帕米爾高原近地層氣象要素垂直變化特征

鄭先念，張太西，霍 文，買買提艾力·買買提依明，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.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；3.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒841000；4.新疆氣象局，新疆 烏魯木齊830002；5.山丹縣林業技術工作站，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，是地氣之間進行物質、能量、熱量和水汽交換必須通過的氣層，其厚度隨地表特征、季節和天氣背景變化而不同，范圍最薄時可為百米量級，最厚時可達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”，也是與人類活動和各項生態環境構成最為密切的一層。第一次工業革命以來生態失衡、環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生的物理過程、化學過程和生態過程等密切相關。大氣邊界層中氣象要素的垂直廓線特征也是大氣物理、大氣化學以及大氣環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，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的非均勻特征和極強的平流作用[4]。到目前為止，對我國干旱區、半干旱區不同下墊面的大氣邊界層結構和廓線的研究[5-17]，取得了重大的研究成果和突破[18]；近年來一些學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，在不同天氣下對近地層空氣溫濕度垂直變化進行了分析[19-26]，一些學者利用觀測和格點資料還分析了沙塵暴過境時近地層氣象要素脈動特征及其相互關系[27]。然而，對于帕米爾高原大氣廓線和氣象要素脈動的研究甚少。

帕米爾高原塔什庫爾干區域作為典型的高原下墊面，是中巴經濟走廊的必經之地，對區域大氣邊界層的研究顯得極為重要。本文利用中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所在塔什庫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站32 m梯度鐵塔資料，分析該區域近地層氣象要素的變化情況，為系統認識帕米爾高原大氣邊界層風、溫、濕垂直結構及變化規律提供基礎參考，從而為中巴經濟走廊建設的氣象災害防御工作提供科學依據。

1 研究區概況與方法

中國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站（36°51″N，75°27′42″E，海拔高度4 733 m）位于中國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，8月正式運行。從該區域2010年以來的自動氣象站的觀測數據可知，區域年平均氣溫為-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℃，常年盛行風向為W、WNW，年平均風速為4.2 m·s-1，屬于嚴寒的強烈大陸性高山氣候。

圖1 帕米爾高原陸氣相互作用觀測站地理位置示意圖

觀測站32 m梯度鐵塔共有7個層次觀測平臺，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（西北向）離橫臂邊緣5 cm處安裝了風向風速探頭，在橫臂右側（東南向）離橫臂115 cm處安裝了溫濕度探頭[3]。數據采集頻率為1 Hz，采集結果輸出為1 s、10 s、1 min、30min、1 h、1 d不等的時間數據和統計，文章采用梯度探測系統小時平均的氣象要素數據，分析了2017年8月18日晴天和30日陰雨天氣時近地層風速、氣溫和濕度廓線分布和脈動特征。

比濕（q）由相對濕度計算得到，利用中國氣象局地面觀測規范中方法計算[28]。

脈動風速、氣溫和比濕以小時平均的風速、氣溫和比濕與相應時段小時數據的日平均風速、氣溫和比濕之差表示，用以反映風速、氣溫和比濕的波動范圍，以此體現這3種要素的日波動幅度[29]。

2 結果與分析

2.1 近地層風速廓線特征

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

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

圖2 晴天（a）和陰雨（b）天氣時近地層風速廓線特征

本文與前人在城市[12-14]、沙漠[23]和青藏高原[25]風速廓線和脈動的研究均存在一些差異，尤其晴天下4 m高度以上風速隨高度呈現波動減小趨勢，原因可能在于，一方面是風速隨高度的變化很大程度上取決于大氣層結的穩定性[30]，近地層大氣層結處于穩定狀態，風速廓線向下凹，近地層大氣層結處于不穩定狀態，風速廓線向上凹；另一方面，觀測塔地處帕米爾高原，地表生長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影響大氣層結的穩定性，進而影響風速，使得風速在時間和垂直變化上都呈現一些獨特性。

晴天和陰雨天氣下各高度層脈動風速概率分布近似符合高斯函數，且高度越高，概率分布擬合曲線越陡，脈動風速分布越集中（圖3）。日變化上，風速脈動均呈現高度越高風速脈動范圍越大、波動的范圍白天均比夜間大，且隨著高度的增加風速脈動均呈增大趨勢，風速脈動值在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。說明高度并不能改變脈動風速的分布規律，僅改變脈動風速的波動范圍和概率分布的集中性，與安志山等[29，31]在沙漠綠洲過渡帶和沙漠腹地的研究結論一致。

各高度風速脈動值隨著時間的變化呈無明顯周期性的增大或減小變化特點，說明風速還有間歇性特點。晴天（圖3a）和陰雨天氣（圖3b）的風速脈動最大波動幅度分別為4.4和5.2 m/s，最小值波動幅度分別為2.1、2.6 m/s。相鄰高度層間均具有顯著相關性，經計算相關系數，晴天的相鄰高度相關性均在0.90以上、陰雨天氣相鄰高度相關性均在0.96以上。

