田野 劉旭林 于永濤 孟磊 張龍斌

(北京市氣象探測中心，北京 100176)

引言

大氣邊界層是對流層的最低一層，對地表和自由大氣間的熱量、動(dòng)量和氣溶膠的交換起到重要作用。其影響因素包括大尺度天氣過程、云量、太陽輻射、污染物排放及地形擾動(dòng)等。大氣邊界層高度是很多研究里的一個(gè)重要參數(shù)，包括污染擴(kuò)散、天氣預(yù)報(bào)、氣象模型和空氣質(zhì)量等[1]。模型中錯(cuò)誤的大氣邊界層高度值會(huì)明顯地影響低層云的形成和維持。目前沒有一種儀器或方法能夠直接測量大氣邊界層高度，只能通過代理因子或示蹤物來反演大氣邊界層高度。代理因子包括大氣氣溶膠、溫度廓線、風(fēng)廓線和能量通量等[2]。

在天氣背景和局地氣象因素影響下，大氣邊界層有明顯的日變化特征。在晴朗天氣下，其日變化特征可用圖1表示。邊界層主要分為3種：①如果在邊界層底部持續(xù)的熱量輸入占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致大氣垂直對流效應(yīng)增強(qiáng)，形成的大氣邊界層稱為對流邊界層(Convective Boundary Layer, CBL)，也稱為混合層；②如果邊界層底部較冷，上部較暖，則為穩(wěn)定邊界層(Stable Boundary Layer, SBL)，小時(shí)空尺度的湍流發(fā)生在此層；③如果在地表無熱通量且風(fēng)剪切力占主導(dǎo)作用時(shí)，則為中性大氣邊界層。大氣邊界層受天氣系統(tǒng)和當(dāng)?shù)貧庀鬆顩r影響很大[3]。殘留層(Residual Layer, RL)高度為中性邊界層頂高度與穩(wěn)定邊界層頂高度之差。當(dāng)天排放的污染物僅會(huì)留存在穩(wěn)定邊界層中，而之前多天的污染物則停留在殘留層中。在晴朗天氣條件下，當(dāng)太陽持續(xù)加熱地面時(shí)，產(chǎn)生了熱對流效應(yīng)，對流邊界層(CBL)就會(huì)發(fā)展；在夜間，地表產(chǎn)生的長波輻射逐漸使地表溫度降低，此時(shí)會(huì)在地表形成一個(gè)夜間穩(wěn)定邊界層(SBL)。在多云或降水天氣條件下，對流主要由地面熱輻射驅(qū)動(dòng)而不是太陽熱輻射，所以對流邊界層發(fā)展弱于晴天條件，表現(xiàn)為較慢的發(fā)展速度和較低的最大邊界層高度。

圖1 晴朗天氣下陸地上空大氣邊界層高度的日變化特征(引自Coen等[3])

大氣邊界層高度的時(shí)空變化范圍很大，從幾十米到幾公里不等。而地表觀測僅能直接探測到大氣邊界層最低部分的狀態(tài)。傳統(tǒng)測量大氣邊界層的水平或垂直結(jié)構(gòu)的方法是通過搭載在高塔、熱氣球或者飛機(jī)上的設(shè)備來現(xiàn)場觀測，但這些觀測通常只在某一或者離散的幾個(gè)高度上進(jìn)行。另一種非直接觀測方法是通過地面和衛(wèi)星設(shè)備的遙感觀測法，而衛(wèi)星觀測不足以提供高垂直分辨率的大氣邊界層反演結(jié)果。地基遙感設(shè)備能夠以較低成本提供連續(xù)且高時(shí)空分辨率的溫度、濕度、氣壓、水汽、氣溶膠和風(fēng)場等廓線數(shù)據(jù)用以反演大氣邊界層高度。

