古尔班通古特沙漠冬季大气边界层变化特征及其影响因素

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00108

摘要/Abstract

摘要：

基于古尔班通古特沙漠腹地克拉美丽观测站观测数据与ERA5再分析数据，分析了1995—2024年冬季大气边界层变化特征及影响因素。结果表明：（1）ERA5再分析数据在研究沙漠大气边界层演变及陆面过程中表现出较好的准确性。（2）边界层高度整体呈东部高、西部低的空间分布格局。日间边界层高度的空间最大值达494 m；夜间边界层发展较慢，最大值达158.9 m。（3）边界层高度、地表热通量、2 m高度气温、地表温度及7 cm深度土壤温度等参数日变化规律显著。地表向大气输送的热量以感热通量为主，潜热通量占比很小。（4）边界层高度与地表净太阳辐射、感热通量、潜热通量、地表温度及2 m高度气温均呈正相关（r≈0.81~0.89），与7 cm深度土壤温度也呈正相关（r≈0.43）。边界层高度与积雪厚度在年际尺度上呈负相关。（5）冬季平均边界层高度最大值为106 m（2001年），最小值为47.4 m（2007年）。

关键词: 古尔班通古特沙漠, 大气边界层高度, 地表参数, ERA5再分析数据, 影响因子

Abstract:

Based on observations from the Kelameili meteorological tower in the interior of the Gurbantunggut Desert and ERA5 reanalysis data， this study examined the variation characteristics and influencing factors of the winter atmospheric boundary layer over the desert from 1995 to 2024. The main results are as follows：（1） The ERA5 reanalysis data reproduce the boundary layer height（BLH） and land surface processes over the desert with good accuracy. （2） The winter BLH shows an overall spatial pattern of higher in the east and lower in the west. The BLH reached a spatial maximum of 494 m in daytime whereas its development was slow at night， with a maximum of 158.9 m. （3）The BLH， surface heat flux， 2-m air temperature， surface temperature， and 7-cm soil temperature all display pronounced diurnal variations. In winter， the surface-to-atmosphere heat transfer is dominated by sensible heat flux， with latent heat flux contributing only a small fraction. （4） In the ERA5 reanalysis， the BLH is positively correlated with several surface parameters （surface net solar radiation， sensible heat flux， latent heat flux， surface temperature， and 2-m air temperature； r≈0.81-0.89），and is positively but weakly correlated with 7-cm soil temperature （r≈0.43）. On the interannual scale， the winter BLH is negatively correlated with snow depth. （5） The maximum and minimum average winter BLH were 106 m （in 2001） and 47.4 m （in 2007）， respectively.

Key words: Gurbantunggut Desert, atmospheric boundary layer height, surface parameters, ERA5 reanalysis data, influencing factor

中图分类号:

P421

森巴特·叶尔肯别克, 郑周, 王敏仲, 于晓晶, 米雪琴, 朱从祯, 陈荣毅, 买买提艾力·买买提依明. 古尔班通古特沙漠冬季大气边界层变化特征及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2026, 46(5): 194-205.

Senbate Yeerkenbiek, Zhou Zheng, Minzhong Wang, Xiaojing Yu, Xueqin Mi, Congzhen Zhu, Rongyi Chen, Mamtimin Ali. Variation characteristics and influencing factors of the winter atmospheric boundary layer in the Gurbantunggut Desert， China[J]. Journal of Desert Research, 2026, 46(5): 194-205.

图/表 9

图1 古尔班通古特沙漠地形及观测站点位置注：基于自然资源部标准地图服务网站审图号为GS（2024）0650号标准地图制作，底图边界无修改。

Fig.1 Gurbantunggut Desert topography and location of the observation station

图2 2010年10月15—30日克拉美丽站系留汽艇观测与ERA5再分析数据的温度（A）、相对湿度（B）、风速（C）的误差箱线图及相应三要素在17:00、20:00、23:00的偏差（BIAS）廓线（D~F）注：阴影区域为BIAS在有效观测日之间的±1标准差，时刻后括号内为有效天数

Fig.2 Box plots of the errors between tethered-balloon observations at Kelameili Station and ERA5 reanalysis data for temperature （A）， relative humidity （B）， and wind speed （C）， and the BIAS profiles for temperature （D）， relative humidity （E）， and wind speed （F） at 17:00， 20:00， and 23:00， during 15-30 October 2010. Shaded areas denote the ±1 standard deviation of the BIAS across valid observation days at the number of valid days is given in each subpanel title