圖3 晴天（a）和陰雨（b）天氣時近地層風速脈動特征

當然，不同天氣下的風速脈動也存在不同點，晴天時夜間（20—07時）呈現出高度越高風速脈動的值越小，陰雨天則在14—00時呈高度越高風速脈動越大，其他時段則與之相反。

2.2 近地層氣溫廓線特征

氣溫廓線上日、夜間32 m高度范圍內溫差均呈現陰雨天氣小于晴天（圖4）。但是就其日分布類型[3]來說也不相同，晴天均可分為夜間輻射型、早上過渡型、白天日射型及傍晚過渡型，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，大氣層結穩定，而近地層這種穩定的逆溫分布不利于湍流運動的發展，使得熱量不能很快地傳到地表。19時進入夜間，氣溫持續降低且隨著時間變化降溫幅度逐步減弱，19—00時氣溫降低了4～6℃，04—06時氣溫降低到0.3～0.5℃。

氣溫廓線07時左右呈早上過渡型，隨著太陽輻射影響，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時在貼地層1 m高度處存在1個拐點，拐點之下受到太陽輻射的影響已經慢慢進入白天的日射型，而在拐點以上還處于夜間輻射型狀態，直到10時近地層的氣溫廓線才全部進入白天日射型。

白天地面受太陽輻射加熱作用，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定狀態。因熱力不穩定的加強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時最大，期間整個32 m近地層氣溫增加了3.3℃左右。18時左右，氣溫廓線進入傍晚過渡型，由于午后隨著太陽高度角不斷變小，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。同時從20時廓線看出，4 m高度范圍內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，說明20時之后近地層大氣完全進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定的加強使得湍流混合增強，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時廓線可以看出，白天近地層10 m內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

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

由圖5b可知，陰雨天氣各高度層的脈動幅度均在1℃以上，最大可達1.4℃，可見近地層中氣溫脈動能明顯比晴天的小，且與晴天相反，高度越貼近地面，氣溫脈動愈小。氣溫脈動在日變化上與晴天一致?？傮w上，各個高度層上晴天的脈動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律均隨著高度增加呈減小趨勢，說明地表全天都有水汽向高空蒸發輸送。晴天天氣（圖6a）10 m高度內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，在近地層2 m范圍內，大部分時段都有一個極小值，極小值出現高度以上，比濕隨高度增加而增加，廓線呈逆濕[32-33]特征，極小值出現高度以下，比濕隨高度減小而增加。20和06時各個高度層比濕值明顯比白天的要大、比夜晚要小。

夜間時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時各層比濕的均值由原來的4.0 g/kg增大到4.2 g/kg，近地層10 m內比濕隨高度減小而明顯增大。09—12時，各層的比濕值隨著太陽輻射增強、氣溫升高而減小。13—16時隨著氣溫達到日最高而比濕值降到日最低，為1.7 g/kg（32 m），拐點高度下降到20 m高度層，17時拐點下降到2 m，拐點以上呈現逆濕趨勢，18時比濕均值回升到4.3 g/kg左右，19—21時比濕繼續增大，08時比濕值達到一日最大，為4.5 g/kg（0.5 m），與陰雨天最大值出現在22時的時間截然不同。

空氣濕度也具有脈動特征，采用比濕脈動來討論不同高度空氣濕度的脈動日變化特征。由圖7可見，不同天氣下的比濕脈動值在時間序列上波動性均具有一致性，即各高度的比濕脈動在各時間段均呈同增或者同減。主要不同點在于晴天的比濕脈動范圍比陰雨天大，晴天的比濕脈動在09—10時出現明顯變化，即10—23時白天受太陽輻射增溫，空氣相對濕度蒸發強烈作用，23時—次日09時夜晚氣溫逐漸降低，空氣相對濕度蒸發減弱，比濕脈動值呈正值，比濕脈動值達到日最大值，在14時降至最小（圖7a）；陰雨天氣受降水和太陽輻射影響較弱，比濕脈動全天變化不是很顯著（圖7b）。

圖7 晴天（a）和陰雨天（b）的近地層比濕脈動特征

結合圖4可知，比濕脈動與氣溫脈動具有同步性的變化趨勢，尤其在晴天這種變化特征更顯著。同時還看出比濕脈動與風速大致呈負相關。

3 結論

（1）不同天氣條件下帕米爾高原近地層風速垂直變化特征存在顯著差異。晴天，白天風速值隨高度降低呈現波動減小趨勢，夜間風速值隨高度降低呈現波動增大趨勢，風速梯度和風速值變化的范圍夜間均大于白天；陰雨天，近地層風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風速概率分布呈現高度越高，脈動風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、早上過渡型、白天日射型和傍晚過渡型等四種類型在晴天氣溫廓線日變化均有體現；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幅度與晴天相反，總體上，晴天的脈動幅度均大于陰雨天。

（3）不同天氣條件下帕米爾高原近地層比濕廓線分布規律均隨高度增加呈減小趨勢，且白天的這種變化更顯著，夜間時段內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值在時間序列上波動性具有一致性，晴天的比濕脈動范圍要比陰雨天氣大。同時比濕脈動與氣溫脈動具有同步性的變化趨勢，尤其在晴天時這種變化特征更顯著。