不同邊界層高度診斷方法對(duì)海洋大氣邊界層高度診斷的適用性研究

董議文，張?zhí)N斐，張戈，韓博，李響，易侃

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.中國(guó)人民解放軍32011部隊(duì)，北京100094；3.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東珠海519082；4.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東珠海519082；5.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究院，北京100038）

1 引言

大氣邊界層是直接受到地表作用的最底層大氣，高度一般在100～3 000 m，對(duì)地表強(qiáng)迫響應(yīng)的時(shí)間尺度約為1 h或更小[1]。與大氣邊界層相關(guān)的下墊面主要分為陸地和海洋,與陸地相接的大氣邊界層稱為陸氣邊界層，與海洋相接的大氣邊界層稱為海洋大氣邊界層[2]。由于海陸熱力差異的影響，海洋大氣邊界層的特征與陸氣邊界層有很大不同[2-4]。海洋大氣邊界層是海洋與自由大氣熱量、水汽和物質(zhì)交換的重要通道，是氣象災(zāi)害和空氣污染的主要發(fā)生地，也是豐富的氣候資源地區(qū)。海洋大氣邊界層的研究對(duì)海洋氣象預(yù)報(bào)預(yù)警、海上交通運(yùn)輸和漁業(yè)生產(chǎn)等有著重要意義[5-6]。邊界層高度是表征大氣邊界層結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，是大氣數(shù)值模擬和環(huán)境評(píng)估中的重要物理參數(shù)[7]。邊界層高度的變化對(duì)熱量、水汽和氣溶膠的分布以及云和霧的形成都有重要的影響，因此邊界層高度一直作為天氣、氣候和空氣質(zhì)量模式中判斷湍流混合、垂直擾動(dòng)、對(duì)流傳輸、云帶和大氣污染物擴(kuò)散的重要指標(biāo)[3-4,8]。

確定邊界層高度的方法主要有3種：理論方法、觀測(cè)方法和數(shù)值模擬方法。理論方法利用預(yù)報(bào)方程和半經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合地面常規(guī)氣象觀測(cè)資料估算大氣邊界層高度，常用的方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法[9]、國(guó)標(biāo)法[10]和羅氏法[10]等。這些方法所需資料少，計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)沒(méi)有高空氣象觀測(cè)的地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值，但這些方法存在一定局限性，計(jì)算結(jié)果也有較大偏差[11]。隨著高空觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)公式在研究中已經(jīng)很少使用。觀測(cè)方法是通過(guò)對(duì)觀測(cè)的垂直廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，來(lái)確定邊界層高度。對(duì)于無(wú)線電探空氣球、系留氣球、氣象鐵塔以及飛機(jī)等探空觀測(cè)的氣象要素垂直剖面，邊界層高度的診斷方法主要有位溫梯度法[3,12]、逆溫法[2,13]、相對(duì)濕度梯度法[14-15]、比濕梯度法[16]、氣塊法[17-18]、理查森數(shù)法[19-20]和綜合評(píng)定法[21-22]等。對(duì)于激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)、云高儀、聲雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)和衛(wèi)星遙感等遙感探測(cè)資料，邊界層高度的診斷方法有梯度法、標(biāo)準(zhǔn)偏差法、小波變換法和曲線擬合法等[23-24]。數(shù)值模擬方法主要使用數(shù)值模式直接計(jì)算邊界層高度，理查森數(shù)法是模式中診斷邊界層高度經(jīng)常使用的方法[25]。