微波輻射計(jì)屬于被動(dòng)遙感技術(shù)，能夠接收和處理微波頻段的大氣電磁輻射信號，從而獲得連續(xù)的大氣溫度、濕度等垂直廓線。它已成為反演高時(shí)空分辨率大氣邊界層高度的一種重要手段。Wang等[4]對比了位于蘭州郊區(qū)的微脈沖激光雷達(dá)與微波輻射計(jì)反演大氣邊界層的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)對流條件下二者一致性很好，而在弱對流條件下，激光雷達(dá)反演結(jié)果要高于微波輻射計(jì)反演結(jié)果。Cimini等[5]首次提出了一種由微波輻射計(jì)的亮溫?cái)?shù)據(jù)直接反演混合層高度的方法，其反演結(jié)果與激光雷達(dá)反演結(jié)果的平均偏差≤10 m，均方根差為340 m，相關(guān)系數(shù)高于0.77。Coen等[3]對比了瑞士高原地區(qū)微波輻射計(jì)和探空反演的對流邊界層高度，得出二者的中值偏差<25 m，決定系數(shù)>0.7。還發(fā)現(xiàn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型COSMO-2計(jì)算得到的邊界層高度比微波輻射計(jì)反演結(jié)果高估幾百至上千米。劉思波等[6]利用非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多元線性回歸方法建立微波亮溫直接反演大氣邊界層高度的算法，并與激光雷達(dá)探測的大氣邊界層高度作對比，發(fā)現(xiàn)二者有較好一致性。楊富燕等[7]利用蘇州地區(qū)的微波輻射計(jì)探測的大氣溫度，使用溫度梯度法估算大氣混合層高度，并與激光雷達(dá)探測結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，大多數(shù)情況下激光雷達(dá)探測結(jié)果高于微波輻射計(jì)觀測結(jié)果；兩種遙感手段有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.76。劉繞等[8]利用壽縣稻麥輪作農(nóng)田區(qū)觀測站地基多通道微波輻射計(jì)結(jié)合位溫梯度法，計(jì)算了該站點(diǎn)的大氣邊界層高度，分析了邊界層高度的日、月和季節(jié)演變規(guī)律。沈建等[9]進(jìn)行了微波輻射計(jì)溫濕度廓線與激光雷達(dá)消光系數(shù)廓線探測邊界層聯(lián)合研究，結(jié)果表明，兩種方法之間存在良好的線性關(guān)系。李紅等[10]比較了蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測站點(diǎn)的天基與地基資料反演的大氣邊界層高度，發(fā)現(xiàn)微波輻射計(jì)資料與微脈沖激光雷達(dá)資料的結(jié)果更加相近，且與星載CALIPSO Level2的結(jié)果一致。De Arruda Moreira 等[11]分析了安裝在西班牙格拉納達(dá)地區(qū)的云高儀和微波輻射計(jì)的4年長時(shí)間序列資料，發(fā)現(xiàn)云高儀適合反演殘留層、微波輻射計(jì)更適合反演對流和穩(wěn)定邊界層，二者結(jié)合可以更好地研究當(dāng)?shù)氐拇髿膺吔鐚幼兓?guī)律。

常規(guī)的無線電探空一般一天只有兩次，無法完整地反演每日邊界層高度變化情況，但其對于對流層內(nèi)的溫壓濕等廓線的測量是相對最準(zhǔn)確的。之前大多研究進(jìn)行了探空和微波輻射計(jì)探測廓線的對比分析[12-18]，較少研究分析二者反演大氣邊界層的情況[3, 19]。

綜上所述，本文選取安裝在北京市國家大氣探測試驗(yàn)基地的微波輻射計(jì)的遙感數(shù)據(jù)來研究該地區(qū)的大氣邊界層高度日變化和月際變化特征，并與相應(yīng)時(shí)刻54511站點(diǎn)的探空反演結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

1 數(shù)據(jù)與方法

選取北京市國家大氣探測試驗(yàn)基地2017年5月1日至2019年8月31日的地基14通道微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)來研究大氣邊界層高度變化規(guī)律。它包括2個(gè)頻率段的子系統(tǒng)，水汽廓線子系統(tǒng)和溫度廓線子系統(tǒng),分別利用微波K波段大氣水汽窗口(22～31 GHz)和微波V波段大氣氧氣窗口(51～59 GHz)進(jìn)行天空亮溫觀測。微波輻射計(jì)的LV2產(chǎn)品數(shù)據(jù)能夠提供10 km以內(nèi)的高時(shí)空分辨率的溫度、相對濕度、水汽密度和液態(tài)水含量等廓線的觀測結(jié)果。每2 min返回一組觀測數(shù)據(jù)，其垂直高度分辨率并不固定。而原始基數(shù)據(jù)中的時(shí)間分辨率為1 min 高于LV2產(chǎn)品數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率，能突顯出溫度和濕度廓線的突變(毛刺)之處。因此，本文選取6 km高度內(nèi)的原始基數(shù)據(jù)來反演邊界層高度，表1給出了0～6 km高度內(nèi)的儀器垂直觀測分辨率。由于探空數(shù)據(jù)的垂直分辨率為10 m，為了便于比較，采用“三次樣條”法將每日6 km高度以下的溫度和濕度數(shù)據(jù)插值為垂直分辨率 10 m的溫濕數(shù)據(jù)來反演大氣邊界層高度。

表1 微波輻射計(jì)在6 km以下的垂直觀測分辨率 m

通過GTS13型數(shù)字式探空儀的觀測可獲得高度分辨率為10 m的探空數(shù)據(jù)，觀測變量包括：氣溫、氣壓、濕度、露點(diǎn)、虛溫、風(fēng)速和風(fēng)向等。除汛期(6月1日至8月31日)外，每天分別在07:15和19:15進(jìn)行兩次探空觀測，汛期則增加13:15的探空觀測。

