東亞、北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度變化及其影響因素

趙艷茹，毛文茜，張珂銓，牛笑應(yīng)，李佳蕓，張文煜

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院∥甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

東亞、北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度變化及其影響因素

趙艷茹，毛文茜，張珂銓，牛笑應(yīng)，李佳蕓，張文煜

(蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院∥甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting)20世紀(jì)第一代再分析資料ERA-20C(the ECMWF twentieth century reanalysis)對東亞、北非2個(gè)典型干旱半干旱區(qū)1900-2010年邊界層高度變化及其與氣象要素變化之間聯(lián)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：① 兩個(gè)地區(qū)的邊界層高度在整體變化、年際變化以及年代際變化中基本呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，整體趨勢中東亞為顯著上升趨勢，氣候傾向率為1.87 m/10a，北非為顯著下降趨勢，氣候傾向率為-2.13 m/10a；在11個(gè)年代里，有8個(gè)年代的變化呈相反趨勢。② 干旱半干旱區(qū)邊界層高度的變化均與地氣溫差、相對濕度、風(fēng)速的變化有一定聯(lián)系，其中相對濕度與邊界層高度的變化最為緊密，在兩個(gè)地區(qū)均為顯著性的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.778 4、-0.618 4。

干旱半干旱區(qū)；邊界層高度；變化；氣象因素

隨著氣候變暖，過去的幾十年干旱和干旱化的發(fā)生、發(fā)展呈增強(qiáng)的趨勢[1]。全球范圍內(nèi)有多個(gè)干旱帶，其中亞非干旱帶覆蓋面積最大，其西起非洲撒哈拉沙漠，東至中蒙干旱區(qū)。東亞干旱半干旱區(qū)位于亞非干旱帶東段，下墊面較為復(fù)雜，受季風(fēng)氣候明顯，覆蓋了東亞絕大部分面積，包括中國北方大部、蒙古高原和中亞部分地區(qū)，人口密度也較其他干旱區(qū)密集[2-4]。北非干旱半干旱區(qū)位于亞非干旱帶西段，地形以高原為主，地勢較平坦，深受副熱帶高氣壓帶控制，以氣流下沉為主，為典型的熱帶沙漠氣候和地中海氣候。

大氣邊界層是直接受地球表面影響最大的低層大氣，其變化直接影響著地圈、水圈、冰雪圈、生物圈與大氣圈之間的能量物質(zhì)交換，對天氣和氣候有重要的影響[5]。干旱半干旱區(qū)的地表植被通常較為稀疏、反射率較高、加熱較強(qiáng)，形成較為獨(dú)特的有別于其他下墊面的大氣邊界層[6]。1992年，Garratt[7]指出低緯度干旱荒漠區(qū)在盛夏白天加熱較強(qiáng)的條件下邊界層厚度能達(dá)到5 km；1999年，Takemi[8]利用探空資料推測出中國西北河西走廊干旱區(qū)能夠出現(xiàn)超過4 km的對流邊界層；2005年，張強(qiáng)等[9]通過2000年的實(shí)際觀測發(fā)現(xiàn)西北極端干旱區(qū)在夏季晴天能夠形成超過4 km的對流邊界層；2008年，Marsham等[10]在非洲撒哈拉沙漠觀測到高達(dá)5.5 km的深厚對流邊界層。這些研究揭示了干旱半干旱區(qū)大氣邊界層的獨(dú)特性。但由于邊界層外場觀測成本高、難度大、周期長[11]，目前關(guān)于邊界層高度的研究在空間上多局限于站點(diǎn)，時(shí)間尺度也較短，對大尺度時(shí)空范圍的邊界層高度變化需要進(jìn)一步的研究。

在全球變暖的背景下，東亞、北非干旱半干旱區(qū)作為全球典型的干旱半干旱區(qū)域，大氣邊界層又具有著獨(dú)特性，其邊界層高度在近110 a的長時(shí)間尺度上是否發(fā)生了變化？兩個(gè)地區(qū)的變化是否一致？已有的研究[12-15]指出，邊界層高度與溫、風(fēng)、濕等氣象要素之間可能存在一些聯(lián)系，那么東亞、北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度的變化與這些氣象要素之間存在怎樣的聯(lián)系？都是值得探討的。歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF在2015年發(fā)布了一套新的再分析資料——ERA-20C，時(shí)間范圍為1900-2010年，為分析研究大尺度時(shí)空范圍的邊界層高度變化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文章利用ERA-20C再分析資料中的邊界層高度、地面氣溫、地表溫度、露點(diǎn)溫度、地面風(fēng)速等物理量對東亞、北非干旱半干旱區(qū)1900-2010年邊界層高度變化及其與氣象要素變化的聯(lián)系進(jìn)行了研究，比較了2個(gè)地區(qū)異同點(diǎn)，對干旱半干旱區(qū)大氣邊界層高度特征進(jìn)行了初步研究。

