定，即熱力不穩(wěn)定，湍流混合作用不斷增大，大氣的上、下層之間動量交換隨之增大，風速的切變便不斷減小，春、夏、秋3 個季節(jié)的風速在白天符合指數(shù)變化規(guī)律，在夜間線性平滑增長。

圖1 紅柳河四季典型晴天風速廓線

冬季，受下墊面積雪狀態(tài)的影響，地面反照率高，有效能量減少，湍流作用減弱，導致紅柳河近地層平均風速比其它季節(jié)都小。全天不同高度風速變化范圍為1.4 ~5.6 m/s，全天風速大值出現(xiàn)在夜晚22—08 時，風速小值出現(xiàn)在白天10—18 時。在0.5 m高度上，日風速差值為1.4 m/s；在32 m 高度上，風速差值達到最大為2.2 m/s。說明冬季，近地層風速的日波動隨高度的增加也更大，06—14 時，風速隨時間而下降，14—02 時，風速逐漸增大。春季的全天風速變化從06 時開始，風速隨時間持續(xù)下降，12 時達到白天的低谷，此后風速增大，到18 時升至高峰，此時，32 m 的風速比最低層風速大2.8 m/s，后又出現(xiàn)下滑，在整個夜間都處于風速波動較小的狀態(tài)。夏季的廓線分布形態(tài)和春季相似，日出后，風速下降的梯度變化率小于春季，12 時開始增大，18 時32 m風速達到了7.1 m/s，與0.5 m 高度的風速差為3.2 m/s。整個夜間波動趨勢較小，各高度上的風速都逐漸上升，其風速梯度變化較白天更小。秋季的廓線分布形態(tài)中可以看到，和春夏兩季不同，4 m 以上的大氣層在08—16 時風速值變化幅度很小，風速梯度很小。風速日變化和垂直變化的季節(jié)差異，來自于研究區(qū)干熱的地表條件和大尺度環(huán)流季節(jié)變化的影響。

2.2 東疆黑戈壁四季溫度廓線特征

圖2 紅柳河四季典型晴天溫度廓線

如圖2 所示，紅柳河地區(qū)的溫度廓線變化同樣也有夜間輻射型、早上過渡型、白天日射型和傍晚過渡型4 種類型，各季節(jié)不同類型的持續(xù)時間存在差異。整體來看，夜間都存在著逆溫現(xiàn)象，近地層大氣溫度隨高度增加而升高，大氣層結穩(wěn)定。太陽升起后，太陽輻射的增加破壞了原有的地面輻射平衡，下墊面的溫度迅速回升改變了逆溫的分布狀態(tài)，近地層大氣的上下層熱量交換增加且熱力差異減小。所以白天溫度隨著高度的變化幅度很小。伴隨太陽高度角的變小，下行輻射隨之迅速減少，地面輻射平衡則又被打破，下墊面比近地層的大氣冷卻更迅速，此時，該地區(qū)便轉變至夜間的逆溫狀態(tài)。同時，在紅柳河地區(qū)以10 m 為一個轉折點，10 m 以下各個時刻溫度的變化并不劇烈，甚至夜間逆溫狀態(tài)下也是10~32 m 的高度其溫度梯度變化更明顯。

冬季紅柳河晴天的近地層溫度都在-5 ℃以下，一天的最高溫度出現(xiàn)在14 時。除了白天的12 時、14時和16 時，其它時段近地層都處于較強的逆溫狀態(tài)。特別是18 時—次日08 時，紅柳河地區(qū)的逆溫表現(xiàn)很明顯，在06 時逆溫狀態(tài)最強，此時0.5~ 32 m的溫度差可達4.6 ℃。根據(jù)研究區(qū)1 月的天氣狀況和氣象資料分析可知（圖3），該地區(qū)的下墊面在冬季長期處于積雪狀態(tài)，積雪下墊面輻射冷卻較強，溫差梯度比其它季節(jié)大，同時冬季的日照時間為四季最短，所以白天日射型的時段很短，且14 時的上下層溫差很小，全天早上過渡型和傍晚過渡型也并不十分明顯。