采用日照數(shù)據(jù)來區(qū)分日間和夜間。日照數(shù)據(jù)來源于54511站點(diǎn)的暗筒式日照計(jì)的觀測數(shù)據(jù)。通過解析觀測結(jié)果可以獲得一天中每小時(shí)時(shí)間段內(nèi)的日照時(shí)長，時(shí)間分辨率為6 min。利用DSG4型天氣現(xiàn)象儀來對降水和降雪進(jìn)行觀測，并獲取相應(yīng)天氣現(xiàn)象的發(fā)生時(shí)間段。

除暗筒式日照計(jì)為人工觀測設(shè)備外，其余均是自動(dòng)觀測設(shè)備。這些設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)見表2。

表2 所用觀測設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)

1.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

由于晴天時(shí)氣體分子和水汽的粒徑遠(yuǎn)小于微波輻射計(jì)接收到的輻射波長，因此大氣的散射作用可以忽略不計(jì)；而在降雪和下雨天時(shí)，粒子大小與其微波輻射波長相差不大，此時(shí)大氣散射作用明顯，會(huì)對微波輻射計(jì)接收數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響[20]，使其無法正確反演大氣邊界層高度，所以基于54511站點(diǎn)的天氣現(xiàn)象儀的觀測結(jié)果，在統(tǒng)計(jì)分析邊界層高度變化規(guī)律時(shí)，如果全天為降水或降雪天氣，則剔除當(dāng)日數(shù)據(jù)；如果只有某個(gè)時(shí)段下雨，那么只剔除降雨時(shí)段的數(shù)據(jù)，保留其余晴天和云天時(shí)段的觀測數(shù)據(jù)。由于儀器自身原因?qū)е掠^測錯(cuò)誤，也剔除全天的觀測數(shù)據(jù)或相應(yīng)時(shí)段的觀測數(shù)據(jù)。此外，個(gè)別日期儀器未觀測，沒有數(shù)據(jù)。最后，北京市國家大氣探測試驗(yàn)基地站點(diǎn)共剔除59天數(shù)據(jù)，獲得2年時(shí)間里共536天的觀測數(shù)據(jù)樣本。

探空儀數(shù)據(jù)和日照計(jì)數(shù)據(jù)均由臺(tái)站觀測員采用人工判斷和處理的方式進(jìn)行質(zhì)量控制，天氣現(xiàn)象儀的數(shù)據(jù)則由中國氣象局的氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)(Meteorological Data Operational System, MDOS)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.2 微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)反演方法

對于日間對流邊界層高度主要有兩種方法來反演：氣塊法和溫度梯度法。Holzworth[21]基于大氣熱力學(xué)穩(wěn)定性的特點(diǎn)提出了氣塊法。大氣的溫度梯度法雖然可應(yīng)用于估算邊界層高度，但溫度梯度的臨界值選取還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，只能通過大量的統(tǒng)計(jì)分析來主觀性地選取臨界值，而且不同天氣狀況下閾值需要調(diào)整，帶來很大不確定性，因此本文選取氣塊法來進(jìn)行日間大氣邊界層高度的反演。

氣塊法利用位溫或虛位溫?cái)?shù)據(jù)來反演大氣邊界層高度。對于一條由亮溫計(jì)算得到的溫度廓線T(z)，結(jié)合逐層的氣壓和相對濕度數(shù)據(jù)將其轉(zhuǎn)換成位溫廓線θ(z)和虛位溫廓線θv(z)：

(1)

(2)

(3)

θv(z)=θ(1+0.61r)

(4)

氣塊法定義邊界層高度為：環(huán)境溫度T下的氣塊由于對流運(yùn)動(dòng)從地面干絕熱上升所能到達(dá)的高度，也就是溫度廓線與干絕熱線(從地表溫度出發(fā))的交點(diǎn)或者位溫θ(z)等于地表位溫θ(z0)的點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 基于氣塊法, 利用2018年7月14日13:00微波輻射計(jì)觀測到的溫度廓線(a)和位溫廓線(b)反演得到的大氣邊界層高度(黑色虛線)

一般夜間大氣主要包括3種物理過程：湍流混合、輻射冷卻及與地面土壤間的熱量交換，幾乎沒有對流作用，此時(shí)可能所有高度的θ(z)均大于θ(z0)，無法使用氣塊法判斷大氣邊界層高度，因此氣塊法只適用于日間大氣邊界層高度的反演。Coen等[3]提出一種基于溫度梯度的夜間穩(wěn)定邊界層反演方法，夜間穩(wěn)定邊界層高度(SBL)為從地面往上，溫度梯度首次為0的點(diǎn)(dT/dz=0)，如圖3a、b所示；夜間穩(wěn)定邊界層頂高度(stable boundary layer detected by potential temperature, SBLpT)則為位溫梯度首次為0的點(diǎn)(dθ/dz=0)，如圖3c、d所示。