國(guó)內(nèi)外已開展了很多關(guān)于不同邊界層高度診斷方法的對(duì)比研究。涂靜等[3]使用位溫梯度法和干絕熱法診斷了沿海臺(tái)站的大氣邊界層高度，認(rèn)為干絕熱法所得結(jié)果更接近實(shí)際觀測(cè)值。Seidel等[26]利用全球505個(gè)站點(diǎn)的探空數(shù)據(jù)比較了6種方法（氣塊法、位溫梯度法、逆溫法、比濕梯度法、相對(duì)濕度梯度法和折射率梯度法），研究認(rèn)為氣塊法所得結(jié)果通常較低，相對(duì)濕度和位溫梯度法所得結(jié)果比其他方法高，基于物理量垂直梯度最大的方法所得的結(jié)果比逆溫法好，但不同方法所得的結(jié)果仍有顯著差異。Shukla等[27]對(duì)不同儀器測(cè)量的喜馬拉雅中部地區(qū)的數(shù)據(jù)分別采用多種方法來(lái)診斷邊界層高度，認(rèn)為利用不同資料和不同方法得到的邊界層高度具有較高的一致性。師宇等[23]利用北京地區(qū)的激光雷達(dá)和探空數(shù)據(jù)比較了3種方法（梯度法、標(biāo)準(zhǔn)差法和小波法），認(rèn)為3種方法都能較好地提取邊界層高度，但不同天氣條件下所得的結(jié)果略有差異。但是，對(duì)于海洋大氣邊界層高度，不同診斷方法的對(duì)比研究卻很少，其中一個(gè)難點(diǎn)就是觀測(cè)數(shù)據(jù)不易獲取。由于海洋大氣邊界層受海洋特殊性質(zhì)的影響，其結(jié)構(gòu)特征有其獨(dú)特性，因此有必要對(duì)海洋大氣邊界層高度的不同診斷方法進(jìn)行比較和評(píng)估，分析不同診斷方法之間的差異，甄選出適合于診斷海洋大氣邊界層高度的方法，這對(duì)海洋大氣邊界層的研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用有重要意義。

本文利用船載全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）秒級(jí)探空數(shù)據(jù)（觀測(cè)點(diǎn)分布見圖1），采用多種邊界層高度診斷方法，計(jì)算了南海北部2019年6—7月海洋大氣邊界層高度，通過(guò)對(duì)比不同方法診斷的海洋大氣邊界層高度，探討了各種方法的異同及優(yōu)缺點(diǎn)，確定了適合于診斷海洋大氣邊界層高度的方法。在此基礎(chǔ)上，分析南海北部大氣邊界層高度的變化特征，加深對(duì)該區(qū)域海氣邊界層的理解，為進(jìn)一步研究南海區(qū)域的特征提供參考。

圖1 船載GPS探空觀測(cè)點(diǎn)分布

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文所用觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于中山大學(xué)2019年夏季南?？瓶己酱巍１竞酱?月4日開始—7月4日結(jié)束，歷時(shí)31 d。實(shí)驗(yàn)期間有效GPS探空數(shù)量為132個(gè)，探空間隔為6 h（4次/d）或3 h（6次/d）。探空儀使用國(guó)際上較為先進(jìn)的Vaisala公司的MW41系統(tǒng)，探頭為RS41-SGP。該探頭的探測(cè)周期為1 s，可以獲得高垂直分辨率（約5 m）的大氣廓線信息。探測(cè)的物理量包括實(shí)時(shí)溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向，各物理量對(duì)應(yīng)的探測(cè)精度分別為0.1℃、2%、0.4 hPa、0.1 m/s和0.1°。獲取 的 探空 數(shù)據(jù) 經(jīng) 過(guò)Vaisala自帶的軟件對(duì)各觀測(cè)變量與該變量氣候值的上/下限及梯度的閾值對(duì)比進(jìn)行質(zhì)量控制，以保證所獲數(shù)據(jù)能達(dá)到目前國(guó)際探空觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 大氣邊界層高度診斷方法

邊界層高度的診斷可以從熱力、物質(zhì)分布和動(dòng)力等角度考慮[28]。本文選取5種典型的邊界層高度診斷方法：從熱力角度選取氣塊法和位溫梯度法，從物質(zhì)分布角度選取相對(duì)濕度梯度法和比濕梯度法，從動(dòng)力角度選擇理查森數(shù)法。理查森數(shù)法能夠用來(lái)區(qū)分湍流和非湍流，既包含熱力作用又包含動(dòng)力作用，綜合考慮更為全面。這5種方法具體描述如下：

2.2.1 氣塊法

氣塊法由Holzworth[29]于1964年提出，又稱Holzworth法或干絕熱法。白天隨著太陽(yáng)輻射的加強(qiáng)，近地層大氣被加熱，邊界層開始發(fā)展，在邊界層內(nèi)部，虛位溫表現(xiàn)為隨高度近似不變的特征，這是氣塊法計(jì)算邊界層高度的依據(jù)，其物理意義為地面附近的一個(gè)小氣塊絕熱上升所能達(dá)到的平衡高度[17]，在此高度上虛位溫與地面虛位溫的值相等[26]。于曉麗等[18]利用此方法診斷了南海大氣邊界層的高度，其判斷標(biāo)準(zhǔn)是邊界層頂?shù)奶撐粶嘏c50 m處的虛位溫差值是1 K。本文也采取此判斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)診斷南海北部大氣邊界層高度。

