王越昊 李成才 初奕琦 檀望舒 任靜靜

利用探空秒數(shù)據(jù)估算北京地區(qū)日最大混合層高度

王越昊1,2李成才1,?初奕琦3檀望舒1任靜靜1

1.北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系, 北京 100871; 2.91197部隊(duì), 青島 266405; 3.北京無(wú)線電測(cè)量研究所, 北京 100854; ?通信作者, E-mail: ccli@pku.edu.cn

研究利用北京地區(qū) L 波段探空秒數(shù)據(jù)和地面日最大位溫, 采用氣塊法反演北京地區(qū)日最大混合層高度(MMH)的可行性。將 08 時(shí)探空秒數(shù)據(jù)以及常規(guī)探空數(shù)據(jù)反演結(jié)果分別與對(duì)應(yīng)的微脈沖激光雷達(dá)反演結(jié)果相比較, 發(fā)現(xiàn)前者與激光雷達(dá)反演結(jié)果的一致性好于后者, 常規(guī)探空數(shù)據(jù)垂直空間分辨率低可能是導(dǎo)致其反演結(jié)果誤差較大的原因。分別用春夏秋冬的探空秒數(shù)據(jù)反演結(jié)果與激光雷達(dá)反演結(jié)果相比較, 發(fā)現(xiàn)春夏秋反演結(jié)果的一致性較好, 而冬季較差。利用 08 時(shí)探空秒數(shù)據(jù)結(jié)合地面日最大位溫, 采用氣塊法反演北京地區(qū)2010—2017 年的 MMH, 發(fā)現(xiàn) MMH 每年均表現(xiàn)出春夏秋冬逐次遞減的分布特征。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期資料的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn), 北京地區(qū)日地面最高氣溫與 850hPa 溫度差定義的熱力穩(wěn)定度與 MMH 之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)性。

日最大混合層高度(MMH); L波段探空雷達(dá)秒數(shù)據(jù); 微脈沖激光雷達(dá); 北京地區(qū)

近年來(lái), 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 北京地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的空氣污染天氣[1], 成為全球氣溶膠濃度最高的地區(qū)之一[2]。研究大氣邊界層的發(fā)展和演變特征是研究該地區(qū)空氣污染機(jī)制的必要前提。

大氣邊界層是大氣層的最低層。受湍流和垂直混合作用影響, 該層中動(dòng)量、熱量、氣體以及氣溶膠呈現(xiàn)快速擾動(dòng)現(xiàn)象, 在地表與自由對(duì)流層之間進(jìn)行交換[3]。在大氣邊界層特征參數(shù)中, 混合層高度(mixing layer height, MLH)是重要的特征參數(shù)之一?；旌蠈痈叨戎甘艿降孛嬷苯佑绊懙臍鈱痈叨? 在這一大氣層中, 被排放或卷夾進(jìn)來(lái)的污染物或者其他成分在約 1 小時(shí)的時(shí)間尺度內(nèi), 在熱對(duì)流或機(jī)械湍流作用下進(jìn)行垂直的混合擴(kuò)散[4], 混合層高度是影響大氣污染物和水汽垂直擴(kuò)散的重要因素[5]。日最大混合層高度(daily maximum mixing layer height, MMH)對(duì)應(yīng)混合最強(qiáng)時(shí)刻的最大渦旋尺度, 是一個(gè)特殊的混合層特征參數(shù), 它決定來(lái)自地面的各種物質(zhì)在垂直方向混合與擴(kuò)散在當(dāng)日達(dá)到的最大高度, 在環(huán)境監(jiān)測(cè)和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)等的研究與實(shí)際應(yīng)用中都具有重要意義[6?7]。為了方便起見(jiàn), 本文中 MMH均為日最大混合層高度。一般來(lái)說(shuō), 日最大混合層高度發(fā)生在白天午后熱力邊界層最旺盛時(shí)分。

目前, 對(duì) MLH 的觀測(cè)主要通過(guò)飛機(jī)探測(cè)、地面遙感和氣象無(wú)線電探空 3 種途徑。

飛機(jī)探測(cè)可以獲取高分辨率的氣象要素以及污染物剖面, 但由于受空中交通管制和飛行成本高等因素的限制, 很難進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的探測(cè)。