圖3 由2018年8月21日23:22微波輻射計(jì)溫度廓線(a)和溫度梯度廓線(b)反演的穩(wěn)定邊界層高度及位溫廓線(c)和位溫梯度廓線(d)反演的穩(wěn)定邊界層頂高度

但當(dāng)夜間風(fēng)速較大，湍流混合作用較強(qiáng)時(shí)，邊界層的穩(wěn)定性被打破，此時(shí)不能使用上面的方法來計(jì)算邊界層高度。經(jīng)過與探空反演結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，氣塊法也能夠較合理地反演大氣邊界層高度，如圖4所示。08:00之前，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，從探空數(shù)據(jù)可知，近地面風(fēng)速為1 m/s，1000 m以下風(fēng)速逐漸從1 m/s遞增到9 m/s，利用Coen等[3]方法可獲得夜間穩(wěn)定邊界層高度SBL和邊界層頂高度SBLpT，分別如圖中青色和藍(lán)色點(diǎn)所示。由于大部分時(shí)刻不存在位溫梯度等于0的點(diǎn)，所以夜間邊界層頂高度SBLpT僅有很小一段。隨著日照出現(xiàn)，大氣垂直對流活動(dòng)增強(qiáng)，大氣不穩(wěn)定性變大，此時(shí)大氣邊界層高度逐漸升高，通過位溫和虛位溫反演的大氣邊界層高度以平均10 m/min的速度遞增。雖然14:42之后無日照，但大氣邊界層高度從15:50才開始下降，16:00降到最低1240 m。隨后在16:35又上升至1530 m，直至23:59一直穩(wěn)定在1000 m以上。從19:15的探空數(shù)據(jù)可知，風(fēng)速從地表面的4 m/s快速上升至490 m的11 m/s，整體風(fēng)速較大，探空反演得到邊界層高度為1460 m(圖4a中紅色方形點(diǎn))，而位溫和虛位溫法反演得到的高度分別為1355 m和1363 m?？梢钥闯?，在夜間風(fēng)速較大時(shí)，邊界層變得不穩(wěn)定，位溫法或虛位溫法反演得到大氣邊界層高度接近于探空反演的結(jié)果。

圖4 2018年1月2日晴天溫度廓線隨時(shí)間變化情況和邊界層高度值(a)及日照時(shí)數(shù)情況(b)

1.3 探空數(shù)據(jù)反演方法

分別采用Heffter[22]，Liu and Liang[23]和總體理查森數(shù)(S?renson等[24])3種方法通過探空數(shù)據(jù)反演大氣邊界層高度。

Liu和Liang[23]的反演方法本質(zhì)上也是氣塊法，分為對流邊界層和穩(wěn)定邊界層2種情況。前者中，首先第k個(gè)高度層的位溫θk需滿足：

θk-θ1=δu

(5)

其中，θ1為地面的位溫，δu為代表不穩(wěn)定層最低強(qiáng)度的位溫差，在陸地上取0.5 K。

找到k層后，向上搜尋滿足位溫梯度大于θr(表示夾卷層的范圍)的高度層：

(6)

其中，θr在陸地上取0.5 K/km。此高度層即為對流情況下的大氣邊界層高度。

在穩(wěn)定大氣情況中，湍流作用和風(fēng)切變作用使得大氣邊界層高度更難確定。先尋找滿足下列條件的高度層k：

θk-θk-1<-4 K/km

(7)

θk+1<θr

(8)

θk+2<θr

(9)

滿足上述條件的高度k為穩(wěn)定性大氣邊界層高度。然后，再尋找局部風(fēng)速最大的高度，若此高度的風(fēng)速比上下相鄰兩層的風(fēng)速大2 m/s以上，則稱此高度為風(fēng)切變大氣邊界層高度。如果同時(shí)找到了穩(wěn)定性大氣邊界層高度和風(fēng)切變大氣邊界層高度，那么選擇較低的高度作為最終大氣邊界層高度。若只找到一種高度則認(rèn)為此高度為最終大氣邊界層高度。

Heffter[22]方法利用位溫梯度來計(jì)算大氣邊界層高度。首先，采用3點(diǎn)滑動(dòng)平均來平滑探空數(shù)據(jù)，降低由噪聲或者局部不穩(wěn)定數(shù)據(jù)導(dǎo)致識(shí)別出虛假大氣邊界層高度的可能性；然后找出位溫梯度大于閾值的所有高度層，如果滿足條件的高度層其上下相鄰兩層的位溫相差大于2 K，則選擇滿足以上條件的最低高度作為大氣邊界層高度。Delle Monache等[25]認(rèn)為閾值取0.005 K/m時(shí)在海洋地區(qū)表現(xiàn)較好，因?yàn)殛懙厣系哪鏈乇群Ｑ笊系娜鹾芏?，建議閾值取0.001 K/m。本文中閾值也取0.001 K/m。