1 數(shù)據(jù)與方法介紹

1.1 數(shù)據(jù)介紹與處理

文章選用ERA-20C中的邊界層高度(BLH)、地面溫度(Ta)、地表溫度(Ts)、露點(diǎn)溫度(Td)、地面風(fēng)速(WS)等物理量的月均資料，時(shí)間為1900-2010年，空間分辨率為0.125°×0.125°。在ERA-20C中，邊界層高度的計(jì)算主要采用兩種方法[16]，對流條件采用氣塊法[17-18]，中性和穩(wěn)定條件下采用整體理查森數(shù)方法[19]。

為驗(yàn)證ERA-20C再分析資料中邊界層高度，利用2006年04月-2010年12月我國榆中、張掖的探空數(shù)據(jù)，采用Liu等[20]的方法計(jì)算了邊界層高度，并與ERA-20C中的邊界層高度進(jìn)行了比較，兩者在數(shù)值上存在一定的差異性，這可能是由于探空數(shù)據(jù)的觀測始于北京時(shí)07：15和19：15，而ERA-20C可提供的數(shù)據(jù)時(shí)間為北京08：00和20：00，但從圖1中可以看出，兩者的變化趨勢大體是一致的，說明ERA-20C是可以表征邊界層高度變化特征的。

圖1 ERA-20C再分析資料與探空觀測資料的比較Fig.1 Comparison of ERA-20C reanalysis data with sounding observational data

研究中，計(jì)算了地氣溫差(Ts_Ta)、相對濕度(U)，方法如下：

Ts-Ta=Ts-Ta

(1)

其中Ts為地表溫度，Ta為地面氣溫，Ts_Ta為地氣溫差，單位均為℃。

U=e/es

(2)

(3)

(4)

其中e為實(shí)際水汽壓，es為飽和水汽壓，單位均為hPa，e0=6.107 8 hPa，為T=0 ℃時(shí)的飽和水汽壓，a、b為常系數(shù)，a=17.269，b=35.86。

1.2 分析方法

研究中使用了距平、氣候傾向率兩個(gè)常用的統(tǒng)計(jì)量。距平為一組數(shù)據(jù)的某一個(gè)數(shù)xi與均值之間的差，是最常用的表示氣候變量偏離正常情況的量，計(jì)算方法如下：

xi(i=1, 2, …,n)表示樣本量為n的某一氣候變量，ti(i=1, 2, …,n)表示對應(yīng)的時(shí)間：

(5)

其中Axi為氣候變量的距平。

氣候傾向率表示變量隨時(shí)間的趨勢傾向，利用最小二乘法建立xi和ti之間的一元線性回歸：

xi=a+bti(i=1,2,…,n)

(6)

其中a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，b×10即氣候傾向率，單位為/10a。b>0時(shí)，表明隨時(shí)間t的增加x呈上升趨勢；反之b<0時(shí)，x呈下降趨勢。

