涂 靜，張?zhí)K平＊＊，程相坤，楊萬(wàn)裕，楊育強(qiáng)

（中國(guó)海洋大學(xué)1.物理海洋實(shí)驗(yàn)室；2.海洋－大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，山東青島266100；

3.大連市氣象局，遼寧大連116000；4.臺(tái)州市氣象局，浙江臺(tái)州318000；5.青島市氣象局，山東青島266100）

黃東海大氣邊界層高度時(shí)空變化特征＊

涂 靜1，2，張?zhí)K平1，2＊＊，程相坤3，楊萬(wàn)裕4，楊育強(qiáng)5

（中國(guó)海洋大學(xué)1.物理海洋實(shí)驗(yàn)室；2.海洋－大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，山東青島266100；

3.大連市氣象局，遼寧大連116000；4.臺(tái)州市氣象局，浙江臺(tái)州318000；5.青島市氣象局，山東青島266100）

根據(jù)2006—2007年大連、青島和臺(tái)州逐日高分辨率L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)探空資料、地面觀測(cè)資料以及再分析資料，采用干絕熱法和位溫梯度法分別計(jì)算了各個(gè)臺(tái)站的邊界層高度，繼而分析了黃東海邊界層高度多時(shí)間尺度變化規(guī)律和空間演變特征。結(jié)果表明：（1）用清晨探空資料計(jì)算每日邊界層高度，干絕熱法比位溫梯度法更為合理可靠；（2）沿海臺(tái)站邊界層高度有顯著季節(jié)變化，夏季最低，秋季最高，這有別于陸地邊界層普遍存在的夏季高、秋冬季節(jié)低的季節(jié)變化；（3）通過(guò)小波分析，發(fā)現(xiàn)邊界層高度有顯著的2～4 d天氣尺度振蕩和10～20 d準(zhǔn)雙周振蕩；（4）黃東海上空海洋大氣邊界層在時(shí)間尺度上同樣存在著明顯的春夏季節(jié)低、秋冬季節(jié)高的季節(jié)變化特征，大部分海區(qū)空間上呈現(xiàn)西北低、東南高的分布形態(tài)。

邊界層；黃東海；探空；干絕熱法；位溫梯度法；時(shí)空變化規(guī)律

大氣邊界層（ABL）又稱行星邊界層（PBL），是直接受地面影響的那部分大氣層，響應(yīng)的時(shí)間尺度約為1 h［1］。動(dòng)量、熱量和水汽等在邊界層中進(jìn)行快速的輸送交換，邊界層高度的變化對(duì)氣溶膠的分布、對(duì)流活動(dòng)以及云和霧的形成都有重要的影響［2］，因此邊界層高度一直作為天氣、氣候和空氣質(zhì)量模式中判斷湍流混合、垂直擾動(dòng)、對(duì)流傳輸、云帶和大氣污染物擴(kuò)散的重要指標(biāo)［3－12］。

自1980年代以來(lái)，中國(guó)學(xué)者在邊界層的研究領(lǐng)域已有不少成果，對(duì)北京、上海、成都和蘭州等幾個(gè)城市的大氣邊界層高度變化特征及其對(duì)污染物擴(kuò)散的影響進(jìn)行了研究［7，13－18］。通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)陸地邊界層通常呈現(xiàn)春、夏季高，秋、冬季低的單周期變化；空氣污染指數(shù)API與混合層高度之間呈反位相關(guān)系，大氣混合層厚度是影響城市空氣質(zhì)量的重要因素［19］。張?zhí)K平等在黃海邊界層層結(jié)變化與海霧的關(guān)系研究中指出，邊界層高度相對(duì)較低時(shí)有利于近海面的凝結(jié)水汽在低空聚集而形成霧［13，20－22］。王曉麗等在青島市水平能見度變化特征及氣象影響因子分析中發(fā)現(xiàn)，青島邊界層高度與能見度存在幾個(gè)相同的振蕩周期，說(shuō)明邊界層高度在一定程度上影響能見度［23］。目前國(guó)際上開展的對(duì)海洋大氣邊界層高度變化的研究主要集中海洋鋒附近和赤道太平洋地區(qū)，對(duì)比而言，我國(guó)對(duì)于海洋大氣邊界層的研究甚少，而海洋大氣邊界層層結(jié)的變化對(duì)海霧等危險(xiǎn)性天氣的發(fā)生、海－氣能量的交換有重要影響，其中的機(jī)理有待進(jìn)一步討論。

本文利用2006—2007年大連、青島和臺(tái)州3個(gè)沿海臺(tái)站的氣象臺(tái)L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)資料，初步探討邊界層高度的計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)沿海邊界層高度多時(shí)間尺度周期變化；并結(jié)合再分析資料，對(duì)黃東海上空大氣邊界層高度時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行探討，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)海洋大氣邊界層的演變機(jī)制奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為海洋大氣邊界層參數(shù)化方案的改進(jìn)、揭示黃東海邊界層高度季節(jié)變化中海洋和大氣相互作用機(jī)理提供參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