地面遙感是近年來(lái)興起的可以獲得較高垂直空間和時(shí)間分辨率的探測(cè)手段, 目前已成為最先進(jìn)的MLH 測(cè)量方法。地面遙感探測(cè) MLH 的主要手段有聲雷達(dá)溫度探測(cè)、多普勒雷達(dá)風(fēng)廓線探測(cè)以及激光雷達(dá)氣溶膠探測(cè)等。聲雷達(dá)探測(cè)高度通常小于 1000m, 不利于在對(duì)流狀態(tài)下觀察 MLH。風(fēng)廓線雷達(dá)的最低探測(cè)高度通常在 200m 以上, 垂直分辨率為50~250m, 這就使得風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì) MLH 不具有較好的解釋性。激光雷達(dá)觀測(cè)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速, 使MLH的反演探測(cè)方法不斷完善[5]。

氣象無(wú)線電探空也稱常規(guī)探空, 其實(shí)施過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單, 探測(cè)與反演 MLH 的結(jié)果有較高的可信度, 探空業(yè)務(wù)臺(tái)站分布較廣, 具備幾十年的歷史資料。這些特點(diǎn)使得利用常規(guī)探空資料獲取 MLH 仍然是最常用的手段, 特別是在研究 MLH 的年際和季節(jié)性變化特征方面, 是其他投入使用時(shí)間較短的地面遙感手段無(wú)法比擬的。然而, 常規(guī)探空具有探測(cè)瞬時(shí)性和時(shí)間分辨率低等缺點(diǎn), 大多數(shù)站點(diǎn)只在北京時(shí)間 08 時(shí)和 20 時(shí)進(jìn)行兩次觀測(cè), 且觀測(cè)數(shù)據(jù)的垂直分辨率基本上對(duì)應(yīng)分鐘級(jí)別的氣球上升時(shí)間段。

幾十年來(lái), 眾多研究者對(duì)北京地區(qū)的 MLH 做了一系列的觀測(cè)與研究。張靄琛等[8]利用低空探測(cè)等資料, 對(duì)北京地區(qū)夏季和冬季混合層進(jìn)行觀測(cè), 結(jié)果表明混合層在夏季發(fā)展比較旺盛, 午后 MLH可達(dá) 1200m, 冬季則只有 500~600m。程水源等[9]利用首都機(jī)場(chǎng)探空數(shù)據(jù), 探測(cè)北京地區(qū)逆溫和大氣溫度廓線特征, 并測(cè)試了 4 種計(jì)算 MLH 的方法。尤煥芩等[10]利用北京觀測(cè)站常規(guī)探空數(shù)據(jù), 分析北京地區(qū) 38 年的 MMH 變化情況, 比較 2004—2007 年北京地區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)與 MMH 的關(guān)系, 得出 MMH呈現(xiàn)冬季低夏季高的特征, 且 MMH 與空氣質(zhì)量等級(jí)有較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系的結(jié)論。

雖然近年來(lái)利用激光雷達(dá)等地面遙感技術(shù)探測(cè)北京地區(qū) MLH 的研究逐漸增多, 但是由于起步較晚, 沒(méi)有較長(zhǎng)時(shí)間的資料積累, 所以在研究北京地區(qū) MLH 的年際和季節(jié)性等長(zhǎng)期變化特征時(shí), 仍主要依靠常規(guī)探空數(shù)據(jù)。

