塔克拉玛干沙漠腹地夏季夜间稳定边界层特征及其对沙尘气溶胶浓度的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00020

摘要/Abstract

摘要：

受沙漠下垫面热力性质影响，夜间大气边界层在沙漠区域具有特殊性，其层结稳定度和边界层动力、热力作用显著改变沙尘气溶胶的排放和扩散过程。塔克拉玛干沙漠是亚洲沙尘气溶胶的重要源区，目前对其夜间大气层结稳定度和边界层动力、热力作用对沙尘气溶胶的影响还缺乏定量评估。利用GPS探空和近地面大气观测资料，分析夜间不同稳定度下边界层结构变化及近地面沙尘气溶胶浓度特征，研究了近地面层结稳定度及热力、动力因子驱动沙尘气溶胶变化的作用机理。结果表明：晴、浮尘天气下夜间边界层稳定度可分为弱稳定、强稳定和极强稳定；中性边界层出现在沙尘暴天气下，强天气过程破坏了稳定边界层结构；晴、浮尘天气下，夜间近地层稳定度的提升有利于沙尘气溶胶累积。沙尘暴天气下情况相反。沙尘气溶胶浓度变化由垂直风切变主导，晴、浮尘天气下夜间垂直风切变增强促进了沙尘气溶胶的垂直扩散，降低了近地面沙尘气溶胶浓度；沙尘暴天气下受天气系统扰动垂直风切变与沙尘气溶胶浓度呈显著正相关，有利于本地起沙和上层沙尘向近地面输送，提升了沙尘气溶胶浓度。

关键词: 塔克拉玛干沙漠, 夜间大气边界层, 层结稳定度, 热力和动力因子, 沙尘气溶胶

Abstract:

Influenced by the thermal properties of the desert subsurface， the nocturnal atmospheric boundary layer in the desert region exhibits significant alterations in stratification stability， boundary layer dynamics， and thermodynamics， impacting the emission and dispersion processes of dust aerosols. Despite being a crucial source of dust aerosols in Asia， there is a lack of quantitative assessment of the effects of nocturnal atmospheric stratification stability， boundary layer dynamics， and thermodynamics on dust aerosols in the Taklamakan Desert. To address this gap， this paper utilizes GPS sounding and near-surface atmospheric observations to analyze the structural changes of the boundary layer and the characteristics of near-surface dust aerosol concentration under different stability conditions during the night. The study also investigates the mechanisms driving the changes in near-surface stratification stability and the thermal and dynamical factors influencing dust aerosol variations. The findings reveal that under clear and floating dust weather， the stability of the nocturnal boundary layer can be categorized as weak， strong， and very strong stability， while a neutral boundary layer occurs during dust storms. The strong weather processes disrupt the stable boundary layer structure. Enhanced stability of the near-surface layer at night favors the accumulation of dust aerosols under clear and floating dust weather， with the opposite effect observed during dust storms. Vertical wind shear predominantly influences the variation in dust aerosol concentration. This shear is intensified at night under clear and floating dust weather， promoting vertical diffusion of dust aerosols and reducing near-surface concentrations. Conversely， during dust storms， a significant positive correlation exists between vertical wind shear disturbed by the weather system and dust aerosol concentration， facilitating local dust uplift and the transport of upper-layer dust to the near-surface layer， thereby enhancing dust aerosol concentrations. The results of this study will contribute to a deeper understanding of desert land-atmosphere interactions， physical processes in the nocturnal boundary layer， and the impacts of these interactions.

Key words: Taklamakan Desert, nighttime atmospheric boundary layer, stratification stability, thermal and dynamic factors, dust aerosols

中图分类号:

P422.1

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图/表 9

表1 探空观测地面气象要素与塔中站观测数据对比

Table 1 Comparison of ground meteorological elements observed by sounding and Tazhong station observation data

气象要素	站点平均	探空观测平均	平均偏差（MB）	相关系数（r）	均方根误差（RMSE）
气温/℃	24.59	25.16	1.28	0.94	1.50
气压/hPa	878.74	879.64	1.36	0.99	1.74
相对湿度/%	41.11	43.33	5.38	0.92	5.94
风速/(m·s^-1)	3.5	3.7	0.61	0.99	0.77

表2 夜间不同稳定度类型边界层出现次数

Table 2 Number of occurrences of boundary layers of different stratification stability types at night

稳定度类型	不同天气状况下出现次数			不同时次下出现次数				总出现次数
稳定度类型	晴	浮尘	沙尘暴	22:15	01:15	04:15	07:15	总出现次数
中性	0	0	5	0	3	2	0	5
弱稳定	1	3	0	4	0	0	0	4
强稳定	4	13	0	4	7	4	2	17
极强稳定	7	9	0	1	1	5	9	16

图1 不同稳定度下边界层高度（A）、逆温强度（B）、低空急流（C）统计特征

Fig.1 Statistical characteristics of boundary layer height （A）， inversion intensity （B） and low-level jet （C） at different stratification stability

图2 试验期间中性（A~C）、弱稳定（（D~F）、强稳定（G~I）、极强稳定（J~L）边界层的位温、比湿和风速廓线

Fig.2 Profiles of potential temperature， specific humidity and wind speed during the neutral （A-C），weakly stable （D-F），strongly stable （G-I），very strongly stable （J-L） stratification stability types

图3 天气状况为晴（A）、浮尘（B）和沙尘暴（C）时不同稳定度下颗粒物浓度特征

Fig.3 Characteristics of particulate matter concentrations at different stratification stability types when weather conditions are sunny （A）， floating dust （B） and dust storms （C）

表3 不同天气状况下近地面层结稳定度、浮力项 Buoy 、垂直风切变项 VWS 、PM10 浓度平均特征

Table 3 The average characteristics of near-surface stratification stability， buoyancy term Buoy， vertical wind shear term VWS， and PM10 concentrations under different weather conditions

天气状况	近地面层结稳定度	Ri	Buoy/(m?s^-2)	VWS/(m?s^-1?km^-1)	PM₁₀浓度 /(μg?m^-3)
晴	极强稳定	3.700	-0.030	0.714	563
晴	强稳定	0.360	-0.016	1.248	450
浮尘	极强稳定	3.040	-0.012	1.046	1 024
浮尘	强稳定	0.170	-0.005	1.986	917
沙尘暴	弱稳定	0.073	-0.008	3.276	1 837
沙尘暴	中性	0.008	-0.002	4.267	3 908

图4 相对静稳天气下（A、B）和沙尘暴天气下（C、D）浮力项Buoy、垂直风切变项VWS与PM10浓度相关分析

Fig.4 Correlation analysis between buoyancy term Buoy， vertical wind shear term VWS， and PM10 concentration under relative static stability weather （A，B） and dust storm weather （C，D）

图5 2021年7月10日（A、C）、7月12日（B、D）夜间逐小时近地面风速、温度和颗粒物浓度变化

Fig.5 Hourly variation on near-surface wind speed， temperature and particulate matter concentration on the nights of July 10 （A，C） and July 12 （B，D） 2021

图6 2021年7月10日01:00、04:00、05:00、07:00 (A~D)和7月12日00:00、02:00、05:00、07:00 (E~H)浮力项Buoy与剪切力项VWS廓线

Fig.6 Profiless of the Buoyancy term Buoy and the vertical wind shear term VWS at 01:00, 04:00, 05:00, 07:00 on July 10 (A-D) and 00:00, 02:00, 05:00, 07:00 on July 12 (E-H) 2021

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