2 結(jié)果與討論

2.1 邊界層高度的年際變化及其影響因素

東亞干旱半干旱區(qū)的邊界層高度表現(xiàn)出年際震蕩的變化特征，1965年之前主要表現(xiàn)為負(fù)距平，之后主要表現(xiàn)為正距平，說明1965年之后東亞的邊界層高度有明顯的抬升趨勢。結(jié)合圖2中各要素的變化，可以發(fā)現(xiàn)邊界層高度的變化特征及其與各氣象因素之間的關(guān)系，大致可以分為7個(gè)階段：1900-1906年，邊界層高度表現(xiàn)為持續(xù)的負(fù)距平，該階段地面氣溫、地表溫度、地氣溫差的距平均為先正后負(fù)，相對濕度為正距平、風(fēng)速為負(fù)距平，由于相對濕度偏高時(shí)，到達(dá)地面的太陽輻射分配給潛熱的部分會(huì)偏大，導(dǎo)致分配給邊界層發(fā)展的能量偏小，使得邊界層高度偏低，而風(fēng)速偏小時(shí)，邊界層發(fā)展的動(dòng)力部分相應(yīng)偏小，使得邊界層高度偏低，因此該階段邊界層高度的持續(xù)負(fù)距平，主要由相對濕度和風(fēng)速起主導(dǎo)作用；1906-1930年，邊界層高度呈現(xiàn)接近于0的距平，地面氣溫、地表溫度距平接近于0，地氣溫差為持續(xù)正距平，相對濕度主要為正距平，風(fēng)速基本為負(fù)距平，由于地氣溫差偏大時(shí)，感熱通量就會(huì)偏大，使得邊界層高度偏高，而相對濕度偏大、風(fēng)速偏小使得邊界層高度偏低，這兩種作用相互抵消，使得該階段的邊界層高度距平接近于0；1930-1950年，邊界層高度表現(xiàn)為負(fù)距平，其中正距平的地氣溫差會(huì)導(dǎo)致邊界層高度偏高，正距平的相對濕度、負(fù)距平的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致邊界層高度偏低，說明該階段相對濕度和風(fēng)速為主要影響因素，使得邊界層高度為負(fù)距平；1950-1965年，邊界層高度表現(xiàn)為負(fù)距平，其中地氣溫差為負(fù)距平、相對濕度為正距平，會(huì)導(dǎo)致邊界層高度偏低，風(fēng)速為正距平，會(huì)導(dǎo)致邊界層高度偏高，說明該階段地氣溫差和相對濕度為主要影響因素；1965-1975年，邊界層高度表現(xiàn)為正距平，其中地氣溫差為負(fù)距平，會(huì)導(dǎo)致邊界層高度偏低；相對濕度為負(fù)距平、風(fēng)速為正距平會(huì)導(dǎo)致邊界層偏高，可見該階段相對濕度和風(fēng)速為主要影響因素；1975-1995年，邊界層高度表現(xiàn)為接近于0的距平，其中地氣溫差為持續(xù)正距平，相對濕度距平先負(fù)后正，風(fēng)速為正距平但接近于0，說明三者的作用相互基本相互抵消；1995-2010年，邊界層高度呈現(xiàn)為正距平，地氣溫差距平接近于0，相對濕度為負(fù)距平、風(fēng)速為正距平，會(huì)導(dǎo)致邊界層高度偏高，可見該階段相對濕度和風(fēng)速為主要影響因素。

圖2 東亞、北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度及各氣象因素的距平分布圖Fig.2 The anomaly of BLH and the meteorological factors of arid and semiarid area over East Asia and North Africa

北非干旱半干旱區(qū)的邊界層高度也表現(xiàn)出年際震蕩的變化特征，1940年之前、1960-1970年間主要表現(xiàn)為正距平，1970年之后主要表現(xiàn)為負(fù)距平，1940-1960年間年際震蕩幅度較大。結(jié)合圖2中各要素的變化，可以發(fā)現(xiàn)邊界層高度的變化特征及其與各氣象因素之間的關(guān)系，大致也分為7個(gè)階段：1900-1915年，邊界層高度表現(xiàn)為正距平，其中正距平的地氣溫差、負(fù)距平的相對濕度會(huì)導(dǎo)致邊界層偏高，而負(fù)距平的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致邊界層偏低，可見該階段地氣溫差和相對濕度為主要影響因素；1915-1940年，邊界層高度表現(xiàn)為正距平，地氣溫差為正距平，相對濕度距平表現(xiàn)為正負(fù)交替，風(fēng)速為負(fù)距平，說明該階段地氣溫差為主要影響因素；1940-1960年，邊界層高度距平的正負(fù)表現(xiàn)出較大幅度的年際震蕩，各氣象要素中只有相對濕度距平的正負(fù)表現(xiàn)為明顯的年際震蕩，其他均均接近于0，可見該階段相對濕度為主要影響因素；1960-1970年，邊界層高度表現(xiàn)為正距平，地面氣溫、地表溫度距平表現(xiàn)為年際震蕩，但地氣溫差表現(xiàn)為明顯的負(fù)距平，相對濕度表現(xiàn)為明顯的負(fù)距平，風(fēng)速主要為正距平，說明該階段相對濕度和風(fēng)速為主要影響因素；1970-1990年，邊界層高度表現(xiàn)為負(fù)距平，地氣溫差表現(xiàn)為年際震蕩，相對濕度為正距平，風(fēng)速為正距平，說明該階段相對濕度為主要影響因素；1990-2000年，邊界層高度表現(xiàn)為負(fù)距平，各氣象因素均為正距平，說明該階段相對濕度為主要影響因素；2000-2010年，邊界層高度距平的正負(fù)表現(xiàn)為小幅度的年際震蕩，各氣象因素中只有相對濕度距平的正負(fù)表現(xiàn)為明顯的年際震蕩，其他氣象要素均為正距平，說明該階段相對濕度為主要影響因素。

