热浪条件下大气边界层结构的日变化特征

摘 要：基于北京首都国际机场2008—2019年的AMDAR数据记录，探究大气边界层温度和风的日变化特征及其对热浪事件的响应。将热浪事件定义为日平均气温连续2 d以上超过暖季（5—9月）日平均气温95%分位数的高温天气过程。研究发现：北京市大气边界层温度有显著的日变化，通常在15：00达到最高值。在白天，对流边界层发展旺盛，而夜间有较为明显的辐射逆温。北京大气边界层风速同样具有显著的日变化和垂直差异，3 000 m以下往往在02：00～04：00达到最大风速，在较低层，白天多为东南风而夜间多为东北风；在较高层，整个日平均变化几乎表现为西北风。

关键词：行星边界层；热浪；AMDAR

中图分类号：P421.3 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

当前，全球呈现出气候变暖的趋势，部分地区极端天气持续发生。在过去的数十年间，热浪事件在全球的影响范围扩大了数十倍，对各国人民的生产生活都带来了巨大的影响[1-2]。由国内外学者的研究可知，热浪天气的不断发生会导致人们，尤其是幼童和老年人及部分健康状态欠佳的人群持续暴露于热浪环境中，使这部分人的中暑、心血管疾病、呼吸道疾病的发病率和死亡率上升[3]。在可预见的未来，由于温室气体浓度不断上升，一方面，热浪天气会加剧城市“热岛效应”的强度；另一方面，城市受自身地理位置、地表条件等因素的影响，热浪天气的强度增大，给城市居民的生活带来了不可忽视的影响[4]。

1 热浪的定义

本研究将热浪定义为根据2008—2019年日平均温度至少连续2 d超过暖季（即5月1日—9月30日）平均温度95%的时期。在之前的研究中，不同研究者会使用不同的阈值定义热浪事件。而本研究选择用相对阈值作为判断热浪事件的标准，用以确保热浪期和非热浪周期之间的差异显著和保持相对较大的热浪事件样本。在本研究中，对边界层结构的分析将不考虑具体某一日的边界层变化情况，而是围绕气象要素的平均日变化展开，探究十年来机场探测数据的平均变化情况及其总体分布特征，以及对比热浪和非热浪期的大气边界层气象要素，以展示其差异性和一致性。

2 数据与地理位置

2.1 数据

采用北京首都国际机场的AMDAR探测数据以及对大气边界层的日变化观测记录，该数据记录基于世界气象组织发布的飞机气象数据中提供的客机有关气象要素的报告。同时，采用RAOB站点提供的无线电探空数据作为地表探空数据。RAOB站点提供的无线电探空数据通常在世界时00：00和12：00各提供一次观测数据，主要用于对大气中温度，气压、湿度、风速、风向等的探测，通常可以提供部分固定气压层的探测数据。作为当前相对精准的气象要素观测资料之一，本研究将其作为判断AMDAR数据准确性的基准。

2.2 地理位置

北京首都国际机场位于北京市东北方向，AMDAR

数据显示其经纬度为（40.08°N，116.61°E）；RAOB显示的经纬度为（39.93°N，116.28°E），两者间距36 km。机场地处北京市，北京市位于我国华北地区，华北平原东北边缘，为典型的北温带半湿润大陆性季风气候，夏季温暖多雨，冬季寒冷干燥，年平均降水量500 mm

左右，在华北地区属于气候较为湿润的地区。由于北京是典型的季风气候，因此一年四季分明，又有“北京湾”这一特殊地形，西北部与太行山相接，东南部与渤海相邻，导致风向日变化大，白天多偏南风，夜间多偏北风，可能会有“山谷风”对该地区风速造成影响；温度四季变化和日变化较大，出现南北部温差较大的情况。

3 大气边界层结构的日变化特征

3.1 大气边界层风温日变化

图1和图2为AMDAR数据2008—2019年北京首都国际机场温度与风速的平均日变化。该地区的温度存在较强的时间变化和垂直变化。日平均最高温度出现在15：00附近，且整体边界层温度变化较为一致，自地表向上，温度随高度上升而下降；白天，温度升高导致对流边界层发展旺盛，夜间，出现明显的逆温层。而经向风与纬向风都有强烈的垂直方向上的日变化，纬向风在近地面为负，在1 500 m以上为正；经向风在近地面多数时间为正，凌晨出现负值，在1 500 m以上为正。因此，北京首都机场总体在近地面为东南风，在较高层大气中为偏西风。其中，较高层中的风向变化可能受到大气环流西风带的影响。无论是纬向风还是经向风，近地面日平均风速都在凌晨达到最大值，约

3 m/s。此外，边界层底部经向风的风速变化较大，这可能是机场附近飞机升降带来的气流造成的影响[5]。

AMDAR数据绘制的3 000 m以下温度和风速的平均日变化图展示了温度与风两个变量在边界层的整体结构，也表现出AMDAR数据在探测边界层结构变化的应用中具有较高的准确性，可以很好地反映出气象要素在边界层中的变化情况[6-10]。