總體理查森數(shù)法是一個(gè)與大氣垂直穩(wěn)定性相關(guān)的無量綱的數(shù)，它表示熱過程產(chǎn)生的湍流與垂直風(fēng)切變之比。根據(jù)S?renson等[26]，離地高度z處的總體理查森數(shù)Rib定義為：

(10)

其中，g為重力加速度，θv0和θvz分別為地表面和z高度處的虛位溫，uz和vz為z高度處的風(fēng)速分量。當(dāng)Rib值達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)的最低高度選為大氣邊界層高度。不同地點(diǎn)和不同的探空分辨率選取的臨界值不同[26-28]。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，本文中臨界值取0.25時(shí)，效果最好。

2 大氣邊界層反演

2.1 探空反演結(jié)果分析

圖5給出了通過不同時(shí)刻的探空資料利用3種反演算法進(jìn)行大氣邊界層高度反演的結(jié)果對比。在2年的探空數(shù)據(jù)反演中，大部分情況下3種算法的反演結(jié)果一致，如圖5a和b所示，大氣邊界層高度分別為430 m和1180 m。對于2018年1月21日07:15:13開始的探空觀測，Liu and Liang[23]方法和總體理查森數(shù)法的反演結(jié)果很接近，分別為740 m和750 m，但是Heffter[22]方法尋找到的滿足閾值條件的位溫梯度的高度為1690 m，與其他兩種方法的結(jié)果差異很大。而對于2018年1月10日19:15:16開始的探空觀測，Liu和Liang[23]方法和Heffter[22]方法的反演結(jié)果很接近，分別為610 m和600 m，總體理查森數(shù)法反演的結(jié)果則偏高，為1260 m。

圖5 2017年5月21日07:17(a)、2017年7月16日13:15(b)、2018年1月21日07:15(c)、2018年1月10日19:15(d)3種算法對探空數(shù)據(jù)反演的大氣邊界層高度結(jié)果對比(藍(lán)色實(shí)線為位溫廓線，紅色實(shí)線為位溫梯度廓線)

在Heffter[22]方法和總體理查森數(shù)方法中，不同閾值的選取對反演結(jié)果影響很大，因此有時(shí)需改變閾值才能與其他方法反演結(jié)果相同或接近，在自動(dòng)處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)用效果不理想。另外，經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)近地面風(fēng)速較大時(shí)，總體理查森數(shù)方法反演準(zhǔn)確度較差，與Seibert等[2]的研究結(jié)果一致。所以，本文選擇使用Liu and Liang[23]方法來作為探空數(shù)據(jù)反演邊界層高度的方法。

2.2 兩種設(shè)備反演結(jié)果的對比

選取探空數(shù)據(jù)反演的邊界層結(jié)果與相應(yīng)時(shí)刻微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)采用位溫法反演的邊界層結(jié)果進(jìn)行對比，如圖6所示。圖6a和b分別給出了探空時(shí)刻07:15和19:15的對比結(jié)果，兩組數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為0.6037和0.9072，兩種設(shè)備反演結(jié)果的均方根誤差分別僅為280 m和200 m。除夏季外，這兩個(gè)時(shí)刻基本無日照，其邊界層可看做是夜間邊界層，所以大部分邊界層高度低于1 km。個(gè)別個(gè)例的邊界層高度超過了2 km，根據(jù)前面的分析，這些個(gè)例屬于近地面風(fēng)速較大，大風(fēng)的動(dòng)力作用造成了邊界層高度的抬升。每年只有在汛期期間才有加密的13:15的探空觀測，因此該時(shí)刻的樣本量遠(yuǎn)小于07:15和19:15的樣本量，而且由于午后熱對流的抬升作用，13:15的大氣邊界層高度大多超過了1 km，其平均高度高于另外兩個(gè)時(shí)刻的平均高度，探空和微波輻射計(jì)反演結(jié)果的均方根誤差略大，為480 m，如圖6c所示。總體來看，以上3個(gè)時(shí)刻兩種設(shè)備反演得到的大氣邊界層結(jié)果的皮爾遜相關(guān)系數(shù)較高，為0.874，而且二者間的均方根誤差為300 m，說明二者較為一致。

圖6 2017年5月1日至2019年8月31日北京國家探測試驗(yàn)基地不同探空起始時(shí)刻，探空儀與微波輻射計(jì)反演的大氣邊界層高度對比:(a)07:15,(b)19:15,(c)13:15,(d)3個(gè)時(shí)刻總和