立足于探空數(shù)據(jù)反演 MMH 較常用的方法是Holzworth[11]1964 年提出的干絕熱法, 也稱為氣塊法。本文首先驗(yàn)證此方法的合理性, 然后以目前反演北京地區(qū) MMH 效果較好的激光雷達(dá)反演方法為參考, 對(duì)分別利用 08 時(shí)探空秒數(shù)據(jù)以及 08 時(shí)常規(guī)探空數(shù)據(jù), 采用氣塊法反演的 MMH 進(jìn)行線性擬合和誤差分析, 獲取擬合結(jié)果較好的數(shù)據(jù)類型以及擬合結(jié)果的季節(jié)性變化特征, 論證在北京地區(qū)通過(guò)使用探空秒數(shù)據(jù)反演 MMH 來(lái)進(jìn)行年際和季節(jié)性變化研究的可行性。最后, 鑒于探空秒數(shù)據(jù)比常規(guī)探空數(shù)據(jù)具有更高的垂直空間分辨率, 且前者反演的MMH 結(jié)果好于后者, 利用 2010—2017 年 08 時(shí)探空秒數(shù)據(jù)反演北京地區(qū)的 MMH, 分析這 8 年的季節(jié)性變化特征, 并通過(guò)定義熱力穩(wěn)定度, 討論熱力穩(wěn)定度與MMH之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本研究中用到的數(shù)據(jù)如下: 北京大學(xué)物理樓頂微脈沖激光雷達(dá)(Micro Pulse Lidar, MPL)觀測(cè)數(shù)據(jù), 觀測(cè)時(shí)間為 2016 年 4 月至 2017 年 10 月; 北京市南郊?xì)庀笳?站號(hào)為 54511)的常規(guī)探空數(shù)據(jù), 觀測(cè)時(shí)間為 2016 年 4 月至 2017 年 10 月每日 08 時(shí); 北京市南郊?xì)庀笳?站號(hào)為 54511)的 L 波段探空雷達(dá)秒數(shù)據(jù), 觀測(cè)時(shí)間為 2010 年 1 月至 2017 年 10 月每日 08時(shí)以及 2010—2017 年每年 6—8 月夏季汛期每日14 時(shí); 北京地區(qū)自動(dòng)氣象觀測(cè)站(AutomaticWeather Station, AWS)數(shù)據(jù), 觀測(cè)時(shí)間為 2010 年 1 月至 2017年 10 月, 提供半小時(shí)分辨率的地面常規(guī)氣象數(shù)據(jù)。

1.2 激光雷達(dá)反演日最大混合層高度

激光雷達(dá)是地面遙感探測(cè)混合層高度(MLH)的重要手段之一, 它以氣溶膠為示蹤物, 利用氣溶膠濃度在混合層頂向自由大氣過(guò)渡的區(qū)域中快速降低的特性, 通過(guò)氣溶膠歸一化相對(duì)后向散射信號(hào)(nor-malized relative backscattering signals, NRB), 間接地判斷混合層頂?shù)奈恢谩?/p>

傳統(tǒng)的激光雷達(dá)反演 MLH 算法多基于 NRB 信號(hào), 通過(guò)各種方式查找 NRB 信號(hào)的突變, 進(jìn)而判斷氣溶膠濃度的變化情況, 確定 MLH (氣溶膠濃度突然減少的高度即為 MLH), 如賀千山等[12]2005 年提出的歸一化梯度法以及王珍珠等[13]2008 年提出的極小值法。但是, 在重污染情況下, 上層的 NRB 信號(hào)會(huì)因下層消光作用的影響而大大減弱, 此時(shí)在MLH 附近的 NRB 信號(hào)值可能遠(yuǎn)低于近地面信號(hào), 導(dǎo)致 NRB 信號(hào)的梯度極值出現(xiàn)在近地面附近而非MLH 處。在這種情況下, 需要對(duì) NRB 信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)化處理, 得到在垂直方向上量級(jí)相近的 In(NRB)梯度廓線, 以便消除上層 NRB 信號(hào)衰減過(guò)多造成的影響。另一方面, 在氣溶膠稀少的潔凈天氣條件下, NRB 信號(hào)很弱, 因此容易受到噪聲的干擾, 使結(jié)果可信度變差。在北京地區(qū), 重污染天氣和潔凈天氣都會(huì)出現(xiàn), 需要激光雷達(dá)反演 MLH 的算法能夠?qū)@些極端天氣條件有良好的適應(yīng)性。

