北京大学学报(自然科学版) , 第41卷, 第2期, 2005年3月
Acta Scientiarum Naturalium
Universi tatis Pekinensis, Vol. 41, No. 2(Mar. 2005)
1) 青藏高原近地面层气象要素变化特征
彭 艳2) , 4) 张宏升3) , 4) 刘辉志 卞林根
2) , 3) 7)
3) 5) 6) 李诗明 康 凌6) 7) 2) , 4) 陈家宜 周明煜 徐祥德
4) (2) 北京大学环境学院环境科学系, 北京, 100871; 旱涝灾害重点实验室, 北京, 100871;
5)
6) 北京大学物理学院大气科学系暴雨与中国气象局兰州干旱气象研究所, 兰州, 730000; 7) 中国科学院大气物理研究所, 大气边界层和大气化学国家重点实验室, 北京, 100029; 中国气象科学研究院, 北京, 100081; 国家海洋局海洋环境预报中心, 北京, 100080)
摘 要 利用第2次青藏高原气象科学实验(TIPEX) 1998年5) 7月改则、当雄和昌都3个大气边
界层加强观测站获取的近地面层观测资料, 分析了青藏高原西部、中部和东部地区近地面层风速、
温度和湿度的日变化特征及其廓线规律, 给出了青藏高原地区地表空气动力学参数和地表温度变
化规律, 讨论了高原近地面层湍流通量特征及逆湿现象。
关键词 气象要素日变化; 通量-廓线关系; 青藏高原; 近地面层
中图分类号 P 41211
0 引 言
隆起的青藏高原对我国东部和南部、亚洲地区以及全球大气环流和天气气候均有巨大的影响。由于高原上多荒野大漠, 人烟稀少, 气象观测历史短, 气象测站稀疏, 人们对发生在高原面上的气象变化及其影响了解很少。1979年我国组织了第1次青藏高原气象科学观测实验, 比较系统地对高原地区近地面气象要素进行了观测和研究, 在高原近地面热量平衡、高原低涡及其对我国东部降水的影响、高原动力和热力作用对大气环流和气候的影响等方面取得了许多有意义的成果[2][1]。限于当时的技术条件和探测手段, 对于高原近地面基本气象要素(如风速、温度、土壤湿度等) 分析研究仅给出了一般规律, 精细结构研究较少。
研究高原近地面层的气象和通量特征一直是青藏高原气象学的重大课题之一, 也是国家攀登B 项目) ) ) /青藏高原地-气系统物理过程及对全球气候和中国灾害性天气影响的观测和理论分析(TIPEX)0的重点研究内容之一。青藏高原以其高海拔等特殊的地理、地貌特征, 形成了独特的高原近地面微气象学特征。第2次青藏高原气象科学实验期间, 自西向东分别在改则、当雄和昌都设置了3个大气边界层加强观测站, 并于1998年5) 7月进行了为期40多天的同步观测。这是首次在青藏高原从西向东在不同地点实施大气边界层结构以及近地层湍流输 1) 国家自然科学基金(40175005) 和(40233030)、北京市自然科学基金(8052012) 资助项目
收稿日期:2004-02-25; 修回日期:2004-10-25
第2期彭 艳等:青藏高原近地面层气象要素变化特征 送过程的同步观测, 取得了较为完善的高原边界层结构及近地层湍流观测资料; 对于加深高原近地面层气象要素和湍流特征的认识有重要的意义。本文利用位于青藏高原西部、中部和东部3个加强站的观测资料分析研究了青藏高原近地面层微气象学特征。[1]
1 资料获取与处理
青藏高原东西跨度约20b (80b E~100b E) , 南北跨度约10b (28b N~38N b ) , 东部和东南部为横断山脉区, 中部为江河源丘状高原区, 西部为羌唐高原湖盆区; 北部以柴达木) 黄湟高中海拔盆地为主体, 南部为喜玛拉雅海拔极高的山区。有关青藏高原加强观测站的详细情况文献[1]已有详细说明。
青藏高原大气边界层地气过程以地面湍流和辐射通量、温度、湿度和风速廓线, 以及土壤热通量和水分状态3方面为主要内容。与本文有关的改则、当雄和昌都3个加强观测站主要观测内容包括:近地层7层风速、温度和湿度平均廓线; Bo wen 比探测系统; 土壤温度的观测6层; 土壤湿度3层, 中午前后两天一次, 下雨时一天一次。所有观测仪器在观测前均进行了标定, 并在实验过程中进行了仪器水平对比等严格的资料质量控制措施。
本文时间为北京时间, 青藏高原地区地方时比北京约晚2~3h 。[1]
2 青藏高原近地面层基本气象要素的日变化特征
2. 1 青藏高原干季和湿季的划分及天气状况
根据1998年TIPEX 实验中在改则、当雄和昌都3个加强观测站加强观测期内的降水分布特点, 将加强观测期分为前干后湿两个阶段。青藏高原自西向东降水强度和降水量分布存在一定差别:位于青藏高原西部的改则站, 出现第一次可定量观测降水的时间在6月28) 29日之间, 7月18日出现了雷雨、大风和冰雹天气。干季(6月28日前) , 天气以晴为主, 中午前后有对流云发展; 湿季(6月28日后) , 除伴有对流天气外, 多为多云或阴天天气。位于青藏高原中部的当雄站, 6月22日为干季和湿季划分界限。干季期间, 上午多晴朗无云、风速很小, 中午由两侧山顶起云, 逐渐遮蔽天空, 云状以积云为主, 傍晚部分云又逐渐消散, 下午多出现大风天气; 湿季期间, 天气以多云和阴天为主, 降水时间不定。与西部的改则和东部的昌都两地干季和湿季分界明显相比, 当雄在干季期间也时有降水, 使当雄站的干季呈现一定的湿季特征。青藏高原东部的昌都站, 毗邻东部山区, 雨量充沛, 在整个加强观测期, 均有降水天气现象, 5月底以后降水量增大, 可将5月23日作为干季和湿季的分界线。青藏高原地区, 以改则、当雄和昌都为一横向剖面, 自西向东降雨量和降雨强度逐渐增加, 雨季到来时间逐渐提前。[1]
2. 2 风速的日变化特征
图1给出了干季(a) 和湿季(b) 改则、当雄和昌都站近地面层2m 高度上风速的平均日变化。干季期间, 3个测站的风速日变化均为一高一低型, 出现风速日变化极小值和极大值的时间自西向东逐渐提前, 改则站分别为09) 10时和20) 21时, 当雄站在07时和18时, 昌都站在05时和17时左右。风速幅值也是自西向东逐渐减小。湿季期间, 改则和昌都两站的风速日变化仍呈现一高一低型, 极大值出现时刻与干季相近, 改则站风速极小值出现时刻比干季略有提前, 昌都站则滞后; 当雄站的风速日变化较为复杂, 呈现多高多低型, 2个极小值分别出现在凌晨04时和午后16时前后, 极大值出现在日出后09时和午后19时左右。
北京大学学报(自然科学版) 第41卷
图1 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面风速日变化
Fig. 1 Diurnal variations of wind speed in the surface layer in Gerze, Damxung and Qamdo from May to July in 1998213 温度的日变化特征
图2分别给出了干季和湿季改则、当雄和昌都3站近地面层2m 高度上温度的平均日变化。改则站干季和湿季的温度日变化均在07) 08时左右有一极小值, 在傍晚18) 19时出现
[3]极大值。改则地方时晚于北京时2. 5h, 温度极大值出现时刻仍滞后于常见的午后14时, 与
沙漠和戈壁的观测基本一致[4, 5]。改则地区气候干燥, 土壤热传导率低、土壤表面蒸发较少, 地气之间的能量传输以感热通量和土壤热通量为主, 达到能量平衡所需时间较长, 因此温度出现极大值的时间滞后。当雄站干季和湿季的温度日变化均较明显, 在06时左右有一极小值, 极大值出现时间在16时左右, 干季温度的极小值低于湿季, 极大值高于湿季。昌都站干季和湿季温度日变化也比较明显, 在07) 08时左右有一极小值, 极大值出现时间在17时左右。干季温度极大值高于湿季,
极小值低于湿季。
图2 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面温度日变化
Fi g. 2 Diurnal variations of temperature in the surface layer in Gerze, Damxung and Qamdo from M ay to July in 1998
