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846-860 doi：10.1007 / s40333-

016-0054-3

科学出版社 施普林格出版社

塔克拉玛干沙漠腹地夏季大气边界层结构

王敏忠1,2*，魏文寿1,2，何清1,2，杨玉辉3，范磊1,2，张建涛1,2

1中国气象局沙漠气象研究所，乌鲁木齐830002;

2塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站，塔中841000;

3新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐830054

摘要：了解沙漠大气边界层结构特征及其地表过程对区域气候和气候模拟具有重要意义。为了研究塔克拉玛干沙漠大气边界层结构及其形成机制，提高区域气候和气候模拟的准确性和精确度，我们于6 月25日至7月3日在塔克拉玛干沙漠腹地进行了GPS无线电探空观测实验，利用密集观测的探测数据，

分析了该区域夏季日间对流边界层和夜间稳定边界层的垂直结构，并讨论了沙尘和降水事件对沙漠大气边界层结构的影响。夏季，塔克拉玛干沙漠腹地的对流边界层发育深远，最大高度达到4000米;夜间稳定的边界层厚度约为400-800米，其上方的残余混合层可达到3000米以上的厚度。沙尘天气会破坏夜间稳定边界层和白天对流边界层的结构，尘埃粒子群可以减弱地表吸收的太阳辐射，进一步抑制白天对流边界层的强烈发展。强对流沉淀过程可以在很短的时间内将热量从地表变为大气，同样可以显着破坏沙漠大气边界层的结构。而且，下雨时大气边界层的高度非常低。本研究验证了夏季在塔克拉玛干沙漠上存在超常厚度大气边界层的现象，为区域数值模型更好地表示沙漠大气边界层结构提供了参考和科学依据。

关键词：对流边界层;沙尘和降水的影响;GPS无线电探空仪观测;塔克拉玛干沙漠的腹地

引用：王敏忠，魏文寿，何青，杨玉辉，范磊，张建涛。2016.中国塔克拉玛干沙漠腹地的夏季大气边界层结构。干旱地区杂志，8（6）：846-860。doi:10.1007/40333-016-0054-3

沙漠大气边界层是现代大气科学研究的重要前沿领域。深入认识沙漠大气边界层结构特征及其地表过程对区域气候和气候模拟具有重要意义，有助于提高模型性能，进一步提高天气气候模拟的准确性和精确性. .

通讯作者：王敏忠（电子邮件：yurenkeji@sina.com）收稿日期：2015- 11-21;修订2016-04-21;接受2016-05-08

copy;中国科学院新疆生态与地理研究所，科学出版社和Springer-Verlag柏林海德堡2016

http://jal.xjegi.com; www.springer.com/40333

近几十年来，国内外学者对沙漠大气边界层和陆面过程进行了大量研究，取得了许多重 大成果（Garratt，1992,1993; Gamo，1996; Sivakumar，2007; Huang et al。，2010） 。在20世纪70年代，Charney（1975）研究了撒哈拉沙漠的反照率和热平衡以及干旱气候的形 成机制，发现高地表反照率降低了净辐射并导致沙漠中的下沉运动，从而减少了降水。自 20世纪80年代以来，Henderson-Sellers（1980），Gornitz和Nasa（1985），Cunnington 和Rowntree（1986）以及Lare和Nicholson（1990）对不同下垫面的反照率进行了详细分析。关于边界层，Marsham等。（2008）观察到一个非常厚的对流边界层，面积为5,500米，撒 哈拉地区有明显的残余层。利用传统的气象探测资料，Takemi（1999）分析了中国河西走廊地区的大气边界层结构，并从残余层的特征推测了厚度超过4000m的对流边界层。在中国， 苏和胡（1987）首先在20世纪80年代发现了干旱地区绿洲的“冷岛效应”。后来，Hu和Gao

（1994）发现在20世纪90年代进行的“黑河流域实验”中，与绿洲相邻的沙漠大气中存在 逆湿度。为进一步了解典型干旱地区的陆气相互作用，中国研究人员（Zhang et al。， 2007,2011; Zhang and Wang，2008）于2000年在甘肃省敦煌戈壁沙漠进行了野外观测实验。大气边界层结构和地表过程特征，他们发现该地区夏季晴天存在厚度超过4000米的对流边 界层。另外，魏等人。（2005）研究了河西走廊金塔绿洲夏季大气边界层的风，温度和湿 度，发现该区夏季边界层高度约为3500米。利用气球和GPS发声，李等人。（2014）研究了 巴丹吉林沙漠夏季大气边界层的构造，并指出夏季晴天的对流混合层可达3000米。

