胡义成，伊里哈木，王秋香，魏文寿，古丽格娜

（1.新疆气象信息中心，新疆乌鲁木齐 830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002）

乌鲁木齐大气边界层风温垂直结构特征

胡义成1，伊里哈木1，王秋香1，魏文寿2，古丽格娜1

（1.新疆气象信息中心，新疆乌鲁木齐 830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002）

利用乌鲁木齐市2011—2012年08时、20时L波段（1型）雷达探测的高空资料，分析了乌鲁木齐边界层内气温、风向、风速和相对湿度的垂直分布及其时间变化特征。结果表明：边界层内温度廓线的日变化和季节变化比较显著；各月均有逆温出现，且08时较20时更易出现逆温，20时只有冬季出现脱地逆温，冬季08时逆温层厚度较厚且强度最大。边界层内夏、冬两季风速随高度变化波动较大，春、秋两季变化较小。冬季在距地1 000 m附近风速明显大于其它3个季节。地面层春、夏、秋三季08时盛行西南偏南风，冬季盛行偏东风和西南风；20时春季盛行东北风，夏秋盛行偏北风，冬季则盛行东风。随高度增加，大气环流对风的影响逐渐增强，至2 500 m附近逐渐转换为西北风；日风向的变化具有明显的山谷风特点。08、20时的相对湿度冬季最大，夏季最小，且随高度增加，春、夏两季08、20时相对湿度的变化较大。

乌鲁木齐；大气边界层结构；L波段雷达；四季特征

大气边界层是对流层下部直接受地面影响的气层[1]，影响因素包括地表摩擦、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放及地形扰动等。大气边界层中各类气象要素有着较为复杂的时空变化特征，同时这种变化直接影响到人类本身的生存环境质量[2]。研究表明可吸入颗粒物浓度与逆温强度、底高有显著关系；另外，大气边界层内的流场分布特征不仅与局地降水有密切关系，而且对大气中的环境污染物输送、扩散等有重要影响。要对城市环境进行区域规划，对大气环境进行预报和治理，首先必须搞清楚区域气候特征和大气边界层的结构[3-4]。

何清[9]利用系留气艇观测试验资料对乌鲁木齐大气边界层温度和风廓线进行了研究；孟齐辉[10]对乌鲁木齐地区东南大风与气压场演变的关系进行了研究；韩茜[11]利用Vaisala系留探空仪系统资料对乌鲁木齐降雪与非降雪天气边界层结构变化特征开展了研究；刘增强[12]分析了乌鲁木齐市低空大气逆温特征；李景林[13]、万瑜[14]对乌鲁木齐市低空温度层结与采暖期大气污染的关系进行了研究；胡晏玲[15]对乌鲁木齐市冬季近地逆温特点及其与可吸入颗粒物浓度的相关关系进行了分析。然而受到探测手段和资料长度的限制，科技工作者过去对乌鲁木齐边界层风温时空结构特征的研究较少。因此，开展大气边界层风温时空结构特征的研究，全面掌握其较大范围内的低空流场特征分布，对提高乌鲁木齐的环境保护和天气预报服务水平、改善市民的生存环境质量等都有重要指导意义。通过采用乌鲁木齐近些年的探空资料，分析了乌鲁木齐市大气边界层气温、湿度、风向和风速的垂直分布及其季节变化特征，以期为乌鲁木齐市大气污染的预报、大气环境评价和城市天气预报提供参考，更好地服务于社会。

1 资料与方法

基于乌鲁木齐L波段（1型）雷达2011年1月—2012年12月的常规高空气象探测数据（08时、20时两个时次），建立乌鲁木齐大气边界层5个气象要素（气温、气压、相对湿度、风向、风速）数据库，其垂直分辨率为50 m。所使用的资料已经经过数据质量控制，符合中国气象局对探空资料的精度要求。通过对上述气象要素数据进行常规的数学统计分析，以期揭示乌鲁木齐大气边界层结构的一些基本特征。