圖3 2017 年1 月研究區(qū)的積雪深度分布

春季的廓線具有較好的規(guī)律性。08 時為早上過渡型特征，其過渡時間比冬季短，溫度在14 時達到最大，20—06 時均處于逆溫狀態(tài)，逆溫強度弱于冬季。夏季廓線變化特征最為明顯，氣溫日較差偏大。早上過渡型出現(xiàn)在06 時，夏季太陽輻射在一年之中最強烈，所以，06—08 時，整個近地層的溫度回升速度很快，到08 時進入了白天輻射型。近地層32 m內的溫度垂直遞減率為7.1~8.3 ℃/100 m，近地層大氣混合較為均勻。18 時左右上下層的溫差降到最小，逐漸過渡到夜間輻射型，夜間逆溫的溫差在02時達到最大為2.1 ℃，比春、冬、秋季都小。秋季整體廓線的特征均和春季相似，14 時0.55~32 m 的溫差為2.1 ℃，夜間逆溫溫差在02 時為2.8 ℃，各層上氣溫日較差同樣接近春季。

對比來看，冬季的逆溫持續(xù)時間最長，長達18 h，且逆溫狀態(tài)在4 m 處開始出現(xiàn)，逆溫層持續(xù)至32 m高度，春季的逆溫狀態(tài)持續(xù)了10 h，夏季的逆溫狀態(tài)稍顯微弱，20 時該觀測點近地層的上下溫度趨于一致，進入逆溫狀態(tài)，同樣持續(xù)10 h 消失，逆溫出現(xiàn)層同樣也是集中在4～32 m，秋季逆溫持續(xù)時間為12 h，高度與其它季節(jié)一致。綜上，戈壁地區(qū)的逆溫狀態(tài)在全年呈現(xiàn)季節(jié)性變化，春夏季和夜晚的出現(xiàn)與結束保持同步，隨時間推移至秋季持續(xù)時間變長，到冬季的持續(xù)時間延長到全年最長，再到春季縮短至10 h，逆溫的形成與很多氣象條件相關，冬季由于研究區(qū)下墊面有積雪覆蓋，垂直湍流作用較弱，阻礙了上下層動量的交換，有利于逆溫的形成。紅柳河戈壁的逆溫情況與在塔克拉瑪干沙漠北緣的沙漠—綠洲過渡帶的逆溫特征[14]類似。

2.3 東疆黑戈壁四季比濕廓線特征

紅柳河冬季近地面比濕很小，晴天的比濕全天變化分為2 個階段（圖4），08—14 時為比濕增大的階段，14 時達到峰值，18 時之后比濕隨時間變化而減小，梯度變化較升高階段更緩慢，20 時達一天最低值，這是由于冬季夜間溫度多在0 ℃以下，地面水分難以蒸發(fā)，白天隨著氣溫逐步升高蒸發(fā)到空氣中的水分也隨之增多。冬季全天比濕的波動范圍即為一年中最小，比濕值也是四季中最低的，白天12—18 時處于大值階段，且隨高度的增加變化不明顯。在冬季夜間10 m 以下濕度隨高度的梯度變化很小，但是在10~32 m 高度區(qū)間內存在逆濕現(xiàn)象，其比濕差為0.15 g/kg 左右。

春季的比濕值較冬季更大，全天的峰值出現(xiàn)在白天的08 時，在0.5 m 高度上比濕為2.56 g/kg，隨后比濕隨時間的變化而減小，到14 時為全天最小值，之后回升，在22 時出現(xiàn)一個小峰，持平一段時間后02—04 時減小到一個谷值，之后上升。在夜間的22—04 時，4~32 m 高度間有一個比較微弱的逆濕狀態(tài)存在，比濕差僅為0.02 g/kg，在其它時段不明顯，比濕隨著高度的變化緩慢的減小，呈現(xiàn)正常的分布規(guī)律，變化范圍不超過0.09 g/kg。

