四川温江有无雨日的边界层特征对比分析

卢 萍 ，李 英

（1.中国气象局成都高原气象研究所，四川 成都610072；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，四川 成都610072）

观测是揭示天气、气候变化的基础之基础[1]。大气边界层是地球表面与大气之间进行物质、能量交换的必经气层[2-3]，边界层塔的建立为研究贴地层、近地层陆气之间的物质和能量交换及大气和土壤的特性提供了科学的数据，探空观测资料更是研究边界层特征的有效补充。李英等[4]利用理塘站和温江站2007年2—4月获得的湍流观测资料，分析和比较了这两个地区近地层湍流平均场特征，湍流统计特征以及湍流通量变化特征，认为理塘站温湿压都要低于温江站，且气温和气压的变化幅度均不如温江站明显。王喜全等[5]利用北京月坛公园180 m铁塔城市边界层常规微气象观测资料，分析了城市边界层温度及其层结的季节变化。李英等[6]利用理塘大气综合观测站资料对比分析了冬、夏近地层微气象特征和湍流输送情况。李茂善等[7]利用无线电探空仪观测资料研究了藏北高原地区干、雨季大气边界层结构的不同特征，指出藏北高原地区边界层干季的对流混合层高度明显高于雨季时的对流混合层高度。徐祥德等[8]基于云南省大理加密探空试验资料，结合边界层铁塔综合观测资料，研究认为近地层湍流通量变化一定程度上可反映未来局地大气视热源垂直结构变化的“强信号”特征。霍文等[9]利用2011年10月15—24日在古尔班通古特沙漠腹地系留气艇边界层试验的探测资料，分析了沙漠腹地近地层风、温、湿等气象要素廓线垂直分布特征及其变化情况。徐桂荣等[10]利用探空资料估算青藏高原及下游地区大气边界层高度。李岩瑛等[11]利用中国西北民勤、榆中和平凉3站2006—2012年逐日8时和20时探空资料，及1961—2012年地面要素资料，对比分析了对流边界层厚度、稳定边界层厚度的时间变化特征及其影响因子。结果表明，民勤的对流边界层厚度较深厚，达3300 m以上，平凉最厚,达2700 m，榆中达2300 m；民勤稳定边界层厚度较低，约在500 m，榆中较厚，在1200～1400 m。边界层厚度与最高地温差关系较为密切，呈显著正相关。胡义成等[12]利用乌鲁木齐市L波段雷达探测的高空资料，分析了乌鲁木齐边界层内气温、风向、风速和相对湿度的垂直分布及其时间变化特征。以上研究都是基于直接的观测资料，从多个方面揭示了边界层大气的基本特征。

中国气象局成都高原气象研究所（简称高原所）近年来在温江观测站进行了西南涡加密探空[13-14]以及边界层塔[15-16]的同步观测，获得了较为完善的边界层大气结构及湍流输送观测资料。本文利用2016年6月21日—7月31日在温江站获取的一手观测资料，在给出温江站边界层大气观测事实的同时，通过对比分析，探讨其有无降水日大气边界层结构及日变化特征的异同，为该地区的资料检验校准及数值模式的改进工作提供观测依据。

1 边界层站的位置、观测变量和观测时段

温江地区位于成都平原西部、青藏高原东坡以东的平坦地带，观测场设在一片平坦的开阔的农田间，具体位置在 30.7°N，103.83°E，海拔 544 m 左右（图1），目前，温江站即成都市气象观测站。

图1 温江站位置示意图（图中白色三角形处）

高原所在温江站架设了一个边界层观测塔，用于观测近地表层的各个要素场，文中所用观测仪器型号和架设高度详见表1。边界层塔常年连续观测，每间隔10 min获取一次观测数据。加密探空试验采用GFE（L）1型雷达探空观测系统，工作方式为L波段雷达以二次雷达方式工作，跟踪气球携带的GTS1型数字式电子探空仪。具体的观测变量和雷达参数详见表2。观测时段为6月21日—7月31日，共计41 d，探空气球释放频率为每天4次，间隔时段为6 h，释放时间分别为2时、8时、14时、20时（文中皆用北京时）。本文选取边界层塔观测和加密探空观测同时开展时段（2016年6月21日—7月31日）的资料，分别挑选出有明显降水和无降水的日期进行分类，通过资料合成方法进行对比分析。