图3给出干季和湿季改则、当雄和昌都站0. 5m 和2m 高度温度差的平均日变化。改则、当雄和昌都3个测站0. 5m 和2m 高度之间温度差值的日变化特征在干季和湿季的差异很小。3个测站干季的温度差异日变化幅值均高于湿季, 改则地区的温度差异日变化幅值最大, 从西向东依次减小。3个测站0. 5m 和2m 高度之间温度差值白天为正值, 夜间逐渐转为负值。
改则地区干季和湿季温度差值的峰值均在1. 2e 以上。由此说明改则地区蒸发强烈、土壤干燥的气候特征。当雄地区干季温度差值的峰值可达到1. 2e , 湿季温度差日变化幅值较
第2期彭 艳等:青藏高原近地面层气象要素变化特征 小, 夜间接近为零。昌都地区干季温度差值的峰值在1. 2e 左右, 湿季较低, 约为0. 6e 。由此, 高原西部及中东部干季近地面层温度特征与西北戈壁沙漠地区一致, 中东部地区湿季与平
[4, 6]
原和草原地区相似。
图3 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面0. 5m 和2m 高度温度差日变化
Fig. 3 Diurnal variations of temperature differences between measured at 0. 5m and 2m from May to July in 1998改则、当雄和昌都3个观测站都进行了不同深度的地温测量, 鉴于地表温度测量比较困难, 三站均没有进行地表温度的直接观测。此处仅以当雄站为例, 利用不同深度地温的观测资料和热传导方程, 结合土壤性质, 计算了当雄地区地表温度。图4给出了当雄地区地表温度的日变化规律。干季地表温度日夜温差达50e 以上; 地表温度最低值出现在05时, 最高值出现在13时, 相对正午时刻略有提前, 与当雄地区云的发展相对应。即:当雄地区上午偏晚时刻, 大面积对流云迅速发展减弱了太阳对地表的直接加热。而在湿季, 由于地表状况相对湿润, 日夜地表温差约为25e 左右, 夜间地表温度变化不大, 白天地表温度最大值出现在午后15时。
由于地面加热条件的作用, 近地面层温差
与净辐射存在较紧密的物理联系, 但这种联系
与时间和地表湿度状态有关。改则站以及当
雄和昌都的干季午前温差梯度小于午后, 与平
原和1979年拉萨观测结果相似。然而, 当
雄和昌都站湿季的午前温差梯度大于午后, 这
一现象与高原中西部地区的地表状况和湍流
通量分配相对应[1][2,6]。
图4 1998年5) 7月当雄站地表温度日变化
Fig. 4 Diurnal variations of soil temperature in Damxung
from May to July in 19982. 4 湿度的日变化特征图5给出了干季和湿季改则、当雄和昌都
站近地面比湿的平均日变化。图6给出干季
和湿季改则、当雄和昌都站0. 5m 和2m 高度湿度差日变化。尽管改则地区气候干燥, 湿度很小, 湿度观测的准确性值得怀疑, 但是, 湿度差反映了一定的高原西部地区的湿度规律。改则地区湿度差干季和湿季的变化规律相近, 午夜02时至午后14时差值为正, 即地面湿度高于空中; 14时后, 空中湿度高于地面, 呈逆湿现象。当雄站的干季比湿数值小于湿季, 干季期间的比湿差, 白天增大, 夜间减小, 日出前出现较弱的逆湿现象; 湿季比湿差的日变化幅值大于干季, 说明当雄地区湿季有较强的水汽向上输送。与改则站和当雄站相比, 昌都站干季的比湿日
北京大学学报(自然科学版) 第41卷 变化明显, 极大值出现在10) 11时, 极小值在18) 19时, 后半夜至中午, 比湿上升缓慢, 下午比湿下降相对较快, 但日落以后, 比湿迅速上升。湿季极大值出现在09时左右, 12时后比湿缓慢下降, 18) 19时出现极小值。昌都地区清晨比湿较大, 主要是由于夜雨的影响。按照地理位置和天气背景, 昌都站的湿度应高于当雄站, 但是图5表明, 干季当雄的比湿与昌都十分接近, 其原因是当雄在干季期间时有降水过程, 而昌都一直处于干燥状态, 由此造成当雄干季的湿度相对昌都偏大; 在湿季, 随着时间的推移, 昌都站的湿度逐渐增加, 总体平均比当雄站逐
渐增加。
图5 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面湿度日变化
Fig. 5 Diurnal variations of humidity in the surface layer in Gerze, Damxung and Qamdo from May to July i n
1998
图6 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面0. 5m 和2m 高度湿度差日变化
Fig. 6 Diurnal variations of humidity differences between measured at 0. 5m and 2m in Gerze,
Damxung and Qamdo from May to July in 1998
图7给出了改则、当雄和昌都3个测站比湿随时间的变化规律。进入雨季, 随着时间的不断深入, 当雄和昌都两地区的湿度不断加大, 受降水影响, 昌都的比湿增加快于当雄。3 青藏高原近地面层空气动力学参数的确定
零平面位移d 和地表粗糙度z 0是研究大气边界层湍流通量参数化过程中最基本的参数, 是描述下垫面空气动力学特征的重要物理量, 同时也是研究地表植被与大气之间物质和能量交换过程首先要确定的基本参数。
第2期彭 艳等:青藏高原近地面层气象要素变化特征
3. 1 零平面位移d 的确定
确定零平面位移d 和地表粗糙度z 0的传
统方法是利用近中性条件下的近地面层风廓线
精细观测资料, 采用对数廓线规律通过最佳拟
合得到。这种方法同时可以确定地表粗糙度
z 0。但青藏高原由于白天加热、夜晚冷却的循
环对比鲜明, 转换快速, 空气动力学意义上的近
中性的风廓线资料较难获得。另外传统分析方
法存在着d 和z 0的确定值有内在联系的弱点,
要得到z 0的合理结果需要有极高质量的风廓
线精细探测资料。
短小, 高度仅为厘米量级, 零平面位移d 取值
为零。昌都站根据观测期间的草高, 按d P h =2P 3进行估算
零, 后期可达到0. 1m 左右。[7]图7 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面湿度随时间的变化规律Fi g. 7 Variations of humidity in the surface layer of Gerze, Damxung and Qamdo from May to July in 1998改则站和当雄站, 由于其下垫面植被稀疏、, 昌都站零平面位移d 值前期为
3. 2 地表粗糙度z 0的确定
确定地表粗糙度有多种方法, 典型的地表粗糙度数值已有总结。由于3个测站用于直接拟合的近中性廓线资料较少, 本文同时使用一部分非中性条件下的廓线资料, 以便获得更多的观测信息, 得到比较可靠的结果。具体方法是利用多层风速廓线观测值, 强行拟合对数风廓线, 求得各组观测资料的表观粗糙度z 0p 。虽然数据比较离散, 但是随稳定度Ri 或Ri B 有系统性的变化。从拟合关系取Ri (或Ri B ) =0时对应的z 0p 即可视为真正的空气动力学地表粗糙度z 0。同时, 与湍流法[10][8, 9]计算的z 0进行比较, 证实其可靠性。
表1列出了梯度法和湍流法分别计算的改
则、当雄和昌都地区平均地表粗糙长度z 0。两
种方法计算得到的粗糙长度基本相吻合, 说明,
廓线观测和湍流观测具有可比性和可靠性。在
加强期观测期间, 改则和当雄站的下垫面状况
几乎没有变化, 地表粗糙度可视为常数。昌都
站周围地表植被生长, 高度逐渐增高, 地表粗糙
度z 0随之呈现增加趋势。表1 改则、当雄和昌都地区地表粗糙度一览表Table 1 The aerodynamic roughness length in the surface layer in Gerze, Damxung and Qamdo 地区改则当雄昌都z 0P m 梯度法0100260. 00220. 0140湍流法0100240. 00200. 0140