2 大气边界层温度的垂直结构特征

2.1 温度廓线特征

城市边界层的温度结构分布模态对城市气候特征和污染物扩散规律有重要影响。图1为乌鲁木齐2011—2012年春、夏、秋、冬四季08时和20时的平均温度廓线。由图可见，乌鲁木齐市温度廓线的早晚和季节变化都比较显著。春、秋两季以及全年08时和20时的温度结构基本相似，08时各季节均出现逆温且冬季逆温层最厚，20时只有冬季出现脱地逆温。距地1 500 m以下属于边界层的中心层结，在1 500 m以下，08时和20时温度结构的差异较大，各季节的差异也较大；1 500 m以上，各季节、各时次的温度结构基本趋于相似。逆温层以上，各季节气温随高度均呈递减分布。

2.2 逆温层变化特征

2.2.1 逆温频率

图2为乌鲁木齐市2011—2012年08时、20时各月的逆温出现频率情况。可以看出：乌鲁木齐各月08时和20时均有逆温出现。08时各月逆温出现频率最低的是6月，为55.0%，最高是1月和12月，均为93.5%，08时年平均逆温出现频率为83.2%；20时逆温出现频率的最小值在5月，为14.5%；最高值在1月，为96.8%，且年均逆温频率为53.9%。由此可见，逆温比例有明显的季节变化，冬半年的逆温比例明显大于夏半年。其中，整个冬季的逆温出现频率占97.8%，而夏季只占13.0%。每个季节08时出现的逆温频率要高于20时，这说明乌鲁木齐清晨更利于逆温层的形成，这可能与夜间—清晨地面持续的辐射冷却造成地面热量丧失有很大关系。

2.2.2 逆温层底高度月分布特征

乌鲁木齐08时、20时逆温层底的年平均高度分别为639.8 m、2 543.5 m（图3、图4），相对于重庆[5]和济南[6]等地区来说，逆温层的平均起始高度偏高，这可能是受到地理位置和地形等综合因素的影响所致。乌鲁木齐全年各月20时逆温层的起始高度均高于08时，另外，08时逆温层月平均出现频率明显大于20时。这主要是由于08时的气温较低（日气温的最低值一般出现在日出前后），近地面大气层对流活动减弱；除冬季外，20时太阳大都处于地平线之上，虽然近地层大气接受到的太阳辐射热量在减少，但此时的地面辐射对逆温层的抬升作用不可忽视，这可能就是乌鲁木齐逆温层平均高度高于中国其它地区的主要原因之一。

2.2.3 逆温层厚度和强度

逆温层的强弱还可以用逆温厚度和强度来表征。尽管乌鲁木齐08、20时全年各月均有逆温层出现（图5、图6），但各月逆温层的厚度和强度不尽相同。就逆温层厚度而言，08时、20时逆温层月平均厚度最大值都出现在1月，分别为851.3 m、735.1 m，两个时次逆温层厚度次大值均出现在冬季，而且冬季逆温层厚度要明显大于其它各季节。在冬季、冬春交替和秋冬交替的一些时日，大气边界层之内往往形成2～3个厚度和强度不同的逆温层，有时甚至出现多达5个逆温层。春、夏、秋三季的逆温层厚度均变化不大。

乌鲁木齐08、20时两个时次逆温层月平均强度最大值均出现在10月，分别为2.8℃/100 m和1.6℃/100 m，月平均强度最小值08时出现在1月，为1.1℃/100 m，20时出现在7月，为0.8℃/100 m。乌鲁木齐秋冬交替季节逆温强度大，逆温层多，这可能是由于蒙古反气旋的冷空气在准噶尔盆地堆积，使得乌鲁木齐冬季近地面大气稳定[12]所致；加上又三面环山，在冬季往往容易形成一个巨大稳定、倒扣的锅盖形逆温层，把城市污气笼罩之下，不利于污染物的扩散。其它如4月、5月和9月08时以及3月、9月20时的逆温层强度虽然也比较大，但日数一般不连续出现，这可能是因为这些时段正值夏季或换季时节，天气过程频繁、对流旺盛造成的。