表1 边界层塔的观测要素、仪器型号和架设高度

表2 GTS1型数字探空仪的变量范围和精度以及L波段雷达的主要参数

2 温江站地面降水概况

图2a是温江站在2016年加密观测时段的逐日降水，可以看到6月下旬降水日和降水量都很少。7月降水日和降水量都比较多，其中7月3日、7月11日和7月22日24 h降水量都超过了50 mm，达到暴雨量级。下面分别挑选日降水量＞10 mm的10个雨日和零降水的13个无雨日进行对比分析，有雨日和无雨日所对应的具体日期见表3。

图2b是温江站有雨日平均的逐时降水分布，从图上可以明显看出温江站的逐时降水主要分布在3个时段：2—6时，10时前后，20—21时。其中2—6时降水强度最大，持续时间最长，表现出川西盆地典型的夜雨特征。

表3 2016年试验期间的有雨日和无雨日及加密观测是否缺测（■表示有观测）

图2 温江站2016年6月21日—7月31日降水（a为逐日降水，单位：mm；b为有雨日平均的逐时降水，单位：mm/h）

3 探空观测的基本要素场对比分析

温江站位于繁华都市，航空管制比较严，仅常规观测两个时次（8时和20时）探空资料是齐全的，加密时次（2时和14时）则缺测较多，资料不全，比如2时，有雨日仅4 d有资料；无雨日则8 d有资料；14时，有雨日5 d有资料，无雨日8 d有资料（表3）。下面用能够采集到的观测资料进行对比分析。

图3a是4个时次有雨日和无雨日的位温廓线（降水多集中在凌晨时段，因此也给出了降水日前一天20时的探空资料的合成结果）。无论有雨日和无雨日位温都能表现出一些相似的日变化特征：半夜和早晨位温小，且位温随高度的增加而升高，大气层结非常稳定。而下午和傍晚的位温则较高，尤其是午后，低层大气中明显存在一定厚度的混合层。通过对比分析发现有雨日和无雨日位温廓线存在一定的差异：有雨日的位温在各个时次都明显低于无雨日的位温，午后14时位温廓线的差值最大。无雨日午后的混合更为强烈，边界层湍流混合发展高度更高，能达到海拔1700 m左右，且近地层靠近地面（590 m以下）有一个的超绝热层。有雨日混合充分的大气仅到900 m高度，远远低于无雨日。位于四川盆地西部的温江站的边界层厚度比降水少、日照强的西北地区明显偏低[18-19]。

温度廓线在有雨日和无雨日同样既有相似的日变化规律，也存在一些差异：无雨日除了14时外，其它时次低层大气都存在一定厚度的逆温。2时逆温层分布在720 m以下，8时逆温层在780 m以下，20时逆温厚度最薄，分布在600 m以下，无雨日逆温结构显著，8时的逆温层厚度最大。有雨日低层大气更突出的表现是存在一定厚度的恒温层。有雨日20时温度最高，无雨日则是近地层14时温度最高，海拔700 m高度以上，20时气温则高过14时，这是因为无雨日午后强烈的短波辐射造成非常高的地表温度，因为越靠近地面的大气层受地表的影响越大，所以越靠近高温地面的大气温度也越高，除此之外，云的作用也是主要原因。对比分析后发现，有雨日近地层大气温度日变幅约为4.5℃左右，无雨日温度日变幅超过6℃，有雨日温度日变化幅度远远低于无雨日。有雨日各个时次的大气温度都要低于无雨日，其中温度最高的14时温差也最大，差值达到5℃（图3b）。

比湿也具有明显的日变化规律，边界层大气比湿在14时最小，20时次之，2时比湿值最大。比湿的日变化是地面蒸发和湍流垂直输送共同作用的结果，一方面白天温度高，蒸发量大，另一方面日出以后随着太阳辐射增强，气温逐渐升高，强的垂直混合运动将近地面水汽向上层大气输送，使得近地面比湿持续减小直至达到极小值，傍晚后由于湍流输送作用减弱，低层大气比湿又逐渐增大，由此可见，湍流垂直输送是影响低层大气比湿的日变化的主导因素。有雨日近地层大气比湿日变化幅度为2 g/kg左右，无雨日近地层大气比湿日变化幅度为7 g/kg，而处于沙漠腹地的塔中站却是晴天日变化较小[17]。有雨日在14时和20时2个时次的比湿值都明显高于无雨日，这一现象很好地证明了湍流运动对水汽的垂直输送作用，而凌晨2时和早上8时，有雨日低层水汽的比湿值低于无雨日，主要是与降水相对应的局地强辐合，把水汽快速输送到上层大气的缘故。同时看到，有雨日前一晚20时的整个中低层大气的水汽含量值较大（图3c）。