2.2.2 位溫梯度法

邊界層內(nèi)，湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，各物理量混合均勻，位溫隨高度變化不大，而在邊界層頂附近，位溫迅速增加，位溫梯度較大，因此可以將位溫梯度最大的高度確定為邊界層高度[13]，這種方法通常適合于對(duì)流邊界層。對(duì)于非典型的對(duì)流邊界層，需要結(jié)合具體的位溫廓線來(lái)分析[23]。

2.2.3 相對(duì)濕度梯度法

根據(jù)邊界層的特征，大部分水汽被保留在邊界層內(nèi)，因此在邊界層頂部的位置，相對(duì)濕度會(huì)有顯著的變化，參照廖希偉等[15]研究中的判斷標(biāo)準(zhǔn)，可以將相對(duì)濕度垂直變化最大的高度作為邊界層高度。

2.2.4 比濕梯度法

從邊界層到自由大氣，通常水汽減少非常大，特別是當(dāng)邊界層被逆溫層覆蓋時(shí)，溫度和濕度都有明顯變化。相比于相對(duì)濕度梯度法，比濕梯度法加入了溫度的考量。因此，本文將比濕變化最大的高度判斷為邊界層高度[30]。

2.2.5 理查森數(shù)法

理查森數(shù)法是基于邊界層理論和探空資料計(jì)算邊界層高度的方法。參照Sicard等[31]2006年提出的方法，計(jì)算總體理查森數(shù)（Ri）的公式為：

式中，g為重力加速度；z0為地面海拔高度；θ為位溫；u和v分別為緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)分量。之前的理論和研究表明[1]，當(dāng)理查森數(shù)Ri小于臨界值（～0.25）時(shí)，層流不穩(wěn)定。因此，在本研究中，將邊界層高度定義為理查森數(shù)首次超過(guò)臨界值0.25時(shí)的高度[32]。

Gu等[33]研究表明，海洋大氣邊界層高度最高可達(dá)1 500 m以上。Luo等[34]研究表明，海洋邊界層高度最高可接近2 000 m。因此，本文將分析的最高邊界層高度取為3 000 m，上述5種方法在此高度下找到滿足各自判斷標(biāo)準(zhǔn)的高度，并將該高度確定為該方法診斷的邊界層高度。

3 結(jié)果分析

3.1 不同方法適用性分析

不同邊界層高度診斷方法是基于不同變量的垂直廓線計(jì)算邊界層高度，因此存在較大的不確定性。圖2給出了5種不同方法診斷的邊界層高度不確定性的兩個(gè)典型案例。氣象要素廓線包括比濕q，相對(duì)濕度RH，位溫θ，虛位溫θv，理查森數(shù)Ri。圖2a中，5種方法診斷的邊界層高度幾乎完全一致，其中位溫梯度法、相對(duì)濕度梯度法和比濕梯度法診斷的高度都為740 m，氣塊法診斷結(jié)果僅僅高10 m，理查森數(shù)法診斷結(jié)果高50 m。與之相反，圖2b中5種方法診斷的邊界層高度差異巨大，范圍從氣塊法診斷的522 m到相對(duì)濕度梯度法和比濕梯度法診斷的1 965 m。由于邊界層高度的確定可能因所選方法的不同而存在巨大的不確定性，因此非常有必要對(duì)不同方法進(jìn)行比較和評(píng)估，分析它們的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合海洋大氣邊界層的特征及前人研究的結(jié)果，研究哪些方法適用于診斷海洋大氣邊界層高度，這對(duì)海洋大氣邊界層的相關(guān)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用具有重要作用。

圖2 5種不同方法診斷的南海北部大氣邊界層高度對(duì)比（水平虛線表示不同方法計(jì)算的邊界層高度，青色線為比濕梯度法，綠色線為相對(duì)濕度梯度法，橙色線為位溫梯度法，深紅色線為氣塊法，藍(lán)色線為理查森數(shù)法）