图3 2023—2024 年冬季克拉美丽站地表观测数据与ERA5再分析数据地表感热通量（A）、地表潜热通量（B）日变化对比

Fig.3 Diurnal variation of surface sensible heat flux （A） and surface latent heat flux （B） observed at Kelameili Station during winter 2023-2024， compared with ERA5 reanalysis data

图4 1995—2024年冬季平均边界层高度在02:00（A）、05:00（B）、08:00（C）、11:00（D）、14:00（E）、17:00（F）、20:00（G）、23:00（H）的空间分布

Fig.4 Spatial distribution of the winter mean boundary layer height at 02:00 （A）， 05:00 （B）， 08:00 （C）， 11:00 （D）， 14:00 （E）， 17:00 （F）， 20:00 （G）， and 23:00 （H） from 1995 to 2024

图5 1995—2024年冬季正午（14:00）地表净太阳辐射（A）、地表感热通量（B）、地表潜热通量（C）、地表温度（D）、2 m高度气温（E）、7 cm深度土壤温度（F）的空间分布

Fig.5 Spatial distribution of surface net solar radiation （A）， surface sensible heat flux （B）， surface latent heat flux （C）， surface temperature （D）， 2-m air temperature（E）， 7-cm soil temperature（F） at noon （14:00） in winter from 1995 to 2024

图6 克拉美丽站冬季边界层高度与地表热通量的日变化相关性注：左列为边界层高度与ERA5地表感热通量（A）、地表潜热通量（C）、地表净太阳辐射（E）的对比（1995—2024年）；右列为边界层高度与站点观测地表感热通量（B）、潜热通量（D）、地表净太阳辐射（F）的对比（2023—2024年）

Fig.6 Diurnal covariation between the boundary layer height and surface fluxes at Kelameili Station in winter. Left column： ERA5 boundary layer height versus ERA5 surface sensible heat flux （A）， surface latent heat flux （C）， and surface net solar radiation （E） during 1995-2024. Right column： ERA5 boundary layer height versus the observed surface sensible heat flux （B）， latent heat flux （D）， and surface net solar radiation （F） during 2023-2024

图7 1995—2024年克拉美丽站边界层高度与2 m高度气温（A）、地表温度（B）、7 cm深度土壤温度（C）的日变化相关性

Fig.7 Diurnal variation curves of the boundary layer height and the 2-m air temperature （A）， surface temperature （B）， and 7-cm soil temperature （C） at Kelameili Station from 1995 to 2024.

图8 1995—2024 年克拉美丽站1月边界层高度与积雪厚度的年际变化

Fig.8 Interannual variation of the January boundary layer height and snow depth at Kelameili Station from 1995 to 2024