本文選取大連、青島和臺(tái)州（見表1）3個(gè)站點(diǎn)，站點(diǎn)自北向南依次分布在渤海、黃海和東海，經(jīng)度相差不大，均地處沿海位置，距離海岸線約1 000 m。這樣有利于排除日出日落時(shí)間差異以及內(nèi)陸與沿海熱力差異對(duì)分析造成的影響。

邊界層高度一般不是常規(guī)觀測(cè)得到，而需要根據(jù)溫度、濕度和風(fēng)等的垂直廓線計(jì)算得到，對(duì)這些要素的常規(guī)觀測(cè)通常是2次／d（0000和1200UTC），在500 h Pa（＜6 km）以下只有6個(gè)記錄。本文采用的探空數(shù)據(jù)來(lái)自GFE（L）波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)和GTS1型數(shù)字式探空儀（以下簡(jiǎn)稱L波段雷達(dá)），這是中國(guó)氣象局最近幾年才投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的新一代探空設(shè)備，其探測(cè)資料垂直方向分辨率為30 m，探測(cè)溫度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、濕度等氣象要素。高的垂直分辨率有利于對(duì)大氣邊界層結(jié)構(gòu)及變化進(jìn)行更加準(zhǔn)確的描述和分析［24－25］。數(shù)據(jù)描述見表1，觀測(cè)時(shí)段為2006—2007年，觀測(cè)時(shí)間為07：00（北京時(shí)間），加上青島在2007年7月到9月中70 d的4次／d（01、07、13、19LST）的加密資料，共計(jì)2 394個(gè)探空數(shù)據(jù)。

除L波段雷達(dá)數(shù)據(jù)外，本文使用資料還包括地面觀測(cè)資料（4次／d），F(xiàn)NL（NCEP Final Tropospheric Analyses，水平分辨率為1（°）×1（°），鉛直方向上不均勻分布，共26層（其中1 000～850 hPa有6層）再分析數(shù)據(jù)中的邊界層高度數(shù)據(jù)，以及氣候態(tài)月平均的NCEP感熱通量和潛熱通量數(shù)據(jù)（緯向分辨率為1.875（°），經(jīng)向?yàn)楦咚咕W(wǎng)格分布）和ICOADS氣候態(tài)月平均海氣溫差數(shù)據(jù)。

表1 L波段雷達(dá)探空數(shù)據(jù)描述Table 1 Descriptions of the L－band radar soundings

1.2 邊界層高度計(jì)算方法

1.2.1 干絕熱法 干絕熱法是由美Holzworth提出的，考慮在典型的天氣條件下，夜間由于地面輻射冷卻接近地面空氣形成逆溫、呈穩(wěn)定狀態(tài)，白天由于太陽(yáng)輻射而呈不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)忽略平流、下沉及機(jī)械湍流的影響時(shí)，平均混合層高度則由清晨探空溫度廓線和地面最高、最低溫度而定［26］。本文的具體計(jì)算法如圖1所示，以臺(tái)州2006年3月1、2日的探空為例，最大混合層高度H由日最高溫度T－max沿干絕熱線（γd＝－0.98℃／100 m）上升與07時(shí)探空溫度廓線的交點(diǎn)處高度確定，水平實(shí)線為估算的H位置（AGL：地表以上）。

1.2.2 位溫梯度法 由于在混合層中，位溫近于常量，出混合層后，位溫梯度迅速增大，本文定義位溫梯度變化最大時(shí)的高度為邊界層的高度。混合層蓋頂逆溫位置在沒有大尺度天氣系統(tǒng)影響下，變化比較緩慢，因此可以用1天中1次觀測(cè)的蓋頂逆溫底高度代表這1天的情況［27］。由于沒有連續(xù)的位溫資料，此處采用中央差分，用取代作為位溫梯度。圖1a中，紅色虛線為當(dāng)日07：00位溫廓線，其中水平實(shí)線位置表示位溫梯度最大高度，代表當(dāng)日的混合層發(fā)展高度。但是07：00的邊界層并不都是接地混合的，其中另1種比較典型的情況如圖1b所示為典型夜間邊界層結(jié)構(gòu)，需要排除接地的逆溫求得其上位溫梯度最大值高度，水平實(shí)線位置為本文判斷的當(dāng)日邊界層高度。

圖1 大氣邊界層高度計(jì)算Fig.1 The calculating method of ABLH

2 結(jié)果分析

2.1 計(jì)算方法分析討論

本文用以上2種方法分別計(jì)算了3個(gè)臺(tái)站2006—2007年逐日邊界層高度。圖2為經(jīng)過(guò)120 d低通濾波后的時(shí)間序列。可以看出，2種方法的計(jì)算結(jié)果都有顯著的季節(jié)變化，呈單峰結(jié)構(gòu)，不同的是，位溫梯度法結(jié)果最低峰值出現(xiàn)時(shí)間的比干絕熱法早。

