欧洲上空大气边界层高度变化趋势外文翻译资料

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欧洲上空大气边界层高度变化趋势

张叶晖

南京信息工程大学应用水文气象研究院，南京，中国

Dian J.Seidel

美国国家海洋和大气管理局空气资源实验室，马里兰大学帕克分校，马里兰州

张绍东^[1]

武汉大学电子信息学院，武汉，中国

（手稿接受于2013年2月19日，最终版本为2013年6月13日）

摘要

基于1973年至2010年的25个站点的逐日无线电观测数据，使用总体理查森数法确定高度，估算了欧洲上空的行星边界层高度的变化趋势。大多数的站点在四个季节里都显示出日间高度存在统计显著增长，但是夜间高度显示出统计显著趋势却很少。多数研究站点显示，日间高度变化在年时间尺度与日尺度上与地面相对湿度呈现较强反相关而与地面气温呈现强正相关。类似的关系也适用于长期趋势：在多数站点，白天逐渐增长的边界层高度与逐渐减少的地面相对湿度和逐渐增加地面气温相联系。这些变化具有区域代表性或是对观测站点附近环境变化的一种反映，能否适应其他区域是很难去确定的。

1.引言

行星边界层（PBL）位于对流层底部，并且与地球表面相接触。作为地球气候系统的一个重要组成部分，行星边界层控制着下垫面与自由大气之间热量、动量、水汽以及化学物质的交换。受到当地地形以及陆地表面特征的影响，行星边界层的结构是复杂的，在天气学尺度和中尺度天气的情况下，行星边界层从白天到晚上的变化是十分剧烈的。

近期一些研究（Liu and Liang 2010； Seidel 等 2010）通过使用无线电探空数据研究了全球行星边界层的气候学变化。最近一项研究美国和欧洲大陆上空的行星边界层气候学变化的文章(Seidel 等2012)通过使用Bulk Richardson Number (Ri) (Vogelezang and Holtslag 1996) 估算了行星边界层的高度，量化了观测到的行星边界层高度（离地高度）的昼夜以及季节变化，并且比较了无线电探空观测数据和再分析资料计算出的行星边界层高度的气候学特征以及比较了两种气候模式。本研究通过考察欧洲的长期趋势扩展那一工作，其中无线电探空仪的观测时间样本（在0000和1200 UTC）发现了行星边界层高度有趣的昼夜循环（接近午夜和中午）。

行星边界层高度通常用于气候和空气质量研究，以表征对流和湍流过程，云夹带和空气污染物扩散以及沉积过程（例如Stull 1988； Seibert等2000； Liu and Liang 2010）。 一般来说，行星边界层高度越高意味着垂直混合程度越强以及表面污染浓度更低；当表面温度较高且湿度较低时，行星边界层高度较高，这将导致表面感热通量主导潜热通量并造成浮力增加。 鉴于近几十年来全球大部分地区的地面气温都因大气温室气体浓度的增加而增加（Solomon et al. 2007），因此可以合理地质疑行星边界层高度在这几十年中是否也发生了变化。

据我们所知，迄今没有研究报道行星边界层高度的长期变化。我们在本文中估计欧洲行星边界层高度的线性变化趋势。接下来一部分部分描述了数据和方法，第3节介绍了欧洲行星边界层高度的长期变化以及与其他变量的关联，第4节给出了结论。

2.数据和方法

本研究中使用的计算行星边界层高度的资料基于无线电探空仪实测数据，数据来自全球无线电综合探空资料（Durre等2006），采用Seidel等人（2012）介绍的方法，其中他们详细给出了数据处理，质量控制，估算气候学边界层高度的算法以及方法的不确定性。Seidel等人（2010）评估了10种估计行星边界层混合高度的不同方法，并确定了一种总体Ri方法（Vogelezang和Holtslag 1996）作为最适合大型数据集气候分析的方法。该方法适用于稳定边界层和对流边界层；在所有情况下都可以确定高度；并且对探空仪的垂直分辨率依赖性不强，这是长期趋势研究的一个重要因素，因为随着自动化数据处理能力的提高，探空仪器的分辨率也已经提高（Zhang 等2011）。