4 青藏高原近地面层基本气象要素的廓线特征
4. 1 风速廓线特征
改则、当雄和昌都站干季和湿季风速廓线规律相似, 风速随着高度的增加而增大, 风速梯度随着高度的增加而减小, 满足对数律关系。图8给出了当雄地区干季和湿季典型日近地面层风速廓线的变化规律。当雄午后至夜间有较大风速值和风速梯度, 干季风速日变化范围大于湿季; 改则干季和湿季风速极大值均在夜间出现, 干季风速低于湿季, 干季12时附近的风速
北京大学学报(自然科学版) 第41卷 廓线在5m 高度存在拐点; 昌都站干季的风速日变化范围同样大于湿季, 干季风速梯度在8m 高度附近存在拐点, 而湿季出现拐点的时间则推后到午后, 且强度减小, 估计与昌都站的地形
环境和系统风场有关。
图8 1998年5) 7月当雄典型日近地面层风速廓线
Fig. 8 Wind profile in the surface layer in Damxung from M ay to July in 1998
当雄测站观测到近地面层风速逆梯度现象, 即风速随高度增高而递减, 一般出现在午后14) 18时。图9给出了1998-06-02和06-13日当雄站近地面层风速廓线曲线。在6月2日14) 15时, 风速逆梯度维持了2h 以上, 6月13日16时出现很弱的风速逆梯度, 17时消失, 18和19时风速逆梯度再次出现, 18时的10m 高度内的风速递减达3m P s
。
图9 1998年5) 7月当雄站午后风速逆梯度廓线示例
Fig. 9 Characteristics of wind speed inversion i n the afternoon i n Damxung from May to July in 1998
4. 2 温度廓线
由于当雄站采用Bowen 比测量系统, 本文只分析改则和昌都两地的温度和湿度廓线规律。改则站干季和湿季的温度廓线规律相似, 但干季日温差和温度随高度的变化规律均比湿季明显; 夜间温度随着高度的增加而增大, 呈逆温状态; 白天温度随高度的增加而减小, 呈温度递减状态。在清晨日出后08) 10时, 温度由随高度递增转换为递减, 傍晚日落后20) 22时, 温度由随高度递减转换为递增。改则干季和湿季的地表热力状况相近, 但白天干季的温度递
[11]减率大于湿季, 与干季的感热通量高于湿季相对应。
昌都站干季和湿季的温度廓线规律相似, 在清晨日出后08时, 温度由随高度递增转换为
第2期彭 艳等:青藏高原近地面层气象要素变化特征 递减, 傍晚日落后20时, 温度由随高度递减转换为递增。由于昌都干季和湿季的地表状况变化较为明显, 干季的温度递减率大于湿季, 也与干季的感热通量高于湿季相对应。
4. 3 湿度廓线
图10和图11分别给出了改则和昌都站干季和湿季时间间隔2h 的逐时平均的近地面层
湿度廓线曲线。
图10 1998年5) 7月改则站近地面层湿度廓线
Fi g. 10 Humidity profile in the surface layer in Gerze from M ay to July in
1998
图11 1998年5) 7月昌都站近地面层湿度廓线
Fig. 11 Humidi ty profile in the surface layer in Qamdu from May to July in 1998
改则干季的观测结果表明, 22时至次日12时, 近地层呈现湿度递减, 5m 高度附近出现湿度切变, 随着时间的推移, 强度加大。此湿度切变在午后消失。切变层向下为逆湿层, 向上湿度梯度递减到10m 高度, 10m 以上高度又出现逆湿现象。湿季, 湿度数值比干季有较明显增加, 5m 高度的湿度切变现象仍存在, 但强度减小, 10m 高度以上继续呈现逆湿。
昌都干季的观测结果显示, 近地面层湿度急剧递减, 2m 以上高度呈逆湿现象, 湿季的湿度数值高于干季。午后至子夜期间, 近地层湿度随高度迅速递减, 8m 高度以上出现较弱的逆湿现象。干季近地层湿度递减率明显小于湿季。湿度廓线与平原结果呈相似趋势, 但与沙漠和绿洲表现了完全不同的地表水汽特征。沙漠地区的比湿随高度基本为等值分布, 绿洲地区的比湿随高度经常呈递增的形式[12]。
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4. 4 青藏高原近地面层逆湿现象的分析
高原近地面层湿度状况比较复杂, 1979年第1次青藏高原气象科学考察的研究估计青藏高原可能存在逆湿现象。青藏高原自西向东的3个加强观测站1998年的观测结果显示:改则站, 干季期间出现逆湿, 由于比湿数值小, 受观测精度的影响, 结果有待于进一步核实; 湿季期间, 10m 高度以上存在较强的逆湿, 典型日比湿差达到0. 3~0. 4g P kg, 且日变化规律明显。当雄站, 湿季基本没有出现逆湿, 干季在日出前出现较弱的逆湿现象。昌都站, 整个加强观测期内, 2m 高度附近均未观测到逆湿, 但是干季在2m 以上高度全天出现逆湿, 湿季在8m 以上高度的午后到子夜期间出现逆湿。由此, 青藏高原东西方向上的3个加强观测站均观测到逆湿现象, 只是出现强度和高度有所差异。
5 青藏高原近地层湍流通量特征
图12和图13分别给出了改则、当雄和昌都观测站感热通量和潜热通量的平均日变化曲线。干季, 白天, 改则、当雄和昌都地区的感热通量数值均高于潜热通量, 极大值分别为:160, 232和181W P m , 潜热通量的峰值均在60W P m 以下; 夜间, 感热通量接近于零。湿季, 改则站感热通量和潜热通量变化规律与干季相同, 潜热通量峰值与感热通量峰值基本相当, 约为
22120W P m 。当雄观测站感热通量和潜热通量的日平均均在180W P m 左右, 潜热通量分别在09时和15时出现峰值, 与湿度差的日变化相对应(图6b) 。昌都站湿季感热通量小于潜热通量, 日变化与一般规律相似, 夜间接近于零, 白天正值向上。昌都站潜热通量干季和湿季的差异较
22大:干季潜热通量日变化平缓, 极值约为50W P m ; 湿季潜热通量日振幅较大, 峰值达160W P m ,
说明昌都地区干季下垫面水气向上输送小,
干湿季分界明显。22
图12 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站感热通量日变化
Fig. 12 Diurnal variations of the heat flu x in the surface layer in Gerze, Damxung and
Qamdo from May to July in 1998
对于干季的当雄和昌都观测站以及位于青藏高原西部的改则观测站, 由于地表植被稀少, 地表干燥, 蒸发量很小, 感热通量在净辐射中占主导地位。青藏高原的改则、当雄的海拔高度都在4000m 以上, 昌都的海拔高度为3227m, 3个站的大气质量相当于海平面的50%~60%, 影响大气透明度的水汽尘埃等物质的含量相对于平原都有明显的减少
漠地区相当
[13][1], 入射辐射较大, 与沙, 高原下垫面的地表反射率低于沙漠地区, 与草原地区相当, 因而净辐射量值较[14]大, 高于一般的平原地区, 高原地区的感热通量和地表热通量的数值较平原地区低, 能量出
第2期彭 艳等:青藏高原近地面层气象要素变化特征
图13 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站潜热通量日变化
Fig. 13 Diurnal variations of latent heat flux in the surface layer in Gerze, Damxun g and
Qamdo from May to July in 1998
现/盈余0, 形成上升气流区, 成为/热源0[2]。中国西北干旱地区地表反射率大, 地表净辐射低于湿润地区, 在区域和全球范围内存在能量亏损。由此, 青藏高原地表通量特征的物理机制不仅与平原地区不同, 与干旱地区也不尽相同。
6 结论与讨论