2.3 微波輻射計(jì)反演結(jié)果

2.3.1 大氣邊界層高度的日變化

晴朗天氣下，陸地上大氣邊界層高度有顯著的日變化，圖7給出了北京市國家大氣探測試驗(yàn)基地站點(diǎn)微波輻射計(jì)反演得到的1次典型晴天和1次多云轉(zhuǎn)晴天氣條件下的大氣邊界層高度日變化及相應(yīng)的日照觀測結(jié)果。圖7a為2018年1月30日晴天條件下溫度廓線和邊界層高度隨時(shí)間變化情況。從00:00到07:00有日照之前(圖7c)， 夜間邊界層高度SBL比較穩(wěn)定，變化幅度不大，平均高度為78 m。邊界層頂SBLpT對應(yīng)為圖1中的覆蓋層(Capping inversion)，其高度較高且變化范圍較大，從180 m到1100 m不等，平均為455 m。SBLpT與SBL之間為殘留層(RL)，其深度平均為377 m。雖然當(dāng)天的最高氣溫僅4 ℃，但從07:15的探空數(shù)據(jù)可知當(dāng)天的近地面風(fēng)速特別大，400 m高度處的風(fēng)速已達(dá)到14 m/s，可推測大氣擴(kuò)散條件好。07:00—08:00之間日照時(shí)間較短，因此大氣邊界層上升一段后又降下來。隨后在持續(xù)日照和大風(fēng)環(huán)境條件下，大氣邊界層高度迅速上升，在09:10已達(dá)到2 km并在15:08達(dá)到最高值2870 m。16:24開始探測不到日照，在16:14邊界層高度已開始降低。邊界層高度在2 h 40 min內(nèi)逐漸下降至100 m。可以看出，在大氣對流活動(dòng)較強(qiáng)期間，位溫和虛位溫兩種方法反演結(jié)果相差不大。19:00之后無太陽輻射入射到地面，大氣對流活動(dòng)減弱，此時(shí)開始轉(zhuǎn)變?yōu)橐归g穩(wěn)定邊界層，SBL高度變化范圍為10～90 m，平均為37 m。夜間穩(wěn)定邊界層頂SBLpT高度變化范圍為20～270 m，平均為171 m。殘留層平均深度為134 m。圖7b為2018年3月23日多云轉(zhuǎn)晴天氣條件下溫度廓線和邊界層高度隨時(shí)間變化情況，當(dāng)日氣溫變化范圍為10～18 ℃。受多云的遮擋，12:00之前一直未觀測到日照(圖7d)，夜間穩(wěn)定邊界層和日間邊界層高度均比較低。日照出現(xiàn)后，日間邊界層高度迅速升高到了2 km。14:00之后多云消散，在太陽入射輻射的持續(xù)作用下，大氣邊界層高度進(jìn)一步升高，最高達(dá)4160 m。日照結(jié)束于17:18，隨后邊界層高度在3.7 km左右維持了一段時(shí)間。17:50邊界層高度開始迅速下降，90 min后下降至170 m。由于缺少太陽的入射輻射和在地表與低層大氣的輻射冷卻作用下，大氣對流活動(dòng)逐漸降低，轉(zhuǎn)變?yōu)橐归g穩(wěn)定邊界層。SBL變化范圍為100～150 m，平均為134 m。SBLpT變化范圍為210～480 m，平均為309 m。所以殘留層平均深度為175 m。與晴天個(gè)例相比，本例的夜間邊界層更穩(wěn)定。在日照最強(qiáng)，大氣邊界層高度特別高階段，即14:26—18:02期間，虛位溫法反演的大氣邊界層高度略高于位溫法，平均高139 m。

圖7 2018年1月30日晴天溫度廓線和邊界層高度隨時(shí)間變化(a)、日照時(shí)數(shù)(b)及2018年3月23日多云轉(zhuǎn)晴溫度廓線和邊界層高度隨時(shí)間變化(c)、日照時(shí)數(shù)(d)

在霾(2019年3月3日)和陰天(2018年1月15日)天氣條件下，地面無日照觀測結(jié)果。從圖8a可看出，08:57之前的夜間大氣邊界層比較穩(wěn)定，平均高度為151 m，08:57之后大氣邊界層開始緩慢上升，平均升速為3.8 m/min，14:24達(dá)到最高1350 m，16:18開始迅速下降，18:06時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定夜間邊界層，平均高度為107 m。當(dāng)日兩個(gè)時(shí)次的探空數(shù)據(jù)顯示1500 m高度以內(nèi)的最大風(fēng)速僅為9 m/s，因而在缺少大氣輻射的熱力作用和近地面風(fēng)的動(dòng)力作用下，大氣邊界層的日變化特征與晴天條件下相比不明顯，其所能發(fā)展達(dá)到的最大高度較低。從圖8b可以看出，陰天的夜間大氣邊界層也比較穩(wěn)定，平均高度為144 m，07:56之后大氣邊界層開始緩慢上升，平均升速為3.4 m/min，12:56達(dá)到最高1130 m，15:31開始緩慢下降，17:50時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定夜間邊界層，平均高度為50 m。17:46—17:47，大氣邊界層高度迅速地從330 m降低至50 m。陰天的大氣邊界層日變化特征與重污染霾天氣下的略有不同，陰天時(shí)大氣邊界層的上升過程和下降過程均比較緩慢。在這2個(gè)個(gè)例中，位溫法和虛位溫法反演得到的日間大氣邊界層高度幾乎無差別，而且凌晨的夜間穩(wěn)定邊界層高度比傍晚之后的夜間穩(wěn)定邊界層高度高。