3 大气边界层风的垂直结构特征

3.1 风速的垂直结构特征

近地层风对城市大气污染物的输送和扩散有重要影响，其发展变化直接或间接地影响了市民的生存环境质量。图7为乌鲁木齐市不同季节08时、20时从地面到2 500 m高度内的平均风速廓线。由图可见，乌鲁木齐市边界层内不同高度的平均风速具有明显的季节变化特征，大体呈“S”型。08时秋冬两季边界层内风速随高度上升变化较大，春夏两季变化较小，在500 m以下的近地层，全年各季节风速的垂直递增率基本持平，风速随高度增加每100 m的平均升速为0.50 m/s；20时夏季和冬季风速随高度上升变化较剧烈，夏季风速在近地层的增幅较大，每100 m为0.67 m/s，冬季最小，每100 m为0.59 m/s。在距地1 000 m附近，乌鲁木齐冬季的风速明显大于其它3个季节，这与冬季低空型东南风出现频率高，对乌鲁木齐风廓线影响很大[9]有关。08时冬季风速的垂直递增率较春、夏、秋三季大，这与冬季乌鲁木齐上空盛行低空东南大风有很大关联[8]。20时春夏两季风速的垂直递增率大于秋冬二季，这是由于春夏季对流旺盛，造成高低层大气通过垂直湍流混合有关。

3.2 风向特征

乌鲁木齐市深处亚欧大陆腹地，地处天山北麓，准格尔盆地南缘，属于中温带大陆性干旱季风区，这种特殊的地理环境导致其边界层内的盛行风向也具有显著的大陆性特点。图8为乌鲁木齐大气边界层08时、20时各月近地层常年盛行风向及其发生频率，由此可以看出，乌鲁木齐市近地面层盛行风向随观测时间和季节的变化而明显发生变化。

08时，乌鲁木齐市地面层在春、夏、秋三季盛行西南偏南风，冬季则盛行东北风和西南偏南风。距地1 000 m，春、夏、秋、冬四季风向常年盛行东南风、东北风和西北风，至距地2 500 m高度上转化为西北风。乌鲁木齐气象站在距地2 500 m处的海拔高度为3 436 m，与此站700 hPa规定等压面的高度相当，风在此高度上基本脱离了边界层的影响，处于边界层向西风带控制区的过渡区，因此四季均常年盛行西北风。

20时，乌鲁木齐春、秋二季地面层盛行东北风和北风，夏季盛行西北风和偏北风，冬季则盛行东风。距地1 000 m处，冬季转为盛行东南风，春、夏和秋季均分别盛行北风、东北风和西北风。至距地2 500 m处，春夏秋冬四季则常年盛行西北风。从地面至距地1 000 m附近，冬季风向与其它3个季节的风向明显不一致，这主要是因为冬季空气冷重，地形和下垫面对风的影响作用增大，低空型东南风频率高所致。至2 500 m高度附近，四季风向逐渐转为一致，这主要是因为此处已脱离埃克曼层，位于大气边界层顶部，地面摩擦对空气流动已不起主导作用，风向主要受到大气环流的影响[8]。

另外，乌鲁木齐市的盛行风向也随观测时次而发生变化。用20时代表白天，08时代表夜晚，发现乌鲁木齐市日风向的变化具有明显的山谷风特点。白天近地层盛行风向以偏北风为主，风从准噶尔盆地吹向天山，即谷风；夜晚以偏南风为主，风从天山吹向准噶尔盆地，即山风。

