浮塵氣溶膠對沙漠大氣邊界層結構作用的晝夜差異

朱從禎， 趙天良， 孟 露， 楊興華， 何 清，買買提艾力·買買提依明， 楊 婕， 朱 燕， 吳昭燁

（1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，中國氣象局氣溶膠-云-降水重點實驗室，江蘇 南京 210044；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.山西師范大學地理科學學院，山西 太原 030032）

大氣邊界層是受下墊面直接影響的對流層底層。地-氣能量和物質交換，地表的動力和熱力強迫作用使得大氣邊界層結構有著顯著的晝夜變化［1］。白天地表接收太陽輻射，驅動對流大氣邊界層的形成。夜晚地面輻射冷卻，形成具有逆溫層結的穩定大氣邊界層。穩定邊界層上保留著白天混合層位溫變化特征及白天對流邊界層大氣污染物濃度的層結稱作殘留混合層［2］。大氣邊界層作為與人類生活最為密切的低層大氣，其內部發生的物理和化學過程直接影響著人類的生存環境，亦與天氣和氣候變化存在密切關聯［3］。

沙粒較小的比熱容導致沙漠地區地表晝夜溫差較大，下墊面白天較強的地表加熱和對流湍流運動形成了特殊的沙漠大氣邊界層結構［4］。以沙漠為主體的西北干旱區白天對流邊界層比中國中部、東部地區發展更加旺盛［5］，夏季巴丹吉林沙漠白天對流邊界層高度超過4000 m，大部分凈輻射能轉化為感熱通量，為深厚大氣邊界層的發展提供了熱力基礎，較強的對流和湍流則為其提供了動力支持；夜間穩定邊界層最厚可達600 m［6-7］。塔克拉瑪干沙漠夏季晴日夜間穩定邊界層厚度僅為240 m，夜間陸面較強的輻射冷卻和微弱的湍流運動是形成較淺薄夜間邊界層的主要原因［8］。在撒哈拉沙漠地區，午后對流邊界層最高可發展到約500 hPa的6000 m高度，日出后穩定邊界層消退過程中其上方存在的深厚且中性的殘余層促進了白天對流大氣邊界層的發展［9-10］。

沙塵氣溶膠對沙漠大氣邊界層結構發展演變的影響作用主要表現為對太陽短波輻射的吸收，并將引起大氣垂直方向能量的重新分布，進而對大氣邊界層的結構變化造成影響［11］。白天，氣溶膠通過吸收和散射削弱了到達地表的太陽輻射，使地表接收到的凈輻射減少，地表降溫感熱通量減少，抑制熱泡的產生及對流活動，從而降低對流大氣邊界層高度［12］。吸收性氣溶膠會加熱大氣，形成逆溫，進一步抑制邊界層發展［13］。重霾期間，大氣邊界層晝夜變化特征基本消失，大氣邊界層結構趨于穩定，邊界層高度普遍處于1000 m 以下［14］。沙塵暴發生時，夜間穩定邊界層遭到破壞且高度進一步提升；白天對流邊界層的發展被抑制，對流邊界層高度較晴日大幅下降［15］。

塔克拉瑪干沙漠占據了歐亞大陸腹地的塔里木盆地大部分地區，南部緊鄰平均海拔4000 m以上的青藏高原，西面和北面分別被帕米爾高原和天山山脈環繞，是中亞重要的沙塵氣溶膠源區之一［16］。受沙漠下墊面熱力強迫和塔里木盆地深盆地地形作用，塔克拉瑪干沙漠夏季常形成3～5 km 高度的超高大氣邊界層，大氣邊界層結構有顯著區域特殊性［17］。塔克拉瑪干沙漠腹地在春夏兩季沙塵天氣頻發，年平均浮塵日數可達200 d以上，大范圍浮塵過程可達月尺度，形成獨特的浮塵滯空天氣現象［18］。目前，針對塔克拉瑪干沙漠浮塵滯空現象的浮塵氣溶膠對大氣邊界層結構演變的影響還尚不明確。因此，本文利用2016年7月塔中氣象站1 d 4次的強化GPS 探空觀測數據及地面氣象觀測數據，對比分析塔克拉瑪干沙漠腹地典型晴日和浮塵日的大氣邊界層結構特征和地表輻射收支差異，以揭示浮塵滯空現象浮塵氣溶膠對大氣邊界層結構演變的影響及其作用機理。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