2.2 邊界層高度的年代際變化及其影響因素

從東亞各個(gè)年代的變化來看，如圖3和表1所示，1900-1910年，邊界層高度呈明顯的上升趨勢，變化率為46.07 m/10a，其中地面氣溫、地表溫度均為升高趨勢，變化率分別為0.04 ℃/10a、0.15 ℃/10a，地表溫度的上升趨勢大于地面氣溫的上升趨勢，導(dǎo)致地氣溫差為升高趨勢，變化率為0.11 ℃/10a，相對濕度為降低趨勢，變化率為-3.75%/10a，風(fēng)速為變小趨勢，變化率為-0.02 m/(s·10a)-1，其中升高的地氣溫差和降低的相對濕度為該階段邊界層高度上升的主要影響因素；同理分析，可以得出，1910-1920年，升高的相對濕度(1.55%/10a)和降低的風(fēng)速(-0.03 m/(s·10a))為主要影響因素，使得邊界層高度呈下降趨勢(-9.26 m/10a)；1920-1930年，降低的相對濕度(-0.92%/10a)和增大的風(fēng)速(0.15 m/(s·10a))為主要影響因素，使邊界層高度呈上升趨勢(5.26 m/10a)；1930-1940年，降低的地氣溫差(-0.11 ℃/10a)、升高的相對濕度(0.30%/10a)和降低的風(fēng)速(-0.05 m·(s·10a)-1)共同作用導(dǎo)致邊界層高度呈下降趨勢(-3.30 m/10a)；1940-1950年，降低的地氣溫差(-0.10 ℃/10a)和升高的相對濕度(0.63%/10a)為主要影響因素，使得邊界層高度呈較明顯的下降趨勢(-14.46 m/10a)；1950-1960年，升高的相對濕度(0.09%/10a)為主要影響因素，使得邊界層高度呈較明顯的下降趨勢(-15.85 m/10a)；1960-1970年，降低的相對濕度(-3.08%/10a)和增大的風(fēng)速(0.05 m/(s·10a))為主要影響因素，使得邊界層高度呈明顯的上升趨勢(43.43 m/10a)；1970-1980年，升高的相對濕度(2.57%/10a)和降低的風(fēng)速(-0.03 m/(s·10a)-1)為主要影響因素，使得邊界層高度呈較明顯的下降趨勢(-26.12 m/10a)；1980-1990年，升高的相對濕度(1.39%/10a)為主要影響因素，使得邊界層高度呈下降趨勢(-5.50 m/10a)；1990-2000年，升高的地氣溫差(0.08 ℃/10a)和下降的相對濕度(-1.23%/10a)和升高的風(fēng)速(0.05 m/(s·10a))共同作用導(dǎo)致邊界層高度呈較明顯的上升趨勢(22.74 m/10a)；2000-2010年，升高的相對濕度(0.81%/10a)為主要影響因素，使得邊界層高度呈較明顯的下降趨勢(-26.43 m/10a)。

整體趨勢來看，近110年東亞邊界層高度的氣候傾向率為1.87 m/10a，呈顯著上升趨勢，地面氣溫、地表溫度均為顯著升高趨勢，變化率分別為0.11和0.09 ℃/10a，地表溫度的上升趨勢小于地面氣溫的上升趨勢，導(dǎo)致地氣溫差為顯著降低趨勢，變化率為-0.01 ℃/10a，相對濕度為顯著降低趨勢，變化率為-0.09%/10a，風(fēng)速為顯著變大趨勢，變化率為0.01m/(s·10a)，其中降低的地氣溫差會(huì)導(dǎo)致邊界層高度降低，而降低的相對濕度和變大的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致邊界層高度上升，從結(jié)果來看，東亞干旱半干旱區(qū)降低的相對濕度和變大的風(fēng)速成為主要影響因素，使得邊界層高度呈現(xiàn)出上升的趨勢。

