大气边界层是受下垫面摩擦、热过程和蒸发显著影响的大气层。城市大气边界层因人类生产、生活对其下垫面显著的改造作用而表现出区别于其他下垫面边界层的许多特有性质^[1-5]。即使是与城市相近的郊区，二者的边界层特征也会有较大差异^[6-8]。随着城市化的发展和越来越多的污染物及热量排放进入大气，城市的辐射平衡和热平衡受到极大影响，从而造成城市温、湿、风等气象要素愈趋复杂化，这些气象要素的重新分配又会影响污染物的扩散和堆积，进一步影响能量平衡^[9-14]。同为山谷城市的兰州市，白天逆温层很可能因为大气逆温层与大气污染物之间相互正反馈过程而逐渐演变加强^[15]，所以通过对边界层气象条件的分析可以进一步研究污染物的扩散、堆积状况^[16-17]。因此，研究大气边界层气象要素时空分布特征及其变化规律，对城市污染预报体系的建立具有很好的推动作用。

乌鲁木齐市位于东南高而窄、西北低而阔的喇叭口形峡谷地带，三面环山，城中有红山阻隔，冬季漫长而寒冷，采暖期污染物排放量大，造成乌鲁木齐市冬季大气污染十分严重，是全国空气污染最为严重的城市之一。乌鲁木齐市低空大气温度层结全年以弱稳定为主，冬季逆温强度增加得更为明显^[18]。冬季逆温日比例越高，对应的采暖季空气污染指数API值越大，在污染物排放量一定的情况下，污染程度主要取决于悬浮逆温层的底高和厚度以及持续日数^[19]。大气污染物的积聚状态受风速、风向影响也较大，吴彦等^[20]指出冬季600 m和900 m高度上的东南风维持了逆温层的长时间存在，逆温强度得到了加强，间接促进了污染浓度的加重。

由于以往研究多运用探空资料对边界层的风、温度场进行研究，受到探测时间限制，全天只能进行07：00(北京时，下同) 和19：00两次探测，不能反映全天的详细变化状况。本文运用系留探空仪系统，受时间和地点的限制比较小，能够进行间隔为几小时的连续探测，可以较全面地反映温、湿、风的垂直结构及其演变特征，为研究乌鲁木齐冬季大气污染特征提供参考依据。

根据NCEP格点再分析资料 (水平分辨率为1°×1°) 得到1月11日500 hPa高度场 (图 1)。2008年1月10日从乌拉尔山到新疆以西为一高压脊，巴尔喀什湖以西和贝加尔湖以东分别有一低涡，且贝加尔湖以东的低涡中心经贝加尔湖向西伸到新疆的东北方有一横槽，影响新疆的主要为巴尔喀什湖以西槽后的西南气流，东北部地区受到横槽引导的西北气流影响，西南暖湿气流与北方弱冷空气交汇，使乌鲁木齐市产生降雪，由于这一环流形势的稳定维持，在探测时间内，发生多次不连续降雪，如1月11日07:38—09:27，11:35—13:40出现微量降雪，20:36至次日01:36雪量较大，达到4 mm。12日14:45—19:15出现微量降雪，13日01:29—07:40降雪量为2 mm。

图 1

图 1. 乌鲁木齐2008年1月10日20:00 (a) 与11日20:00 (b) 500 hPa高度场 (单位：dagpm) Fig 1. 500 hPa geopotential height at 20:00 10 January 2008 (a) and 20:00 11 January 2008 (b) (unit: dagpm)

探测地点位于乌鲁木齐市展览馆后部小广场 (43°49′N，87°34′E，海拔为803 m)，该测点位于乌鲁木齐市地形斜坡的中间位置，周围有高约20 m的建筑物，毗邻商业中心，为典型的城市下垫面。探测时间为2008年1月11日10：00—13日06：00，共获得20次可用探测资料，11日探测次数为4次，分别为10：00，12：00，16：00和18：00，12日00：00—22：00每隔2 h探测1次，全天探测12次，13日00:00—06:00每隔2 h探测1次，共4次。选取1月21—23日3天无降雪天气条件下02:00，08：00，14：00，20：00共12次探测资料与降雪天气资料进行比较。