中國氣象局塔克拉瑪干沙漠環境監測實驗站位于塔克拉瑪干沙漠腹地塔中地區（38°58′N，83°39′E，海拔高度1099.3 m）（圖1）。塔克拉瑪干沙漠地處塔里木盆地中央，是世界第二大流動性沙漠。其三面環山，是中亞地區重要的沙塵氣溶膠源區之一。試驗點地表類型為流動性沙地，能較好地代表塔克拉瑪干沙漠腹地的下墊面類型。

圖1 研究區概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 數據來源與處理

利用了中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所于2016年7月在該試驗點進行的為期1個月的1 d 4次強化GPS 探空觀測及地面觀測所得資料。探空觀測開始時間分別為01:15（北京時,下同）、07:15、13:15、19:15。探空觀測資料的氣象要素包括溫度、相對濕度、氣壓、風向和風速。為了更好地分析邊界層結構特征，將探空所得溫度和相對濕度轉化為位溫和比濕［19］。地面觀測資料包括了近地層輻射通量及感熱通量。塔中地區2016年7月1—31日天氣現象按如下標準進行分類：全天晴朗無云劃分為晴日；全天連續浮塵且無明顯天氣過程劃分為浮塵日。選取晴日（13日、14日、25日、26日、27日）和浮塵日（5 日、12 日、17 日、18 日、21 日）的GPS 探空數據平均得到晴日和浮塵日夜間（01:15，07:15）與白天（13:15，19:15）氣象要素垂直廓線，來分析夏季塔克拉瑪干沙漠腹地晴日和浮塵日晝夜邊界層氣象要素垂直結構的差異。

1.3 研究方法

基于探空得到的氣象要素垂直廓線是最為常見的確定大氣邊界層高度的手段。熱力因子在西北沙漠地區大氣邊界層的發展過程中占主導，因此采用位溫廓線法確定大氣邊界層高度較為可靠［19］。具體方法為：夜間位溫廓線的大氣逆溫強度從地面起超過0.4 K·（100m）-1的空間范圍確定為貼地逆溫，貼地逆溫層頂部為穩定邊界層高度，穩定邊界層以上位溫出現明顯躍變的高度為殘留混合層頂高度［20］；白天位溫廓線出現明顯位溫梯度不連續的折線型逆溫層底部為對流邊界層高度［21］。

2 結果與分析

2.1 大氣邊界層位溫垂直結構特征

夜間大氣邊界層由下至上可分為穩定邊界層和殘留混合層。夜間位溫從地表隨高度上升不斷增大，這一層為貼地逆溫層。貼地逆溫層的頂部即夜間穩定邊界層的高度。浮塵日夜間穩定邊界層內逆溫強度達到了1.6 K·（100m）-1，穩定邊界層高度達到360 m。晴日夜間穩定邊界層內逆溫強度強于浮塵日，為3.1 K·（100m）-1。晴朗無云的夜間，較強的地表冷卻有利于形成更大的逆溫強度［22］，穩定邊界層高度為270 m，低于浮塵日。在穩定邊界層以上位溫變化與白天混合層類似的層結為殘留混合層，浮塵日殘留混合層頂高度達到2590 m，晴日殘留混合層頂高度為3100 m，較浮塵日明顯偏高（圖2a）。夜間觀測時次浮塵日穩定邊界層高度均高于晴日,而殘留混合層頂高度則低于晴日（表1）。這表明浮塵天氣下沙塵氣溶膠的存在減弱了夜間穩定邊界層的強度，抬升了穩定邊界層高度，但降低了殘留混合層高度。

