风廓线雷达资料和L探空资料确定济南夏季边界层高度的对比研究

王栋成，汤子东，邱 粲,2，董旭光，曹 洁

(1.山东省气候中心，济南 250031；2.上海师范大学地理系，上海 200234)

引 言

大气边界层的高度是污染物扩散、气候及大气等模式的一个重要输入参数，边界层高度的变化对数值预报中的物理过程、天气预报的诊断分析、环境空气质量的预报、空气污染物的监控与预测、大气环境容量的确定等也有相当重要的作用[1-3]。基于不同的物理量，判定边界层高度的依据不同[4]。目前，边界层高度的确定方法主要有两类：一是基于参数化和简单的模型计算，二是基于廓线测量[5]。参数化方法主要包括国标法[6,7]、罗氏法[7,8]、联合频率法-罗氏法B[7]、萨默斯(Summents)经验公式法[7]、最小二乘曲线拟合法[9]等。参数化方法实用性强，但由于边界层高度变化的复杂性及以地面常规观测资料判断边界层变化的局限性，各种参数化方案的准确性均有待进一步验证和改进[5]。廓线测量法主要包括干绝热法[7,10-11]、实测法[7，12]、风速极值法[13-15]、位温法[4,7](虚位温梯度法[15-17])、湿度梯度法[1,18]、湍流能量法[4,15]、综合评定法[7]等。廓线测量是确定大气边界层结构最常用的方法，可较准确地判断边界层高度，但大气边界层的特性和结构资料并不是常规气象观测的内容，因此对它的研究只能依赖于特定的试验项目或每日2～3次的L探空，观测资料在时间和空间上都非常有限[19]。

1 资料与方法

1.1 资 料

采用的2014年6月1-30日和7月15-24日每日07、13、19时整点后15 min、高度层0-4000 m的气温、相对湿度等数据，来自济南L波段探空雷达记录文件。L探空数据均经质量控制，符合中国气象局《高空气象探测规范》。L探空秒级和分钟级数据的高度分辨率分别为6～7 m、400 m。考虑L探空整点后15 min开始探测，气球按照400 m/min的速度上升，10 min的高度足以涵盖WPR探测每6 min、3980 m的高度范围，因此本研究采用的整点后18 min的ROBS数据与整点后15 min的L探空数据的时空匹配一致。每10 m高度层间隔的气温、相对湿度资料，利用L波段高空气象探测系统数据处理软件内插获取[35]。

采用的地面气象逐小时数据来自章丘气象站，数据均经自动、人工审核与质量控制，符合中国气象局《地面气象观测规范》要求。章丘气象站与济南WPR观测站、济南L探空观测站属于相同站场，观测场经纬度、海拔高度基本一致，本文统称为济南站。

1.3 对比方法

表1 2014年济南夏季三种方法判断HCBL的能力对比

2 结果分析

2.1 个例分析

(1)三种方法确定的结果对比

表2 三种方法确定的济南站2014年7月18日HCBL结果对比

图1 L探空虚位温梯度法(a)、湿度梯度法(b)、WPR偏离度法(c)三种方法确定的济南站2014年7月18日07时(a1-a6)、13时(b1-b6)、19时(c1-c6)HCBL对比

(2)逐小时HCBL的日变化

基于方法三确定的济南站2014年7月18日07-19时逐小时HCBL变化见图2，并同时给出了该日地表温度、气温日变化和方法一、方法二确定的早中晚HCBL。由图2可见，该日HCBL自07时的640 m逐渐波浪起伏式增高，至午后15-16时达到最高值2740 m，其后快速降低，至19时为760 m。与通常的HCBL最高值出现在15时略有不同，该日最高值持续至16时。分析原因是该日在太阳辐射作用下，地表长波辐射较强，地表温度最高达64.3 ℃(13时)，近地面气温13-16时滞后响应且缓慢持续增高达36.0 ℃(16时)，大气边界层内的湍流运动使近地层热量向上传递，上下层热交换充分且对流较强、热浮力和动力抬升作用滞后所致。同时也显示，HCBL最高值对近地面热通量作用的响应时间尺度为1 h或更短，而对地表热通量作用的响应时间尺度则可滞后达3 h，这与张坚[15]、卢萍[39]等的研究结果一致。

图2 偏离度法确定的济南WPR站2014年7月18日白天的逐小时HCBL变化

2.2 夏季6-7月三种方法可对比有效样本的统计分析

图3 三种方法判定的2014年济南夏季07时(a)、13时(b)、19时(c)HCBL结果逐样本对比

表3 三种方法判定的2014年济南夏季同时刻HCBL统计结果对比

(1)三种方法确定的结果统计分析

三种方法确定的HCBL均值、最小值、最大值虽个别有差异但差异较小，总体一致性很好，表明WPR实测和L探空实测结果均能很好地反映大气边界层高度变化的实际状况。方法三确定的济南2014年6-7月白天平均HCBL为1124.4 m，其中07时的为510.0 m，13时的为1884.5 m，19时的为658.2 m。

