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

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

朱从祯^,¹, 罗继成², 王敏仲^,¹, 孟露¹, 潘红林¹, 张建涛¹

1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地/新疆沙漠气象与沙尘暴重点实验室，新疆乌鲁木齐 830002

2.成都远望探测技术有限公司，四川成都 610299

Characteristics of the summer nighttime stable boundary layer in the hinterland of the Taklamakan Desert and its effect on dust aerosols concentration

Zhu Congzhen^,¹, Luo Jicheng², Wang Minzhong^,¹, Meng Lu¹, Pan Honglin¹, Zhang Jiantao¹

1.National Observation and Research Station of Taklimakan Desert Meteorology of Xinjiang / Taklimakan Desert Meteorology Field Experiment Station of CMA / Xinjiang Key Laboratory of Desert Meteorology and Sandstorm，Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China

2.Chengdu Yuanwang Detection Technology Co. Ltd，Chengdu 610299，China

通讯作者: 王敏仲（E-mail： wangmz@idm.cn）

收稿日期: 2023-12-15 修回日期: 2024-01-31

基金资助:

新疆维吾尔自治区杰出青年科学基金项目. 2022D01E07
“天山英才”培养计划-科技创新团队（天山创新团队）项目. 2022TSYCTD0007

Received: 2023-12-15 Revised: 2024-01-31

作者简介 About authors

朱从祯（1997—），男，新疆石河子人，实习研究员，研究方向为沙漠边界层气象E-mail：zcz_nuist@163.com , E-mail：zcz_nuist@163.com

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.

Keywords： Taklamakan Desert ; nighttime atmospheric boundary layer ; stratification stability ; thermal and dynamic factors ; dust aerosols

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本文引用格式

朱从祯, 罗继成, 王敏仲, 孟露, 潘红林, 张建涛. 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. 中国沙漠[J], 2024, 44(5): 1-12 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00020

Zhu Congzhen, Luo Jicheng, Wang Minzhong, Meng Lu, Pan Honglin, Zhang Jiantao. Characteristics of the summer nighttime stable boundary layer in the hinterland of the Taklamakan Desert and its effect on dust aerosols concentration. Journal of Desert Research[J], 2024, 44(5): 1-12 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00020

0 引言

大气边界层是直接受地表强迫影响的对流层低层大气^［1］，是下垫面和大气之间进行动量、热量及物质交换的主要通道^［2］。大气边界层与人类生活关系密切，其内部发生的物理和化学过程直接影响着人类的生存环境。

大气污染物的排放、扩散主要发生在大气边界层内，大气边界层结构变化是影响大气污染物扩散和传输的重要因素^［3-4］。大气边界层高度影响着边界层内能量与物质的垂直分布^［5-6］。较高的大气边界层利于大气污染物的扩散，而较低的大气边界层配合逆温层抑制边界层内对流和湍流运动，限制污染物的垂直扩散，利于近地面大气污染物累积^［7-8］。大气层结稳定度是表征边界层特征的重要参量，能反映大气污染的严重程度。中国大气污染大多出现在静稳天气^［9］，静稳天气通常具有逆温、弱风、大气层结稳定的低层大气特征。稳定层结的出现和长时间的维持阻碍了大气污染物的垂直扩散和水平输送，有利于大气污染物局地累积^［10］。大气边界层内低空急流同样会影响局地空气质量。一般而言，低空急流有利于污染物向下风方向传输，缓解本地污染^［11］。之前诸多研究考虑白天对流边界层结构变化对大气污染物的作用，夜间大气边界层结构变化对大气污染的影响效应亟待深入研究。

塔克拉玛干沙漠位于中国西北干旱荒漠区塔里木盆地，沙漠下垫面白天较强的地表加热使得对流湍流运动旺盛，驱动超高对流边界层的形成。夜晚下垫面辐射冷却，形成具有逆温层结的稳定边界层。近年来，针对塔克拉玛干沙漠夜间稳定边界层的研究仍处于起步阶段。朱从祯等^［12］、Wang等^［13］利用GPS探空数据探明了稳定边界层的结构特征，沙尘暴和降水天气会破坏夜间稳定边界层结构，而浮尘天气提高了夜间稳定边界层高度。湍流动能、土壤热通量等动力和热力因素在稳定边界层的发展过程中起关键作用^［14-15］。Wei等^［16］利用任意阶希尔伯特谱明晰了夜间湍流间歇性变化特征。上述研究明确了塔克拉玛干沙漠稳定边界层结构及其影响因素与湍流特征。然而，塔克拉玛干沙漠夜间不同稳定度下边界层结构变化特征还有待深入研究。

