雨季前后大气层观测及结果分析

引言

大气边界层是地球大气动量、热量和各种物质上下输送的重要通道，边界层的动力、热力作用显著影响着自由大气中天气系统的发生、发展和演变，对强降雨及对流性天气有着重要作用［1－3］。近年来，全球范围内开展了多次针对不同下垫面边界层的大型野外实验［4－6］，从不同方面揭示了非均匀下垫面大气边界层的一些特征。我国气象工作者在边界层研究方面也做了大量工作［7－9］，杨智等［10］分析了云南大理湍流通量等特征量的日变化规律和干湿季的变化特征。认为该地区湍流通量有明显日变化特征，感热、动量通量干季大于湿季，潜热通量湿季大于干季，干湿季热量交换以潜热为主。胡非等［11］根据国家自然科学基金重点项目“地表通量参数化与大气边界层过程的基础研究”的综合观测试验，分析了白洋淀地区水陆不均匀地表近地面层微气象特征。王敏仲等［12］利用在新疆百里风区观测取得的风廓线资料，分析了该地区低空风场的平均日变化、逐日变化特征。淮河流域处于我国南北气候过渡带，干湿季节分明。大气边界层对淮河流域降水的影响，一直是气象学家关注的焦点。国家自然科学基金重大项目“淮河流域能量与水分循环试验和研究（HUBEX）”利用外场试验所获得的气象、水文等加密与特殊观测资料，分析了东亚季风区中尺度降水系统的能量与水循环过程，改进了区域气候模式［13］。丁一汇等［14］对1991年5—7月江淮及其北部地区暴雨期的地表通量进行了估算，揭示出一次持续性大暴雨过程中陆面过程的一些特征。胡国权等［15］利用淮河流域能量和水循环试验的外场观测资料，对不同天气条件，不同下垫面的能量收支进行了研究。谢五三等［16］运用寿县国家气候观象台通量观测系统的观测资料，分析淮河流域农田生态系统的陆气相互作用，结果显示潜热通量、感热通量存在季节变化。本文重点分析淮河中游雨季开始前后近地面层各种要素的变化特征，为深入研究淮河流域大气边界层特征及其对降水系统影响提供依据。

1试验观测

2003年8月至2006年1月上旬，中日合作在安徽省寿县、肥西等开展边界层野外观测试验，观测试验期间，在寿县观测站安装了风廓线雷达（L－28）、微波辐射计及通量观测塔（C－PRJ30＼C－FLJ30）等仪器，获取了试验地区不同季节陆面异常状况及大气边界层内各要素特征的高分辨率资料。本文利用2005年6—7月通量观测塔的观测资料，分析淮河中游雨季开始前后近地层微气象要素及边界层相关特征量的变化特征。

1．1观测场地及仪器介绍

寿县观测站（117°55′E，32°78′N），位于淮河东南部约9km的位置，春夏季盛行东南风。观测场位于城南2km，东、南、西三面现为大片农田，北面为居民区。试验田土壤主要是黏性沃土，该地平坦、均匀同质。近地层观测主要包括湍流通量、辐射通量、风向风速、气温、空气湿度、土壤温度、土壤湿度等。观测塔安装在观测场的东南角，高度为35m。在3个高度（3．5m、12．2m、32．5m）上安装了快速响应仪器，传感器的所有信号都以10Hz的采样速率进行采样。

1．2天气状况

2005年夏季，淮河流域出现了旱涝急转。6月降水偏少，旱情发展迅速，7月4日淮河流域进入雨季后，出现了持续暴雨、大暴雨天气，由旱转涝。寿县站7月5日开始降雨，持续到7月11日，为了分析旱涝转换前后该地区边界层微气象特征的异同，选取2005年6月27日至7月4日作为雨季前的代表时段；选取7月5日至7月12日作为雨季的代表时段（表1）。

2结果分析

2．1风场特征

2．1．1雨季前和雨季期间风速变化

雨季前，风速的日变化明显，一般在午后风速会明显增大。7月3—4日，雨季开始前，边界层风速的日变化开始加大，风速极值增大，32．2m的风速极大值达到12．37m／s。进入雨季后风速的日变化减小，风速值波动较大。雨季后期，风速再次出现突增，9日32．2m的风速极大值达到11．81m／s，10日32．2m的风速极大值达到11．34m／s。分析发现，雨季即将开始和将要结束时，近地面层风速均有突增的现象（图1）。

