南海大气边界层高度的气候特征研究_董议文.pdf

第40卷 第1期2023年2月海洋预报MARINE FORECASTSVol.40，No.1Feb.2023收稿日期：2021-11-10；修回日期：2022-02-24。基金项目：国家重点研发计划（2019YFC1408004）；国家自然科学青年基金（41806003）；中国长江三峡集团有限公司科研项目资助（WWKY-2020-0703）。作者简介：董议文（1994-），女，硕士，主要从事大气边界层研究。E-mail:*通信作者：李响（1986-），男，副研究员，博士，主要从事海气相互作用研究。E-mail:南海大气边界层高度的气候特征研究董议文1，李响1*，张蕴斐1，王剑1，易侃2，姚佳伟1（1.国家海洋环境预报中心 自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室，北京 100081；2.中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院，北京 100038）摘要：利用19792020年逐时的ERA5再分析数据，研究了南海区域大气边界层高度的气候特征及其影响因子。结果表明：南海区域平均大气边界层高度为500800 m，空间上呈中间高、四周低的分布特征。南海大气边界层高度具有显著的季节变化特征，总体按照冬季、秋季、夏季、春季依次递减，日变化较小，大部分区域边界层高度的日变化幅度小于300 m，日循环比较平缓。南海大气边界层高度显著的季节变化特征主要受海气温差、海表面风、感热通量、潜热通量和稳定度的共同影响。较大的海气温差和强风速使海表热通量增加，下垫面不稳定性增加，海气相互作用加强，湍流活动增强，导致秋冬季边界层高度较高。过去42 a南海区域年平均大气边界层高度显著增高，年平均增高率约为0.8 m/a，且边界层高度变化存在显著的季节差异。海表面温度升高、潜热通量增加以及稳定度减小有利于边界层的发展，可能是导致南海边界层高度增加的主要原因。关键词：南海；大气边界层高度；季节变化；日变化；趋势中图分类号：P421.3 文献标识码：A文章编号：1003-0239（2023）01-0079-12DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2023.01.0091引言大气边界层是靠近地球表面的对流层，直接受到地表的强迫作用，高度可达数公里，是人类活动的主要区域1。地球表面通过边界层与自由大气进行热量、动量、水汽和化学物质的交换。由于边界层内存在对流活动、湍流混合以及低层云雾形成、污染物扩散和地表能量收支等许多过程，因此边界层与天气、气候、空气污染等许多问题密切相关2-4。大气边界层高度是表征边界层结构特征的重要参数之一，它决定了边界层内部湍流混合、对流输送和污染物扩散的垂直程度，强烈影响着对流活动的发展和演变5-7。在天气预报、气候预测和空气质量预测模式中，大气边界层高度是最重要的参数之一。HOLZWORTH8开启了大气边界层高度研究，他通过使用早期的无线电探空数据研究了美国的大气边界层高度特征。后来，随着探空数据和其他来源数据的广泛应用，学者们对典型地区大气边界层高度开展了进一步研究，从而形成更加清晰的大气边界层高度区域图2,9-10。LIU等9利用全球14个站点的探空数据研究了这些地区大气边界层高度的日循环气候特征。SEIDEL等11使用探空数据、再分析数据和两个模式数据分析了美国和欧洲大气边界层高度的日变化和季节变化，得到了更多的大气边界层高度气候特征。GU等12利用全球45 a的探空观测数据，描述了不同下垫面和纬度带大气边界层高度的气候特征。研究结果显示陆地与海洋大气边界层高度的日变化和季节变化差异很大，与陆地相比，海洋大气边界层高度表现出相对平缓的日循环特征，季节变化不明显。海洋预报40卷国内也有很多学者通过不同的数据和方法对中国陆地和海洋大气边界层高度开展研究13-20。涂静等18使用FNL（Final Reanalysis Data）再分析数据研究了黄东海大气边界层高度的时空变化特征。韩 美 等19利 用 CFSR（Climate Forecast SystemReanalysis）再分析数据对黄东海大气边界层高度的季节变化特征及其成因进行了研究，指出盛行风的平流作用与下垫面特征相结合造成的低空稳定性的变化是黄东海边界层高度时空变化的重要因素。于晓丽等20使用南海的探空数据研究了季风期间南海大气边界层高度的日变化特征。GUO等21通过20112015 年的观测数据和再分析数据研究了我国大气边界层高度的气候特征。受限于海上边界层观测较为困难，很难获得长时间序列的观测数据，目前海上大气边界层高度的气候特征研究相对较少。高质量的再分析数据为研究海上大气边界层高度特征提供了一种可能。ERA5是欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-RangeWeather Forecasts，ECMWF）最新的再分析数据，ALLABAKASH等22使用ERA5数据研究了朝鲜半岛的边界层高度，其结果与从探空和 GPS（GlobalPositioning System）无线电掩星数据中获得的边界层高度非常一致。近年来，边界层高度的变化趋势引起了国内外学者的广泛关注23-25。ZHANG等23使用欧洲25个站点19732010年的观测数据揭示了边界层高度的增长趋势，并将其归因于近地表相对湿度的降低和温度的升高。最近的一项研究表明，中国地区边界层高度在2004年发生了显著的突变，但变化趋势随地点的不同而不同24。YANG等26使用地面激光雷达数据进行研究并指出，香港20042009年边界层高度呈下降趋势。显然，以往的研究表明，边界层高度的变化趋势可能因数据、方法或研究地点的不同而得到不同的结论，因此，非常有必要进行边界层高度长期变化趋势的研究。南海作为中国近海中唯一的热带海区，具有较高的气温和海温，是影响我国气候的重要的动力和热力源。