本试验应用Vaisala Digicora Ⅲ型系留气球探空探测系统，该系统是一种可以测量多个层面大气状况的软式塔，探测处理器和PC工作站可以按顺序处理挂在系留绳不同高度上的探空仪信号。试验所用仪器为芬兰Vaisala公司生产的TTS111型气象探空仪，对大气边界层风、温、湿、压等气象要素进行了测量。对各种误差进行补偿订正后，地面鉴定的温度、相对湿度、气压、风速和风向的精度分别为0.1 ℃，0.1%，0.1 hPa，0.1 m/s和1°。

本文主要利用大约30 min的气球上升资料。因研究需要，温度转换为位温

(1)

式 (1) 中，θ和t分别为位温和温度，单位：℃；p为气压，单位：hPa。

1月11—13日相对湿度数据缺失，故利用温度露点差来表征大气湿度。因研究需要，将位温和温度露点差平均处理到10 m的分辨率，风速平均处理到50 m的分辨率，风向不加以处理，以散点分布来表征所在高度的风向。风速过大时探测高度受到限制，故选择最低探测高度为研究顶部，位温和温度露点差研究高度为830 m，风速研究高度为850 m，风向研究高度为实际探测顶层。

位温是大气最具表现力的热力属性之一，所以分析大气位温垂直分布状态对认识大气热力边界层的物理结构极其重要^[3]。由图 2可知，白天由于净辐射方向向下，地面处于热量累积阶段，愈靠近地面的大气位温增加愈快，因此近地层大气位温随高度递减，出现近地层超绝热递减层，11日10：00，12：00，16：00和18：00以及12日10：00—12：00均出现近地层超绝热递减层 (图 3a)。超绝热递减层之上有明显的混合层，混合层位温稳定少变，超绝热递减层和混合层构成了白天对流边界层的范围，在这个范围内的大气处于热力对流不稳定状态，其特点是对流旺盛，存在着由向上的湍流热量通量造成的强烈的垂直混合，由于这一特性，白天的大气污染物易于扩散，但由于乌鲁木齐特殊的地形影响，白天位于混合层之上的逆温层顶盖 (即夹卷层) 也较深厚，白天混合层顶即逆温层底位于120~270 m高度，该逆温层结可一直延续到高于探测层顶部830 m高度。逆温强度较大，最大值甚至达到了1.36 ℃·10^-2m^-1(图 3)。

图 2

图 2. 2008年1月11—13日探测期位温垂直结构及其变化情况 (单位：℃) Fig 2. Evolution of the potential temperature structure during the detection period of 11—13 January 2008(unit:℃)

图 3

图 3. 2008年1月11—13日探测期超绝热递减层顶与逆温层底高度 (a) 和逆温强度 (b) Fig 3. Ultra-adiabatic lapse layer tops and inversion layer bottoms (a) and inversion temperature strengths (b) during the detection period of 11—13 January 2008

夜间净辐射方向向上，地面热量减少，近地层大气受到地面影响温度降低，出现贴地逆温，如12日00:00—02:00，12日22:00—13日02:00即出现贴地逆温，该逆温层顶高度超过了探测层顶部。整个逆温层构成了夜间稳定边界层的范围，夜间稳定边界层处于热力稳定状态，几乎不发生热力对流，对大气污染物的扩散极为不利。

2008年1月12日和13日的若干时段并不符合日间形成对流边界层、夜间形成稳定边界层这个一般规律，如在无太阳辐射的12日04:00—08:00与13日04:00—06:00出现浅薄的超绝热递减层，可能与居民取暖造成近地面温度升高有关；而太阳辐射较强的12日12:00—18:00却出现贴地逆温，由图 4可知，14：00，750 hPa出现暖中心，并于20：00移出，表明文中研究时段有明显的暖平流影响，从而造成日间的贴地逆温。12日06：00—08：00，位温梯度出现明显增大，等位温线向上倾斜，08：00后等位温线向下倾斜，说明08：00是一个特殊的时刻，自该时刻起暖平流开始影响此地。08：00—16：00等位温线持续向下倾斜，暖平流对该地的影响从空中逐渐延伸至地面的，至16：00地面位温达到最大值。