圖8 2019年3月3日霾天氣(a)及2018年1月15日陰天(b)溫度廓線和邊界層高度隨時(shí)間變化

2.3.2 大氣邊界層高度的月平均日變化

在夜間低風(fēng)速條件下用溫度梯度法得到SBL；高風(fēng)速條件下，由于位溫法和虛位溫法反演結(jié)果較一致，所以選擇位溫法反演結(jié)果作為夜間邊界層高度。日間也選取位溫法反演結(jié)果作為日間邊界層高度。首先反演得到分鐘級每日大氣邊界層高度變化情況，再對每個(gè)月進(jìn)行月平均，得到月平均的大氣邊界層高度日變化。由圖9可看出，每月的大氣邊界層高度均具有明顯的日變化特征，夜間大氣邊界層高度普遍較低，月均變化范圍為91～348 m，大多變化小，相對穩(wěn)定。大約08:00之后，隨著日照的增加，即太陽輻射的積累，熱對流導(dǎo)致邊界層高度開始逐漸升高并在午后達(dá)到最高。一般在15:00左右開始下降。然而每個(gè)月的日變化特征卻略有不同：1—4月的夜間邊界層高度普遍較高，特別在19:00之后。統(tǒng)計(jì)19:15的探空結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1—4月共54天的夜間邊界層高度超過400 m，其中24天(44%)在300 m高度以下即出現(xiàn)了9 m/s的大風(fēng)，且隨著高度升高風(fēng)力很快達(dá)到了12 m/s，大氣擴(kuò)散條件好，因此邊界層高度高。全年中，2月、3月、4月、9月和10月的日間大氣邊界層最大高度較高，超過了3 km，這在之前的研究中很少見到，熱帶地區(qū)[29]和沙漠地區(qū)[30]有過類似報(bào)道。6月晴天較多，日照時(shí)間長，太陽入射輻射強(qiáng)， 近地面溫度較高， 所以近地面熱對流強(qiáng)，日出之后邊界層高度變化較均勻，不會(huì)出現(xiàn)類似1月、2月、9月和10月較劇烈的變化，其最高邊界層高度出現(xiàn)在15:00，為2893 m。10月的高邊界層高度結(jié)果主要?dú)w功于近地面風(fēng)的動(dòng)力作用。7、8月大多為多云和降水天氣，特別7月受降水影響更嚴(yán)重，導(dǎo)致7月日間大氣邊界層高度與6月和8月相比較低，最大高度僅為1935 m。11月和12月的地面溫度較低，熱對流作用小和近地面風(fēng)速較低，熱力作用和動(dòng)力作用均小，所以邊界層高度整體較低。

圖9 微波輻射計(jì)反演的大氣邊界層(1—12 月)月平均日變化的箱線圖(矩形盒紅色橫線表示中位數(shù)，矩形盒的上下邊緣線分別表示 25%和75%分位數(shù)，矩形盒上下兩端的外延線表示正常值中的最大和最小高度值，黑色菱形表示平均值)

2.3.3 大氣邊界層高度的月際變化

將2017年5月至2019年8月每日的邊界層高度平均得到每日的邊界層平均高度值，再分別統(tǒng)計(jì)每月的邊界層高度的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差，如圖10所示。

圖10 2017年5月至2019年8月月均大氣邊界層高度平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差(黑色圓點(diǎn)代表平均值，黑色豎線的上下端分別表示正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差值)