温江站边界层风速整体不大，夜间没有观测到低空急流现象[18-19]。纬向风廓线显示，有雨日低层大气主要表现为较强的偏东风，最底层（700 m以下）大气则由前一晚20时的弱西风转化为2时的东风。无雨日的风速非常小，平均风速＜1 m/s，仅在傍晚有不超过2 m/s的偏东风，与前面的地形相对照，发现偏东风气流在地形的阻挡左右下，很容易产生辐合爬升，非常有利于降水的触发和增幅（图3d）。经向风廓线同样显示有雨日的风速明显大于无雨日，且有雨日整个低层大气都是偏北风气流，而无雨日不同时次的风向是不一致的。低层的偏北风气流一方面可能来自北方的冷空气，另一方面局地的风场遇地形产生气旋性辐合也会在该地区呈现偏北风现象，这两者也都有利于降水。无雨日午后风场的混合特征明显，而有雨日则不然（图3e）。

图3 温江站有雨日和无雨日边界层垂直廓线（a为位温，单位：K；b为温度，单位：K；c为比湿，单位：g/kg；d为风速，单位：m/s；蓝线代表2时，紫线代表8时，红线代表14时，绿线代表20时，黑线代表有雨日前一天的20时；实线代表有雨日，虚线代表无雨日）

综上所述，大气边界层内各个气象要素场在有无降水日具有非常明显的差异，具体表现在：无雨日白天边界层位温廓线结构与晴天混合边界层特征较为一致，边界层内大气湍流混合更为充分，边界层发展高度较高，而夜间边界层则表现得更为稳定。有雨日天空的云层对太阳辐射的阻挡作用使得其温度总是小于无雨日，无雨日底层大气有明显的逆温现象，而有雨日则更多地表现为恒温。在气温极大值出现的午后时段，他们之间的差异也达到最大。无雨日和有雨日的比湿对比充分说明了湍流运动和辐合上升运动都对低层大气水汽的垂直输送具有显著贡献。因为温江站处于青藏高原东侧的盆地西部，其低层大气的风速总体较小，相较而言有雨日的风速明显大于无雨日，一方面可能是辐合造成了较强的入流，另一方面可能是外围有较强的水汽输送。其风向多为偏东北风气流，非常有利于该地区的降水。

图4 地面太阳短波辐射、感热、潜热和动量通量的日变化（a 为太阳短波辐射，单位：w/m2；b 为感热通量，单位：w/m2；c 为潜热通量，单位：w/m2；d 为动量通量，单位：kg/ms2；黑线代表整个观测时段平均，红线是有雨日的平均，绿线表示无雨日的平均）

4 边界层塔观测的地表要素场的对比分析

4.1 地表能量输送日变化特征

地面观测资料来自温江边界层塔获取的资料。现在将有雨日和无雨日及整个观测时段（共41 d）的平均进行对比分析，比较他们的异同。夏季，太阳总辐射具有明显的日变化，在日出（7时）后从零开始逐渐增大，午后（13—14时）达到极大值，然后下降至日落后（21时）又变为零。有雨日的太阳辐射比无雨日小很多，有雨日在14时太阳短波辐射达到极大值495 W/m2，无雨日在13时太阳向下的短波辐射达到极值764 W/m2。整个时段平均的短波辐射极大值为520 W/m2，略高于有雨日（图4a）。温江下垫面的感热和潜热通量都较大，潜热通量比感热通量大2倍多，西北干旱区则是感热通量更显著[19-20]。感热和潜热通量都是凌晨和夜间小（接近0 W/m2），白天大，极大值出现在午后时段，有雨日凌晨时段的热通量甚至是负值。有雨日感热通量远远小于无雨日，有雨日感热通量极大值为56 W/m2，出现在14时，无雨日感热通量极大值为95 W/m2，极值出现在13时，有雨日感热通量极大值出现时间比无雨日晚1 h；整个时段平均值略高于有雨日，极大值为61 W/m2（图4b）。无雨日温度高，地表风大，因此潜热通量也明显高于有雨日，有雨日极大值出现在14时，极大值为173 W/m2。无雨日极大值出现在12时，极大值为259 W/m2，整个时段平均的极大值为180 W/m2（图4c）。除了热通量，动量通量也有相应的日变化，无雨日与热通量相似，都是夜间值较小，接近于0 kg/ms2，日出后动量输送随着风速的增大而增长，在14时达到极大值0.115 kg/ms2。有雨日却出现2个极值点，一个在凌晨2时，极大值为0.079 kg/ms2，另一个在15时，极大值为0.081 kg/ms2，整个时段平均的极大值在0.082 kg/ms2左右。凌晨这个强的动量通量应该是由于雨天低层大气辐合造成风速增大引起的，是对流运动存在的一个显著信号（图4d）。可以看到有雨日太阳短波辐射以及各个地表通量的极值都小于无雨日，其值约为无雨日的2/3左右，且极值出现时间比无雨日晚1~2 h。