春夏季塔克拉玛干沙漠沙尘天气频发，是亚洲沙尘气溶胶的重要源区^［17］。沙尘暴过程中夜间稳定边界层内间歇性湍流增强、大气层结稳定度减小，利于动量向下混合，引发近地层风速增大，使得沙尘排放通量增加，同时增强沙尘气溶胶的扩散过程^［18-20］。但针对塔克拉玛干沙漠夜间大气层结稳定度变化对沙尘气溶胶的影响还缺乏定量评估。基于此，本文利用大气边界层探测资料和近地面环境-气象观测资料，分析夜间不同稳定度下边界层结构变化特征，明晰不同稳定度下近地面沙尘气溶胶浓度特征及差异，厘清近地面层结稳定度及边界层热力、动力作用驱动近地面沙尘气溶胶变化的作用机理以期加深对沙漠陆气相互作用、稳定边界层物理过程及其影响效应的认识，为改进该区域数值模式参数化方案及研究大气环境污染等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1　资料

研究利用了2021年7月6—17日在塔克拉玛干沙漠腹地塔中进行的GPS加密探空数据。探空观测每日进行8次，时间间隔为3 h。探空数据包括气温、气压、风速、风向、湿度等气象要素的垂直廓线。结合夏季塔中日落、日出时间，将22:15、01:15、04:15、07:15等4个时段共计 42次数据用以分析夜间边界层结构与稳定度特征。为保证使用探空数据的可靠性，对GPS探空数据进行了质量控制：①对原始数据进行了野点剔除，剔除数据中温度超过60 ℃、瞬时风速在50 m·s^-1以上、风向大于360°、相对湿度超过100%的值^［15］。②对缺测廓线数据利用线性插值法补齐，以保证廓线的连续性。③利用塔中站的气象观测数据与探空观测地面数据进行对比，计算各要素的平均偏差（MB）、相关系数（r）及均方根误差（RMSE），以确保GPS探空数据的可靠性（表1）。

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

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M B = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} (B_{i} - O_{i})

（1）

r = \frac{\sum_{i = 1}^{n} (B_{i} - \bar{B}) (O_{i} - \bar{O})}{\sqrt[]{\sum_{i = 1}^{n} (B_{i} {- \bar{B})}^{2}} \sqrt[]{\sum_{i = 1}^{n} (O_{i} {- \bar{O})}^{2}}}

（2）

R M S E = \sqrt[]{\frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} (B_{i} - O_{i})^{2}}

（3）

式中：B_i 和O_i 分别为GPS探空观测值和台站观测值。

与塔中站观测数据对比后发现各要素误差均在合理范围内，可用于后续的分析。

利用对应时段（22:15—07:15，时间分辨率为1 min）塔中站80 m铁塔共10层（0.5、1、2、4、10、20、32、47、63、80 m）的风速、气温、气压、空气湿度梯度观测资料结合 Grimm1.108颗粒物分析仪（该仪器有31个通道，利用激光散射原理可以精准测量沙尘质量浓度和数浓度，可以实时输出PM₁₀和PM_2.5浓度）数据^［21］精细化分析稳定度和热力、动力驱动因子对近地面沙尘气溶胶浓度的影响。

1.2　方法

基于GPS探空数据，使用位温廓线法将塔克拉玛干沙漠腹地塔中夜间大气边界层划分为稳定边界层（Stable boundary layer， SBL）、中性边界层（Neutral boundary layer， NBL）：对数据从地面开始进行 5 hPa间隔的重新采样，计算第五层和第二层之间的位温差∆θ并结合100 m高度的整体理查德森数Ri对大气边界层类型进行判断。当Δθ大于1 K且100 m高度处的Ri为正值时，大气层结稳定，为稳定边界层；当Δθ在-1 K和1 K之间，此时边界层内湍流强度在垂直方向上均匀分布，为中性边界层。对于稳定边界层通常取地面以上位温梯度变化最小的高度即贴地逆温层顶为大气边界层高度；对于中性边界层，大气边界层高度取地面以上逆温强度首次大于0.4 K/100 m的高度^［22］。