本文利用1998年5) 7月第2次青藏高原气象科学实验(TIPEX) 青藏高原西、中和东部的改则、当雄和昌都3个加强观测站加强观测期取得的近地面层观测资料, 给出了3个观测站近地层气象要素的日变化特征、廓线规律和地表空气动力学参数; 讨论了青藏高原近地面层湍流通量特征和逆湿现象。得到:(1) TIPEX 加强其观测期可分为前干后湿两个阶段。高原面自西向东雨量和降雨强度逐渐增加, 湿季到来的时间逐渐提前。干季和湿季的温度日变化明显且有规律, 干季的风速变化呈一高一低型; 当雄和改则地区湿季湿度变化呈一定的演变规律;
(2) 空气动力学方法得到的改则、当雄和昌都地表粗糙度分别为0. 0026、0. 0022和0. 0140m, 与湍流观测结果相一致。在加强期观测期间, 改则和当雄的地表粗糙度可视为常数, 昌都的地表粗糙度z 0随着地表植被的增加和增高呈增加趋势; (3) 高原中东部地区湿季期间, 湍流通量特征与较湿润地区的观测结果相似, 潜热通量在净辐射中起的作用高于感热通量。高原中东部地区干季和西部地区, 由于地表植被稀少, 地表干燥, 蒸发量很小, 感热通量在净辐射中占主导地位, 潜热通量的作用很小, 并且感热通量和地表热通量低于平原及干旱地区, 净辐射出现/盈余0, 形成上升气流, 成为/热源0。高原地表通量的物理机制与平原地区和西北干旱地区均呈现不同特征。(4) 近地面层风速廓线一般满足对数规律。当雄站观测到一定数量的风速随高度递减的资料, 且维持较长的时间, 其原因有待于进一步研究; (5) 青藏高原近地面层, 无论是长期处于干燥状态的中西部地区还是东部的昌都地区, 都观测到逆湿现象, 逆湿的强度、出现时间和高度因地区的不同而有所差异。高原面的逆湿应与高原上空水汽输送密切相关, 需配合其他资料做进一步分析。
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参考
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14文献周明煜, 徐祥德, 卞林根, 等. 青藏高原大气边界层观测分析与动力学研究. 北京:气象出版社, 2000. 1) 55章基嘉, 朱抱真, 朱福康, 等. 青藏高原气象科学进展. 北京:科学出版社, 1988. 61) 237王永生等. 大气物理学. 北京:气象出版社, 1987. 14) 16Sahashi K O, Tsukamoto M Y, Wang J M. Peculiar Daily Course of the Specific Humidity and the Air Temperature over Zhangye Field. Proceedi ngs of International Symposium on HEIFE. Kyoto:1993, Ô-12, 430-436Pillai J S, Sangeeta S, Vernekar K G. Diurnal Variations of Meteorological Parameters in Land Surface. Boundary -Layer Meteorol, 1998, 89:197-209高家表, 沈觉成. 南京的热状况分析. 青藏高原气象科学实验文集编辑组编. 青藏高原气象科学实验文集(三) . 北京:科学出版社, 1987. 40) 80Rotach, M W. Determination of the Zero Plane Displacement in an Urban Environment. Boundary -Layer Meteorol, 1994, (67) :187-193Panofsky H A , Dutton J A. Atmospheric Turbulence. New York:A Wiley -Interscience Pub, 1984, 121-123RB 斯塔尔编. 徐静奇, 杨殿荣译. 边界层气象学导论. 青岛:青岛海洋大学出版社, 1991. 264张宏升, 陈家宜. 非单一水平均匀下垫面空气动力学参数的确定. 应用气象学报. 1997, 8(3) , 310) 315刘辉志, 洪钟祥. 青藏高原改则地区近地层湍流特征. 大气科学. 2000, 24(3) :289) 300佴抗, 胡隐樵. 远离绿洲的沙漠近地面观测实验. 高原气象. 1994, 9:282) 290Oke T R. Boundary Layer Cli mates. 2nd edi tion Methuen. New York:Hals ted Press, 1978. 372Noilhan J, Planyon S. A Simple Parameterization of Land Surface Processes for Meteorological Models. Mon Wea
Rev , 1989(117) :536-549
Characteristics of Micro -Meteorology in the Surface Layer
over Tibetan Plateau Area
PE NG Yan 1) , 3) Z HANG Hongsheng
1) , 3) 2) , 3) LI UHuizhi BIAN Lingen LI Shiming Z HOU Mingyu X U Xiangde 6) 5) 4) 5) 6) KANG Ling
2) C HE N Jiayi 1) , 2) (1) De partmen t o f Environmental Sciences, College of En vironmental Sciences , Peking University , Beijin g , 100871; Ke y Laboratory of the Rain Storm, Drought and Waterlog of Ministry o f Education, Department o f Atmospheric
3) Science, School of Physics , Peking University , Beijing, 100871;
Meteorological Administr a tion, Lanzhou, 730000;
Beijin g , 100029; 5) 4) Lan z hou I nstitute o f Arid Meteorology , China 6) I nstitute o f Atmospheric physics , Chinese Sciences Academe, The N a tional Cen ter o f Chinese Meteor ologica l Sciences Academe , Bei j ing, 100081;
Ma rine Environmental Forecast, Bei j ing, 100080)
Abstract Through the meteorological data obtained in Gerze, Damxung and Qamdo sites over Tibetan Plateau area during the IOP (intensive observation period) of T IPEX (the second Tibetan Plateau Experiment) from May to July, the characteristics of the diurnal var iations and the vertical profiles of the wind speed, temperature and hu midity are investigated. The aerodynamics parameter and the characteristics of the land surface temperature over the Tibetan Plateau area are showed. The moisture inversion phenomena and the characteristics of the turbulence flux in the surface layer are also discussed.