图 4

图 4. 2008年1月12日沿探测地点所在经度87.5°E温度平流的经向垂直剖面 (单位：10-5 ℃·s-1) Fig 4. The meridian-height section of temperature advection (unit: 10-5 ℃·s-1) along 87.5°E through the detection area on 12 January 2008

文中逆温强度是研究从逆温层底到探测层顶部的温度变化。2008年1月11日白天至12日凌晨之间的等位温线大致向下倾斜，反映了探测层内位温变化率由白天向夜间增大，也反映出夜间逆温强度要大于白天，由图 3b逆温强度的计算结果显示这一逆温增大趋势非常明显。12日08:00—18:00逆温强度在暖平流的影响下也逐渐增强。14:45—19:15发生降雪，由于降雪的发生使得底部位温降得更低，逆温更加明显。22:00又经历一次类似08:00的等位温线向下倾斜，又有一次暖平流对该地造成影响，在此次暖平流的影响之下，逆温强度依势增强。

露点温度是未饱和湿空气经过等压降温达到饱和状态时所具有的温度，湿空气中水汽含量愈多 (少)，露点温度愈高 (低)，所以露点是反映空气中水汽含量的物理量之一。根据温度与露点的差值可以大致判断出空气距离饱和的程度，温度露点差越大，空气相对湿度愈小，反之则愈大。图 5为温度露点差的等值线图，由图 5可以明显看出，近地面层均出现不同程度的逆湿现象，这与乌鲁木齐市日夜存在的逆温层有很大的关系，2008年1月11日16：00—18：00, 在白天对流边界层条件下, 200—250 m高度出现明显的湿中心，这与11日白天200 m左右的逆温层底高度相对应，由于逆温层的存在使得湍流混合作用减弱，物质的输送也相应减弱，近地层湍流输送到高处的水汽大部分被阻滞在逆温层底部，使这一层出现明显的湿中心，在逆温层顶盖中又有相对的干中心，进一步说明了水汽受到逆温层的抑制，这一结论与张强等^[3]干旱荒漠区下垫面对流边界层近地层比湿递减结论相反，逆温层顶盖中比湿减弱结论相同。探测层顶部有湿中心出现可能是受到上部残余混合层中水汽影响的结果。

图 5

图 5. 2008年1月11—13日探测期温度露点差垂直结构及变化情况 (单位：℃) Fig 5. Evolution of the depression of the dew point structure during the detection period of 11—13 January 2008(unit:℃)

2008年1月12日00：00—08：00，在夜间稳定边界层之下，湿度从探测底层到200~300 m高度处出现逆湿现象，但变化不大，远小于11日白天的逆湿程度，这与张强等^[3]稳定边界层比湿从地表向上递增的结论相一致。在450 m和700 m处出现5℃的干中心。13日04:00—06:00湿度随高度的分布基本与以上一致，随高度的递增出现微弱的逆湿现象，再往上湿度降低明显，温度露点差值达到8~9℃。

由图 6可知，2008年1月12日从探测点底部到探测点顶部 (约950 hPa) 相对湿度维持在60%左右，结合图 3所显示暖平流，说明在该时段有暖湿气流对该地区造成影响。受暖湿气流的影响，12日白天至13日02:00大气边界层出现了持续时间较长的湿中心，自该中心向上、向下湿度均减小。

图 6

图 6. 2008年1月12日沿探测地点所在经度87.5°E相对湿度分布的经向垂直剖面 (单位：%) Fig 6. The meridian-height section of relative humidity along 87.5°E through the detection area on 12 January 2008(unit:%)