基于GPS探空数据和80 m铁塔资料10 m高度处数据分别计算整体理查森数 Ri，用于表征边界层及近地面（10 m）的大气层结稳定度^［23］：

R i (z) = \frac{g}{θ_{v s}} \frac{(θ_{v z} - θ_{v s}) (z - z_{s})}{{(u_{z} - u_{s})}^{2} + {(v_{z} - v_{s})}^{2} + b u_{*}^{2}}

（4）

式中：ｚ是观测高度；g是重力加速度；θ_v 是虚位温；u和v是纬向和经向风；b是常数项；u_*是地表摩擦系数；s是粗糙度高度。由于u_*远小于分母中的风切变项，因此在计算过程中忽略该摩擦项的影响^［24］。将0<Ri<0.02定义为中性层结，0.02<Ri<0.12 定义为弱稳定层结，0.12<Ri<0.7定义为强稳定层结，Ri>0.7定义为极强稳定层结^［25］。

低空急流的定义标准为：低空1 500 m 内最大风速大于8 m·s^-1，并且与其上部至3 000 m高度内风速最小值的差值≥4 m·s^-1或者是距地3 000 m高度处的风速差值≥4 m·s^{-1［26-27］}。

为分析近地面热力、动力驱动因子对沙尘气溶胶浓度的影响，基于80 m铁塔数据计算了近地面浮力项Buoy和垂直风切变项VWS。Buoy作为大气边界层的主导热力因子，可以表征湍流的热力强迫：

B u o y = - g ∆ z \frac{1}{θ_{v}} \frac{d θ_{v}}{d z}

（5）

式中：g是重力加速度；θ_v是虚位温；z是观测高度。在大气中，负Buoy值代表热力稳定，正Buoy值代表热力不稳定^［28］。

垂直风切变项VWS是指水平风的垂直切变，作为大气边界层的主导动力因子，可以表征湍流的动力强迫，是大气边界层内垂直混合作用的重要指标。其由水平风矢量差和高度差决定^［29］：

V W S = \frac{\sqrt[]{{(u_{z 1} - u_{z 2})}^{2} + {(v_{z 1} - v_{z 2})}^{2}}}{(z_{1} - z_{2})} \times 1000

（6）

式中：z₁和z₂代表相邻两层的高度；u_z₁和u_z₂为z₁和z₂高度上的纬向风；v_z₁和v_z₂为z₁和z₂高度上的经向风。

2 结果与分析

2.1　夜间边界层结构特征

根据Sorbjan^［25］利用整体理查森数Ri对大气边界层稳定度的分类将观测时段夜间边界层稳定度分为中性、弱稳定、强稳定和极强稳定。

中性边界层出现在夜间沙尘暴时段（表2），平均边界层高度达410 m。锋面过境引发风场剧烈扰动破坏了夜间稳定边界层结构，削弱了夜间地表的辐射冷却，平均逆温强度仅为0.132 K/100m。受天气系统强迫影响，低空急流风速急剧增大，最大可达22.5 m·s^-1（图1）。选取单个时次边界层廓线分析不同稳定度下的典型边界层结构特征（图2）。从夜间沙尘暴发生时刻12日01:15位温、比湿和风速廓线可以发现：该时次从地表到边界层顶部位温基本保持不变，大气混合很均匀，地表的逆温层结被破坏。微弱的逆温配合强烈的低空急流有利于边界层内湍流的发展，边界层内的垂直混合作用增强使得边界层内水汽分布趋向均一，比湿在边界层内随高度基本保持不变（图2A~C）。

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

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图1

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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

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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

弱稳定边界层出现在晴日、浮尘日夜间的稳定边界层开始发展时段，地表逆温层结开始形成，平均边界层高度仅为140 m。边界层内地表辐射冷却较弱使得平均逆温强度仅为0.691 K/100 m。入夜后，由于摩擦撤除效应诱发科氏力引发惯性震荡，边界层内低空急流开始发展，平均风速为9.2 m·s^-1（图1、表2），从晴朗天气下16日22:15位温、比湿和风速廓线可以发现：地表逆温层非常浅薄，稳定边界层以上保存着位温变化与白天混合层类似的层结，为残留混合层。由于地表逆温层非常浅薄，稳定边界层内未出现逆湿现象，与残余混合层内比湿随高度变化趋于一致，都随高度升高缓慢下降。该时段还未发展出明显的边界层低空急流，从地面到高层风速变化不大，均未超过10 m·s^-1（图2D~F）。