塔克拉玛干沙漠是世界上第二大流动沙漠，对中国西北干旱地区的气候变化极为敏感。 沙漠拥有恶劣的自然环境，气候极其干燥，移动沙丘范围广。与世界上其他干旱地区相比， 其地表过程和大气边界层结构非常独特，对区域天气，气候和大气环流有重要影响。

目前，塔克拉玛干沙漠大气边界层的研究主要是近地表气象观测与分析（He et al。， 2010a，b; Wen et al。，2010; Liu et al。，2012） - 地面气象观测设备和遥感系统。虽然可以实现定点连续观测，但是探测高度和适用的天气条件受到很大限制，导致对该沙漠中整个大气边界层的深入研究的限制。他（2009）曾用80米高的气象塔深入系统地研究了沙漠腹地的陆气相互作用和近地表热结构，估计夏季沙漠对流边界层约为3000米。徐等人。

（2014）利用NCEP（国家环境预测中心）再分析资料研究了塔克拉玛干沙漠的大气边界层结 构，并指出对流边界层的厚度可达到3,000-4,000米。在我们之前的研究中（Wang et al。， 2012），在夏季晴朗的沙漠腹地上发现湍流发生了剧烈的湍流，可能达到3,500-4,000米的 高度。但是，大气边界层的厚度需要通过无线电探空仪观测进一步验证。在这方面，我们在2015年6月25日至7月3日期间进行了GPS无线电探空观测实验。然后，我们利用本实验中获得 的密集观测声探测数据，分析了日间对流边界层和夜间稳定边界层的垂直结构，并进行了讨 论。沙尘和降水过程对边界层结构的影响。本研究的目的是更深入地了解大气边界层结构及 其在干旱和流动沙漠中的发展机制，并为进一步研究提供参考。

区域数值模型中的边界层参数化。

研究区域

塔克拉玛干沙漠位于北半球中纬度的欧亚大陆腹地，即中国新疆塔里木盆地的中部。西面有Tomur山脉和帕米尔高原，南面是昆仑山脉和阿尔金山脉，北面是天山山脉，东面是罗布泊山脉。东西长约1,070公里，南北宽约410公里，面积为33.76times;10⁴km²。它是世界上第二大移动沙漠。此外，它是中国主要的沙尘暴源。由于青藏高原及其周围群山的阻碍作用，塔克拉玛干沙漠位于极端干旱地区，冬季干燥，夏季降雨少。气候充足，光照和热量充沛， 降水少，日照强烈，昼夜温差大。结合稀疏的沙漠植被，形成了一个独特而极其脆弱的自然生态系统。

GPS无线电探空仪在塔克拉玛干沙漠腹地塔中（39°02N，83°38E;图1）被释放，海拔1,109米。探测观测场距离塔中气象站约9公里，塔中气象站位于石油作业区，没有发射气 球。观察区域是一个开放区域，地面由流动沙丘覆盖。在这里，年平均温度为12.1°C，但最 高温度可达到46.0°C。年平均降水量小于30毫米，但年潜在蒸发量为3,812.3毫米。东风在 该地区盛行，年平均风速为2.3米/秒。平均每年沙尘暴天数超过30天，吹沙天数超过70天， 飘尘天数甚至超过100天。这样的天气经常在整个春季和夏季出现。在试验田的生活区内生 长着少量的沙漠灌木植物。观测场的下垫面可以代表塔克拉玛干沙漠。

图1研究区域和观察设备的示意图

数据收集和方法

实验中使用了GPS无线电探空仪系统，辐射观测系统和涡相关检测系统（图1）。GPS探测系统主要由表面接收器，天线和几个探测器组成。表1中提供了GPS探测系统的技术参数。探测气球将探空仪带入天空，地面接收机接收到探空仪发射的无线电信号，并计算出气象信息（包括大气温度，湿度，压力） ，风向和风速）。探测观察于2015年6月25日至7月3日进行，其间探测器每天释放六次，时间分别是01：15,07：15,10：15,13：15,16：15和19:15