Key words diurnal variation of meteorology; flux -gradient relationship; Tibetan Plateau; surface layer
北京大学学报(自然科学版) , 第41卷, 第2期, 2005年3月
Acta Scientiarum Naturalium
Universi tatis Pekinensis, Vol. 41, No. 2(Mar. 2005)
1) 青藏高原近地面层气象要素变化特征
彭 艳2) , 4) 张宏升3) , 4) 刘辉志 卞林根
2) , 3) 7)
3) 5) 6) 李诗明 康 凌6) 7) 2) , 4) 陈家宜 周明煜 徐祥德
4) (2) 北京大学环境学院环境科学系, 北京, 100871; 旱涝灾害重点实验室, 北京, 100871;
5)
6) 北京大学物理学院大气科学系暴雨与中国气象局兰州干旱气象研究所, 兰州, 730000; 7) 中国科学院大气物理研究所, 大气边界层和大气化学国家重点实验室, 北京, 100029; 中国气象科学研究院, 北京, 100081; 国家海洋局海洋环境预报中心, 北京, 100080)
摘 要 利用第2次青藏高原气象科学实验(TIPEX) 1998年5) 7月改则、当雄和昌都3个大气边
界层加强观测站获取的近地面层观测资料, 分析了青藏高原西部、中部和东部地区近地面层风速、
温度和湿度的日变化特征及其廓线规律, 给出了青藏高原地区地表空气动力学参数和地表温度变
化规律, 讨论了高原近地面层湍流通量特征及逆湿现象。
关键词 气象要素日变化; 通量-廓线关系; 青藏高原; 近地面层
中图分类号 P 41211
0 引 言
隆起的青藏高原对我国东部和南部、亚洲地区以及全球大气环流和天气气候均有巨大的影响。由于高原上多荒野大漠, 人烟稀少, 气象观测历史短, 气象测站稀疏, 人们对发生在高原面上的气象变化及其影响了解很少。1979年我国组织了第1次青藏高原气象科学观测实验, 比较系统地对高原地区近地面气象要素进行了观测和研究, 在高原近地面热量平衡、高原低涡及其对我国东部降水的影响、高原动力和热力作用对大气环流和气候的影响等方面取得了许多有意义的成果[2][1]。限于当时的技术条件和探测手段, 对于高原近地面基本气象要素(如风速、温度、土壤湿度等) 分析研究仅给出了一般规律, 精细结构研究较少。
研究高原近地面层的气象和通量特征一直是青藏高原气象学的重大课题之一, 也是国家攀登B 项目) ) ) /青藏高原地-气系统物理过程及对全球气候和中国灾害性天气影响的观测和理论分析(TIPEX)0的重点研究内容之一。青藏高原以其高海拔等特殊的地理、地貌特征, 形成了独特的高原近地面微气象学特征。第2次青藏高原气象科学实验期间, 自西向东分别在改则、当雄和昌都设置了3个大气边界层加强观测站, 并于1998年5) 7月进行了为期40多天的同步观测。这是首次在青藏高原从西向东在不同地点实施大气边界层结构以及近地层湍流输 1) 国家自然科学基金(40175005) 和(40233030)、北京市自然科学基金(8052012) 资助项目
收稿日期:2004-02-25; 修回日期:2004-10-25
第2期彭 艳等:青藏高原近地面层气象要素变化特征 送过程的同步观测, 取得了较为完善的高原边界层结构及近地层湍流观测资料; 对于加深高原近地面层气象要素和湍流特征的认识有重要的意义。本文利用位于青藏高原西部、中部和东部3个加强站的观测资料分析研究了青藏高原近地面层微气象学特征。[1]
1 资料获取与处理
青藏高原东西跨度约20b (80b E~100b E) , 南北跨度约10b (28b N~38N b ) , 东部和东南部为横断山脉区, 中部为江河源丘状高原区, 西部为羌唐高原湖盆区; 北部以柴达木) 黄湟高中海拔盆地为主体, 南部为喜玛拉雅海拔极高的山区。有关青藏高原加强观测站的详细情况文献[1]已有详细说明。
青藏高原大气边界层地气过程以地面湍流和辐射通量、温度、湿度和风速廓线, 以及土壤热通量和水分状态3方面为主要内容。与本文有关的改则、当雄和昌都3个加强观测站主要观测内容包括:近地层7层风速、温度和湿度平均廓线; Bo wen 比探测系统; 土壤温度的观测6层; 土壤湿度3层, 中午前后两天一次, 下雨时一天一次。所有观测仪器在观测前均进行了标定, 并在实验过程中进行了仪器水平对比等严格的资料质量控制措施。
本文时间为北京时间, 青藏高原地区地方时比北京约晚2~3h 。[1]
2 青藏高原近地面层基本气象要素的日变化特征
2. 1 青藏高原干季和湿季的划分及天气状况
根据1998年TIPEX 实验中在改则、当雄和昌都3个加强观测站加强观测期内的降水分布特点, 将加强观测期分为前干后湿两个阶段。青藏高原自西向东降水强度和降水量分布存在一定差别:位于青藏高原西部的改则站, 出现第一次可定量观测降水的时间在6月28) 29日之间, 7月18日出现了雷雨、大风和冰雹天气。干季(6月28日前) , 天气以晴为主, 中午前后有对流云发展; 湿季(6月28日后) , 除伴有对流天气外, 多为多云或阴天天气。位于青藏高原中部的当雄站, 6月22日为干季和湿季划分界限。干季期间, 上午多晴朗无云、风速很小, 中午由两侧山顶起云, 逐渐遮蔽天空, 云状以积云为主, 傍晚部分云又逐渐消散, 下午多出现大风天气; 湿季期间, 天气以多云和阴天为主, 降水时间不定。与西部的改则和东部的昌都两地干季和湿季分界明显相比, 当雄在干季期间也时有降水, 使当雄站的干季呈现一定的湿季特征。青藏高原东部的昌都站, 毗邻东部山区, 雨量充沛, 在整个加强观测期, 均有降水天气现象, 5月底以后降水量增大, 可将5月23日作为干季和湿季的分界线。青藏高原地区, 以改则、当雄和昌都为一横向剖面, 自西向东降雨量和降雨强度逐渐增加, 雨季到来时间逐渐提前。[1]
2. 2 风速的日变化特征
图1给出了干季(a) 和湿季(b) 改则、当雄和昌都站近地面层2m 高度上风速的平均日变化。干季期间, 3个测站的风速日变化均为一高一低型, 出现风速日变化极小值和极大值的时间自西向东逐渐提前, 改则站分别为09) 10时和20) 21时, 当雄站在07时和18时, 昌都站在05时和17时左右。风速幅值也是自西向东逐渐减小。湿季期间, 改则和昌都两站的风速日变化仍呈现一高一低型, 极大值出现时刻与干季相近, 改则站风速极小值出现时刻比干季略有提前, 昌都站则滞后; 当雄站的风速日变化较为复杂, 呈现多高多低型, 2个极小值分别出现在凌晨04时和午后16时前后, 极大值出现在日出后09时和午后19时左右。
北京大学学报(自然科学版) 第41卷
图1 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面风速日变化
Fig. 1 Diurnal variations of wind speed in the surface layer in Gerze, Damxung and Qamdo from May to July in 1998213 温度的日变化特征
图2分别给出了干季和湿季改则、当雄和昌都3站近地面层2m 高度上温度的平均日变化。改则站干季和湿季的温度日变化均在07) 08时左右有一极小值, 在傍晚18) 19时出现
[3]极大值。改则地方时晚于北京时2. 5h, 温度极大值出现时刻仍滞后于常见的午后14时, 与
沙漠和戈壁的观测基本一致[4, 5]。改则地区气候干燥, 土壤热传导率低、土壤表面蒸发较少, 地气之间的能量传输以感热通量和土壤热通量为主, 达到能量平衡所需时间较长, 因此温度出现极大值的时间滞后。当雄站干季和湿季的温度日变化均较明显, 在06时左右有一极小值, 极大值出现时间在16时左右, 干季温度的极小值低于湿季, 极大值高于湿季。昌都站干季和湿季温度日变化也比较明显, 在07) 08时左右有一极小值, 极大值出现时间在17时左右。干季温度极大值高于湿季,
极小值低于湿季。
图2 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面温度日变化