為探討哪1種計(jì)算方法更為合理，下面將結(jié)果與每日邊界層發(fā)展的峰值時(shí)間13LST的觀測(cè)進(jìn)行比較。參照Shuyan Liu等［2］在2010年提出的計(jì)算當(dāng)下時(shí)刻邊界層高度的方法（該方法通過(guò)與激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果合理可靠）計(jì)算了2007年7～9月中70 d 07和13LST邊界層高度，并對(duì)其結(jié)果用實(shí)測(cè)法中的綜合評(píng)定法進(jìn)行校正，判斷邊界層高度為位溫突然增大并且濕度突然減小的位置（圖略），其校正后結(jié)果作為該時(shí)刻觀測(cè)的邊界層高度。

圖3為2種方法與觀測(cè)對(duì)比，從中可以看到，干絕熱法所得結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果趨勢(shì)一致，而位溫梯度法計(jì)算結(jié)果則偏離較大，尤其是在9月初。圖5例舉了9月位溫梯度法結(jié)果與觀測(cè)高度差異較大的13個(gè)位溫廓線。為了方便分析，每根廓線都加5K，虛線所示為判定的穩(wěn)定邊界層結(jié)情況。從圖4a.b中可以看出位溫梯度法計(jì)算邊界層高度仍然為07時(shí)刻的高度。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，清晨蓋頂穩(wěn)定層并不明顯，有些甚至消失，邊界層高度與正午時(shí)刻有很大差別，不可以用清晨的探空廓線覆蓋逆溫層底來(lái)代表一日中邊界層發(fā)展高度。

圖4 青島2007年9月位溫廓線（每天加5K）Fig.4 Potential temperature profiles with a successive displacement of 5 K for all sequential data samples，Sep 2007，Qingdao

圖4c所示為干絕熱法與觀測(cè)對(duì)比，可以看出二者結(jié)果更為接近，其中虛線所示當(dāng)天為多云天氣，邊界層為穩(wěn)定層結(jié)，即使如此，干絕熱法計(jì)算結(jié)果也與觀測(cè)接近。雖然干絕熱法在云雨較多的春夏季不及干爽的秋冬季節(jié)準(zhǔn)確，但其抓住了白天午后邊界層的發(fā)展最主要是靠熱力湍流作用，符合現(xiàn)代大氣邊界層研究結(jié)論［28］，通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)即使在夏季的7、8月，其計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)高度的變化趨勢(shì)也基本一致，因此以下分析均采用干絕熱法結(jié)果。

2.2 邊界層高度分布特征

比較3個(gè)臺(tái)站，大連與青島比較接近，邊界層高度在700～1 100 m左右，整體比臺(tái)州高，這可能是由于大連與青島地理位置比較接近，大氣環(huán)流形勢(shì)更為相似的原因。表2統(tǒng)計(jì)了3個(gè)臺(tái)站邊界層高度，可以看出最低值均出現(xiàn)在夏季的6月，3個(gè)臺(tái)站分別為729、628和509 m；最高值出現(xiàn)在秋季（9月、11月），分別為1 081、1 207和1 042 m。

干絕熱法得到的結(jié)果與吳祖常等在1998年計(jì)算得到的結(jié)果較為一致（表3例舉其中幾個(gè)臺(tái)站統(tǒng)計(jì)結(jié)果）。文中指出陸地臺(tái)站邊界層高度最低值通常出現(xiàn)在冬季，最高值出現(xiàn)在夏季，而近海臺(tái)站則不同，最大值出現(xiàn)在秋季，夏季要低于春季。如其中例舉的北京、濟(jì)南、太原等地的邊界層高度均為春夏季節(jié)高于冬季，而上海則是夏季最低、秋季最高，這體現(xiàn)了海陸的熱力差異影響。

表2 混合層高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果（干絕熱法）Table 2 The height of the mixing－layer（dry adiabatic method）

表3 混合層高度＊Table 3 Mixing－layer height／m

2.3 成因分析

影響混合層發(fā)展的因素有很多，其中浮力對(duì)流、機(jī)械剪切是產(chǎn)生混合能的主要驅(qū)動(dòng)力。下墊面加熱越多越容易在近地面形成不穩(wěn)定層結(jié)，促進(jìn)浮力對(duì)流的發(fā)展，而上方大氣層結(jié)的穩(wěn)定度同樣是決定混合層厚度的主要因子［29］，例如平流、下沉等原因形成的逆溫層，是典型的抑制下墊面湍流發(fā)展的穩(wěn)定層結(jié)。相關(guān)研究指出，大氣越不穩(wěn)定，水平和垂直湍流交換越強(qiáng)，混合層厚度越大；而在大氣層結(jié)為穩(wěn)定的條件下，湍流得不到發(fā)展，能達(dá)到的高度低，混合層厚度就?。?，15］。在穩(wěn)定邊界層中，機(jī)械剪切成為湍流的主要驅(qū)動(dòng)力，邊界層通常高度較低［1］。