07时，方法三的平均值较前两者的差值分别为+14.3、+9.3 m，最小值的差值分别为+20、0 m，最大值的差值分别为-20、-20 m。30组有效样本中，方法三与前两者的差值范围在-180～+250 m(76.7%样本的差值在-80～+100 m)、-180～+200 m(80.0%样本的差值在-100～+100 m)。方法一和方法二的差值范围很小，为-50～+80 m，且83.3%样本的差值在-20～+30 m，平均值差仅5.0 m。

13时，方法三的平均值较前两者的差值分别为+36.4、+21.6 m，最小值的差值分别为+20、+10 m，最大值的差值分别为+50、+80 m。31组有效样本中，方法三与前两者的差值范围在-170～+490 m(70.0%样本的差值在-80～+100 m)、-270～+310 m(63.3%样本的差值在-100～+100 m)。方法一和方法二的差值范围为-380～+290 m，且80.6%样本的差值在-40～+80 m，平均值差仅14.8 m。

19时，方法三的平均值则较前两者的差值分别为-27.3、-25.4 m，最小值的差值分别为-70、-30 m，最大值的差值分别为+40、+40 m。11组有效样本中，方法三与前两者的差值范围在-130～+40 m(90.9%样本的差值在-70～+40 m)、-150～+50 m(81.8%样本的差值在-60～+50 m)。方法一和方法二的差值为-60～+110 m，且90.9%样本的差值在-60～+10 m，平均值差仅1.9 m。

(2)三种方法结果的相关性分析

图4 三种方法确定的2014年济南夏季07时(a1-a3)、13时(b1-b3)、19时(c1-c3)、全部样本(d1-d3)HCBL的相关性对比单位：m

2.3 济南夏季6-7月HCBL日变化

表4 偏离度法确定的济南夏季6月、7月HCBL统计结果 m

(1)各典型日HCBL逐小时值是波浪起伏式变化的，而非平均值那样的持续增高或降低；07-15时的HCBL总体呈现缓慢增高态势，而15时后有一些HCBL是断崖式降低的，如6月3、6、24、28日和7月19、22日等，而另一些则是延续滞后至16-17时才迅速降低的，如6月17、23、27日和7月15、16日等。原因是对流边界层的形成阶段是由于热力抬升增强导致的热泡式起伏增长，而对流边界层的崩溃阶段则是热力抬升减弱导致坍塌式快速降低[16]。

(2)济南站夏季6月小时HCBL最高为3460.0 m，出现在6月6日15时(图5a)；逐小时HCBL最高值在13-16时均可出现，其中以15时的最多，为18天，其次是14时的11天、13时的8天、16时的3天。7月小时HCBL最高为3220.0 m，出现在7月17日15时(图5b)；逐小时HCBL最高值在14-16时均可出现，其中以15时的最多，为4天，其次是16时的3天、14时的2天。6月、7月平均HCBL日变化规律基本一致，均是早晚低、中午高，最高值均出现在15时，07-15时HCBL均为缓慢增高，15-19时HCBL则快速降低。6月、7月的07时平均高度分别为498.2、526.7 m，19时则分别为586.3、573.3 m，15时最高分别为2205.0、2157.1 m。7月的最高值略低于6月的，可能是时段短、样本数少所致。

图5 偏离度法确定的2014年济南6月(a)和7月(b)HCBL月均值和典型日值的逐小时变化

(3)WPR与L探空确定的HCBL平均值早、中、晚均较为一致。6月07、13、19时的差值分别为+16.2、+40.7、-82.3 m，7月07、13、19时的差值分别为+3.7、0、-86.7 m。

3 结论与讨论

(2)济南6月、7月对流边界层高度15时最高值可达3460.0、3220.0 m，平均值可达2205.0、2157.1 m。07-15时的对流边界层高度为波浪起伏式缓慢增高态势，15-19时的变化则是断崖式降低，这与热力抬升的增强和减弱过程直接相关。

(3)虽然WPR观测数据具有高时间分辨率的优点，但其空间分辨率不及L探空数据的高。而且，WPR探测能力和产品数据的质量，仍是制约确定大气边界层高度的关键因素。当有降水时或各高度层的相对湿度连续较大时，或夜间边界层高度低于WPR最小探测高度100 m时，或冬季探测能力低于边界层顶高度时，或低层信号受地面杂波干扰时，或数据缺测较多、异常情况大量出现时，不同观测模式、数据运算方法等自身存在的诸多问题，均可能会导致无法判定边界层高度的情形。当然，相比3 km探测高度的WPR，6 km探测高度的WPR探测能力进一步提高，可一定程度地解决大气边界层高度有时无法判定的问题。