風廓線雷達資料和L探空資料確定濟南夏季邊界層高度的對比研究

王棟成，湯子東，邱 粲,2，董旭光，曹 潔

(1.山東省氣候中心，濟南 250031；2.上海師范大學地理系，上海 200234)

引 言

大氣邊界層的高度是污染物擴散、氣候及大氣等模式的一個重要輸入參數，邊界層高度的變化對數值預報中的物理過程、天氣預報的診斷分析、環境空氣質量的預報、空氣污染物的監控與預測、大氣環境容量的確定等也有相當重要的作用[1-3]?；诓煌奈锢砹?，判定邊界層高度的依據不同[4]。目前，邊界層高度的確定方法主要有兩類：一是基于參數化和簡單的模型計算，二是基于廓線測量[5]。參數化方法主要包括國標法[6,7]、羅氏法[7,8]、聯合頻率法-羅氏法B[7]、薩默斯(Summents)經驗公式法[7]、最小二乘曲線擬合法[9]等。參數化方法實用性強，但由于邊界層高度變化的復雜性及以地面常規觀測資料判斷邊界層變化的局限性，各種參數化方案的準確性均有待進一步驗證和改進[5]。廓線測量法主要包括干絕熱法[7,10-11]、實測法[7，12]、風速極值法[13-15]、位溫法[4,7](虛位溫梯度法[15-17])、濕度梯度法[1,18]、湍流能量法[4,15]、綜合評定法[7]等。廓線測量是確定大氣邊界層結構最常用的方法，可較準確地判斷邊界層高度，但大氣邊界層的特性和結構資料并不是常規氣象觀測的內容，因此對它的研究只能依賴于特定的試驗項目或每日2～3次的L探空，觀測資料在時間和空間上都非常有限[19]。

1 資料與方法

1.1 資 料

采用的2014年6月1-30日和7月15-24日每日07、13、19時整點后15 min、高度層0-4000 m的氣溫、相對濕度等數據，來自濟南L波段探空雷達記錄文件。L探空數據均經質量控制，符合中國氣象局《高空氣象探測規范》。L探空秒級和分鐘級數據的高度分辨率分別為6～7 m、400 m。考慮L探空整點后15 min開始探測，氣球按照400 m/min的速度上升，10 min的高度足以涵蓋WPR探測每6 min、3980 m的高度范圍，因此本研究采用的整點后18 min的ROBS數據與整點后15 min的L探空數據的時空匹配一致。每10 m高度層間隔的氣溫、相對濕度資料，利用L波段高空氣象探測系統數據處理軟件內插獲取[35]。

采用的地面氣象逐小時數據來自章丘氣象站，數據均經自動、人工審核與質量控制，符合中國氣象局《地面氣象觀測規范》要求。章丘氣象站與濟南WPR觀測站、濟南L探空觀測站屬于相同站場，觀測場經緯度、海拔高度基本一致，本文統稱為濟南站。

1.3 對比方法

表1 2014年濟南夏季三種方法判斷HCBL的能力對比

2 結果分析

2.1 個例分析

(1)三種方法確定的結果對比

表2 三種方法確定的濟南站2014年7月18日HCBL結果對比

圖1 L探空虛位溫梯度法(a)、濕度梯度法(b)、WPR偏離度法(c)三種方法確定的濟南站2014年7月18日07時(a1-a6)、13時(b1-b6)、19時(c1-c6)HCBL對比

(2)逐小時HCBL的日變化

基于方法三確定的濟南站2014年7月18日07-19時逐小時HCBL變化見圖2，并同時給出了該日地表溫度、氣溫日變化和方法一、方法二確定的早中晚HCBL。由圖2可見，該日HCBL自07時的640 m逐漸波浪起伏式增高，至午后15-16時達到最高值2740 m，其后快速降低，至19時為760 m。與通常的HCBL最高值出現在15時略有不同，該日最高值持續至16時。分析原因是該日在太陽輻射作用下，地表長波輻射較強，地表溫度最高達64.3 ℃(13時)，近地面氣溫13-16時滯后響應且緩慢持續增高達36.0 ℃(16時)，大氣邊界層內的湍流運動使近地層熱量向上傳遞，上下層熱交換充分且對流較強、熱浮力和動力抬升作用滯后所致。同時也顯示，HCBL最高值對近地面熱通量作用的響應時間尺度為1 h或更短，而對地表熱通量作用的響應時間尺度則可滯后達3 h，這與張堅[15]、盧萍[39]等的研究結果一致。

圖2 偏離度法確定的濟南WPR站2014年7月18日白天的逐小時HCBL變化

2.2 夏季6-7月三種方法可對比有效樣本的統計分析

圖3 三種方法判定的2014年濟南夏季07時(a)、13時(b)、19時(c)HCBL結果逐樣本對比

表3 三種方法判定的2014年濟南夏季同時刻HCBL統計結果對比

(1)三種方法確定的結果統計分析

三種方法確定的HCBL均值、最小值、最大值雖個別有差異但差異較小，總體一致性很好，表明WPR實測和L探空實測結果均能很好地反映大氣邊界層高度變化的實際狀況。方法三確定的濟南2014年6-7月白天平均HCBL為1124.4 m，其中07時的為510.0 m，13時的為1884.5 m，19時的為658.2 m。