本文使用的利用 MPL 資料反演 MLH 的算法是由初奕琦[14]針對(duì)北京地區(qū) MLH 的特點(diǎn)提出的人工輔助算法。首先, 該算法利用激光雷達(dá)線性退偏振比(linear depolarization ratio, DEP), 具有不受下方氣溶膠消光作用的影響以及在氣溶膠稀少時(shí)仍具有較高可信度與信噪比的特點(diǎn), 將對(duì)數(shù)化 NRB 信號(hào)與 DEP 相結(jié)合, 反演結(jié)果在潔凈天氣以及重污染天氣時(shí)均表現(xiàn)良好(DEP 為單位體積含氣溶膠氣團(tuán)的后向散射信號(hào)中正交與平行方向偏振信號(hào)強(qiáng)度的比值, 利用混合層中氣溶膠高 DEP 以及自由大氣中空氣分子低 DEP 的特點(diǎn)可以較好地判斷 MLH)。其次, 該算法優(yōu)化了對(duì)清晨接近或低于盲區(qū)高度的 MLH的識(shí)別, 使 MLH 的識(shí)別下限降低, 大大地提高對(duì)清晨 MLH 的識(shí)別效果。最后, 該算法結(jié)合人工識(shí)別方法, 先在圖像上通過(guò)肉眼判斷每天 MLH時(shí)間序列的大致輪廓, 為算法提供一個(gè)粗略的參考值, 再在這個(gè)參考值的一定范圍內(nèi)查找最近的 DEP 或者In(NRB)梯度極值點(diǎn), 作為MLH反演結(jié)果。

通過(guò)該算法得到的北京地區(qū) MLH 和 MMH 的可信度較高, 可以作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢驗(yàn)其他數(shù)據(jù)或算法反演的 MLH 或 MMH。本文中視利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)以及該算法識(shí)別的 MMH 為真值, 將此算法簡(jiǎn)稱為人工輔助算法。

1.3 探空數(shù)據(jù)反演日最大混合層高度

1.3.1 理查森數(shù)法反演混合層高度

理查森數(shù)法是基于邊界層理論和探空資料計(jì)算混合層高度的基本方法。我們使用理查森數(shù)法反演的 MLH 作為檢驗(yàn)氣塊法反演 MLH 的比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。參照 Sicard 等[15]2006 年提出的方法, 計(jì)算理查森數(shù)(i)的公式如下:

式中,是重力加速度,0是地面海拔高度,是位溫,和分別為緯向和經(jīng)向風(fēng)分量。理論和實(shí)驗(yàn)證明, 當(dāng)i>c(臨界理查森數(shù))時(shí), 湍流運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成層流運(yùn)動(dòng), 因此該方法主要依賴于臨界理查森數(shù)c的選取。本文選取c值為 0.25, 將首次i/c>1 的高度作為MLH。

1.3.2 氣塊法反演日最大混合層高度

氣塊法立足于探空數(shù)據(jù)以及地面常規(guī)氣象數(shù)據(jù)反演 MMH, 具有較高的可信度, 被眾多研究者廣泛使用[5?7,10,14,16], 成為反演 MMH 的常用方法之一。氣塊法反演 MLH 的依據(jù)如下: 白天, 隨著太陽(yáng)輻射的加強(qiáng), 近地層大氣被加熱, 混合層開(kāi)始發(fā)展, 在充分混合的混合層內(nèi)部, 位溫表現(xiàn)為隨高度變化幾乎不變的特征。其物理意義為地面附近的一個(gè)小氣塊絕熱上升所能達(dá)到的平衡高度[11]。如圖 1 所示, 沿地面觀測(cè)的大氣位溫畫(huà)上延線, 該上延線與當(dāng)日早晨 08 時(shí)探空位溫廓線的交點(diǎn)高度即為當(dāng)時(shí)的 MLH, 當(dāng)?shù)孛嫖粶厝∪兆畲笾禃r(shí), 得到的 MLH就是 MMH。由于大多數(shù)探空數(shù)據(jù)只有 08 時(shí)和 20時(shí)的兩次觀測(cè)數(shù)據(jù), 因此無(wú)法獲得地面位溫日最大時(shí)刻的探空曲線, 所以在利用探空數(shù)據(jù)采用氣塊法反演 MMH 的過(guò)程中, 還需要應(yīng)用白天位溫廓線在自由大氣中隨時(shí)間幾乎不變的假設(shè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 驗(yàn)證氣塊法反演日最大混合層高度的合理性