Fi g. 2 Diurnal variations of temperature in the surface layer in Gerze, Damxung and Qamdo from M ay to July in 1998
图3给出干季和湿季改则、当雄和昌都站0. 5m 和2m 高度温度差的平均日变化。改则、当雄和昌都3个测站0. 5m 和2m 高度之间温度差值的日变化特征在干季和湿季的差异很小。3个测站干季的温度差异日变化幅值均高于湿季, 改则地区的温度差异日变化幅值最大, 从西向东依次减小。3个测站0. 5m 和2m 高度之间温度差值白天为正值, 夜间逐渐转为负值。
改则地区干季和湿季温度差值的峰值均在1. 2e 以上。由此说明改则地区蒸发强烈、土壤干燥的气候特征。当雄地区干季温度差值的峰值可达到1. 2e , 湿季温度差日变化幅值较
第2期彭 艳等:青藏高原近地面层气象要素变化特征 小, 夜间接近为零。昌都地区干季温度差值的峰值在1. 2e 左右, 湿季较低, 约为0. 6e 。由此, 高原西部及中东部干季近地面层温度特征与西北戈壁沙漠地区一致, 中东部地区湿季与平
[4, 6]
原和草原地区相似。
图3 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面0. 5m 和2m 高度温度差日变化
Fig. 3 Diurnal variations of temperature differences between measured at 0. 5m and 2m from May to July in 1998改则、当雄和昌都3个观测站都进行了不同深度的地温测量, 鉴于地表温度测量比较困难, 三站均没有进行地表温度的直接观测。此处仅以当雄站为例, 利用不同深度地温的观测资料和热传导方程, 结合土壤性质, 计算了当雄地区地表温度。图4给出了当雄地区地表温度的日变化规律。干季地表温度日夜温差达50e 以上; 地表温度最低值出现在05时, 最高值出现在13时, 相对正午时刻略有提前, 与当雄地区云的发展相对应。即:当雄地区上午偏晚时刻, 大面积对流云迅速发展减弱了太阳对地表的直接加热。而在湿季, 由于地表状况相对湿润, 日夜地表温差约为25e 左右, 夜间地表温度变化不大, 白天地表温度最大值出现在午后15时。
由于地面加热条件的作用, 近地面层温差
与净辐射存在较紧密的物理联系, 但这种联系
与时间和地表湿度状态有关。改则站以及当
雄和昌都的干季午前温差梯度小于午后, 与平
原和1979年拉萨观测结果相似。然而, 当
雄和昌都站湿季的午前温差梯度大于午后, 这
一现象与高原中西部地区的地表状况和湍流
通量分配相对应[1][2,6]。
图4 1998年5) 7月当雄站地表温度日变化
Fig. 4 Diurnal variations of soil temperature in Damxung
from May to July in 19982. 4 湿度的日变化特征图5给出了干季和湿季改则、当雄和昌都
站近地面比湿的平均日变化。图6给出干季
和湿季改则、当雄和昌都站0. 5m 和2m 高度湿度差日变化。尽管改则地区气候干燥, 湿度很小, 湿度观测的准确性值得怀疑, 但是, 湿度差反映了一定的高原西部地区的湿度规律。改则地区湿度差干季和湿季的变化规律相近, 午夜02时至午后14时差值为正, 即地面湿度高于空中; 14时后, 空中湿度高于地面, 呈逆湿现象。当雄站的干季比湿数值小于湿季, 干季期间的比湿差, 白天增大, 夜间减小, 日出前出现较弱的逆湿现象; 湿季比湿差的日变化幅值大于干季, 说明当雄地区湿季有较强的水汽向上输送。与改则站和当雄站相比, 昌都站干季的比湿日
北京大学学报(自然科学版) 第41卷 变化明显, 极大值出现在10) 11时, 极小值在18) 19时, 后半夜至中午, 比湿上升缓慢, 下午比湿下降相对较快, 但日落以后, 比湿迅速上升。湿季极大值出现在09时左右, 12时后比湿缓慢下降, 18) 19时出现极小值。昌都地区清晨比湿较大, 主要是由于夜雨的影响。按照地理位置和天气背景, 昌都站的湿度应高于当雄站, 但是图5表明, 干季当雄的比湿与昌都十分接近, 其原因是当雄在干季期间时有降水过程, 而昌都一直处于干燥状态, 由此造成当雄干季的湿度相对昌都偏大; 在湿季, 随着时间的推移, 昌都站的湿度逐渐增加, 总体平均比当雄站逐
渐增加。
图5 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面湿度日变化
Fig. 5 Diurnal variations of humidity in the surface layer in Gerze, Damxung and Qamdo from May to July i n
1998
图6 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面0. 5m 和2m 高度湿度差日变化
Fig. 6 Diurnal variations of humidity differences between measured at 0. 5m and 2m in Gerze,
Damxung and Qamdo from May to July in 1998
图7给出了改则、当雄和昌都3个测站比湿随时间的变化规律。进入雨季, 随着时间的不断深入, 当雄和昌都两地区的湿度不断加大, 受降水影响, 昌都的比湿增加快于当雄。3 青藏高原近地面层空气动力学参数的确定
零平面位移d 和地表粗糙度z 0是研究大气边界层湍流通量参数化过程中最基本的参数, 是描述下垫面空气动力学特征的重要物理量, 同时也是研究地表植被与大气之间物质和能量交换过程首先要确定的基本参数。
第2期彭 艳等:青藏高原近地面层气象要素变化特征
3. 1 零平面位移d 的确定
确定零平面位移d 和地表粗糙度z 0的传
统方法是利用近中性条件下的近地面层风廓线
精细观测资料, 采用对数廓线规律通过最佳拟
合得到。这种方法同时可以确定地表粗糙度
z 0。但青藏高原由于白天加热、夜晚冷却的循
环对比鲜明, 转换快速, 空气动力学意义上的近
中性的风廓线资料较难获得。另外传统分析方
法存在着d 和z 0的确定值有内在联系的弱点,
要得到z 0的合理结果需要有极高质量的风廓
线精细探测资料。
短小, 高度仅为厘米量级, 零平面位移d 取值
为零。昌都站根据观测期间的草高, 按d P h =2P 3进行估算
零, 后期可达到0. 1m 左右。[7]图7 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站近地面湿度随时间的变化规律Fi g. 7 Variations of humidity in the surface layer of Gerze, Damxung and Qamdo from May to July in 1998改则站和当雄站, 由于其下垫面植被稀疏、, 昌都站零平面位移d 值前期为
3. 2 地表粗糙度z 0的确定
确定地表粗糙度有多种方法, 典型的地表粗糙度数值已有总结。由于3个测站用于直接拟合的近中性廓线资料较少, 本文同时使用一部分非中性条件下的廓线资料, 以便获得更多的观测信息, 得到比较可靠的结果。具体方法是利用多层风速廓线观测值, 强行拟合对数风廓线, 求得各组观测资料的表观粗糙度z 0p 。虽然数据比较离散, 但是随稳定度Ri 或Ri B 有系统性的变化。从拟合关系取Ri (或Ri B ) =0时对应的z 0p 即可视为真正的空气动力学地表粗糙度z 0。同时, 与湍流法[10][8, 9]计算的z 0进行比较, 证实其可靠性。
表1列出了梯度法和湍流法分别计算的改
则、当雄和昌都地区平均地表粗糙长度z 0。两
种方法计算得到的粗糙长度基本相吻合, 说明,
廓线观测和湍流观测具有可比性和可靠性。在
加强期观测期间, 改则和当雄站的下垫面状况
几乎没有变化, 地表粗糙度可视为常数。昌都
站周围地表植被生长, 高度逐渐增高, 地表粗糙
度z 0随之呈现增加趋势。表1 改则、当雄和昌都地区地表粗糙度一览表Table 1 The aerodynamic roughness length in the surface layer in Gerze, Damxung and Qamdo 地区改则当雄昌都z 0P m 梯度法0100260. 00220. 0140湍流法0100240. 00200. 0140