圖3 東亞、北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度及各氣象因素的變化趨勢Fig.3 The trend of BLH and the meteorological factors of arid and semiarid area over East Asia and North Africa

年代BLH/mTa/℃Ts/℃(Ts_Ta)/℃U/%WS/(m·s-1)1900-191046.07**0.040.150.11-3.75**-0.021910-1920-9.260.630.640.011.55-0.031920-19305.26-0.67-0.74-0.07-0.920.151930-1940-3.30-0.69-0.80-0.110.30-0.05*1940-1950-14.46-0.18-0.28-0.100.630.041950-1960-15.85-0.19-0.170.020.090.071960-197043.43*1.37*1.22*-0.15-3.080.051970-1980-26.12-1.10-0.990.112.57-0.031980-1990-5.500.730.740.0031.390.051990-200022.740.840.920.08-1.230.052000-2010-26.43-0.65-0.620.020.810.0011900-20101.87**0.11**0.09**-0.01**-0.09*0.01**

1) **表示通過了99 %的顯著性檢驗(yàn)；*表示通過了95 %的顯著性檢驗(yàn)

從北非各個(gè)年代的變化來看，如圖3、表2所示，1900-1910年，地氣溫差為下降趨勢，相對濕度為升高趨勢，風(fēng)速為變小趨勢，理論上會(huì)導(dǎo)致邊界層高度下降，可能是因?yàn)樵撾A段各變量的變化都比較小，且未通過顯著性檢驗(yàn)，存在一些誤差，導(dǎo)致結(jié)果的不合理；1910-1920年，上升的地氣溫差(0.14 ℃/10a)為主要影響因素，使邊界層高度呈明顯的上升趨勢(33.72 m/10a)；1920-1930年，變小的風(fēng)速(-0.05 m/(s·10a))為主要影響因素，使邊界層高度為下降趨勢(-10.58 m/10a)；1930-1940年，降低的地氣溫差(-0.12 ℃/10a)為主要影響因素，使邊界層高度呈下降趨勢(-6.09 m/10a)；1940-1950年，升高的地氣溫差(0.02 ℃/10a)和增大的風(fēng)速(0.03 m/(s·10a))為主要影響因素，使邊界層高度呈上升趨勢(6.42 m/10a)；1950-1960年，降低的相對濕度(-1.77%/10a)和增大的風(fēng)速(0.004 m/(s·10a))為主要影響因素，使邊界層高度呈較明顯的上升趨勢(29.85 m/10a)；1960-1970年，升高的相對濕度(2.18%/10a)為主要影響因素，使邊界層高度呈明顯的下降趨勢(-53.08 m/10a)；1970-1980年，升高的相對濕度(1.35%/10a)為主要影響因素，使邊界層高度呈明顯的下降趨勢(-45.21 m/10a)；1980-1990年，上升的地氣溫差(0.08 ℃/10a)和降低的相對濕度(-1.04%/10a)為主要影響因素，使邊界層高度呈明顯的上升趨勢(43.70 m/10a)；1990-2000年，降低的地氣溫差(-0.03 ℃/10a)為主要影響因素，使邊界層高度呈下降趨勢(-3.91 m/10a)；2000-2010年，升高的地氣溫差(0.04 ℃/10a)和和增大的風(fēng)速(0.03m/(s·10a))為主要影響因素，使邊界層高度呈上升趨勢(3.74 m/10a)。

整體趨勢來看，近110年北非邊界層高度的氣候傾向率為-2.13 m/10a，呈顯著下降趨勢，地面氣溫、地表溫度均為顯著上升趨勢，變化率分別為0.09、0.10 ℃/10a，地表溫度的上升趨勢略大于地面氣溫的上升趨勢，導(dǎo)致地氣溫差為升高趨勢，變化率為0.003 ℃/10a，相對濕度為升高趨勢，變化率為0.04%/10a，風(fēng)速為顯著變大趨勢，變化率為0.03 m/(s·10a)，其中升高的地氣溫差和變大的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致邊界層高度上升，而升高的相對濕度會(huì)導(dǎo)致邊界層高度降低，從結(jié)果來看，北非干旱半干旱區(qū)升高的相對濕度成為主要影響因素，使得邊界層高度呈現(xiàn)出下降的趨勢。