简言之，总体理查森数定义为：

其中z是高度，g是重力加速度，是虚位温，u和v是纬向风速和经向风速，b是常数，是表面摩擦速度，下标s表示表面。由于摩擦速度项远小于分母中的风切变项（Vogelezang和Holtslag，1996），因此在本研究中忽略这一项。由于在无线电探空仪观测中没有表面风分量，因此我们将地面风设置为零（Seidel 等2012）。从无线电探空仪观测数据中推导计算出Ri数值的剖面后，我们从地面向上扫描；将的那一层设置为第一层；并在该层与下一个较低数值的那一层间线性插值至作为行星边界层高度。我们将术语“行星边界层高度”和“混合高度”作为z（Ri_0.25）。

表1. 在1200UTC行星边界层高度[z(Ri_0.25)]，地面相对湿度，地面气温（z，RH和T的单位分别为m/10年,%/10年以及K/10年）的季节性趋势中，采用同一时段的台站年份数据计算高度。粗体表示趋势在95％置信水平或更高。缺失值表明没有足够的无线电探空资料以及满足需要的垂直分辨率，来计算特定的台站和季节的行星边界层高度。

利用1973 - 2010年期间的数据计算了四个季节[12月至2月]每个季节的变化趋势。使用非参数统计方法成对斜率回归中值法（Lanzante 1996）计算趋势，基于Spearman秩次检验法计算显著性水平。由于白天和夜间行星边界层差异较大（Seidel等，2012），本文分别分析了0000和1200 UTC时刻的行星边界层高度剖面。

对于给定无线电探空仪观测中的行星边界层高度检测，我们需要至少7层的温度和湿度记录数据，以及地面和地面以上5公里之间的至少4层的风分量记录数据。对于一年数据来说，每个季节至少有50次探测符合这些标准来确定某一年的混合高度，并且在38年期间至少有25年的数据符合这一要求，则测站数据被认为是足够的。 灵敏度测试表明，稍微改变这些要求对数据保留率或估计的趋势影响不大。

图1. 20个欧洲站点夏季白天（1200 UTC）行星边界层高度（黑点曲线），地面气温（蓝色x曲线）和地面相对湿度（红色x曲线）的时间序列。误差棒表示有关季节均值的日数值的个标准偏差。绘制的线性趋势线为具有95％或更高置信水平的显著趋势序列。

在对北极行星边界层趋势的相关分析中，Zhang和Seidel（2011）发现由于无线电探空仪垂直分辨率的变化导致接地逆温特性发生虚假变化，并强调需要确保这种变化不会使得趋势估计出现偏差。在这里，我们使用类似的非参数统计方法，识别时间序列中行星边界层高度的可能突变点，以及与行星边界层高度相关联的每个站点探测出来的垂直分辨率上的突变点。通过使用1973年作为开始日期，也许因为混合高度受探空仪分辨率变化的影响比逆温层高度小，我们发现只有少数台站的记录受到这些数据不均匀性的影响。 这些受到影响的记录被删去以消除较低分辨率的数据时间段。尽管满足我们要求的探空仪垂直分辨率比例随着时间的推移而增加，有些时候突然增加，但在某些地点，行星边界层高度没有明显变化。

图2. 1973-2010年白天（1200 UTC）行星边界层高度的季节性趋势图。以粗黑线标出的符号表示在95％或更高置信水平下统计显著的值。各站之间的数据周期不同；详见表1。

这些考虑因素导致在0000UTC（近午夜）有22个站点和1200UTC（接近中午）的25个站点用于趋势分析，但并非所有站点在所有四个季节都有足够的有效数据。表1给出了站点位置信息以及季节趋势。由于夜间趋势大都不具有统计显著性，因此我们将重点放在日间行星边界层高度变化上。

3.结果

图1显示了20个欧洲站的夏季[6-8月] 白天平均（标准偏差）行星边界层高度（黑点曲线）的时间序列。典型的高度为1公里，但在过去几十年中，大多数台站（20个中的16个）显示出统计显著性增加。表1给出了每个台站在所有季节的趋势数值，图2显示了所有四个季节高度的日间趋势。白天的趋势是绝对部分都是增加，所有统计显著的趋势和大部分没有统计显著的趋势都表明行星边界层高度出现增加趋势。白天的显著趋势范围从38到381 m/10年，平均值为76m/10年，并且高度的季节结构的趋势不明显。夜间趋势较小，统计显著性趋势就更少，且和白天的趋势比好像更多呈现的是下降趋势（这里未显示）。在本研究中使用的总体Ri方法用于计算夜间高度时具有相对较大的不确定性（Seidel et al 2012），这导致了趋势估计的不确定性。