4 青藏高原近地面层基本气象要素的廓线特征
4. 1 风速廓线特征
改则、当雄和昌都站干季和湿季风速廓线规律相似, 风速随着高度的增加而增大, 风速梯度随着高度的增加而减小, 满足对数律关系。图8给出了当雄地区干季和湿季典型日近地面层风速廓线的变化规律。当雄午后至夜间有较大风速值和风速梯度, 干季风速日变化范围大于湿季; 改则干季和湿季风速极大值均在夜间出现, 干季风速低于湿季, 干季12时附近的风速
北京大学学报(自然科学版) 第41卷 廓线在5m 高度存在拐点; 昌都站干季的风速日变化范围同样大于湿季, 干季风速梯度在8m 高度附近存在拐点, 而湿季出现拐点的时间则推后到午后, 且强度减小, 估计与昌都站的地形
环境和系统风场有关。
图8 1998年5) 7月当雄典型日近地面层风速廓线
Fig. 8 Wind profile in the surface layer in Damxung from M ay to July in 1998
当雄测站观测到近地面层风速逆梯度现象, 即风速随高度增高而递减, 一般出现在午后14) 18时。图9给出了1998-06-02和06-13日当雄站近地面层风速廓线曲线。在6月2日14) 15时, 风速逆梯度维持了2h 以上, 6月13日16时出现很弱的风速逆梯度, 17时消失, 18和19时风速逆梯度再次出现, 18时的10m 高度内的风速递减达3m P s
。
图9 1998年5) 7月当雄站午后风速逆梯度廓线示例
Fig. 9 Characteristics of wind speed inversion i n the afternoon i n Damxung from May to July in 1998
4. 2 温度廓线
由于当雄站采用Bowen 比测量系统, 本文只分析改则和昌都两地的温度和湿度廓线规律。改则站干季和湿季的温度廓线规律相似, 但干季日温差和温度随高度的变化规律均比湿季明显; 夜间温度随着高度的增加而增大, 呈逆温状态; 白天温度随高度的增加而减小, 呈温度递减状态。在清晨日出后08) 10时, 温度由随高度递增转换为递减, 傍晚日落后20) 22时, 温度由随高度递减转换为递增。改则干季和湿季的地表热力状况相近, 但白天干季的温度递
[11]减率大于湿季, 与干季的感热通量高于湿季相对应。
昌都站干季和湿季的温度廓线规律相似, 在清晨日出后08时, 温度由随高度递增转换为
第2期彭 艳等:青藏高原近地面层气象要素变化特征 递减, 傍晚日落后20时, 温度由随高度递减转换为递增。由于昌都干季和湿季的地表状况变化较为明显, 干季的温度递减率大于湿季, 也与干季的感热通量高于湿季相对应。
4. 3 湿度廓线
图10和图11分别给出了改则和昌都站干季和湿季时间间隔2h 的逐时平均的近地面层
湿度廓线曲线。
图10 1998年5) 7月改则站近地面层湿度廓线
Fi g. 10 Humidity profile in the surface layer in Gerze from M ay to July in
1998
图11 1998年5) 7月昌都站近地面层湿度廓线
Fig. 11 Humidi ty profile in the surface layer in Qamdu from May to July in 1998
改则干季的观测结果表明, 22时至次日12时, 近地层呈现湿度递减, 5m 高度附近出现湿度切变, 随着时间的推移, 强度加大。此湿度切变在午后消失。切变层向下为逆湿层, 向上湿度梯度递减到10m 高度, 10m 以上高度又出现逆湿现象。湿季, 湿度数值比干季有较明显增加, 5m 高度的湿度切变现象仍存在, 但强度减小, 10m 高度以上继续呈现逆湿。
昌都干季的观测结果显示, 近地面层湿度急剧递减, 2m 以上高度呈逆湿现象, 湿季的湿度数值高于干季。午后至子夜期间, 近地层湿度随高度迅速递减, 8m 高度以上出现较弱的逆湿现象。干季近地层湿度递减率明显小于湿季。湿度廓线与平原结果呈相似趋势, 但与沙漠和绿洲表现了完全不同的地表水汽特征。沙漠地区的比湿随高度基本为等值分布, 绿洲地区的比湿随高度经常呈递增的形式[12]。
北京大学学报(自然科学版) 第41卷
4. 4 青藏高原近地面层逆湿现象的分析
高原近地面层湿度状况比较复杂, 1979年第1次青藏高原气象科学考察的研究估计青藏高原可能存在逆湿现象。青藏高原自西向东的3个加强观测站1998年的观测结果显示:改则站, 干季期间出现逆湿, 由于比湿数值小, 受观测精度的影响, 结果有待于进一步核实; 湿季期间, 10m 高度以上存在较强的逆湿, 典型日比湿差达到0. 3~0. 4g P kg, 且日变化规律明显。当雄站, 湿季基本没有出现逆湿, 干季在日出前出现较弱的逆湿现象。昌都站, 整个加强观测期内, 2m 高度附近均未观测到逆湿, 但是干季在2m 以上高度全天出现逆湿, 湿季在8m 以上高度的午后到子夜期间出现逆湿。由此, 青藏高原东西方向上的3个加强观测站均观测到逆湿现象, 只是出现强度和高度有所差异。
5 青藏高原近地层湍流通量特征
图12和图13分别给出了改则、当雄和昌都观测站感热通量和潜热通量的平均日变化曲线。干季, 白天, 改则、当雄和昌都地区的感热通量数值均高于潜热通量, 极大值分别为:160, 232和181W P m , 潜热通量的峰值均在60W P m 以下; 夜间, 感热通量接近于零。湿季, 改则站感热通量和潜热通量变化规律与干季相同, 潜热通量峰值与感热通量峰值基本相当, 约为
22120W P m 。当雄观测站感热通量和潜热通量的日平均均在180W P m 左右, 潜热通量分别在09时和15时出现峰值, 与湿度差的日变化相对应(图6b) 。昌都站湿季感热通量小于潜热通量, 日变化与一般规律相似, 夜间接近于零, 白天正值向上。昌都站潜热通量干季和湿季的差异较
22大:干季潜热通量日变化平缓, 极值约为50W P m ; 湿季潜热通量日振幅较大, 峰值达160W P m ,
说明昌都地区干季下垫面水气向上输送小,
干湿季分界明显。22
图12 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站感热通量日变化
Fig. 12 Diurnal variations of the heat flu x in the surface layer in Gerze, Damxung and
Qamdo from May to July in 1998
对于干季的当雄和昌都观测站以及位于青藏高原西部的改则观测站, 由于地表植被稀少, 地表干燥, 蒸发量很小, 感热通量在净辐射中占主导地位。青藏高原的改则、当雄的海拔高度都在4000m 以上, 昌都的海拔高度为3227m, 3个站的大气质量相当于海平面的50%~60%, 影响大气透明度的水汽尘埃等物质的含量相对于平原都有明显的减少
漠地区相当
[13][1], 入射辐射较大, 与沙, 高原下垫面的地表反射率低于沙漠地区, 与草原地区相当, 因而净辐射量值较[14]大, 高于一般的平原地区, 高原地区的感热通量和地表热通量的数值较平原地区低, 能量出
第2期彭 艳等:青藏高原近地面层气象要素变化特征
图13 1998年5) 7月改则、当雄和昌都站潜热通量日变化
Fig. 13 Diurnal variations of latent heat flux in the surface layer in Gerze, Damxun g and
Qamdo from May to July in 1998
现/盈余0, 形成上升气流区, 成为/热源0[2]。中国西北干旱地区地表反射率大, 地表净辐射低于湿润地区, 在区域和全球范围内存在能量亏损。由此, 青藏高原地表通量特征的物理机制不仅与平原地区不同, 与干旱地区也不尽相同。
6 结论与讨论
本文利用1998年5) 7月第2次青藏高原气象科学实验(TIPEX) 青藏高原西、中和东部的改则、当雄和昌都3个加强观测站加强观测期取得的近地面层观测资料, 给出了3个观测站近地层气象要素的日变化特征、廓线规律和地表空气动力学参数; 讨论了青藏高原近地面层湍流通量特征和逆湿现象。得到:(1) TIPEX 加强其观测期可分为前干后湿两个阶段。高原面自西向东雨量和降雨强度逐渐增加, 湿季到来的时间逐渐提前。干季和湿季的温度日变化明显且有规律, 干季的风速变化呈一高一低型; 当雄和改则地区湿季湿度变化呈一定的演变规律;