（北京时间）。发声气球的上升速度平均约为300米/分钟，气球花了大约15分钟完成一个边界层的检测过程。辐射观测系统和涡相关检测系统固定在塔中气象站附近。安装了辐射观测系统

距离地面1.5米，配备由荷兰Kipp＆Zonen公司开发的先进检测传感器。该系统可以检测总辐射，反射辐射，大气长波辐射和地面长波辐射。通过上述辐射组分计算净辐射。以0.1Hz 收集所有数据并以1分钟的间隔记录。涡相关检测系统是指R3-50超声波风速计（ Gill Instruments Ltd.，UK）。将其安装在10米的高度，并以20Hz收集数据。通过涡动相关技术计算表面显热通量。在塔中气象站用土壤温度计观察地表温度。表2列出了地面观测系统的主要技术参数。

表1 GPS探空系统技术参数

类型 生产厂家 传感器 测量范围 Detection 误差范围

精确

温度 –90°C –60°C 0.1°C plusmn;0. 2°C

全球 CF-06-A

定位 GNSS

系统探头

北京长丰微电子科技有限公司，中国

湿度 0–100% 1% plusmn;3%

压力 3-1,080 hPa 0.1 hPa plusmn;1.0 hPa

风速 0–150 m/s 0.1 m/s plusmn;0.15 m/s

Wind 0°–360° 0.1° plusmn;2°

方向

类型 制造商北京长丰

接收频率范围

自动频率控制精度

天线增益

噪音系数

表面接收器

cfl-gns-列斯 微电子科技有限公司 400-406 MHz 2千赫 gt; 7 分贝 2.7分贝中国

表2辐射观测系统和涡相关检测系统的技术参数

设备 类型 生产厂家 技术参数

短波辐射计（总辐射， 反射辐射）长波辐射 计

安培1

光 谱 范 围 ：305-2,800 nm; 敏 感 度 ：10 Kipp＆Zonen公司，荷兰 micro;v/(W/m²);响应时间：5秒内达到95％;方向误差：

le;plusmn;10 W / m²

光谱范围：4.5-42.0mu;m;灵敏度：30mu;v/（W / m²）;

（地面长波辐射，大气长波辐射）

超声波风速计

CG4 Kipp＆Zonen公司，荷兰 预热漂移：le;4W/ m²;响应时间：在不到8秒内达到63％ 采样频率：20 Hz;

风速范围：0-45米/秒;精度：lt;1％观察到

3-D R3-50 英国吉尔仪器有限公司 风速;分辨率：0.01米/秒;风速偏差：

lt;plusmn;0.01 m/s;

风向精度：lt;plusmn;1°;分辨率：1°

在观测期间，发生了三个显着的天气过程，即6月26日的沙尘事件，6月28日的短时沙尘和降雨过程以及7月1日的强烈对流降水。在观察期间没有连续的高温晴空。我们的研究主要集中在6月25日（部分阴天），6月26日（沙尘天），6月29日（略微阴天）和7月1日（当地强对流降水日）分析大气边界层结构。根据本研究的要求，温度和相对湿度分别转换为潜在温度和比湿度。

由于热因素对干旱荒漠区大气边界层过程的突出影响，我们采用潜在温度法（Seibert等， 2000; Hyun等，2005;乔，2009）来确定高度。大气边界层。该方法是在10：15,13：15,16：

15和19:15的白天观察期间，将明显潜在温度跳跃或折叠线的反电位温度基线作为对流混合层高度。也就是说，几乎不随高度变化的潜在温度和比湿度的厚度被认为是对流混合层的最大高度。在夜间（01:15和07:15），层顶部的近表面反电势温度为

被认为是稳定边界层的高度。

结果

夏季大气边界层结构

• • 1. 潜在温度的垂直分布

热特性是判断和区分大气边界层性质的主要指标之一，潜在温度是大气中最具表现力的热性质之一。因此，分析大气潜在温度的垂直分布对于大气边界层的识别具有重要意义。大气边界层一般分为白天对流边界层和夜间稳定边界层。白天对流边界层可以进一步分为近表层，对流混合层和顶部反转层（夹带层）（Angevine等，1994）。图2显示了2015年6月25日六个观测时间不同层的潜在温度曲线，当时它是高温多云。

如图2所示，

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