圖5 氣候態(tài)月平均Fig.5 Climate monthly average

首先通過(guò)臨近臺(tái)站位置的海氣溫差判斷下墊面穩(wěn)定度情況。如圖5a所示，春、夏季節(jié)海溫等于或小于氣溫，形成相對(duì)穩(wěn)定的下墊面；冬季則相反，海溫要高于氣溫，形成不穩(wěn)定的下墊面。受到海氣溫差季節(jié)變化的影響，3個(gè)臺(tái)站對(duì)應(yīng)位置的感熱和潛熱通量（見圖5b、c）存在明顯的季節(jié)變化，與混合層高度的季節(jié)變化相似，呈春、夏季節(jié)低、秋、冬季節(jié)高的分布特征。也就是說(shuō)，下墊面熱浮力通量在秋冬季要大于春夏季，這與內(nèi)陸臺(tái)站的季節(jié)分布情況相反，是沿海臺(tái)站邊界層高度季節(jié)變化區(qū)別于內(nèi)陸臺(tái)站的主要原因。

圖6所示為3個(gè)臺(tái)站月平均的風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)切變和靜力穩(wěn)定度分布。從風(fēng)切變的季節(jié)分布可以看出，在夏季7、8月份，大的風(fēng)切變分布最低，機(jī)械剪切對(duì)混合能的貢獻(xiàn)最小。

圖6 大連、青島和臺(tái)州，2006～2007年合成月平均風(fēng)場(chǎng)（矢量，m／s）、風(fēng)切變（陰影，1／103 s）、靜力穩(wěn)定度（等值線，K／km）Fig.6 Dalian，Qingdao and Taizhou monthly average wind（vector，m／s），wind share（shaded，km／s）and static stability（K／km），form 2006 to 2007

大連和青島穩(wěn)定度大值區(qū)分布在4～7月，厚度約400 m。臺(tái)州同時(shí)段有靜力穩(wěn)定度大值區(qū)分布中層300～1 000 m處，9月到次年3月高度集中在200 m以下和高層800 m以上，表現(xiàn)為雙重穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。對(duì)比清晨傍晚的逆溫分布，秋冬季節(jié)的近地表穩(wěn)定層結(jié)是與高層不同的輻射逆溫情況（圖略），而800 m以上和4～7月中高層的穩(wěn)定層結(jié)沒有日變化，屬于季節(jié)性穩(wěn)定層結(jié)。

在青島，這種穩(wěn)定層主要是925 hPa偏西暖平流的貢獻(xiàn)，因?yàn)?月黃海上空（925 h Pa以上）基本維持冬季風(fēng)環(huán)流形勢(shì)，偏西風(fēng)從陸地吹向海洋，同時(shí)，4月由于海陸熱性質(zhì)差異，陸地為熱源，海洋為熱匯，約400 m厚的逆溫層4月建立，一直維持到7月，與青島霧季開始和結(jié)束的時(shí)間一致［20］。為分析大連和臺(tái)州季節(jié)性穩(wěn)定層形成的可能原因，圖7所示為再分析格點(diǎn)資料中對(duì)應(yīng)臺(tái)站位置的氣候態(tài)月平均溫度平流。對(duì)比探空資料的風(fēng)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)JRA25風(fēng)場(chǎng)與之有較好的對(duì)應(yīng)（資料來(lái)自JRA25，取大連：38°N，121°E；臺(tái)州：28°N，121°E，為清楚的看到冷暖平流中心，色標(biāo)在冷平流和暖平流取不同的間隔，分別為0.5和0.2K）。

從圖中可以看出，大連春季暖平流中心在900～940 h Pa，對(duì)應(yīng)春季低層的穩(wěn)定層結(jié)；臺(tái)州暖平流分布與穩(wěn)定度大值區(qū)分布形態(tài)相似，在春季約900～920 hPa有弱的暖平流對(duì)應(yīng)春季出現(xiàn)在200～800 m的穩(wěn)定區(qū)域。由于春季低層盛行偏南風(fēng)，偏冷的氣流來(lái)自海上，而上層覆蓋偏西風(fēng)帶來(lái)的內(nèi)陸暖空氣是形成穩(wěn)定層結(jié)的原因。在冬季約850 h Pa是暖平流中心對(duì)應(yīng)了臺(tái)州出現(xiàn)在冬季的1 000 m以上的穩(wěn)定度大值區(qū)。