圖4 紅柳河四季典型晴天比濕廓線

夏季典型晴天的比濕值為四季中最大，0.5 m高度上全天比濕值范圍在4.78~5.53 g/kg，與春季相似，全天最大值出現(xiàn)在08 時，日間比濕迅速下降，18時發(fā)生轉折，02 時有一個峰值。在0.5~4 m 比濕隨著高度的升高有極小范圍的減小，4~32 m 高度內濕度值也是逐漸下降，特別是20~32 m 的高度間迅速下降，比濕差在0.1 g/kg 左右。

秋季紅柳河比濕廓線特征和其它季節(jié)明顯不一樣。0.5 m 高度，全天比濕變化范圍在1.61~1.91 g/kg，10 時在所有高度上的比濕都達到最大值，隨著時間推移，比濕值減小，各高度間的比濕差不斷增大，持續(xù)至08 時各高度比濕值趨于一致。其廓線出現(xiàn)明顯的逆濕分布，特別是在20 時—次日06 時，0.5 m 與32 m 高度的比濕差最大可達0.13 g/kg。

3 結論與討論

通過分析2017 年冬、春、夏、秋季紅柳河近地層典型晴天的平均風速、溫度和比濕廓線變化特征，可以得到以下結論：

（1）紅柳河近地層風速廓線白天與夜間有明顯的不同，在0.5~32 m 高度范圍內，風速在一天內的波動變化明顯，夜間風速大于白天，上下層風速差夜間大于白天。四季的風速差別不大，典型晴天下風速廓線的變化特征明顯，冬季戈壁處于結冰時期，與其他季節(jié)不同的是，冬季白天的風速變化特征與夜間相似。與南疆腹地的塔克拉瑪干沙漠的風速變化相比，紅柳河的整體波動幅度不大，與肖塘和哈德地區(qū)更為相似。紅柳河下墊面為粗礫質戈壁[22]，其植被覆蓋率雖然不高，但是稀疏的植被分布對于該地區(qū)的局地風速有一定的影響，區(qū)別于典型的綠洲區(qū)域[23]，戈壁更偏向于干旱氣候的特點。

（2）紅柳河地區(qū)近地層四季溫度廓線受太陽高度角的變化影響非常明顯，可分為早上過渡型、白天日射型、傍晚過渡型和夜間輻射型，與繆啟龍等[24]、洪雯等[25]、牛生杰[26]等在塔中地區(qū)和朱日和沙漠所得出的特征相一致，但不同季節(jié)的過渡時段和時長都有差別。逆溫層集中在4～32 m，冬季的逆溫狀態(tài)持續(xù)時間最長，其他季節(jié)的逆溫持續(xù)在夜間，且逆溫差比冬季小，這與李祥余等[16]、霍文等[18]在塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠的逆溫特征相符。四季的日最高溫度均出現(xiàn)在正午14 時，最低溫出現(xiàn)在早晨06 時，四季相差不大。紅柳河氣溫日較差均比較大，以秋季最為顯著。

（3）紅柳河的比濕廓線特征四季都存在明顯差異。整體看來，比濕在夜間普遍都高于白天，除了冬季，其它3 個季節(jié)在08 時達到峰值，白天是比濕逐漸下降的時段。近地層0.5~10 m 高度內比濕值無明顯的波動，10~32 m 高度內秋、冬2 個季節(jié)在夜間存在著明顯的逆濕，該觀測區(qū)的比濕值數(shù)量級較小，但其逆濕差變化較大，其逆濕狀態(tài)在干旱地區(qū)中存在明顯，秋季逆濕狀態(tài)弱于冬季，這與程穆寧對巴丹吉林沙漠比濕特征[27]的研究結論一致。春、夏兩季比濕隨高度上升逐漸減小，無逆濕現(xiàn)象。紅柳河的全年比濕變化與哈德地區(qū)相反，比濕在夏季為全年最高，冬季為全年最小，濕度受氣象條件[28-29]和地理條件[30]的影響，其中水汽輸送、地面風速和土壤濕度、經(jīng)緯度位置等均為主要影響因子，紅柳河夏季比濕全年最高的原因是該區(qū)域夏季降水條件優(yōu)于冬季，垂直湍流作用較強，風速大，上下層水汽交換作用強。