2．1．2不同天气条件下近地层风廓线

分别以2005年6月29日（无雨）和7月7日（有雨）为例分析不同天气条件下近地面层风廓线变化，一天中不同时次风随高度变化在有雨日和无雨日呈现不同特征。2005年6月29日（无雨），风速值随高度增加呈增大趋势，在后半夜至凌晨3m高度以下风速随高度增加而减小，存在逆温层（图2a）；各高度层风速较大的时间段主要出现在中午和傍晚，极大值出现在14：00左右，到了下半夜风速明显减小。7月7日（有雨），近地层各高度风速值较为集中（图2b），各高度层风速极大值出现在02：00左右；风速的极小值出现在10：00。

2．2气温变化

近地层各高度上的气温变化趋势雨季前是一致的，同时存在着明显的日变化，气温日较差在8～9℃之间（图3）。7月5日，寿县进入雨季，近地层气温4日晚上均出现明显下降，其中4—6日气温呈逐渐下降趋势，在降雨加大之前气温降至最低。降雨期间，气温偏低，日较差较小，其中7日气温日较差在3～4℃之间，10日以后气温日较差逐渐加大，雨季于7月12日结束（图3）。

2．3空气相对湿度变化特征

近地面层相对湿度随时间的变化趋势在雨季前基本一致，同时存在着明显的日变化，相对湿度的变化范围大致在50％～80％之间（图4）。一天中相对湿度极大值出现在04：00—06：00，最小值出现在15：00—17：00。7月5日，寿县进入雨季，直到7月12日对应降雨时段相对湿度基本都在80％以上，尤其是7月7—10日，寿县出现了3天的大暴雨，对应相对湿度大部分时段在90％以上，且日变化不大（图4）。通过比较可以发现，雨季期间的湿度明显大于雨季前。在雨季前，湿度存在明显的日变化，雨季日变化不明显。

2．4感热通量和潜热通量

感热通量和潜热通量雨季前有明显的日变化，在白天均以正值为主，夜间感热为负值（上半夜更为显著），数值较白天明显减小，潜热值在夜间同样迅速减小（图5）。雨季，在不同高度上感热通量和潜热通量没有明显的日变化，感热以负值为主。在7日00：00—10：00，3．5m高度处的感热值变化幅度最大，其次是32m高度，对应这一时段是一天中降雨最强的时段。潜热通量在00：00—14：00波动较大，其中以12．2m高度处潜热通量波动最大，其次是3．5m，与当天的强降雨时段有很好的对应关系，下午至上半夜各高度的潜热通量值均很小，接近于零，而32m高度的潜热通量在一天中的值均很小（图6）。分析发现，淮河中游潜热通量远大于感热通量。

2．5摩擦速度

摩擦速度是表示近地层大气湍流的一个主要特征量，在近地面气层里大体上不随高度变化。雨季前，摩擦速度有一定的变化规律，白天摩擦速度增大，早晚变小，这说明近地层的热力作用影响了风的垂直梯度，使其形成偏离中性条件下的风速廓线。雨季期间，摩擦速度的日变化较小，但波动范围大（图7）。雨季前摩擦速度的平均值为0．2m／s，雨季期间摩擦速度的平均值为0．16m／s，雨季前的摩擦速度值大于雨季期间的值。

3结论与讨论

利用野外观测试验数据，对寿县地区边界层微气象要素等进行初步分析，主要结论如下：

（1）雨季开始前后近地面层内微气象要素的特征不同。雨季前，近地面层微气象要素存在明显日变化，呈单峰单谷型特征。雨季期间，温度下降、相对湿度加大，风速波动较大，各要素日变化减小。

（2）雨季前，感热通量和潜热通量均有明显的日变化，呈单峰型分布，近地面层各高度潜热通量变化趋势一致；雨季，感热通量和潜热通量没有明显的日变化，感热以负值为主，低层的潜热通量波动较大。6—7月，淮河中游潜热通量远大于感热通量。

（3）雨季前的摩擦速度值大于雨季的值；雨季期间，摩擦速度的日变化较小，波动范围大。本文主要以寿县站为代表，对2005年淮河流域雨季前后边界层微气象特征进行了分析，得到一些有益的结论，具有一定的代表性，但缺乏普遍性。淮河流域干湿季节边界层结构的普遍特征及其对流域气候变化的作用有待在以后的工作中深入研究。