低層高的穩(wěn)定度抑制了湍流的發(fā)展，使得春季邊界層高度較低，而臺(tái)州秋冬季節(jié)高層的穩(wěn)定層作為對(duì)流邊界層上部的蓋頂逆溫，阻礙湍流的向上發(fā)展，這與干絕熱法所得混合層高度結(jié)果有較好的對(duì)應(yīng)，同時(shí)也說(shuō)明，臺(tái)州秋、冬季節(jié)近地面輻射逆溫對(duì)混合層的發(fā)展并沒有影響。值得指出的是在季節(jié)變化中包含了年際變化和甚至更長(zhǎng)時(shí)間尺度的變化，但這些長(zhǎng)時(shí)間尺度的信號(hào)與季節(jié)變化相比是小量，不足以影響對(duì)季節(jié)變化的分析結(jié)果［20］。

在內(nèi)陸地區(qū)，白天對(duì)流邊界層高度的季節(jié)變化主要受到太陽(yáng)輻射的季節(jié)變化影響：夏季太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，湍流發(fā)展也較強(qiáng)，對(duì)流邊界層高度較大；冬季，太陽(yáng)輻射較弱，湍流強(qiáng)度也較弱，故對(duì)流邊界層厚度較低。這也是在內(nèi)陸地區(qū)一年中春、夏2季大氣擴(kuò)散稀釋能力較強(qiáng)，污染物較易于擴(kuò)散，空氣質(zhì)量較好；而冬、秋兩季大氣擴(kuò)散稀釋能力較差，污染物不易擴(kuò)散，空氣質(zhì)量較差的原因之一［15］。

綜上所述，在沿海臺(tái)站春、夏季海氣溫差小甚至為負(fù)值，下墊面相對(duì)穩(wěn)定，浮力熱通量最小，約920 hPa暖平流導(dǎo)致的低層季節(jié)性穩(wěn)定大氣層的建立以及夏季小的風(fēng)切變都使得邊界層高度在這2個(gè)季節(jié)較低；相反的，在秋冬季節(jié)，下墊面不穩(wěn)定，浮力熱通量大，以及大的風(fēng)剪切都有利于湍流的發(fā)展，形成更高的邊界層。

3 周期變化

以往對(duì)于邊界層高度時(shí)間尺度變化規(guī)律的研究，僅給出單一時(shí)間尺度的序列變化規(guī)律，例如月平均或季節(jié)平均的時(shí)間序列，無(wú)法反映邊界層的多時(shí)間尺度變化特征。在海洋上方，邊界層厚度的時(shí)空變化大多是由于海面的天氣尺度和中尺度過(guò)程的垂直運(yùn)動(dòng)以及不同氣團(tuán)的平流造成的［1］。為了探討邊界層的這些尺度的周期變化，本文將采用Morlet小波變換對(duì)3個(gè)臺(tái)站的邊界層高度進(jìn)行分析。小波分析在具有Fourier變換功能的基礎(chǔ)上，還能同時(shí)給出序列在時(shí)間頻率上的精細(xì)結(jié)構(gòu)，在時(shí)間序列的分析研究中，通過(guò)圖形可識(shí)別時(shí)間序列的各種尺度分布、變化［30］。

3.1 天氣尺度周期

圖8分別為大連、青島和臺(tái)州邊界層高度的小波分析結(jié)果。如圖所示，3個(gè)臺(tái)站的邊界層高度的主要周期為（2～10 d）天氣尺度高頻振蕩、（30～60 d）準(zhǔn)40 d低頻振蕩。其中圖b給出了總體波譜圖，可以看出2～4 d天氣尺度周期是邊界層振蕩的顯著周期，而準(zhǔn)40 d的振蕩沒有過(guò)信度。

比較3個(gè)臺(tái)站可以看出，天氣尺度振蕩主要集中在春季（3、4、5月），大連和青島比臺(tái)州明顯；并且在夏末和秋初（8、9、10月）大連和青島存在顯著的準(zhǔn)40 d的低頻振蕩，而臺(tái)州出現(xiàn)在冬季的1、2月份。

大氣邊界層這種天氣尺度的振蕩與高低壓、鋒面、高空槽（脊）長(zhǎng)波等大尺度天氣系統(tǒng)相聯(lián)系。天氣尺度的高低壓系統(tǒng)經(jīng)過(guò)大陸入海后引起大氣垂直運(yùn)動(dòng)和不同氣團(tuán)的平流是其原因之一。無(wú)論在陸地上還是海洋上，邊界層在高壓區(qū)比低壓區(qū)薄，與天氣尺度相聯(lián)系的空氣下沉以及低層的水平輻散把邊界層的空氣從高壓區(qū)向低壓區(qū)移動(dòng)；在低壓區(qū)，上升氣流運(yùn)動(dòng)把邊界層空氣從地面穿過(guò)對(duì)流層能夠帶到很大的高度，形成比較高的邊界層［1］。冷暖平流同樣影響著邊界層的高度，當(dāng)?shù)蛯佑信搅鲿r(shí)，穩(wěn)定度下降，有利于湍流增加，邊界層高度得以發(fā)展的更高，反之，當(dāng)?shù)蛯佑欣淦搅鲿r(shí)，穩(wěn)定度增加，湍流發(fā)展受到抑制，邊界層高度也就較低。