由图 7可知，2008年1月11日10：00—16：00的近地层风向分布比较散乱，但依然可以看出主导风为偏北方向。100~200 m以下，随着地面摩擦力的减小，风速随高度逐渐增加，并于100~200 m之间出现风速极大值拐点 (即风速开始随高度减小的拐点)。200~300 m风向分布逐渐集中，由于受到稳定逆温层的影响，湍流受到抑制，风速也相应减弱，并出现风速极小值拐点 (即风速由向上递减转为递增的拐点)，11日10：00风向随高度由350 m的偏西向顺转 (16方位风向图上顺时针偏转) 为1000 m的偏北向；12：00，由350 m的东南风顺转为450 m的北风，两时段风向顺转时，风速随高度增大。12：00风向于450 m处转为逆转。相应地，风速出现极大值拐点，风速自该高度开始递减；在900 m高度上风向转变为顺转，风速出现极小值拐点，风速开始随高度递增。可见，在固定偏转方式的风向控制之下，风速变化趋势不发生变化；当风向偏转方式发生改变时，风速变化趋势也相应改变，出现风速极大或极小值拐点。而风的偏转形式受到诸多因素的影响，如背景环流、局地地形、热岛效应等的影响，这就造成了风向多变、风速呈波动状增大的廓线。

图 7

图 7. 2008年1月11—13日探测期风速与风向廓线图 Fig 7. Wind speed and direction profiles during the detection period of 11—13 January 2008

2008年1月12日00：00—04：00，风向和风速廓线分布形式较类似，是一个随时间发展的过程，与11日白天类似，近地层主导风向依然为偏北风，在100~200 m高度以下，风速出现极大值，200~300 m之间，风速出现极小值，随着风向集中高度的抬升，另一风速极大值点的出现高度相应抬升，由00：00和02：00的300 m，抬升到了04：00的400 m，在风向的偏转方式发生改变的情况下，00：00和02：00于600 m处出现极小值拐点，此拐点向上风速随高度增加，但增大速率较小，受到风向偏转影响而波动地增加。

2008年1月12日06:00—14:00是受暖平流影响的时段，近地层主导风向为偏北风，近地层风速极大值出现高度随时间逐渐抬升，由06:00和08:00的100 m抬升至14:00的300 m，极小值点也抬升至400 m处，400~800 m高度之间风向稳定维持，风速值增大明显，出现极大值拐点，并分别在800 m高度处出现极小值拐点，向上，风向偏转趋势稳定，风速相应随高度增加速率较快，基本上不发生波动。12日16：00—22：00是冷暖平流交汇发生降雪的时期，风速和风向廓线变化波动较大，规律不明显。

2008年1月13日00：00—06：00，风速和风向廓线分布较前一日该时段的分布波动频次明显增多，极值出现明显增多，但依然可以看出“高-低-高-低”的变化状态，近地层风向以偏北和偏东方向为主，上层多以东南和偏南方向为主。

2008年1月20—22日无降雪发生，并伴有轻雾，为乌鲁木齐冬季典型的天气状况。由图 8可见，无降雪天大气边界层日变化特征较为明显，14：00近地面层为超绝热递减层，超绝热递减层顶均位于100 m高度处。超绝热递减层上部混合层明显，厚度可达100 m，混合层上部为深厚的逆温层，由于探测高度的限制，只有1月20日的探测超过了逆温层顶，此时逆温层顶高度为900 m。边界层相对湿度变化均为由地表向上逆增，并在250~350 m高度处形成湿中心，与200 m高度处的逆温层底相对应，自湿中心向上相对湿度随高度递减，递减至一定高度又出现湿度逆增的情况，认为是由于上部残余混合层中水汽的影响。20：00作为傍晚大气边界层结构的代表，除21日出现50 m的超绝热递减层，其余几日均为贴地逆温。相对湿度与白天的变化特征类似，受贴地逆温的影响，湿中心出现位置偏低，为140~310 m。02：00出现50~100 m高的超绝热递减层，认为是由于取暖加热大气造成，相对湿度中心位于180~330 m之间，低于白天，高于傍晚，湿中心位置高于傍晚是由于逆温层底高度较傍晚抬升。08：00日出前大气边界层温度层结与傍晚时类似，逆温层底较低，甚至出现贴地逆温，但相对湿度变化特征与其他时段有所不同，20日和22日两天由于深厚的贴地逆温的存在，湿度自地面向上递减，未出现近地层湿中心。