图9 冬季陆-气相互作用概念模型

Fig.9 Conceptual model of the winter land-atmosphere interaction

参考文献 34

[1]	杨洋，刘晓阳，陆征辉，等.博斯腾湖流域戈壁地区大气边界层高度特征研究［J］.北京大学学报（自然科学版），2016，52（5）：829-836.
[2]	Lu Z， Qianhui L， Lu M，et al.Research on the development of the deep atmospheric boundary layer， turbulent motion， and dust stagnation［J］.Advances in Earth Science，2022，37（10）：991.
[3]	乔娟.西北干旱区大气边界层时空变化特征及形成机理研究［D］.北京：中国气象科学研究院，2009.
[4]	张宏昇，张小曳，李倩惠，等.大气边界层高度确定及应用研究进展［J］.气象学报，2020，78（3）：522-536.
[5]	杨世昆，杨玲，张雪芬，等.地基遥感联合反演大气边界层高度与ERA5再分析资料比对分析［J］.气象，2023，49（2）：178-187.
[6]	张强，张杰，乔娟，等.我国干旱区深厚大气边界层与陆面热力过程的关系研究［J］.中国科学：地球科学，2011，41（9）：1365-1374.
[7]	汪晋，廖前锋，闫申，等.大气边界层高度的确定及其在数值天气预报模式中的应用［J］.暴雨灾害，2022，41（5）：515-524.
[8]	张建涛，何清，王敏仲，等.塔克拉玛干沙漠腹地夜间稳定边界层观测个例分析［J］.高原气象，2018，37（3）：826-836.
[9]	Zhang W， Guo J， Miao Y，et al.On the summertime planetary boundary layer with different thermodynamic stability in China： A radiosonde perspective［J］.Journal of Climate，2018，31（4）：1451-1465.
[10]	杨郭程，毛东雷，王敏仲，等.塔克拉玛干沙漠腹地夏季稳定边界层高度计算与分析［J］.中国沙漠，2023，43（4）：64-75.
[11]	张振州，蔡旭晖，宋宇，等.海南岛地区大气边界层高度的时空变化特征［J］.北京大学学报（自然科学版），2013，49（5）：783-790.
[12]	刘绕，李煜斌，高志球.稻麦轮作农田区大气边界层高度的日变化和季节特征［J］.气象科技，2017，45（3）：526-534.
[13]	Mamtimin A， Wang Y， Sayit H，et al.Seasonal variations of the near-surface atmospheric boundary layer structure in China's Gurbantünggüt Desert［J］.Advances in Meteorology，2020，2020（1）：6137237.
[14]	易成.利用COSMIC数据探测中国中西部大气边界层高度变化特征［J］.城市勘测，2021（5）：134-139.
[15]	赖悦，李林，王辉，等.过去30年北京地区大气对流边界层高度的变化特征及其影响因素［J］.气象，2024，50（12）：1417-1428.
[16]	Dang R， Li H， Liu Z，et al.Statistical analysis of relationship between daytime lidar-derived planetary boundary layer height and relevant atmospheric variables in the semiarid region in Northwest China［J］.Advances in Meteorology，2016（1）：5375918.
[17]	杜一博，张强，王凯嘉，等.西北干旱区夏季晴天，阴天边界层结构及其陆面过程对比分析［J］.高原气象，2018，37（1）：148-157.
[18]	赵采玲，吕世华，李照国，等.夏季巴丹吉林沙漠陆面热状况对边界层高度影响的模拟实验［J］.高原气象，2014，33（6）：1526-1533.
[19]	任桂萍，魏雅鹏，柯伟，等.甘肃酒泉地区大气边界层高度变化特征及其与沙尘天气的关系［J］.干旱气象，2020，38（6）：979-986.
[20]	王敏仲，明虎等著.塔克拉玛干沙漠大气边界层和沙尘暴探测研究［M］.北京：气象出版社，2022.
[21]	王豫，阿吉古丽·沙依提，买买提艾力·买买提依明，等.古尔班通古特沙漠大气边界层参数化方案的模拟评估［J］.沙漠与绿洲气象，2020，14（4）：78-87.
[22]	谭芳，张岩，郭擎宇.古尔班通古特沙漠风沙运动规律及防沙治沙研究［J］.科学中国人，2003（4）：55-57.
[23]	魏文寿，董光荣.沙漠层辐射热量传输的界面过程研究：以古尔班通古特沙漠为例［J］.沉积学报，1999（S1）：840-845.
[24]	高佳程.古尔班通古特沙漠地表能量及特征参数研究［D］.乌鲁木齐：新疆大学，2021.
[25]	张梦肖，王豫，买买提艾力·买买提依明，等.古尔班通古特沙漠及周边区域冬季大气边界层高度对地表积雪的响应［J］.冰川冻土，2022，44（5）：1558-1569.
[26]	Yu W， Jiacheng G， Ali M，et al.Evolution law of atmospheric boundary layer in Gurbantünggüt Desert based on reanalysis dataset and in situ observation data［J］.Heliyon，2023，9（3）：e14147-e14147.
[27]	孟宪贵，郭俊，韩永清，等.ERA5再分析数据适用性初步评估［J］.海洋气象学报，2018，38（1）：91-99.
[28]	Jacobson M.D.Estimating snow water equivalent for a slightly tilted snow-covered prairie grass field by GPS interferometric reflectometry［J］.EURASIP Journal on Advances in Signal Processing，2014（1）：1-9.
[29]	刘强，何清，杨兴华，艾力·买买提明，李振杰.塔克拉玛干沙漠腹地冬季大气稳定度垂直分布特征分析［J］.干旱气象，2009，27（4）：308-313.
[30]	吴雯璐，陈海山，郭建平，等.中国夏季边界层高度及其主要影响因子的分区研究［J］.大气科学，2024，48（3）：1201-1216.
[31]	Mamtimin A， Wang Y， Sayit H，et al.Characteristics of turbulence over the semi‐fixed desert area north of Xinjiang， China［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2021，46（12）：2365-2378.
[32]	马兰花，吕新，塔依尔.古尔班通古特沙漠南缘增温效应研究［J］.干旱区研究，2007（1）：108-112.
[33]	郑辉，刘树华.沙漠陆面过程参数化与模拟［J］.地球物理学报，2013，56（7）：2207-2217.
[34]	李杨，艾力·买买提明，刘艳，等.古尔班通古特沙漠积雪覆盖、沙尘天气特征及其相互关系［J］.中国沙漠，2010，30（4）：961-967.