图3. 1973-2010年白天（1200 UTC）季节平均边界层高度与地面相对湿度的相关系数。以粗黑线标出的符号表示在95％或更高置信水平下统计显著的值。各站之间的数据周期不同；详见表1。

近地面大气条件的变化预计会导致行星边界层高度的变化。实际上，Ri（z）取决于包括近地表观测的垂直梯度。我们分析了z（Ri_0.25）和无线电探空数据中的近地表（2 m）相对湿度，温度和风分量数据之间的关联。近地表相对湿度和温度趋势的数值包含在表1中。图1中大多数站点（6个站点中的5个站）的地面气温（蓝色x曲线）表现出统计显著增加（Solomon等2007）。在图1中，大多数台站的夏季地表相对湿度（红色x曲线）显示统计显著下降，这与Dai（2006）和Simmons 等（2010）的研究相一致，他们发现欧洲的相对湿度分别在1976 - 2004年和1973 - 2008年间有减少的趋势。

图4. 与图3类似，但是是白天季节平均边界层高度与地面气温之间的相关系数

图3显示了白天季节平均值z（Ri0.25）和地表相对湿度之间的相关性。所有季节都是负相关，其中在夏季负相关最为强烈，且统计显著性更频繁。最强烈的反相关（-0.85）在夏天的德国Lindenberg站点（52°N，14°E）发现。这些相关性表明，低于平均地面相对湿度的季节，其行星边界层高度比平均行星边界层高度高。另外，长期趋势里更高的行星边界层高度与长期减少的相对湿度有关系。类似的表面温度相关图（图4）显示了冬季，春季和夏季强烈的正相关。因此，比季节平均气温高通常与高于平均行星边界层高度相联系，并且之前记录的地表温度升高（例如Hansen等2010）与行星边界层高度上升有关系。这些趋势与这一结论相一致，更高的地面气温和更低的地面相对湿度会导致更高的显热通量和更低的潜热通量，从而形成更深的对流和更高的高度。使用类似的相关分析方法分析近地表风速，结果显示风速和高度之间没有显著关联。这些关于每个季节的相关分析也通过使用每天的边界层高度来进行分析的。一般来说（但这里没有显示），日变化显示出与年变化类似的关系。

4.结论

分析1973-2010年期间欧洲行星边界层高度的趋势，发现日间行星边界层高度有明显变化，并与一些地面气候变量密切相关。大多数欧洲台站分析显示，四季日间行星边界层高度具有统计性显著增加。夜间趋势要小得多，不太一致，并且统计意义不大。日间高度与地面相对湿度呈显著负相关，与地面气温呈正相关。行星边界层高度的增加与地面相对湿度的降低和地面气温的增加有关。

对这些结果的解释受制于与无线电探空站数据的空间代表性相关的问题。这里提出的趋势是否表明欧洲较大区域的边界层高度也发生了变化是很难确定。

致谢： 这项工作由中国国家基础科研项目（批准号：2012CB825605）和国家自然科学基金项目（41304125）共同资助。张叶晖对江苏省高等学校优势学科发展计划（南京信息工程大学）和南京信息工程大学（20110414）的支持表示感谢。

参考文献

Dai, A., 2006: Recent climatology, variability, and trends in global surface humidity. J. Climate, 19, 3589–3606.

Durre, I., R. S. Vose, and D. B. Wuertz, 2006: Overview of the integrated global radiosonde archive. J. Climate, 19, 53–68.

Hansen, J., R. Ruedy, M. Sato, and K. Lo, 2010: Global surface temperature change. Rev. Geophys., 48, RG4004, doi:10.1029/ 2010RG000345.

Lanzante, J. R., 1996: Resistant, robust and non-parametric techniques for the analysis of climate data: Theory and examples including applications to historical radiosonde station data. Int. J. Climatol., 16, 1197–1226.

Liu, S., and X.-Z. Liang, 2010: Observed diurnal cycle climatology of planetary boundary layer hei

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