表1 給出了5種不同邊界層高度診斷方法計(jì)算的南海北部2019年6—7月平均邊界層高度和標(biāo)準(zhǔn)差。從表中可以看出，5種方法診斷的平均邊界層高度在570～1 600 m，相對(duì)濕度梯度法計(jì)算的平均邊界層高度最高，而理查森數(shù)法計(jì)算的平均邊界層高度最低，兩者之間的差異超過(guò)1 km。相對(duì)濕度梯度法和比濕梯度法診斷的邊界層高度平均值都在1 km以上，標(biāo)準(zhǔn)差也在800 m以上。其余3種方法診斷結(jié)果的平均值都在1 km以下，其中，氣塊法和位溫梯度法診斷的邊界層高度的平均值非常接近，僅相差20 m，兩者的標(biāo)準(zhǔn)差分別為195 m和242 m，理查森數(shù)法診斷結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差最小，為171 m。

表1 5種方法計(jì)算的南海北部2019年6—7月平均邊界層高度和標(biāo)準(zhǔn)差

圖3 給出了5種方法計(jì)算的南海北部2019年6—7月邊界層高度盒須圖。圖中可以看出，大多數(shù)方法計(jì)算的邊界層高度的中位數(shù)與其平均值近乎相等，只有比濕梯度法診斷結(jié)果的中位數(shù)明顯低于平均值。相對(duì)濕度梯度法和比濕梯度法計(jì)算得到的邊界層高度的中位數(shù)均在1 km以上，明顯高于其他3種方法的結(jié)果。兩種熱力方法計(jì)算得到的邊界層高度的中位數(shù)數(shù)值非常接近，差異小于50 m。理查森數(shù)法計(jì)算的邊界層高度的中位數(shù)最低。兩種濕度法診斷結(jié)果的四分位距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他3種方法，邊界層高度最大值接近3 000 m，甚至更高，但兩種濕度法并不完全相同，相比于相對(duì)濕度梯度法，比濕梯度法診斷結(jié)果的平均值、四分位數(shù)明顯更低。這兩種濕度法診斷結(jié)果偏高，可能跟季風(fēng)以及海洋的特殊環(huán)境相關(guān)。海洋表面溫度通常比大氣溫度高，水汽蒸發(fā)多，大氣低層濕度大，濕層厚，同時(shí)，6月南海季風(fēng)已經(jīng)爆發(fā)，季風(fēng)把大量的暖濕空氣輸送到南海地區(qū)，進(jìn)一步加大了空氣中的濕度，云量增多，基于濕度的邊界層高度診斷算法計(jì)算的邊界層高度容易受低層水汽分布和云的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定或者偏高。

圖3 5種方法計(jì)算的南海北部2019年6—7月邊界層高度盒須圖（從上到下分別為上限、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)以及下限，代表平均值）

為了進(jìn)一步考察不同方法診斷的邊界層高度差異的顯著性，分別對(duì)5種方法診斷的邊界層高度的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行4種統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)。從表2b中可以看出，相對(duì)濕度梯度法與比濕梯度法診斷的邊界層高度較為一致，兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.72，通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)。但是，這兩種方法診斷的邊界層高度與其他3種方法診斷的邊界高度的差異較大，沒(méi)有顯著相關(guān)性。氣塊法、位溫梯度法和理查森數(shù)法診斷的邊界層高度相互之間存在顯著的相關(guān)性，兩兩相關(guān)系數(shù)均在0.45以上，最高達(dá)0.7，均通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)。為了凸顯不同方法診斷的邊界層高度的差異性，分別對(duì)不同方法診斷的邊界層高度進(jìn)行了t、F和Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)（見表2）。結(jié)果顯示，除了氣塊法與位溫梯度法診斷的邊界層高度之間沒(méi)有顯著差異，其他方法診斷的邊界層高度之間均存在顯著的差異。相對(duì)濕度法與比濕梯度法診斷的邊界層高度計(jì)算t和F檢驗(yàn)值較大，這與使用這兩種濕度法獲得邊界層高度顯著偏高的結(jié)果一致。

表2 5種診斷方法計(jì)算的邊界層高度的4種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果（每一行表示以左側(cè)的方法為基準(zhǔn),其余方法與該方法的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果，黑色加粗代表通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（P=0.05），其余數(shù)值代表沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)）（a）平均值的差異（上標(biāo)為*，單位：m）及方差比（上標(biāo)為**）

（b）相關(guān)系數(shù)（上標(biāo)為*）及K-S檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量（上標(biāo)為**）