白天對流邊界層可分為超絕熱遞減層和混合層。近地面大氣位溫隨高度升高遞減，此層為超絕熱遞減層，浮塵日和晴日超絕熱遞減層高度無明顯差異，都在200 m 左右。超絕熱遞減層上部是位溫隨高度上升基本保持不變的混合層,浮塵日和晴日混合層高度分別為2300 m，2620 m（圖2b）。李巖瑛等［23］在河西走廊地區觀測的夏季7月沙塵日最大混合層厚度達2500 m，略低于塔中地區。從13:15—19:15 晴日對流邊界層高度增加超過1000 m，且晴日對流邊界層高度均遠高于浮塵日（表1）。沙塵顆粒阻擋了到達地面的太陽輻射使地表加熱減弱造成浮塵日對流邊界層偏低，晴日更深厚的殘留層進一步促進了晴日深厚對流邊界層的發展［6,24］。受到晴朗無云條件下較強的地面加熱作用，晴日19：15對流邊界層高度接近3600 m，與張強等［4］在敦煌干旱區觀測到的晴日對流邊界層高度較為接近。

表1 2016年7月塔中站晴日和浮塵日大氣邊界層結構特征變化Tab.1 Changes of atmospheric boundary layer structure characteristics on sunny days and floating dusty days at Tazhong Station in July 2016

圖2 2016年7月塔中站晴日和浮塵日平均位溫垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristic of mean potential temperature on sunny days and floating dusty days at Tazhong Station in July 2016

2.2 大氣邊界層水平風速垂直結構特征

塔克拉瑪干沙漠塔中站晴日和浮塵日大氣邊界層動力特征也有著明顯差異。夜間穩定邊界層水平風速隨高度的上升呈增加趨勢，穩定邊界層內晴日水平風速均大于浮塵日，穩定邊界層以上出現了水平風速的高值。晴日高值為9.4 m·s-1，這是夜間大氣邊界層趨于穩定后湍流減弱，科氏力誘發慣性震蕩形成的大氣邊界層低空急流［25］。浮塵日穩定邊界層以上水平風速高值為7.2 m·s-1，明顯低于晴日且小于低空急流8 m·s-1的標準［26］。夜間貼地逆溫層使湍流活動減弱，抑制上下層物質和能量的輸送，使剪切湍流能量在逆溫層堆積，促進邊界層低空急流的發展［27］。晴日較強的貼地逆溫導致晴日邊界層低空急流明顯強于浮塵日。晴日和浮塵日進入殘留混合層后水平風速隨高度上升均表現為先減小后增大的趨勢，晴日殘留混合層頂上部水平風速高值達8.7 m·s-1，浮塵日為6.2 m·s-1，較晴日明顯偏低（圖3a）。01:15 晴日和浮塵日大氣邊界層低空急流風速差異不明顯，都超過8 m·s-1。07:15晴日大氣邊界層低空急流風速增強到10.4 m·s-1，而浮塵日大氣邊界層低空急流風速則較01:15 明顯減弱。晴日和浮塵日夜間大氣邊界層低空急流出現高度也隨時間逐步抬升,但浮塵日高度抬升更顯著（表2）。這表明，浮塵日大氣沙塵氣溶膠的夜間長波輻射強迫效應，不僅改變大氣邊界層的垂直結構，也影響邊界層的時間演變特征。

圖3 2016年7月塔中站晴日和浮塵日平均水平風速垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution characteristic of mean horizontal wind speed on sunny days and floating dusty days at Tazhong Station in July 2016

表2 2016年7月塔中站晴日和浮塵日夜間大氣邊界層低空急流風速及出現高度Tab.2 Wind speed and height of low-level boundary layer jet at nigh on sunny days and floating dusty days at Tazhong Station in July 2016