图 8

图 8. 2008年1月20—22日无降雪天位温与相对湿度廓线图 Fig 8. Potential temperature and relative humidity profile in the usual days of 20—22 January 2008

风速、风向日变化规律 (图略) 不如温度和湿度明显，近地层风向以偏北风为主，风速随高度波动增加，100~200 m之间出现风速极大值拐点，300~400 m之间多出现风速极小值拐点。总之，随风向偏转方式改变风速变化趋势也相应改变，出现风速极大或极小值拐点，风向在高空多为偏南风。

1) 乌鲁木齐城区冬季非降雪天气条件下和有不连续降雪影响时，白天对流边界层特征均比较明显，降雪过程对温度层结的影响不大，在暖气团平流影响下，白天亦可出现贴地逆温，且该逆温强度可大于夜间逆温强度。夜间多出现稳定边界层特征的贴地逆温。

2) 在降雪和非降雪天，白天逆温层底均出现湿中心，其上部出现干中心。降雪天湿中心高度低于非降雪天。夜间，近地层出现微弱的逆湿现象，上部出现明显干中心，非降雪天近地层湿中心位置低于白天；降雪天湿度分布特征类似，但近地层逆湿现象比非降雪天弱，湿中心不明显，干中心较为明显。

3) 风速因风向的变化随高度呈波动增加。降雪天和非降雪天风速、风向变化规律基本类似。风向在近地层分布散乱，但主导风向为偏北风，风向从近地层之上以顺转或逆转方式偏转至高空，高空主导风向为东南风。风速多因风向改变而出现极大值或极小值，其值常以“高-低-高-低”形式出现于特定高度，风速因风向的变化呈波动状随高度递增。

乌鲁木齐市白天边界层温度层结特征与张强等^[3]研究的干旱荒漠下垫面对流边界层温度层结特征类似, 均有清晰的超绝热递减层、混合层和逆温层顶盖，但由于乌鲁木齐市所处地形特殊，白天位于混合层之上的逆温层顶盖较前者深厚且高度较低。

在对流边界层条件下，水汽分布有随高度递增的现象，由于逆温层顶盖对湍流输送的阻滞，水汽在逆温层底部聚集，出现湿中心，湿中心上部由于水汽分布减少，湿度随高度的增加而减小，受逆温层顶盖上部残余混合层水汽的影响，高空又形成一个干中心。这与张强等^[3]研究的对流边界层条件下干旱荒漠下垫面水汽在近地层随高度递减结论不同, 可能是由于城市下垫面水汽含量远大于干旱荒漠下垫面，且城市粗糙下垫面使得近地层空气垂直混合加强，并使水汽分布受到近地层湍流影响显著，出现区别于荒漠开阔下垫面的分布特征。这一湿度分布特征在降雪与非降雪天基本类似，只是湿中心高度有所变化，降雪天湿中心高度低于非降雪天。夜间，近地层出现微弱的逆湿现象，向上湿度降低明显或出现明显的干中心，非降雪天稳定边界层条件下，湍流作用较弱，近地层湿中心位置低于白天，自湿中心向上湿度随高度降低，由于上部残余混合层水汽的影响，使得湿中心上部出现相对干中心，降雪天湿度分布特征类似，但近地层逆湿现象比非降雪天弱，湿中心不明显，干中心较为明显。

风向在近地层分布情况在湍流较强时较散乱，但依然能突出主导风向为偏北风，风向从近地层往上以顺转或逆转方式偏转至高空。由于城市下垫面地面摩擦力逐渐减小风速随高度逐渐增大，并多在100~200 m高度达到极大值，200~300 m高度多因风向集中或偏转而出现极小值拐点，在400~500 m高度之上多由于平流的影响出现极大值，在700~800 m高度处或更高处出现极小值拐点，再向上风速随高度增大，高空主导风向为东南风。总之，受下垫面特征和探测区地形的影响，风速、风向随高度的分布明显较其他城市复杂^{[2, 7]}。

本文因探测时间较短，同时受到风速影响未探测到边界层高度，故未能监测到更完整、更多个例的边界层逆温变化特征，所以分析还不够透彻，需要更深入的工作来加以完善。