驗(yàn)證氣塊法利用 08 時(shí)位溫廓線和地面日最大位溫反演 MMH 的可行性, 需要檢驗(yàn)兩個(gè)假設(shè)帶來(lái)的混合層估計(jì)偏差: 1)混合層內(nèi)位溫隨高度不變; 2)白天位溫廓線在自由大氣中隨時(shí)間幾乎不變。

首先, 檢驗(yàn)第一個(gè)假設(shè)可能帶來(lái)的偏差。在白天午后時(shí)分, 如果具備探空觀測(cè)數(shù)據(jù), 可以直接利用理查森數(shù)法計(jì)算 MLH, 此時(shí)利用氣塊法得到的MLH 的誤差主要來(lái)自混合層是否充分發(fā)展以及位溫隨高度是否不變。將氣塊法所得結(jié)果與理查森數(shù)法的結(jié)果相比較, 可以得到由此假設(shè)帶來(lái)的混合層高度估計(jì)偏差。選用北京南郊?xì)庀笳?2010—2017年每年 6—8 月夏季汛期每日北京時(shí)間 14 時(shí)的探空秒數(shù)據(jù), 對(duì)理查森數(shù)法反演的 14 時(shí) MLH 與氣塊法利用 14 時(shí)地面位溫反演的 MLH 做擬合分析, 結(jié)果如圖 2 所示。去除空值和異常值, 有效數(shù)據(jù)樣本數(shù)為 507 組。從圖 2 可以看到, 數(shù)據(jù)點(diǎn)較均勻地分布在 1:1 斜線的兩側(cè), 且呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系, 擬合直線的斜率為 0.85, 截距為?13.1m。計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)=0.87, 均值偏差 MAE=246.3m, 均方根誤差RMSE=413.6m。我們對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行 Spearman 檢驗(yàn),=2.73e?157, 通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(<0.001)。對(duì)比結(jié)果表明兩組數(shù)據(jù)具有較好的一致性, 證明氣塊法第一個(gè)假設(shè)帶來(lái)的混合層估計(jì)偏差較小。

然后, 檢驗(yàn)第二個(gè)假設(shè)可能帶來(lái)的對(duì) MLH 估計(jì)的偏差, 選用北京南郊?xì)庀笳?2010—2017 年每年6—8 月夏季汛期每日 08 時(shí)和 14 時(shí)的探空秒數(shù)據(jù), 用氣塊法分別利用 08 時(shí)位溫廓線輔以 14 時(shí)地面位溫觀測(cè)數(shù)據(jù)以及 14 時(shí)位溫廓線反演 14 時(shí)的 MLH, 并做擬合分析, 結(jié)果如圖 3 所示。去除空值和異常值, 有效數(shù)據(jù)樣本數(shù)為 507 組。從圖 3 可以看到, 散點(diǎn)較均勻地分布在 1:1 斜線的兩側(cè), 且呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系, 擬合直線的斜率為 0.78, 截距為 135.6 m。計(jì)算得到=0.79, MAE=320.9 m, RMSE=467.4 m。對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行 Spearman 檢驗(yàn),=2.18e?111, 通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(<0.001)。對(duì)比結(jié)果表明兩組數(shù)據(jù)具有較好的一致性, 證明氣塊法第二個(gè)假設(shè)帶來(lái)的混合層估計(jì)偏差較小。

通過(guò)對(duì)氣塊法兩個(gè)假設(shè)的檢驗(yàn), 證明了利用 08時(shí)位溫廓線, 采用氣塊法結(jié)合地面日最大位溫反演MMH 的合理性, 因此可以在一定程度上彌補(bǔ)由于缺少當(dāng)日地面最大位溫時(shí)刻的位溫廓線造成的缺憾。同時(shí), 因?yàn)槊咳仗娇諗?shù)據(jù)幾乎都有 08 時(shí)數(shù)據(jù), 所以可以確保氣塊法反演獲得 MMH 的連續(xù)性, 為年際和季節(jié)性MMH變化的研究提供了可能性。