4 大气边界层相对湿度廓线特征

图9为乌鲁木齐2 500 m以下大气边界层不同季节内08时、20时的相对湿度廓线。春季边界层内平均相对湿度最小，除08时300 m以下变化较大外，其他层次变幅较小。夏季相对湿度在距地200 m以下，均为全年最小，200 m以上，增速最快，这也与夏季高温蒸发和空气垂直对流活动有关。秋季边界层内的相对湿度变化较为稳定。在距地高度1 300 m以下，08时和20时的相对湿度值均为冬季最大，且从近地层到150 m附近，相对湿度均呈先增大后急剧减小的变化趋势，这说明冬季近地层水汽含量高，相对湿度大。乌鲁木齐边界层内相对湿度廓线的这一分布特点，也与其春秋干燥凉爽，夏季炎热干燥，冬季寒冷潮湿、逆温层厚度大等气候特点相一致。1 500 m以上，春、夏、秋、冬四季均有相同的变化趋势。这说明在距地1 500 m处附近，大气相对湿度受地面的影响明显减弱，而这一高度也大致为乌鲁木齐市大气边界层的平均厚度。

5 结论

通过对乌鲁木齐市大气边界层内各气象要素的综合分析表明：

（1）乌鲁木齐边界层内温度廓线的日变化和季节变化比较显著，距地1 500 m以下各季节、各时次的温度结构差异较大，1 500 m以上各季节、各时次的温度结构基本趋于稳定。

（2）各月均有逆温出现，且08时较20时更易出现逆温，20时只有冬季出现脱地逆温，冬季08时逆温层厚度较厚且强度最大。

（3）边界层内夏、冬两季风速随高度变化波动较大，春、秋两季变化较小。冬季在距地1 000 m附近风速明显大于其它3个季节。地面层春、夏、秋三季08时盛行西南偏南风，冬季盛行东北风；20时春季盛行东北风，夏秋盛行偏北风，冬季则盛行东风。随高度增加，大气环流对风的影响逐渐增强，2 500 m附近逐渐转换为西北风；日风向的变化具有明显的山谷风特点。

（4）08、20时的相对湿度冬季最大，夏季最小，且随高度增加，春、夏两季08、20时相对湿度的变化较大。

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Atmospheric Boundary Layer Structure and Its Characteristics in Different Seasons in Urumqi

HU Yicheng1，Yilihamu1，WANG Qiuxiang1，WEI Wenshou2，Guligena1
（1.Xinjiang Meteorological Information Center，Urumqi 830002，China；2.Institute of Desert and Meteorology，CMA，Urumqi 830002，China）

Based on the L-band radar system data during 2011-2012,we built the atmospheric boundary layer structure database in Urumqi.Atmospheric boundary layer conditions such as vertical distribution and time variation characteristics of temperature,wind velocity,wind direction and humidity were analyzed.The results show that there were significant changes in daily and seasonal variations in profiles of temperature in atmospheric boundary layer below 1 500 m,and they were basically stabile above 1 500 m.There was temperature inversion in each month which occurs more in the morning（8:00）than in the evening（20:00），and generally thicker and the strongest temperature inversion occured in winter.The wind velocity had more change with altitude increase in summer and winter,and less in spring and autumn.The wind velocity near 1 000 m altitude was significantly greater than that of the other 3 seasons.The prevailing wind direction in surface layer was SSW in spring,summer,and autumn,and E,SW in winter in the morning,as well as NE in spring,N in summer,E in winter in the evening.The wind direction had a significant characteristics of mountain valley breeze.There was the highest humidity in winter,and the lowest in summer,as well as a higher variation with altitude change in spring and summer.

Urumqi；atmospheric boundary layer structure；L-band radar system；seasonal characteristics

P404

B

1002-0799（2015）03-0044-06

胡义成，伊里哈木，王秋香，等.乌鲁木齐大气边界层风温垂直结构特征[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（3）：44-49.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.03. 007

2014-07-09；

2014-09-02

2012年国家科技支撑计划项目（2012BAC23B01），2012年国家级公益性行业（气象）科研专项（GYHY201206013）共同资助。

胡义成（1984-），男，工程师，主要从事高空和地面气象资料质量控制以及树木年轮气候研究。E-mail：hyc6013wayne@sina.com