白天沙漠強烈的地表加熱促進了大氣邊界層對流發展。晴日近地面超絕熱遞減層水平風速隨高度上升增加劇烈，風速最大值為7.4 m·s-1，出現在超絕熱遞減層以上。隨后對流邊界層水平風速隨高度上升先減小后增大，波動幅度不大，都在6 m·s-1左右，對流邊界層頂風速的增加幅度相對較小。浮塵日近地面超絕熱遞減層水平風速隨高度上升增加幅度較晴日弱，整體對流邊界層水平風速隨高度上升先增大后減小，風速最大值為6.6 m·s-1，出現在對流邊界層中部。晴日對流邊界層水平風速整體大于浮塵日，較大的風速促進了湍流活動，使晴日對流邊界層發展更加旺盛（圖3b）。浮塵日邊界層較小的水平風速易導致沙塵氣溶膠的本地累積，導致浮塵天氣的持續［28］。

2.3 大氣邊界層水汽垂直結構特征

由于大氣邊界層熱力和動力垂直結構的差異，塔克拉瑪干沙漠塔中站晴日和浮塵日大氣邊界層水汽垂直分布有明顯的區別。夜間晴日穩定邊界層比濕隨高度上升而減小，進入殘留混合層后比濕隨高度上升基本保持不變。晴日比濕極大值4.7 g·kg-1出現在近地面，殘留混合層比濕保持在4.1 g·kg-1左右。浮塵日比濕隨高度變化趨勢與晴日類似，但近地面比濕極大值為6.4 g·kg-1，殘留混合層比濕保持在5.6 g·kg-1左右?？傮w來看，夜間浮塵日邊界層比濕大于晴日（圖4a）。

白天晴日和浮塵日超絕熱遞減層比濕都隨高度增加先減小后增大?；旌蠈颖葷穹植寂c夜間殘留混合層類似，晴日和浮塵日混合層內比濕分別保持在3.5 g·kg-1和4.8 g·kg-1左右。整體來看，浮塵日對流邊界層比濕大于晴日（圖4b）。晴日條件下，位于季風區的洱海湖濱農田下墊面夜間殘留混合層和白天混合層比濕超過5 g·kg-1，明顯高于塔中地區［29］。塔克拉瑪干沙漠地區植被稀少地表干燥，較少的地表蒸發使空氣濕度也較低。杜一博等［5］在敦煌干旱區觀測到的晴日夜間殘留混合層和白天混合層比濕結果則與塔中地區接近。

圖4 2016年7月塔中站晴日和浮塵日平均比濕垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristic of mean specific humidity on sunny days and floating dusty days at Tazhong Station in July 2016

無論夜晚還是白天，浮塵日邊界層比濕均大于晴日。夜間浮塵日比濕較高與高潛熱通量有關，這將進一步抑制穩定邊界層內對流和湍流的發生，有利于穩定大氣邊界層的發展［30］。白天浮塵日沙塵氣溶膠的輻射效應使到達地表的太陽輻射減少進而使湍流垂直混合減弱。邊界層高度偏低，較弱的湍流活動使水汽易于在邊界層內累積，同時通過夾卷作用進入邊界層的干空氣減少也導致較晴日更大浮塵日比濕［31］。

2.4 地表輻射收支變化及其對大氣邊界層結構影響

大氣邊界層結構很大程度上由地表的熱力強迫及地-氣熱力交換決定。地表輻射是白天對流邊界層和夜間逆溫層發展的熱力強迫來源［13］。白天沙塵氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射使地面短波輻射收入明顯減弱，同時增大地面長波輻射收入；夜間地面沒有短波輻射收入，沙塵氣溶膠主要增大向下長波輻射，從而改變地表輻射收支［32］。因此，利用塔中站地面觀測的晴日和浮塵日輻射通量和感熱通量，分析晝夜晴日和浮塵日地表輻射收支變化及其對大氣邊界層結構的影響。