2.2 激光雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)反演日最大混合層高度的結(jié)果和偏差對(duì)比

利用激光雷達(dá)與探空秒數(shù)據(jù)、常規(guī)探空數(shù)據(jù)同時(shí)存在有效探測(cè)數(shù)據(jù)的 2016 年 4 月至 2017 年 10 月探測(cè)數(shù)據(jù), 激光雷達(dá)采用人工輔助算法, 探空數(shù)據(jù)利用 08 時(shí)位溫廓線采用氣塊法, 分別得到各自的 MMH 反演結(jié)果(圖 4)。為方便敘述, 本文分別用MMHL, MMHS和 MMHC代表激光雷達(dá)、探空秒數(shù)據(jù)與常規(guī)探空數(shù)據(jù)的反演結(jié)果。圖 4 中, 去除空值和異常值, 有效數(shù)據(jù)樣本數(shù)為 379 組?？梢钥闯? 兩條擬合直線均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。對(duì) MMHS與 MMHL以及 MMHC與 MMHL分別進(jìn)行 Spearman檢驗(yàn), 所得值分別為 1.28e?54和 5.95e?45, 均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(<0.001), 表明兩種探空數(shù)據(jù)反演的MMH 與 MMHL之間均不存在系統(tǒng)性偏差。與MMHC相比, MMHS的各項(xiàng)誤差分析指標(biāo)與 MMHL有更好的一致性, 與 MMHL的相關(guān)系數(shù)大于 MMHC與 MMHL的相關(guān)系數(shù), 與 MMHL的均值偏差和均方根誤差均小于 MMHC與 MMHL的均值偏差和均方根誤差。從圖 4 還可以看出, 星號(hào)多分布在 1:1 斜線的右下側(cè), 而圓圈較均勻地分布在 1:1斜線的兩側(cè), 說(shuō)明相對(duì)于 MMHC, MMHS與 MMHL的一致性更好。MMHC比 MMHL誤差大的主要原因是常規(guī)探空位溫廓線的垂直分辨率不足。

以 2016 年 4 月 7 日為例(圖 5), 常規(guī)探空數(shù)據(jù)與探空秒數(shù)據(jù)位溫廓線的垂直分辨率不同, 常規(guī)探空數(shù)據(jù)分辨率低, 出現(xiàn)垂直距離 1000m左右范圍內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)點(diǎn)的情況, 兩點(diǎn)之間只能用內(nèi)插數(shù)據(jù)。圖 5中 MMHS比 MMHL高 194.5m, MMHC則比 MMHL高 485.5m, 可見(jiàn)常規(guī)探空數(shù)據(jù)會(huì)因分辨率低而導(dǎo)致 MMHC與真值的偏差較大。

2.3 激光雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)反演日最大混合層高度的季節(jié)性變化

為了對(duì) MMH 有一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí), 我們對(duì) 2.2節(jié)中 MMHS與 MMHL的擬合結(jié)果做季節(jié)性變化分析, 結(jié)果如圖 6 所示。雖然對(duì) 4 個(gè)季節(jié)進(jìn)行 Spear-man 檢驗(yàn), 均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(<0.001), 但冬季MMHS與 MMHL的相關(guān)系數(shù)最小, 均值偏差和均方根誤差最大, MMHS與 MMHL的線性關(guān)系也較差, 說(shuō)明冬季 MMHS與 MMHL的一致性較差, 原因可能在于氣塊法的兩個(gè)基本假設(shè)對(duì)冬季而言有所偏差。

雖然各季節(jié) MMHS與 MMHL的一致性程度不同, 但均通過(guò)顯著性檢驗(yàn), 說(shuō)明在北京地區(qū)使用探空秒數(shù)據(jù)反演 MMH 來(lái)研究其年際和季節(jié)性變化特征是可行的。