强稳定和极强稳定边界层分别主要出现在晴日、浮尘日夜间01:15和07:15左右，入夜后随着地表辐射冷却逐渐增强边界层逆温强度不断增强。平均逆温强度分别为1.217 K/100m和1.232 K/100m。边界层高度也进一步提升，极强稳定条件下边界层平均高度为520 m，远大于强稳定条件下的290 m（图1、表2）。对比发生浮尘的10日01:15（图2G~I）和07:15（图2J~L）位温、比湿和廓线，极强稳定边界层高度和逆温强度均大于强稳定条件下，风速廓线在低层随着高度增加，由于湍涡发展较弱湍流摩擦力减小，风速在某一高度出现最大值，然后向上继续减弱至自由大气中的地转风速。强稳定条件下边界层低空急流强度较极强稳定下略强，达到11.6 m·s^-1。强稳定和极强稳定边界层内比湿均随高度升高增大在边界层内达到最大，同时稳定度越高逆湿现象越明显。这说明稳定边界层热力和动力特性的垂直结构对其内物质输送和分布具有显著影响，同时比湿与风速廓线特征更进一步印证了位温廓线确定的大气热力边界层结构的可靠性^［30］。

按边界层稳定度对塔克拉玛干沙漠腹地夜间边界层进行划分，可以发现当天气状况为晴、浮尘时随夜间地表辐射冷却不断增大，边界层稳定度类型均可分为弱稳定、强稳定和极强稳定；随稳定度增大边界层逆温强度与高度也不断增大。夜间低空急流强度表现为强稳定>极强稳定/弱稳定，稳定边界层内逆湿现象随稳定度增大也愈发显著。以上结论与李建刚等^［31］对巴丹吉林沙漠夜间稳定边界层位温、比湿、风速垂直廓线结构特征的研究结果基本一致。乔梁等^［32］、张强等^［33-34］对西北干旱区敦煌绿洲夜间边界层结构的研究表明稳定边界层高度可达1 000 m，由于沙漠相较绿洲下垫面夜间更强的辐射冷却不利于稳定边界层高度增高^［12］，塔中稳定边界层高度与之比较明显偏低。中性边界层出现在沙尘暴天气下，强天气过程破坏了原有的稳定边界层结构，边界层内的垂直混合作用增强使得边界层内水汽分布趋向均一，比湿在边界层内随高度基本保持不变，低空急流强度大大超过稳定边界层状态下。

2.2　大气边界层层结稳定度变化对沙尘气溶胶浓度的影响

大气层结稳定度影响着气溶胶在边界层内的垂直分布状况，能反映大气污染的严重程度。选取夜间天气状况为晴（11日）、浮尘（10日）和沙尘暴（12日）的时段，利用80 m铁塔资料探究夜间边界层近地面（10 m）层结稳定度与沙尘气溶胶浓度的关系，同时厘清近地面热力和动力作用对沙尘气溶胶浓度的影响。

晴、浮尘天气下，随稳定度变化细颗粒物PM_2.5占PM₁₀比例基本保持不变，均在40%左右；沙尘暴天气下，PM_2.5占比下降，在20%~30%（图3）。晴朗天气下，近地层稳定度为强稳定和极强稳定，Ri变化处于0.121~7。强稳定条件下，沙尘气溶胶浓度基本在350~500 μg·m^-3，部分时次达到600 μg·m^-3；极强稳定条件下，沙尘气溶胶浓度均高于450 μg·m^-3，部分时次超过650 μg·m^-3。极强稳定条件下近地面沙尘气溶胶平均浓度超过强稳定条件下，达113 μg·m^-3（图3A，表2）。浮尘天气下近地层稳定度同样为强稳定和极强稳定，Ri值为0.12~9：强稳定条件下沙尘气溶胶浓度均在1 000 μg·m^-3以下；极强稳定条件下沙尘气溶胶浓度部分时次超过1 100 μg·m^-3，极强稳定条件下近地面沙尘气溶胶平均浓度超过强稳定条件下，达107 μg·m^-3（图3B，表3）。

图3

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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