2.3 東亞與北非的比較

在東亞、北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度距平近110 a的年際變化中地氣溫差、濕度、風(fēng)速三者相互作用導(dǎo)致邊界層高度的變化，其中在東亞干旱半干旱區(qū)，相對濕度和風(fēng)速為邊界層高度距平年際變化的主要影響因素，而在北非干旱半干旱區(qū)，1940年之前地氣溫差和相對濕度為主要影響因素，1940年之后相對濕度為主要影響因素。在年代際的變化中，兩個(gè)地區(qū)邊界層高度的年代變化與地氣溫差、濕度、風(fēng)速均有一定的聯(lián)系，其中在東亞干旱半干旱區(qū)，相對濕度幾乎在每一次變化中都占據(jù)著主導(dǎo)地位，與邊界層高度的變化緊密聯(lián)系，風(fēng)速也發(fā)揮著重要的作用，在北非干旱半干旱區(qū)，地氣溫差與邊界層高度的變化更為緊密，風(fēng)速、相對濕度在不同的年代中也扮演著重要的角色。對比東亞、北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度的年代際變化，可以發(fā)現(xiàn)近110 a的整體趨勢中，兩個(gè)地區(qū)的邊界層高度呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，且北非變化率比東亞要快。比較表1、2中各個(gè)年代變化趨勢，發(fā)現(xiàn)在11個(gè)年代里，有8個(gè)年代兩個(gè)區(qū)域的變化呈相反趨勢，只有1900-1910、1930-1940、1970-1980三個(gè)年代，兩個(gè)區(qū)域的變化呈相同趨勢，說明在大多數(shù)情況下，東亞、北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度的變化呈相反的變化趨勢。

表2 北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度、各氣象因素的每10 a氣候傾向率1)Table 2 The climate trend rates of BLH and the meteorological factors of arid and semiarid area over North Africa

1) **表示通過了99%的顯著性檢驗(yàn)；*表示通過了95%的顯著性檢驗(yàn)

進(jìn)一步，文章計(jì)算了兩個(gè)地區(qū)邊界層高度與各氣象因素之間的相關(guān)性，如表3所示，發(fā)現(xiàn)東亞干旱半干旱區(qū)邊界層高度與地面氣溫、地表溫度呈顯著性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.618 1、0.614 2，均通過了99%的顯著性檢驗(yàn)，與地氣溫差呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.101 4；與相對濕度呈顯著性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.778 4，通過了99%的顯著性檢驗(yàn)；與風(fēng)速成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.048 7。北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度地面氣溫、地表溫度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.181 9、0.146 2，與地氣溫差呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.209 7，通過了95%的顯著性檢驗(yàn)；與相對濕度呈顯著性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.618 4，通過了99%的顯著性檢驗(yàn)；與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.520 1，通過了99%的顯著性檢驗(yàn)。理論上，地氣溫差通過對感熱通量的改變來影響邊界層的發(fā)展，地氣溫差越大，感熱通量越大，邊界層越高，反之邊界層越低；相對濕度通過改變潛熱通量來影響邊界層的發(fā)展，相對濕度越大，更多能量進(jìn)入潛熱，使得邊界層越低，反之邊界層越高；而風(fēng)速是影響邊界層發(fā)展的重要?jiǎng)恿σ蛩?，風(fēng)速越大，湍流動(dòng)力作用越強(qiáng)，邊界層越高，反之邊界層越低。顯然，在東亞干旱半干旱區(qū)，地氣溫差、相對濕度、風(fēng)速與邊界層高度的相關(guān)是合理的，說明在東亞邊界層高度的變化中，三者的變化是正的貢獻(xiàn)作用，而從相關(guān)程度來看，相對濕度的貢獻(xiàn)更為明顯。在北非干旱半干旱區(qū)，地氣溫差和風(fēng)速與邊界層高度的相關(guān)是不合理的，說明在邊界層高度的變化中，兩者的變化是負(fù)的貢獻(xiàn)作用，而相對濕度與邊界層高度的相關(guān)是合理的，說明在邊界層高度的變化中，相對濕度的變化是正的貢獻(xiàn)作用，相關(guān)程度來看，三者的貢獻(xiàn)均通過顯著性檢驗(yàn)，而相對濕度的貢獻(xiàn)最大。