楊德保等曾對(duì)1989年12月1～15日蘭州市大氣邊界層和大氣擴(kuò)散試驗(yàn)期間天氣環(huán)流型與邊界層厚度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析并指出，當(dāng)局部高壓控制時(shí)，邊界層厚度最?。?1］。王式功等對(duì)1988～1992年冬季（12、1和2月）蘭州地區(qū)天氣系統(tǒng)和邊界層厚度之間的關(guān)系進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析中指出，冷鋒過(guò)境前，平均邊界層厚度最低，處于小高壓控制時(shí)次之；而處于冷鋒過(guò)后的蒙古高壓前部控制時(shí)，平均邊界層厚度最高，這正好揭示了冷鋒過(guò)境前污染較重，冷鋒過(guò)境后污染濃度迅速降低的重要原因［32］。

圖9 大連、青島、臺(tái)州10 d低通濾波邊界層高度小波分析Fig.9 Dalian，Qingdao，Taizhou 10 days lowpass ABLH wavelet analysis

3.2 季節(jié)內(nèi)振蕩

為了排除最顯著的天氣尺度振蕩，看其他周期的振蕩，將逐日的時(shí)間序列進(jìn)行10 d的低通濾波，然后進(jìn)行小波變換。圖9分別為大連、青島和臺(tái)州經(jīng)過(guò)10 d低通濾波后的小波分析結(jié)果。從能量譜上看，主要周期為10～20 d的準(zhǔn)雙周振蕩和準(zhǔn)40 d 2個(gè)周期。大連和青島分布相似，準(zhǔn)雙周過(guò)信度區(qū)域在春季和秋季最為明顯，準(zhǔn)40 d在7、8、9月過(guò)信度；臺(tái)州的準(zhǔn)雙周振蕩顯著時(shí)間要晚1個(gè)月左右，準(zhǔn)40 d在1、2、3月最為顯著；從總體波譜來(lái)看，準(zhǔn)雙周振蕩過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)線。

3個(gè)臺(tái)站各個(gè)周期分布的時(shí)域不同，說(shuō)明這種季節(jié)內(nèi)的振蕩具有明顯的地域性，可能與準(zhǔn)定常環(huán)流系統(tǒng)（大范圍天氣異常）關(guān)系密切。準(zhǔn)雙周和準(zhǔn)40 d的周期變化是相互聯(lián)系的，且在季風(fēng)區(qū)最為活躍。在季風(fēng)區(qū)，它們的活動(dòng)與季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)及其降水的中期變化（建立、活躍、中斷、推進(jìn)和撤退等）有關(guān)［33］。如我國(guó)南海季風(fēng)爆發(fā)后，西南季風(fēng)入侵南海地區(qū)，把大量暖濕空氣輸送到該地，對(duì)流活動(dòng)較強(qiáng)并伴有降水的發(fā)生，由于大氣中的能量迅速釋放，混合層厚度減弱甚至消失。一般在有降水云及熱帶擾動(dòng)的情況下，混合層的厚度顯著減小［34］。華南季風(fēng)的建立（5月）、梅雨建立（6月）及華北地區(qū)雨季（7月末）與黃東海大氣邊界層高度的季節(jié)內(nèi)振蕩有著密切聯(lián)系。其影響因素有待在今后的工作中進(jìn)一步討論證明。

4 黃東海邊界層高度分布

4.1 探空數(shù)據(jù)與再分析數(shù)據(jù)對(duì)比

迄今為止，模式中所用的計(jì)算邊界層高度的方法各有不同，據(jù)統(tǒng)計(jì)有50余種，其中FNL數(shù)據(jù)中的行星邊界層高度PBLH是通過(guò)塊體Richardson判斷湍流的發(fā)展高度來(lái)確定，也是模式中比較常用的方法，其原理是在穩(wěn)定邊界層中直接判斷Richardson達(dá)到臨界值0.3時(shí)的高度，對(duì)于不穩(wěn)定邊界層，考慮到浮力作用，加入地面熱通量的影響因素后再進(jìn)行判斷。

由于干絕熱法所求為當(dāng)日最大高度，本文選取FNL資料中接近正午時(shí)刻的06UTC（北京時(shí)12時(shí)）時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖10為FNL中對(duì)應(yīng)3個(gè)臺(tái)站位置的2006—2007年06UTC邊界層高度。對(duì)比圖2a與表2，可以看出邊界層高度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果在高度上有所差別，大連和青島偏低，臺(tái)州最為接近，但是季節(jié)變化與之一致，同樣在夏季最低，秋季或冬季最高。