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由此可见，随稳定度的提升，近地面沙尘气溶胶浓度在晴朗和浮尘天气下增加，表明在相对静稳的天气状况下，近地面稳定度的提升有利于沙尘气溶胶的累积。该结论与利用LM-MUSCAT区域沙尘模式就撒哈拉沙漠相对静稳天气下层结稳定度对夜间沙尘气溶胶浓度影响的模拟结果相一致^［35］。沙尘暴天气下近地层稳定度为中性和弱稳定，Ri变化于0~0.07：中性条件下，随稳定度减小，近地面沙尘气溶胶浓度整体呈不断上升趋势，集中在2 000~10 000 μg·m^-3，不同时次平均浓度接近4 000 μg·m^-3；弱稳定条件下，近地面沙尘气溶胶浓度均在2 000 μg·m^-3左右。沙尘暴天气下近地面稳定度由弱稳定转为中性，稳定度的降低，有利于近地面沙尘气溶胶浓度增加（图3C、表3）。该结论进一步支撑了沙尘暴天气下撒哈拉沙漠区域层结稳定度降低促进沙尘气溶胶排放的模拟结果^［20］。

为探究不同天气状况下近地面热力、动力作用对沙尘气溶胶浓度的影响，计算不同天气状况下浮力项（Buoy）、垂直风切变项（VWS），对近地层热力、动力因子进行定量分析。各天气状况下，随Buoy和VWS增大，使近地层趋于不稳定（表3）。在相对静稳天气条件下（晴、浮尘），近地面风速未达到塔中地区的起沙临界风速，近地面热力、动力作用主要影响沙尘气溶胶的扩散过程^［35］。在晴朗条件下，随Buoy增大，浮力抑制作用逐渐减弱。Buoy与近地面PM₁₀浓度呈负相关，Buoy的增强削弱了近地面的热力稳定度，有利于沙尘气溶胶的垂直混合，减轻近地面沙尘气溶胶的浓度^［36］。VWS影响着大气污染物的垂直混合，从而改变近地面大气污染物浓度^［37］。VWS与近地面PM₁₀浓度呈显著负相关，随VWS增强近地面沙尘气溶胶的垂直扩散能力增强，有利于近地面沙尘气溶胶浓度的下降。在浮尘条件下，近地面热力、动力作用对近地面沙尘气溶胶浓度的影响和晴朗条件下一致。差别在于受沙尘气溶胶辐射作用的影响，浮尘条件下更高浓度的沙尘气溶胶使得近地层大气增温，边界层稳定度较晴朗条件下减弱，利于高层动量向下混合，近地面热力和动力强迫较晴朗条件下均更强^［19-20］（图4、表3）。沙尘暴天气条件下，受天气系统扰动影响近地面风速大大增加，地表沙尘扬起进入大气，背景风场的增大促进了沙尘气溶胶的排放^［38］。该天气条件下Buoy增大，近地面的热力稳定度降低，稳定层结状态被破坏，由摩擦拖拽作用引起的VWS不断增大，上下层湍流交换显著加强，VWS与近地表颗粒物浓度呈显著正相关，强的VWS有利于本地起沙同时能将向本地输送的沙尘气溶胶通过垂直混合输送至地面从而加重近地面沙尘污染^［39-42］。

图4

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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）

2.3　典型沙尘天气过程近地面热力和动力作用对沙尘气溶胶浓度的影响

7月10日夜间塔中站近地面风速均小于3 m∙s^-1，天气状况为浮尘（图5A）。从图6可以发现，10日01：00—04：00近地层（10 m高度） Buoy逐渐减小，Buoy最小值从-0.015 m∙s^-2下降到-0.028 m∙s^-2，说明近地层热力稳定度入夜后增大，不利于沙尘气溶胶垂直混合。VWS最大值从4.2 m∙s^-1∙km^-1增大到9.7 m∙s^-1∙km^-1，而该时段沙尘气溶胶浓度从1 275 μg·m^-3下降至940 μg·m^-3。05:00近地层Buoy与04：00相比无明显变化，但VWS最大值则较04:00明显下降，为4 m∙s^-1∙km^-1，沙尘气溶胶的垂直扩散能力受到削弱，近地面沙尘气溶胶浓度小幅增大至1 190 μg·m^-3。05:00—07:00，近地层Buoy最小值从-0.025 m∙s^-2下降到-0.058 m∙s^-2，近地层热力稳定度进一步增大。VWS最大值则较05：00增大到7.4 m∙s^-1∙km^-1，利于近地面沙尘气溶胶的垂直扩散，沙尘气溶胶浓度降低至859 μg·m^-3。这说明浮尘日夜间近地面沙尘气溶胶浓度主要受VWS影响，VWS增强促进了沙尘气溶胶的垂直扩散，降低了近地面的沙尘气溶胶浓度，而Buoy减弱对沙尘气溶胶垂直扩散的抑制不明显（图5C、图6A~D）。