(2) 空气动力学方法得到的改则、当雄和昌都地表粗糙度分别为0. 0026、0. 0022和0. 0140m, 与湍流观测结果相一致。在加强期观测期间, 改则和当雄的地表粗糙度可视为常数, 昌都的地表粗糙度z 0随着地表植被的增加和增高呈增加趋势; (3) 高原中东部地区湿季期间, 湍流通量特征与较湿润地区的观测结果相似, 潜热通量在净辐射中起的作用高于感热通量。高原中东部地区干季和西部地区, 由于地表植被稀少, 地表干燥, 蒸发量很小, 感热通量在净辐射中占主导地位, 潜热通量的作用很小, 并且感热通量和地表热通量低于平原及干旱地区, 净辐射出现/盈余0, 形成上升气流, 成为/热源0。高原地表通量的物理机制与平原地区和西北干旱地区均呈现不同特征。(4) 近地面层风速廓线一般满足对数规律。当雄站观测到一定数量的风速随高度递减的资料, 且维持较长的时间, 其原因有待于进一步研究; (5) 青藏高原近地面层, 无论是长期处于干燥状态的中西部地区还是东部的昌都地区, 都观测到逆湿现象, 逆湿的强度、出现时间和高度因地区的不同而有所差异。高原面的逆湿应与高原上空水汽输送密切相关, 需配合其他资料做进一步分析。
北京大学学报(自然科学版) 第41卷
参考
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14文献周明煜, 徐祥德, 卞林根, 等. 青藏高原大气边界层观测分析与动力学研究. 北京:气象出版社, 2000. 1) 55章基嘉, 朱抱真, 朱福康, 等. 青藏高原气象科学进展. 北京:科学出版社, 1988. 61) 237王永生等. 大气物理学. 北京:气象出版社, 1987. 14) 16Sahashi K O, Tsukamoto M Y, Wang J M. Peculiar Daily Course of the Specific Humidity and the Air Temperature over Zhangye Field. Proceedi ngs of International Symposium on HEIFE. Kyoto:1993, Ô-12, 430-436Pillai J S, Sangeeta S, Vernekar K G. Diurnal Variations of Meteorological Parameters in Land Surface. Boundary -Layer Meteorol, 1998, 89:197-209高家表, 沈觉成. 南京的热状况分析. 青藏高原气象科学实验文集编辑组编. 青藏高原气象科学实验文集(三) . 北京:科学出版社, 1987. 40) 80Rotach, M W. Determination of the Zero Plane Displacement in an Urban Environment. Boundary -Layer Meteorol, 1994, (67) :187-193Panofsky H A , Dutton J A. Atmospheric Turbulence. New York:A Wiley -Interscience Pub, 1984, 121-123RB 斯塔尔编. 徐静奇, 杨殿荣译. 边界层气象学导论. 青岛:青岛海洋大学出版社, 1991. 264张宏升, 陈家宜. 非单一水平均匀下垫面空气动力学参数的确定. 应用气象学报. 1997, 8(3) , 310) 315刘辉志, 洪钟祥. 青藏高原改则地区近地层湍流特征. 大气科学. 2000, 24(3) :289) 300佴抗, 胡隐樵. 远离绿洲的沙漠近地面观测实验. 高原气象. 1994, 9:282) 290Oke T R. Boundary Layer Cli mates. 2nd edi tion Methuen. New York:Hals ted Press, 1978. 372Noilhan J, Planyon S. A Simple Parameterization of Land Surface Processes for Meteorological Models. Mon Wea
Rev , 1989(117) :536-549
Characteristics of Micro -Meteorology in the Surface Layer
over Tibetan Plateau Area
PE NG Yan 1) , 3) Z HANG Hongsheng
1) , 3) 2) , 3) LI UHuizhi BIAN Lingen LI Shiming Z HOU Mingyu X U Xiangde 6) 5) 4) 5) 6) KANG Ling
2) C HE N Jiayi 1) , 2) (1) De partmen t o f Environmental Sciences, College of En vironmental Sciences , Peking University , Beijin g , 100871; Ke y Laboratory of the Rain Storm, Drought and Waterlog of Ministry o f Education, Department o f Atmospheric
3) Science, School of Physics , Peking University , Beijing, 100871;
Meteorological Administr a tion, Lanzhou, 730000;
Beijin g , 100029; 5) 4) Lan z hou I nstitute o f Arid Meteorology , China 6) I nstitute o f Atmospheric physics , Chinese Sciences Academe, The N a tional Cen ter o f Chinese Meteor ologica l Sciences Academe , Bei j ing, 100081;
Ma rine Environmental Forecast, Bei j ing, 100080)
Abstract Through the meteorological data obtained in Gerze, Damxung and Qamdo sites over Tibetan Plateau area during the IOP (intensive observation period) of T IPEX (the second Tibetan Plateau Experiment) from May to July, the characteristics of the diurnal var iations and the vertical profiles of the wind speed, temperature and hu midity are investigated. The aerodynamics parameter and the characteristics of the land surface temperature over the Tibetan Plateau area are showed. The moisture inversion phenomena and the characteristics of the turbulence flux in the surface layer are also discussed.
Key words diurnal variation of meteorology; flux -gradient relationship; Tibetan Plateau; surface layer