白天地表凈輻射為地表凈短波輻射與地表凈長波輻射之和。由于沙塵氣溶膠對太陽輻射的散射和吸收，浮塵日到達地表的向下短波輻射明顯減少，向下短波輻射在晴日正午14:00 左右達到峰值940 W·m-2。浮塵日正午峰值則為830 W·m-2。同時，晴日白天向下短波輻射值均大于浮塵日（圖5a）。向上短波輻射和向上長波輻射也隨之減少，向下長波輻射則略微增大。白天地表凈輻射主要取決于向下短波輻射變化，浮塵日向下短波輻射的減少使得地表凈輻射也顯著減少（表3）。凈輻射晴日正午峰值達430 W·m-2，浮塵日正午峰值明顯小于晴日，為390 W·m-2，同樣晴日白天凈輻射值均大于浮塵日（圖5c）。塔克拉瑪干沙漠地區植被稀少地表干燥，實際蒸發極弱以及地表沙礫小的比熱容使得白天大部分凈輻射轉化為感熱通量［33］。感熱通量從清晨到正午顯著增大，晴日最大值可達到320 W·m-2并可維持在300 W·m-2左右數小時，而浮塵日最大值在280 W·m-2左右，地表感熱通量加熱大氣并激發大氣對流發展，晴日對流邊界層高度能達到3000 m以上，較浮塵日高出近1000 m（圖5d）。沙漠地區地表凈輻射配合高的感熱通量轉化率促進了熱對流的產生，加劇了垂直方向上的湍流擴散，使晴日對流邊界層的發展旺盛。我國東北、長三角地區及華北平原夏季清潔條件下對流邊界層平均最大高度在1500 m左右，明顯低于塔克拉瑪干沙漠地區晴日條件下對流邊界層高度［34］。沙漠地區下墊面干燥，強烈的太陽輻射和感熱加熱使其能夠形成比一般地區更為深厚的對流大氣邊界層。

圖5 2016年7月塔中站晴日和浮塵日向下短波輻射日變化（a）、向下長波輻射日變化（b）、地面凈輻射日變化（c）、地表感熱通量日變化與大氣邊界層高度關系（d）Fig.5 Diurnal variations of downward shortwave radiation(a),diurnal variations of downward longwave radiation(b),diurnal variations of surface net radiation(c),relationship between diurnal variation of surface sensible heat flux and atmospheric boundary layer height(d)

表3 2016年7月塔中站晴日和浮塵日輻射通量日總量對比Tab.3 Comparison of daily total radiation fluxes on sunny days and floating dusty days at Tazhong Station in July 2016

夜間地表凈輻射取決于向下長波輻射和向上長波輻射的差值。浮塵日主要由于沙塵氣溶膠向下放射和反射長波輻射使向下長波輻射較晴日明顯增大，夜間浮塵日地面接收的向下長波輻射較晴日地面接收長波輻射平均增大近20 W·m-2（圖5b）。夜間地表凈輻射主要取決于向下長波輻射變化，浮塵日向下長波輻射的增加使得地表凈輻射也顯著增大（表3）。地表凈輻射在21：00 左右轉為負值，夜間晴日凈輻射谷值可達到-110 W·m-2。浮塵日由于較大的向下長波輻射使得凈輻射谷值明顯增大，為-80 W·m-2，且夜間浮塵日凈輻射均大于晴日（圖5c）。負的地表凈輻射表示夜間地表向外輻射冷卻，強烈的地表輻射冷卻使得地面降溫快于上層大氣，增強貼地逆溫強度［35］。晴日地表輻射冷卻較浮塵日更強，是由于浮塵氣溶膠的向下長波輻射削弱了地表輻射冷卻（表3）。感熱通量是指由于溫度變化而引起的大氣與下墊面之間發生的湍流形式的熱交換。夜間地表感熱通量為負，地面冷卻地表大氣，熱對流受到抑制，而夜間浮塵日穩定邊界層高度較晴日高（圖5d）。浮塵日沙塵氣溶膠增強了向下長波輻射，削弱地表輻射冷卻從而抬升穩定邊界層高度，同時減弱夜間穩定邊界層逆溫強度。