1—4月的平均邊界層高度較高，而且其波動(dòng)較大。從探空數(shù)據(jù)和日照數(shù)據(jù)可推知，1—4月雖然地面溫度不高，但是大部分時(shí)間的近地面風(fēng)速大(300 m高度內(nèi)風(fēng)速≥ 9 m/s)，月均次數(shù)分別達(dá)到了8.5、9、6.5和10.5(表3)，動(dòng)力作用超過了太陽輻射的熱力作用對邊界層高度抬升的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致1日中大部分時(shí)刻的邊界層高度較高，超過了2 km。少部分時(shí)間的近地面風(fēng)速較小，邊界層高度也低，不足1 km，所以1—4月的日均邊界層高度變化較大，2月最高為1461 m，4月最低為254 m。5月平均有6天在早晚探空時(shí)刻近地面風(fēng)速較大，遠(yuǎn)少于1—4月，其地面溫度比6月低，所以其平均日均邊界層高度略低于6月。6月大多為高溫晴天，邊界層高度的抬升主要是由太陽熱輻射引起的熱力作用引起。7月和8月大多為多云、陰天和雷陣雨天氣，近地面接收到的太陽入射輻射少，而且探空時(shí)刻近地面風(fēng)速較大的次數(shù)很少，僅為2.5次和3.5次，所以大氣邊界層平均高度比6月低很多。9-10月的晴天數(shù)較多，地面日照時(shí)長也較長(06:00—18:00)且近地面風(fēng)速≥ 9 m/s的天數(shù)較多，因此比8月的日均邊界層高度有所提升。冬季的11月和12月的地面溫度很低，日照時(shí)數(shù)較短(最長為07:00—17:00)且很多日無日照，雖然在探空時(shí)刻近地面風(fēng)速較大的次數(shù)也分別達(dá)到了5次和6次，但是這兩個(gè)月的平均日均邊界層高度最低，分別為444 m和426 m，最大日均邊界層高度也不足700 m，此外，11月的月均最低邊界層高度為全年最低，僅242 m。2月的平均邊界層高度最高，為943 m。

表3 每月探空時(shí)刻300 m高度內(nèi)風(fēng)速超過9 m/s的平均次數(shù)

總的來看，北京南郊地區(qū)在1—4和9—10月因大風(fēng)天氣多擴(kuò)散較好大氣邊界層高度較高，但上下波動(dòng)很大。5—6月晴天天數(shù)較多，地面溫度高，熱對流作用較強(qiáng)，其平均邊界層高度比1—4月份略低，但不同天氣之間比較穩(wěn)定。7—8月份因多云和降雨天氣較多，且近地面風(fēng)速較大的次數(shù)特別少，所以邊界層高度進(jìn)一步降低。11—12月為一年中邊界層高度最低的兩個(gè)月，且每日的平均邊界層高度變化不大，比較穩(wěn)定。

3 結(jié)論與討論

本文利用2017年5月至2019年8月時(shí)間段內(nèi)位于北京市國家大氣探測試驗(yàn)基地的微波輻射計(jì)觀測的高時(shí)空分辨率的溫濕廓線，結(jié)合位溫氣塊法和虛位溫氣塊法計(jì)算了該站點(diǎn)的大氣邊界層高度，分析了邊界層高度的月均日變化和月際變化。而對探空數(shù)據(jù)，分別采用Heffter[22]，Liu和Liang[23]和總體理查森數(shù)法反演邊界層高度，對比發(fā)現(xiàn)Liu and Liang[23]效果最好。最后對比了微波輻射計(jì)資料與探空資料反演的大氣邊界層高度，得到以下結(jié)果：

(1)位溫氣塊法和虛位溫氣塊法反演大氣邊界層高度的結(jié)果差異不大。

(2)晴天條件下，大氣邊界層高度的變化特征與日照時(shí)長對應(yīng)關(guān)系很好。

(3)1—4月夜間邊界層高度較高，主要原因可能是較大的近地面風(fēng)速的動(dòng)力抬升作用。2月、3月、4月、9月和10月的月均日間最高大氣邊界層高度較高，均超過了3 km。

(4)2月的平均邊界層高度最高，為943 m，12月的平均邊界層高度最低，為426 m。夏季的7、8月，由于多為多云和降水天氣，所以平均邊界層高度反而較低。

(5)微波輻射計(jì)反演的邊界層高度與相同時(shí)刻探空數(shù)據(jù)反演的邊界層高度具有很高的一致性，二者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.874，均方根誤差僅300 m。

本文分析了北京南郊地區(qū)的大氣邊界層高度的日、月演變規(guī)律，加深了對這一地區(qū)邊界層高度特征的認(rèn)識(shí)。特別是發(fā)現(xiàn)近地面風(fēng)速較大時(shí)，邊界層高度普遍比較高。然而，2年多的數(shù)據(jù)量樣本不夠大，而且探空數(shù)據(jù)測得的風(fēng)速僅代表當(dāng)時(shí)時(shí)刻的風(fēng)速，今后應(yīng)該結(jié)合激光測風(fēng)雷達(dá)等設(shè)備的高時(shí)空分辨率的風(fēng)速測量結(jié)果來進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)速的動(dòng)力作用對邊界層高度抬升的影響。另外，雖然有日照數(shù)據(jù)，但是缺少輻射通量數(shù)據(jù)，無法更細(xì)節(jié)地分析邊界層高度與輻射量的對應(yīng)關(guān)系，待具備條件時(shí)進(jìn)行更深入的研究。并結(jié)合南郊觀象臺(tái)的其他設(shè)備，如云高儀或氣溶膠激光雷達(dá)等，與微波輻射計(jì)聯(lián)合反演大氣邊界層高度。