图5

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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

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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

7月12日夜间塔中站近地面平均风速超5 m∙s^-1，天气状况为沙尘暴（图5B）。从图6可以发现，12日00:00—02:00近地层（10 m高度）Buoy最小值从-0.0046 m∙s^-2下降到-0.027 m∙s^-2，近地层热力稳定度增大，VWS最大值由12.3 m∙s^-1∙km^-1减弱到10.7 m∙s^-1∙km^-1，本地起沙和上层沙尘气溶胶向近地面输送作用减弱，近地面的沙尘气溶胶浓度小幅降低到1 544 μg·m^-3。02:00—05:00，Buoy和VWS都大幅增加，Buoy最小值由负转正，VWS最大值增大接近25 m∙s^-1∙km^-1，近地面沙尘气溶胶浓度飙升至5 284 μg·m^-3。05：00—07：00，近地层Buoy和VWS都明显下降，由于近地面动力因子的下降，本地起沙和上层向本地输送的沙尘气溶胶减少，沙尘气溶胶浓度也下降至2 670 μg·m^-3（图5D、图6E~H）。

通过分析沙漠腹地浮尘和沙尘暴天气下夜间时段近地层热力、动力作用对沙尘气溶胶浓度的影响，发现近地面沙尘气溶胶浓度变化由VWS主导。浮尘天气下VWS增强有利于沙尘气溶胶的垂直扩散，降低了沙尘气溶胶浓度，而Bouy减弱对沙尘气溶胶垂直扩散的抑制不明显；沙尘暴天气下VWS增大有利于本地起沙和上层沙尘气溶胶向近地面输送，提升了近地面的沙尘气溶胶浓度。

3 结论

塔克拉玛干沙漠腹地夏季夜间晴朗和浮尘天气下，边界层稳定度类型均可分为弱稳定、强稳定和极强稳定，随稳定度增强边界层逆温强度与高度不断提高。夜间低空急流强度表现为强稳定>极强稳定/弱稳定。中性边界层出现在沙尘暴天气下，强天气过程破坏了原有的稳定边界层结构，低空急流强度大大超过稳定边界层状态下。

夜间晴、浮尘天气下，近地面稳定度的提升有利于沙尘气溶胶的累积，沙尘暴天气下沙尘气溶胶浓度随稳定度变化情况与之相反。不同天气状况下近地层浮力项Buoy、垂直风切变项VWS对沙尘气溶胶物浓度的影响不一致。晴、浮尘天气下，Buoy减弱使得近地面层结稳定度增大，抑制沙尘气溶胶的垂直混合，利于沙尘气溶胶在近地面累积；VWS增强促进了近地面沙尘的垂直扩散，降低了沙尘气溶胶浓度。沙尘暴天气下，受天气系统扰动影响近地层Buoy增大，近地面为近中性层结，VWS与近地面沙尘气溶胶浓度呈显著正相关，有利于本地起沙，远距离输送的沙尘气溶胶也更易通过垂直混合到达地面。

近地面沙尘气溶胶浓度变化由VWS主导，浮尘天气下Buoy减弱对沙尘气溶胶垂直扩散的抑制不明显，VWS增强降低了近地面沙尘气溶胶浓度；沙尘暴天气下VWS增大，有利于本地起沙和上层沙尘气溶胶向地面输送，提升了近地面的沙尘气溶胶浓度。

本文确定了夜间不同稳定度条件下边界层的结构特征，着重分析了近地面层结稳定度及边界层热力、动力作用对近地面沙尘气溶胶的影响。但由于缺乏颗粒物垂直探空观测资料，文中未能讨论大气边界层热力、动力作用对沙尘气溶胶垂直分布的影响。未来将利用新型探测仪器，补齐沙尘气溶胶垂直探空资料的缺失，进一步深入探究大气边界层的热力、动力因子对沙尘气溶胶垂直分布的调制作用，以建立对边界层热力、动力作用调节沙尘气溶胶浓度垂直分布的全面理解。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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Stull

.An Introduction to Boundary Layer Meteorology［M］.Dordretch，Netherlands：Kluwer Academic Publishers，1988：8-68.