塔克拉瑪干沙漠地區浮塵氣溶膠的輻射效應對大氣邊界層結構存在重要影響。夜間浮塵氣溶膠放射和反射長波輻射，使向下長波輻射較晴日增大。較強的向下長波輻射削弱了地表輻射冷卻，從而抬升夜間穩定邊界層高度，并減弱穩定邊界層逆溫強度和穩定性。白天沙漠地區地表凈輻射配合高的感熱通量轉化率加劇了大氣熱對流。因此，晴日出現超高的對流邊界層。浮塵氣溶膠吸收和散射太陽短波輻射，使地表短波輻射和感熱加熱較晴日明顯減少，降低了白天對流邊界層高度，增強了對流邊界層的穩定性。塔里木盆地獨特的“滯空”浮塵氣溶膠的輻射效應對大氣邊界層結構具有晝夜相反的影響。

3 討論

考慮到天氣過程對大氣邊界層結構的影響，未來將利用客觀分型方法對塔里木盆地浮塵過程進行天氣學分型，以探究浮塵日不同天氣形勢對大氣邊界層結構的影響。由于缺少沙塵氣溶膠的垂直觀測，限制了大氣輻射傳輸模型的計算。下一步我們將利用夏季在塔中開展的沙塵氣溶膠和氣象要素的同步垂直觀測資料開展沙塵氣溶膠的輻射效應模擬研究，并評估目前模型的問題。受限于缺乏塔克拉瑪干沙漠地區長時間序列的多區域探空觀測資料，本文尚未完整對比大氣邊界層結構的季節及區域變化特征。未來將利用更加完善的多平臺加密觀測，提高觀測的分辨率，以便更加全面地研究沙漠地區大氣邊界層的結構變化。

4 結論

為了認識大氣邊界層結構和浮塵氣溶膠相互作用，利用塔克拉瑪干沙漠腹地塔中站2016年夏季強化探空觀測及地面自動氣象站資料對比分析了晴日和浮塵日大氣邊界層結構的差異及浮塵氣溶膠輻射效應對其的影響,得出以下結論：

（1）夏季夜間晴日穩定邊界層高度達到270 m，浮塵日大于晴日，為360 m。晴日穩定邊界層逆溫強度達到3.1 K·（100m）-1，大于浮塵日的1.6 K·（100m）-1。殘留混合層頂高度在夜間隨時間推移降低，晴日殘留混合層頂高度大于浮塵日。白天晴日對流邊界層高度接近3600 m，浮塵日僅達2700 m，整體來看，晴日對流邊界層高度高于浮塵日。體現了浮塵氣溶膠輻射效應對大氣邊界層結構晝夜相反的影響。

（2）晴日和浮塵日大氣邊界層的動力特征及水汽分布有著明顯區別。夜間晴日和浮塵日穩定邊界層頂以上都存在大氣邊界層低空急流，晴日急流風速最大達10.4 m·s-1，浮塵日僅為8.1 m·s-1。白天對流邊界層晴日水平風速最大達7.4 m·s-1，浮塵日為6.6 m·s-1。整體而言，晴日對流邊界層水平風速大于浮塵日。夜間穩定邊界層內比濕存在最大值，浮塵日達6.4 g·kg-1，晴日為4.7 g·kg-1。進入殘余混合層比濕大小隨高度上升基本保持不變。夜間浮塵日大氣邊界層內比濕均大于晴日。白天浮塵日對流邊界層比濕維持在4.8 g·kg-1左右，大于晴日的3.5 g·kg-1。

（3）夜間浮塵氣溶膠使浮塵日向下長波輻射較晴日增大。較強的向下長波輻射削弱了地表輻射冷卻，從而抬升夜間穩定邊界層高度，并減弱穩定邊界層逆溫強度和穩定性。白天沙漠地區地表凈輻射配合高的感熱通量轉化率加劇了大氣熱對流，因此晴日出現超高的對流邊界層。浮塵氣溶膠使浮塵日地表短波輻射和感熱加熱較晴日明顯減少，降低了白天對流邊界層高度,增強了對流邊界層的穩定性。