2.4 探空秒數(shù)據(jù)反演日最大混合層高度的季節(jié)性變化特征

選用北京南郊?xì)庀笳?2010 年 1 月至 2017 年 10月每日 08 時(shí)的探空秒數(shù)據(jù)及自動(dòng)站地面氣溫?cái)?shù)據(jù), 采用氣塊法反演 MMH, 去除空值及異常值, 有效數(shù)據(jù)樣本數(shù)為 2682 組。為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性, 設(shè)定春季為 3—5 月, 夏季為 6—8 月, 秋季為 9—11月, 冬季為 12—次年 2 月。把每年的數(shù)據(jù)切片, 分為春夏秋冬四季, 得到 MMH 的箱線圖(圖 7)。除2014 年秋季和冬季(各缺少一個(gè)月的數(shù)據(jù))外, 每個(gè)季度數(shù)據(jù)的樣本數(shù)相差不大, 均在 90 左右。除去不具有代表性的 2014 年秋季和冬季后, 從各季度MMH 的平均值、四分位數(shù)、中位數(shù)以及最大值可以看出, MMH 每年均表現(xiàn)出春夏秋冬逐次遞減的分布特征, 與王堅(jiān)等[16]2016 年利用常規(guī)探空數(shù)據(jù), 采用氣塊法反演 MMH 所得結(jié)論一致。以圖 7 中2010 年為例, 其 MMH 在春夏秋冬的平均值分別為1860, 1441, 1332 和 1165 m。

2.5 探空秒數(shù)據(jù)反演日最大混合層高度與熱力穩(wěn)定度

Kuribayashi 等[17]2011 年提出熱力穩(wěn)定度的概念: 熱力穩(wěn)定度是海表面溫度與 850hPa 氣壓層的溫度之差, 并分析中國(guó)東海的 MMH 與熱力穩(wěn)定度的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)兩者線性關(guān)系較好。王存貴等[7]2018年用特征氣壓層與地面的位溫差定義熱力穩(wěn)定度, 并對(duì)比多個(gè)熱力穩(wěn)定度與 MMH 的相關(guān)性, 最后選取特征氣壓層 400hPa 左右與地面的位溫差的熱力穩(wěn)定度, 與青藏高原地區(qū) MMH 做線性擬合, 得到較好的線性關(guān)系。前人的研究表明, 雖然由于研究地點(diǎn)的不同導(dǎo)致定義和選取熱力穩(wěn)定度的方法不同, 但目的都是為了獲得與當(dāng)?shù)?MMH 具有最好相關(guān)性的熱力穩(wěn)定度, 從而可以僅通過(guò)熱力穩(wěn)定度與MMH 的關(guān)系獲得 MMH, 大大地簡(jiǎn)化反演 MMH 所需的觀測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算過(guò)程。

為更好地定義和選取北京地區(qū)的熱力穩(wěn)定度, 使其與北京地區(qū)的 MMH 相關(guān)性最好, 本文借鑒海拔高度與北京接近的中國(guó)東海地區(qū)熱力穩(wěn)定度[17]的定義方法, 將特征氣壓層溫度與日最大地面氣溫的溫度差定義為熱力穩(wěn)定度, 對(duì)比從地面至 500hPa, 每隔 50hPa 的熱力穩(wěn)定度與 MMH 的相關(guān)性, 從中選取相關(guān)性最好的熱力穩(wěn)定度。北京地區(qū) MMH 和各熱力穩(wěn)定度的獲取均來(lái)自北京南郊?xì)庀笳?2010 年1 月至 2017 年 10 月每日 08 時(shí)的探空秒數(shù)據(jù), MMH的反演采用氣塊法。