4.2 地表大气的基本物理特性日变化特征

比较地表大气的温湿风压4个基本物理量的日变化状况发现，受太阳辐射的影响地表大气温度具有夜间小、白天大的显著日变化特征。极大值出现在16时，有雨日温度极大值为33℃，无雨日极大值高达36℃，整个时段平均的极大值为34℃（图5a）。地表大气比湿呈现双峰双谷的日变化特点：有雨日地表大气比湿的2个极大值分别出现在11时和22时，极值都在20 g/kg左右，2个极小值分别出现在3时和17时，其值约为19 g/kg；无雨日2个极大值分别出现在8时和21时，其值都在20.5 g/kg左右，2个极小值则分别出现在6时和16时，其值分别为19 g/kg和17.5 g/kg。（图5b）。有雨日除了15时出现1.8 m/s的风速极大值外，在凌晨2时还出现了风速值约为1.6 m/s的次极值；无雨日地面风速也是白天大、夜间小，极大值出现在14时，风速约为1.85 m/s（图5c），整个温江站的地面风速都比西北干旱区明显偏小[18-20]。气压是典型的双峰双谷结构。降水后气压通常会升高，因此有雨日的气压略高于无雨日，其双峰值为943.6 hPa和942.9 hPa，分别出现在10时和23时；双谷值为941.6 hPa和940.7 hPa，出现时间为4时和18时；无雨日气压峰值分别出现在9时和23时，极大值分别为942.6 hPa和942.7 hPa，谷值分别出现在4时和17时，极小值分别为941.1 hPa 和 940 hPa（图 5d）。

总之，有雨日地表大气白天升温速度和幅度都远远低于无雨日，日变化幅度比无雨日低3℃。有雨日白天比湿高于无雨日，夜间则低于无雨日，其日变化幅度仅有1 g/kg，也远远低于无雨日3 g/kg的日变幅。有雨日地面风速日变幅也略小于无雨日，除了午后时段外，有雨日在凌晨2时还出现另外一个风速极大值点。有雨日的气压值总是略高于无雨日，白天的气压差值较大（最大差值约为1 hPa），夜间气压差值略小。白天，有雨日各个物理量的极值出现时间总是略晚于无雨日。

图5 地面温湿风压的日变化（a为温度，单位：℃；b为混合比，单位：g/kg；c为风速，单位：m/s；d为气压，单位：hPa；黑线代表整个观测时段平均，红线是有雨日的平均，绿线表示无雨日的平均）