图1" 2008—2019年北京首都国际机场平均温度日变化

（单位：K）

图2" 2008—2019年北京首都国际机场纬向风与经向风的平均日变化

3.2 大气边界层结构对热浪的响应

3.2.1 温度

图3为北京首都国际机场2008—2019年热浪期与非热浪期平均温度日变化的比较。从平均温度日变化特征图可以看出，无论是在热浪期还是在非热浪期，边界层的温度都存在强烈的日变化，并且平均温度随着高度升高而下降，近地面温度约在300 K，3 000 m上的温度降至280 K以下。并且，通过对比日平均温度日变化可以看出，相较于非热浪期，热浪期的边界层温度日变化更加强烈，垂直方向上温度梯度也更加明显，从而可推得热浪天气的发生发展会导致边界层温度的变化发展更加剧烈，热浪天气会对大气边界层的结构变化造成一定的影响。

从图3可以看到，热浪天气产生时，温度相对于非热浪期有明显的升高，约在每日15：00附近达到日平均最高温度。在热浪期，日平均最高温度约为310 K，而在非热浪期，日平均温度最高约为298 K。这是由于在热浪天气过程中，白天大气辐射由上至下，通过热量交换使地表温度逐渐升高，下午整个边界层达到温度最高点。此外，日平均温度图显示夜间边界层出现明显的逆温层，受白天高温影响，有利于形成温暖的夜间残留层，残留层储存的温度会导致翌日边界层温度偏高。

除了热浪期相较于非热浪期在整体温度上出现明显的上升，热浪期垂直方向上的平均温度与非热浪期间也体现出较大的差异，热浪期垂直方向上温度变化更加明显，整体温度变化更加剧烈。可以看出，热浪天气的发生发展会对边界层的平均温度日变化和平均温度在垂直方向上的变化造成较大的影响。

3.2.2 风分量

与非热浪期相比，风分量的垂直和日变化特征表现出相似的变化情况。热浪期纬向风在近地面风向为东风，在边界层上部风向为西风，与非热浪期的纬向风风向较为一致；而热浪期经向风在近地面风向为北风，在较高层风向为南风，与非热浪期的经向风风向出现一定的差异。风速在02：00～04：00达到最大值。总体而言，热浪期边界层的纬向风和经向风风速都有一定程度的增大，平均纬向风风速低层（1 500 m以下）由0～3 m/s上升至0～6 m/s，高层则由3～6 m/s降至0～

6 m/s，经向风整层平均风速上升1～2 m/s。这表明热浪会导致风速有所增大，热浪期和非热浪期相比，纬向风风向没有明显的改变，低层为东风，高层为西风；经向风风向低层非热浪期以南风为主，热浪期则转为北风，高层非热浪期为北风，热浪期转为南风。热浪期纬向风和经向风的日变化剧烈，垂直方向上变化

显著。

图3" 2008—2019年3 000 m以下北京首都国际机场温度在热浪和非热浪期的平均日变化（单位：K）

经向风和纬向风在每日22：00逐渐增大，在02：00

～04：00达到一天风速的最大值，低层约为3 m/s，高层约为8 m/s。当热浪天气发生发展时，无论是经向风还是纬向风，热浪期平均风速相对于非热浪期间都有所增加。

以上结果表明，在北京首都国际机场的数据中，边界层风分量的变化呈垂直和日变化。在热浪条件下，风速的日变化会更加剧烈，在垂直方向上也会出现显著的变化。由于北京首都国际机场位于城市附近，因此，边界层风速、风向的变化也可能与热浪期城市的地表条件有关。

4 结束语

以往研究表明，机场上空频繁的飞机起飞降落会导致边界层中风分量受到飞机起降气流造成的扰动，AMDAR数据显示的边界层低层中风速风向的日变化特征可能会受到一定程度的影响。本研究表明，边界层的风速、风向变化除了受到热浪等气候条件的影响，还需要考虑当地地表条件对近地面风速、风向产生的影响。北京首都国际机场所处地理位置为北京市东北方向，5—9月白天华北平原受到太阳辐射导致温度上升，夜间西北地区的山地降温速度快，导致温度下降速度大于平原地区，从而在夜间产生较大的温差。这可能导致北京首都国际机场夜间AMDAR数据显示风速上升，近地面风速在凌晨达到日平均风速的最大值。在春夏、夏秋相交时，由于北京依山傍海，平原地区地形平坦，因此，山地和海洋因地势和地表条件的区别而使得产生的热量得到充分的交换，近地面风速增大。

通过对比边界层气象要素在热浪期和非热浪期的平均日变化可以看出，边界层的结构在温度、纬向和经向风等方面的表现基本一致，在热浪事件发生发展时，边界层气象要素的日变化会更加剧烈。日变化图的对比分析表明气象要素在热浪期和非热浪期的条件下存在差异。

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收稿日期：2024-07-24

作者简介：郭怡宁（2001—），女，福建福安人，助理工程师，研究方向为大气科学。