圖11所示為3個(gè)臺(tái)站干絕熱法計(jì)算結(jié)果分別與研究區(qū)域的FNL邊界層高度資料做相關(guān)分析，過(guò)95%信度檢驗(yàn)的臨界系數(shù)為0.206（紅色虛線所示，在此已排除顯著自相關(guān)）。從過(guò)信度的區(qū)域范圍來(lái)看，3個(gè)臺(tái)站都是在臨近的海區(qū)相關(guān)最顯著，例如大連與渤海范圍內(nèi)的PBLH相關(guān)系數(shù)最大，而青島和臺(tái)州分別與黃海北部與東海西部相關(guān)最大，這首先說(shuō)明了FNL資料中PBLH與實(shí)測(cè)資料計(jì)算結(jié)果相對(duì)應(yīng)。并且可以看出海面上相當(dāng)大的范圍都過(guò)了信度，而陸地上幾乎沒有，說(shuō)明沿海臺(tái)站的邊界層高度整體受海洋影響顯著，與海洋邊界層高度的變化趨勢(shì)一致。下面將用FNL資料中的PBLH數(shù)據(jù)分析海洋上空大氣邊界層的季節(jié)變化。

4.2 黃東海邊界層高度分布

圖12a所示為2006—2007年平均的PBLH分布，高度在400～1 100 m之間，在黃海南部及東海大部分地區(qū)，PBLH呈現(xiàn)東南高、西北低的空間分布特征。為清楚的看到PBLH季節(jié)變化，在此分別取A1：36°N、A2：28°N、B1：121.5°E、B2：124°E 4個(gè)斷面進(jìn)行分析。

圖12b～e所示為各個(gè)斷面月平均的PBLH分布。沿A1為青島所在緯度的斷面（見圖12b），在120.5°E～126.5°E以及129.5°E以東下墊面為海洋，其余為陸地。從圖中可以看出，海洋上PBLH在春、夏季節(jié)要低于秋冬季；陸地上平均PBLH較海洋要低，隨季節(jié)變化與海洋相反，為春夏高、秋冬低的分布，在秋冬季節(jié)（11、12、1、2月份）黃海PBLH的東西分布最為明顯，最大差值可超過(guò)500 m；圖12c所示為沿A2斷面（28°N）臺(tái)州所在緯度的PBLH分布，約121°E以東下墊面為海洋，其余為陸地，圖中更明顯的表現(xiàn)了海陸差異，海洋PBLH季節(jié)變化比陸地顯著，東海在2、3月份存在明顯的東高西低空間分布特征。

圖12 2006—2007年黃東海邊界層高度分布Fig.12 The ABLH of Yellow－East China Sea from 2006 to 2007

圖12d為沿B1（121.5°E，青島和臺(tái)州所在經(jīng)度）斷面PBLH分布，其中包括了3塊海洋和2塊大陸區(qū)域，從圖中可以明顯的區(qū)分開；而圖12e所示B2斷面（124°E）幾乎為黃東海中部，整塊區(qū)域的下墊面均為海洋。圖中更清楚的反映了海洋PBLH的季節(jié)變化：冬季12月最高可超過(guò)1 100 m，在夏季6月最低，東海海域最低月500 m，一年中邊界層高度變化約600 m；黃海北部海域最低可達(dá)200 m以下，變化約1 000 m，季節(jié)變化較東海顯著。并且從圖中可以看出，在春、夏季的5、6、7月份，PBLH為明顯南高北低的分布特征，南北高度最大相差約500 m，秋季和冬季邊界層高度南北差異不顯著。

海洋上空邊界層高度的季節(jié)變化受海氣溫差變化的影響，在夏季，黃東海盛行偏南風(fēng)，空氣從暖的海區(qū)吹向冷的海區(qū)，海氣溫差在相當(dāng)大的海盆呈負(fù)值或小的正值，在近海面形成相對(duì)穩(wěn)定的邊界層，抑制湍流發(fā)展，邊界層高度較低；冬季盛行偏北風(fēng)，空氣由冷的海區(qū)吹向暖的海區(qū)，海氣溫差為大的正值，不穩(wěn)定的下墊面更有利于湍流的發(fā)展，從而形成更高的邊界層。另外，季節(jié)變化的海氣溫差使得海洋上的感熱與潛熱通量呈春夏低、秋冬高的分布，海洋上空云覆蓋以及云層頂?shù)妮椛淅鋮s引起的對(duì)流等都會(huì)對(duì)邊界層的發(fā)展產(chǎn)生影響，這將在今后的工作中進(jìn)行討論。

5 結(jié)論

本文利用大連、青島、臺(tái)州3個(gè)沿海臺(tái)站2006—2007年共計(jì)2 394個(gè)L波段雷達(dá)探空資料以及地面觀測(cè)資料，分別用位溫梯度法和干絕熱法計(jì)算了3個(gè)臺(tái)站白天對(duì)流邊界層高度，對(duì)比觀測(cè)的正午邊界層高度，選取相對(duì)合理的結(jié)果分析了沿海臺(tái)站邊界層高度的時(shí)空變化；并與再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，繼而討論了整個(gè)黃東海邊界層高度的時(shí)空變化特征，所得結(jié)論如下：