4.3 边界层塔上梯度观测的温度和相对湿度的对比分析

下面利用架设在边界层塔4个高度层上的仪器观测的温度和相对湿度（18.5 m高度上仪器故障）资料，对比贴地层大气有雨日和无雨日的温湿差异。首先比较温度场，可以看到4个高度层上的温度都呈现白天大、夜间小的日变化特征，最高温度出现在午后，有雨日的4个高度层的气温几乎都低于无雨日，除了最贴近地面层（1.4 m）的夜间外（因为该层云层少，受地面降温的强烈影响，冷却更快）。有雨日温度极大值出现在16时，极值范围在27～28℃，16—17时温度随时间的变化幅度很小，存在1 h近似恒温阶段。白天从地面向上温度随高度的增加而减小，越靠近地面层升温幅度越大，中间2个高度层（4.8 m和9 m）的温度比较接近，垂直梯度最小，夜间和凌晨则是越靠近地面温度下降越显著，温度值越低，呈现明显的逆温特征。无雨日温度极值出现在16时，极值范围在30～31℃，各层的温度比有雨日高出3.2℃，白天温度也是随高度的增加而降低，夜间和凌晨则是越靠近地面温度越低。有雨日温度日变化幅度比无雨日小，有雨日温度日变化幅度为5.5℃，无雨日为9℃，越靠近地面层，大气变温幅度越大（图6a）。贴地层大气相对湿度的日变化与温度位相相反，午后小，清晨大。有雨日相对湿度明显大于无雨日，极小值出现时间比无雨日晚1 h。有雨日相对湿度极小值出现在17时，1.4 m高度大气相对湿度极小值为70%，4.8 m高度大气相对湿度极小值为73%，9 m高度大气相对湿度极小值为55%。无雨日相对湿度极小值出现在16时，从下向上各层的极小值分别为54%、56%和34%。同样是4.8 m高度上观测到的大气相对湿度值最高，9 m高度上大气相对湿度值最低，究其原因，贴地层摩擦作用大，造成水汽滞留，而该摩擦作用的影响高度在5 m左右，其上主要是湍流影响，午后时段，湍流发展充分，水汽被带到较高的大气中，因此这里容易出现一个拐点。由于贴地层的摩擦作用减弱了湍流输送，使得水汽向上混合不充分，因此在5～9 m大气层之间呈现相对湿度梯度较大的现象（图6b）。

总得说来，白天，有雨日贴地层温度明显低于无雨日，极大值都出现在16时，温差为3.2 ℃。有雨日在达到极大值后存在1 h的近似恒温时段，夜间两者都存在显著逆温现象，越靠近地面层的大气温度的变幅越大。与温度不同，相对湿度最大值不是出现在最接近地面层，而是出现在4.8 m观测高度层。有雨日相对湿度明显高于无雨日，极小值出现时间为17时，比无雨日晚1 h。

图6 贴地层不同高度上温度和相对湿度的日变化特征（a为温度，单位：℃；b为相对湿度，单位：%；蓝线代表观测的最下层1.4 m处，绿线是第二层4.8 m处，红线代表第三层9 m处，紫线代表最上面的第四层18.5 m处）

5 结论与讨论

本文基于边界层塔和加密探空的观测资料，对比分析了温江站有雨日和无雨日的边界层大气特征，得到以下结论。

（1）温江站7月的降水量较多，降水时段以凌晨2—6时居多，呈现典型的“夜雨”特征。

（2）探空观测揭示了：无雨日白天边界层内大气湍流混合更为充分，呈现典型的混合边界层特征。有雨日边界层大气温度及其日变幅都小于无雨日，在极大值出现的午后时段二者之间的差值最大，云作用使得无雨日底层大气的逆温现象在有雨日呈现为恒温现象。有雨日近地层大气比湿日变化幅度低于无雨日，湍流运动和辐合上升运动都对低层大气水汽的垂直输送具有显著贡献。温江站低层大气的风速总体较小，不过相较而言，有雨日的风速明显大于无雨日，且多为偏东北风，非常有利于该地区产生降水。

（3）地面观测显示：有雨日太阳短波辐射以及各个地表通量的极大值仅为无雨日的2/3左右。白天，有雨日的温度低于无雨日，日变化幅度比无雨日低3℃左右；夜间二者都呈现显著的逆温现象。有雨日白天湿度高于无雨日，夜间则低于无雨日，有无雨日湿度日变化幅度比无雨日少2 g/kg；白天，有雨日风速日变幅也略小于无雨日，除了午后时段外，有雨日在凌晨2时还出现另外一个风速极大值点；有雨日的气压值总是略高于无雨日，白天气压差值比夜间大。白天，有雨日各个地面观测量的极值出现时间总是略晚于无雨日1 h左右。

（4）边界层塔上梯度观测发现：白天，有雨日贴地层温度明显低于无雨日，极大值都出现在16时，温差为3.2℃，夜间都存在显著逆温现象，越靠近地面层大气温度的变幅越大。与温度不同，相对湿度最大值不是出现在最接近地面层，而是出现在4.8 m观测高度层。有雨日相对湿度明显高于无雨日，极小值出现时间为17时，比无雨日晚1 h。

以上研究工作仅基于2016年加密观测时段的资料展开，时间跨度较短，且存在缺测等现象，因此结论的普适性有待以后有更多更完善的资料时，进行更加深入的对比分析。