如表 1 所示, 各氣壓層的熱力穩(wěn)定度與 MMH 的相關(guān)系數(shù)()先增后減, 在 850 hPa 時(shí)達(dá)到最大。因此, 選用 850 hPa 的熱力穩(wěn)定度與 MMH 做擬合分析, 結(jié)果見(jiàn)圖 8。去除空值及異常值后, 有效數(shù)據(jù)樣本數(shù)為 2603 組?？梢钥吹? 數(shù)據(jù)點(diǎn)較均勻地分布在擬合直線兩側(cè), 呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系, 擬合直線的斜率為 0.0037, 截距為 8.03, 相關(guān)系數(shù)為 0.81。我們對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行 Spearman 檢驗(yàn),=1.02e?296, 通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(<0.001), 表明兩組數(shù)據(jù)之間存在顯著的相關(guān)性。

3 總結(jié)

本文利用 2016 年 4 月至 2017 年 10 月的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和常規(guī)探空數(shù)據(jù)、2010—2017 年共 8 年的探空秒數(shù)據(jù)以及 AWS 數(shù)據(jù), 研究北京地區(qū)的日最大混合層高度, 得到以下主要結(jié)論。

表1 熱力穩(wěn)定度與氣塊法反演MMH的相關(guān)系數(shù)

1)采用氣塊法, 利用 08 時(shí)位溫廓線, 結(jié)合地面日最大位溫反演 MMH 是可行的。由于幾乎每日都有 08 時(shí)的探空數(shù)據(jù), 因此可以確保氣塊法反演獲得 MMH 的連續(xù)性, 為年際以及季節(jié)性的 MMH 研究提供可能性。

2)相對(duì)于常規(guī)探空數(shù)據(jù)反演的 MMHC, 秒數(shù)據(jù)反演的 MMHS與激光雷達(dá)反演的 MMHL一致性更好。常規(guī)探空數(shù)據(jù)分辨率低是 MMHC與 MMHL偏差較大的原因。

3)冬季 MMHS與 MMHL的擬合結(jié)果較差, 但各季節(jié) MMHS與 MMHL的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)顯著性檢驗(yàn), 證明在北京地區(qū)使用探空秒數(shù)據(jù)反演 MMH來(lái)研究其年際和季節(jié)性變化是可行的。

4)采用氣塊法反演得到的 2010—2017 年長(zhǎng)達(dá)8 年的 MMH, 在各個(gè)年份都呈現(xiàn)春夏秋冬逐次遞減的分布特征。

5)北京地區(qū)的 MMH 與熱力穩(wěn)定度之間呈現(xiàn)較好的正相關(guān)線性關(guān)系。

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Estimating the Daily Atmospheric Maximum Mixing Height with 1-Second Sounding Data over Beijing Area

WANG Yuehao1,2, LI Chengcai1,?, CHU Yiqi3, TAN Wangshu1, REN Jingjing1

1. Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871; 2. 91197 PLA Troops, Qingdao 266405; 3. Beijing Institute of Radio Measurement, Beijing 100854; ? Corresponding author, E-mail: ccli@pku.edu.cn

Basing on the 1-second sounding data from L-band radar and the daily max potential surface air temperature over Beijing, the possibility of deriving the daily maximum mixing layer height (MMH) over Beijing region by the parcel method was studied. Bycomparing the inversion results of the 1-second sounding data and the conventional sounding data at local time 08:00 with the inversion results from a micro pulse lidar (MPL), it is found that the consistency between the former and the MPL results is better than the latter. The reason for the larger bias from the conventional data results may be due to their lower vertical resolution. By comparing the inversion results of the 1-second sounding data in spring, summer, autumn and winter respectively with the results from the MPL, it is found that the consistency is better in spring, summer and autumn, but it is worse in winter. Long-term data results of the MMH over Beijing area from 2010 to 2017 were obtained using the 1-second sounding data at local time 08:00 and the daily maximum potential surface air temperature. It is found that the MMH almost showed a decreasing characteristic from spring to summer, to autumn and to winter successively. With the long-term results, it is found that the thermal stability defined by the difference of the daily max surface air temperature and temperature at the layer of 850 hPa was strongly positively correlated with the MMH in Beijing area.

daily maximum mixing layer height (MMH); L-band radar 1-second sounding data; micro pulse lidar; Beijing area

10.13209/j.0479-8023.2019.129

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0202004)和國(guó)家自然科學(xué)基金(41375008)資助

2019?04?02;

2019?06?06