07時，方法三的平均值較前兩者的差值分別為+14.3、+9.3 m，最小值的差值分別為+20、0 m，最大值的差值分別為-20、-20 m。30組有效樣本中，方法三與前兩者的差值范圍在-180～+250 m(76.7%樣本的差值在-80～+100 m)、-180～+200 m(80.0%樣本的差值在-100～+100 m)。方法一和方法二的差值范圍很小，為-50～+80 m，且83.3%樣本的差值在-20～+30 m，平均值差僅5.0 m。

13時，方法三的平均值較前兩者的差值分別為+36.4、+21.6 m，最小值的差值分別為+20、+10 m，最大值的差值分別為+50、+80 m。31組有效樣本中，方法三與前兩者的差值范圍在-170～+490 m(70.0%樣本的差值在-80～+100 m)、-270～+310 m(63.3%樣本的差值在-100～+100 m)。方法一和方法二的差值范圍為-380～+290 m，且80.6%樣本的差值在-40～+80 m，平均值差僅14.8 m。

19時，方法三的平均值則較前兩者的差值分別為-27.3、-25.4 m，最小值的差值分別為-70、-30 m，最大值的差值分別為+40、+40 m。11組有效樣本中，方法三與前兩者的差值范圍在-130～+40 m(90.9%樣本的差值在-70～+40 m)、-150～+50 m(81.8%樣本的差值在-60～+50 m)。方法一和方法二的差值為-60～+110 m，且90.9%樣本的差值在-60～+10 m，平均值差僅1.9 m。

(2)三種方法結果的相關性分析

圖4 三種方法確定的2014年濟南夏季07時(a1-a3)、13時(b1-b3)、19時(c1-c3)、全部樣本(d1-d3)HCBL的相關性對比單位：m

2.3 濟南夏季6-7月HCBL日變化

表4 偏離度法確定的濟南夏季6月、7月HCBL統計結果 m

(1)各典型日HCBL逐小時值是波浪起伏式變化的，而非平均值那樣的持續增高或降低；07-15時的HCBL總體呈現緩慢增高態勢，而15時后有一些HCBL是斷崖式降低的，如6月3、6、24、28日和7月19、22日等，而另一些則是延續滯后至16-17時才迅速降低的，如6月17、23、27日和7月15、16日等。原因是對流邊界層的形成階段是由于熱力抬升增強導致的熱泡式起伏增長，而對流邊界層的崩潰階段則是熱力抬升減弱導致坍塌式快速降低[16]。

(2)濟南站夏季6月小時HCBL最高為3460.0 m，出現在6月6日15時(圖5a)；逐小時HCBL最高值在13-16時均可出現，其中以15時的最多，為18天，其次是14時的11天、13時的8天、16時的3天。7月小時HCBL最高為3220.0 m，出現在7月17日15時(圖5b)；逐小時HCBL最高值在14-16時均可出現，其中以15時的最多，為4天，其次是16時的3天、14時的2天。6月、7月平均HCBL日變化規律基本一致，均是早晚低、中午高，最高值均出現在15時，07-15時HCBL均為緩慢增高，15-19時HCBL則快速降低。6月、7月的07時平均高度分別為498.2、526.7 m，19時則分別為586.3、573.3 m，15時最高分別為2205.0、2157.1 m。7月的最高值略低于6月的，可能是時段短、樣本數少所致。

圖5 偏離度法確定的2014年濟南6月(a)和7月(b)HCBL月均值和典型日值的逐小時變化

(3)WPR與L探空確定的HCBL平均值早、中、晚均較為一致。6月07、13、19時的差值分別為+16.2、+40.7、-82.3 m，7月07、13、19時的差值分別為+3.7、0、-86.7 m。

3 結論與討論

(2)濟南6月、7月對流邊界層高度15時最高值可達3460.0、3220.0 m，平均值可達2205.0、2157.1 m。07-15時的對流邊界層高度為波浪起伏式緩慢增高態勢，15-19時的變化則是斷崖式降低，這與熱力抬升的增強和減弱過程直接相關。

(3)雖然WPR觀測數據具有高時間分辨率的優點，但其空間分辨率不及L探空數據的高。而且，WPR探測能力和產品數據的質量，仍是制約確定大氣邊界層高度的關鍵因素。當有降水時或各高度層的相對濕度連續較大時，或夜間邊界層高度低于WPR最小探測高度100 m時，或冬季探測能力低于邊界層頂高度時，或低層信號受地面雜波干擾時，或數據缺測較多、異常情況大量出現時，不同觀測模式、數據運算方法等自身存在的諸多問題，均可能會導致無法判定邊界層高度的情形。當然，相比3 km探測高度的WPR，6 km探測高度的WPR探測能力進一步提高，可一定程度地解決大氣邊界層高度有時無法判定的問題。