由于南海海气边界层观测较为困难，该地区的边界层研究大多局限于特定地点或者研究时间较短20,27。本文将使用长时间、高分辨率的ERA5再分析数据来研究南海海洋大气边界层高度的气候特征，并揭示边界层高度的长期变化趋势及原因，以增进我们对南海地区边界层特征的认识，为该区域边界层高度的研究以及数值预报模式的改进提供一定的参考。2数据及方法2.1ERA5再分析数据ERA5再分析数据是ECMWF的第五代全球气候和天气再分析数据，也是ECMWF最新一代再分析数据。它同化了多个卫星和无线电探空数据集，还包含了世界气象组织全球电信系统（GlobalTelecommunications System，GTS）的各种数据集。ERA5数据覆盖全球，具有0.250.25的水平分辨率、37层标准气压层的垂直分辨率和逐小时的时间分辨率。本文利用ERA5的边界层高度数据研究南海地区大气边界层高度的气候特征，该边界层高度通过理查森数法计算得来。时间范围选择19792020年，共42 a。为了研究边界层高度的变化与影响因子的关系，还使用ERA5的海表面温度、2 m气温、10 m 风速、感热通量、潜热通量等数据，以及1 000 hPa和900 hPa温度数据，用于计算低层稳定度（定义为900 hPa与1 000 hPa的位温差19）。2.2趋势分析参照 GUO 等24研究使用的方法，我们利用Sen斜率（Sen s slope）28计算趋势，将趋势确定为所有成对值之间斜率的中值。具体计算方法如下：Sens slope=Median(Xi-Xj)/(i-j),i j式中：Xi和Xj分别表示X时间序列中的第i和第j值，中位数是总数据集按顺序排列后居于中间位置的数。与线性回归相比，Sen斜率对异常值的敏感性较低。此外，使用非参数Mann-Kendall统计检验方法29-30确定显著性。3结果3.1气候态图1为ERA5再分析数据在南海区域大气边界层高度的气候态分布。南海区域的平均大气边界80董议文等：南海大气边界层高度的气候特征研究1期层高度在500800 m之间。在空间分布上，南海沿岸边界区域的大气边界层高度相对较低，约为500 m，中部区域的边界层高度相对较高，超过700 m，其中台湾岛以南及南海西部海区存在大气边界层高度的大值中心，边界层高度可达800 m。总体而言，南海大气边界层高度的气候态在空间上呈现中间高、四周低的分布特征。3.2季节变化图2为南海大气边界层高度在不同季节的空间分布。从图中可以看出，南海边界层高度存在显著的季节变化特征，总体按照冬季、秋季、夏季、春季依次递减，春季平均边界层高度在700 m以下，冬季则可以达到900 m以上。在空间上，不同季节南海大气边界层高度也存在显著的变化特征。秋冬季节，南海北部边界层高度高于南部，边界层最大高度出现在冬季南海北部及西部区域，达900 m以上。相比南海北部区域，南部区域边界层高度的季节变化不太明显。为了进一步研究南海大气边界层高度的季节变 化 特 征，我 们 还 利 用 经 验 正 交 函 数 分 析 法（Empirical Orthogonal Function，EOF）计算了南海月平均大气边界层高度的时空分布模态。图3为EOF分析的第一模态、第二模态及对应的时间系数。EOF第一模态（见图3a）体现了南海大气边界层高度变化在空间上具有非常好的一致性，这种一致性占总体方差的68.7%。结合时间系数可以看出（见图3c），边界层高度存在显著的季节差异，具体表现为：49月，南海边界层高度降低，5月为最低；10月次年2月，边界层高度升高，12月达到最高。这与图2中春夏季边界层高度较低、秋冬季边界层高度较高的结果一致。同时，图3a中的正值分布由北向南逐渐减小，表明这种季节差异越向南越小，这与图2南海区域不同季节大气边界层高度的空间分布（单位：m）Fig.2Spatial distributions of the seasonal mean atmospheric boundary layer height over the South China Sea（unit：m）图1南海区域大气边界层高度的气候态分布（单位：m）Fig.1Climatology of the atmospheric boundary layer heightover the South China Sea（unit：m）81海洋预报40卷图2南海北部边界层高度季节变化显著而南部相对平缓的结果相一致。3.3日变化图4为南海区域不同季节大气边界层高度日变化幅度的空间分布。整体而言，南海区域大气边界层高度的日变化幅度相对较小，大部分区域小于300 m，沿海区域相对较大，超过350 m。日变化幅度在大部分区域没有显著的季节变化，只在南海西部区域有较小的季节变化，春季和冬季日变化幅度相对较小，在200250 m之间。图5为南海区域不同季节大气边界层高度的日循环。从图中可以看出，不同季节的日循环较为一致，均在 13时（北京时）左右达到最高。这主要与太阳辐射的日变化直接相关20。日出时，太阳辐射增强，下垫面开始加热，热通量增加，边界层得以发展，边界层高度开始升高；中午，太阳辐射最强，边界层高度达到峰值；下午，太阳辐射减弱，边界层高度也开始降低。由于海洋这一特殊下垫面的影响，不同季节大气边界层高度的日循环变化均相对比较平缓。JOHNSON等31指出海洋大气边界层高度的日变化主要由海温的日变化引起。海水比热容较大，白天海水升温较慢，夜间降温也较慢，海温日变化较小，进而导致海洋大气边界层高度的日变化也较小。3.4季节变化成因分析韩美等19研究指出，海洋大气边界层高度的变化受到湍流卷夹率、大尺度垂直速度以及积云质量图3南海区域月平均大气边界层高度EOF分析的前两个模态及其时间系数Fig.3The first two modes and their time coefficients of the EOF analysis of monthly mean atmospheric boundary layer height overthe South China Sea82董议文等：南海大气边界层高度的气候特征研究1期通量