表3 邊界層高度與各氣象因素之間的相關(guān)系數(shù)1)
Table 3 The correlations between BLH and the meteorological factors

區(qū)域TaTsTs_TaUWS東亞BLH0.6181**0.6142**0.1014-0.7784**0.0487北非BLH0.18190.1462-0.2097*-0.6184**-0.5201**

1) **表示通過了99%的顯著性檢驗(yàn)；*表示通過了95%的顯著性檢驗(yàn)

3 結(jié) 論

通過對東亞、北非1900-2010年邊界層高度變化及其與基本氣象因素變化之間聯(lián)系的研究分析，主要得到以下結(jié)論：

1)1900-2010年，東亞干旱半干旱區(qū)邊界層高度與北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度，在整體趨勢以及大多數(shù)年代中的變化，呈現(xiàn)出相反的變化趨勢。近110 a來，東亞干旱半干旱區(qū)邊界層高度為顯著上升趨勢，氣候傾向率為1.87 m/10a，1965年之前主要表現(xiàn)為負(fù)距平，1965年之后主要表現(xiàn)為正距平；北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度為顯著下降趨勢，氣候傾向率為-2.13 m/10a，1940年之前、1960-1970年間主要表現(xiàn)為正距平，1970年之后主要表現(xiàn)為正負(fù)距平，1940-1960年間表現(xiàn)出明顯的年際變化特征。

2)東亞、北非干旱半干旱區(qū)邊界層高度的變化均與地氣溫差、濕度、風(fēng)速的距平變化有一定聯(lián)系。在年際變化中，東亞邊界層高度的變化主要由相對濕度和風(fēng)速所主導(dǎo)，北非邊界層高度的變化主要由相對濕度所主導(dǎo)；在年代變化中，東亞邊界層高度與相對濕度的關(guān)系更為密切，北非邊界層高度與地氣溫差的關(guān)系更為緊密；從相關(guān)性來看，東亞、北非邊界層高度的變化中，相對濕度占據(jù)著主導(dǎo)地位，相關(guān)系數(shù)分別為-0.778 4、-0.618 4。

綜合來看，在干旱半干旱地區(qū)，邊界層高度的變化與相對濕度的變化是最為緊密的，這為研究大氣邊界層與氣候干濕之間的關(guān)系提供了事實(shí)基礎(chǔ)。

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TheboundarylayerheightvariationandinfluencefactorsoveraridandsemiaridareasofEastAsiaandNorthAfrica

ZHAOYanru,MAOWenqian,ZHANGKequan,NIUXiaoying,LIJiayun,ZHANGWenyu

(College of Atmospheric Sciences∥Key Laboratory of Arid Climatic Change and Reducing Disaster of Gansu Province, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Based on the ECMWF’s first atmospheric reanalysis data of the 20th Century, ERA-20C , the variation of the boundary-layer height (BLH) and its relationship with the meteorological factors over arid and semiarid areas of East Asia and North Africa spanning 1900-2010 were analyzed. The BLHs in the two areas showed an opposite trend in the overall, interannual and interdecadal variation. The BLH of East Asia overall showed a rising trend with a climate tendency rate of 1.87 m/10a, while the BLH of North Africa showed a decreasing trend with a climate tendency rate of -2.13 m/10a. In the 11 decades, there were 8 decades having opposite trend. The BLH was related to the change of land air temperature gradient, relative humidity and wind speed. The change of relative humidity had a good correlation with the BLH, with significant negative correlation coefficients of -0.778 4 and -0.618 4, respectively, in East Asia and North Africa.

arid and semiarid areas; boundary layer height; variation characteristics; meteorological factors

P433

A

0529-6579(2017)05-0093-08

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.05.013

2016-07-23

國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB956200)；國家自然科學(xué)基金(41225018)；蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(lzujbky-2016-193)

趙艷茹(1992年生)，女；研究方向大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境；E-mail:zhaoyr15@lzu.edu.cn

張文煜(1964年生)，男；研究方向：大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境；E-mail：yuzhang@lzu.edu.cn