（1）在夏季，沿海臺(tái)站對(duì)流邊界層頂?shù)纳w頂逆溫位置不穩(wěn)定，清晨和正午有較大的差別，不能用1天／1次的蓋頂逆溫位置來(lái)反映當(dāng)日邊界層的發(fā)展高度；

（2）位溫梯度法所得結(jié)果與當(dāng)日邊界層發(fā)展的峰值高度相差甚遠(yuǎn)，更接近實(shí)際觀測(cè)值；

（3）沿海臺(tái)站的邊界層高度存在顯著的季節(jié)變化，在夏季最低，秋季最高，與內(nèi)陸臺(tái)站夏季高、秋冬季低有很大的不同，體現(xiàn)了海陸熱力差異的影響；

（4）通過(guò)小波分析，發(fā)現(xiàn)沿海臺(tái)站邊界層高度有顯著的2～4 d天氣尺度振蕩，10～20 d準(zhǔn)雙周振蕩以及30～60 d的準(zhǔn)40 d振蕩。天氣尺度周期和準(zhǔn)雙周振蕩的顯著時(shí)域在春秋季節(jié)，臺(tái)州較另外2個(gè)臺(tái)站約延遲1個(gè)月；準(zhǔn)40 d振蕩大連和青島在夏季最為明顯，而臺(tái)州在1、2月最明顯，這說(shuō)明這種季節(jié)內(nèi)振蕩與地域分布有關(guān)；

（5）黃東海海洋上空大氣邊界層有顯著的季節(jié)變化，呈夏季低、冬季高的單峰結(jié)構(gòu)；在黃海南部和東海大部分地區(qū)空間上呈現(xiàn)東高西低、南高北低的分布形態(tài)，其中東西分布在冬季最明顯而南北分布在夏季最明顯；季節(jié)變化在黃海北部明顯。與陸地邊界層高度的季節(jié)變化主要受到天陽(yáng)輻射變化的影響不同，海上主要受海氣溫差的季節(jié)變化影響，秋、冬季節(jié)不穩(wěn)定的下墊面更利于湍流的發(fā)展從而形成更高的邊界層。

由于邊界層高度確定的實(shí)際困難，至今沒有統(tǒng)一的方法，在以往的工作中，通過(guò)比較各種方法，干絕熱法作為較為理想的簡(jiǎn)便的方法廣泛被應(yīng)用，但其對(duì)“壞天氣”邊界層高度估計(jì)不夠準(zhǔn)確，其結(jié)果需謹(jǐn)慎應(yīng)用；對(duì)于沿海地區(qū)及海洋上空大氣邊界層高度長(zhǎng)時(shí)間尺度的研究甚少，其季節(jié)變化及空間分布的影響因素將在今后的工作中進(jìn)一步探討。

致謝：感謝中國(guó)氣象局公益專項(xiàng)提供資助；并感謝大連氣象局、臺(tái)州氣象局、青島氣象局提供探空資料。

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Temporal and Spatial Variation of Atmospheric Boundary Layer Height（ABLH）over the Yellow－East China Sea

TU Jing1，2，ZHANG Su－Ping1，2，CHENG Xiang－Kun3，YANG Wan－Yu4，YANG Yu－Qiang5
（Ocean University of China，1.Physical Oceanography Laboratory；2.Ocean Atmospheric Interaction and Climate Laboratory，Qingdao 266100，China；3.Meteorologic Bureau of Dalian，Dalian 116000，China；4.Meteorologic Bureau of Dalian of Taizhou，Taizhou 318000，China；5.Meteorologic Bureau of Qingdao，Qingdao 266100，China）

Abstrct:Based on the daily high resolution L－band radar soundings，surface observations，and reanalysis data from 2006 to 2007，the atmospheric boundary layer（ABL）heights are calculated by means of the dry adiabatic method（DAM）and the potential temperature gradient method（TGM）over the Yellow－East China Sea.The multi－time－scale variations and spatial distribution characteristics the ABL heights are analyzed.The results are as follows：（1）DAM is more reasonable and reliable compared with TGM to calculate the ABL height with morning soundings.（2）The ABL heights at three coastal stations have pronounced seasonal variations，higher in fall and lower in summer.That is different from their inland counterparts which are higher in summer and lower in fall and winter.（3）The variations of the ABL heights are periodical with 2～4 d of synoptic scale and quasi－two－week oscillation from wavelet analyses，（4）The ABLover the Yellow－East China Sea is higher in the eastern and southern parts and lower in the western and northern areas.

Atmospheric boundary layer；Yellow－East China Sea；L－band radar；dry adiabatic method；potential temperature gradient method；temporal and spatial variation

P421.3

A

1672－5174（2012）04－007－12

中國(guó)氣象局公益行業(yè)專項(xiàng)（GYHY200706031）資助

2011－04－01；

2011－05－03

涂 靜（1985－），女，碩士生。E－mail：tu＿jing2008＠live.cn

＊＊通訊作者：E－mail：zsping＠ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 龐 旻