我們使用以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果量化海氣邊界層高度診斷的兩種不確定性來(lái)源：參數(shù)不確定性和結(jié)構(gòu)不確定性[26,35]。參數(shù)不確定性，也稱為內(nèi)部不確定性，是指有限樣本數(shù)據(jù)因所選方法而產(chǎn)生的不確定性，在本文中我們使用四分位距來(lái)評(píng)估邊界層高度值的參數(shù)不確定性。從圖3中可以明顯看出，兩種濕度法帶來(lái)的參數(shù)不確定性最大，氣塊法和理查森數(shù)法的參數(shù)不確定性最小。結(jié)構(gòu)不確定性是由方法的選擇而產(chǎn)生，本文使用平均值的差異來(lái)估算邊界層高度的結(jié)構(gòu)不確定性。表2a顯示，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的平均值差異從100 m左右到與兩種濕度法相關(guān)的1 000 m左右，邊界層高度的結(jié)構(gòu)不確定性約為平均值的10%～100%，這與Seidel等[26]的結(jié)論一致。

大氣邊界層高度與熱力穩(wěn)定度之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系[19,36]，為了進(jìn)一步考察這5種方法在海洋邊界層高度診斷方面的適用性，分別計(jì)算了不同方法診斷的邊界層高度與熱力穩(wěn)定度之間的關(guān)系。Kuribayashi等[36]將海表面溫度與850 hPa氣壓層的溫度差定義為熱力穩(wěn)定度，本文使用物理意義更清晰的位溫來(lái)重新定義熱力穩(wěn)定度[17]。圖4給出了氣塊法、位溫梯度法和理查森數(shù)法這3種方法診斷的邊界層高度與熱力穩(wěn)定度之間的散點(diǎn)圖。從圖中可以看出，3種方法計(jì)算的邊界層高度與熱力穩(wěn)定度之間相關(guān)系數(shù)分別為0.6、0.41和0.5，均通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)，但相對(duì)濕度梯度法及比濕梯度法診斷的邊界層高度與熱力穩(wěn)定度之間沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系（圖略），這也說(shuō)明基于濕度的兩種方法不適合用于診斷海洋大氣邊界層高度。

圖4 不同方法診斷的邊界層高度與熱力穩(wěn)定度散點(diǎn)圖（R為相關(guān)系數(shù)）

3.2 南海北部海洋大氣邊界層的日變化特征

邊界層高度日變化是大氣邊界層的一個(gè)非常重要的特征。下面使用診斷結(jié)果較為合理的理查森數(shù)法診斷的南海北部大氣邊界層高度分析該區(qū)域邊界層高度的日變化特征。圖5給出了2019年6—7月南海北部逐日的邊界層高度日變化圖。從圖中可以看出，邊界層高度的日變化在該時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)為不規(guī)則的“鋸齒狀”，最小日變化不到100 m，最大日變化接近700 m，且大多數(shù)情況下邊界層高度日變化在400 m以下。邊界層高度日變化的平均值約為278 m，相比于陸地的邊界層高度的日變化要小很多[19]。這主要因?yàn)楹鉁夭畹娜兆兓鄬?duì)較?。ㄒ妶D6），湍流活動(dòng)受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致海洋大氣邊界層高度的日變化相對(duì)較小。同時(shí)，6—7月南海北部季風(fēng)強(qiáng)盛，季風(fēng)氣流帶來(lái)大量的暖濕空氣，一方面使南海北部區(qū)域的海氣溫差減小，抑制海上湍流運(yùn)動(dòng)；另一方面對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)，云量增多并伴有降水，海洋接受到的太陽(yáng)短波輻射減少，降水的發(fā)生使大氣中的能量迅速釋放，邊界層高度降低，邊界層高度日變化減小[18]。

圖5 南海北部2019年6—7月邊界層高度日變化時(shí)間序列圖

圖7 給出了南海北部2019年6—7月平均邊界層高度的日循環(huán)變化圖。從圖中可以看出，南海北部6—7月的平均邊界層高度在500～700 m。平均邊界層高度從夜間到中午逐漸升高，在局地時(shí)間14時(shí)（北京時(shí)）達(dá)到最高，然后下降，夜間邊界層高度最低。平均邊界層高度的日變化趨勢(shì)與海表溫度及氣溫的變化趨勢(shì)較為一致（見圖6），從夜晚到白天，由于短波輻射的增強(qiáng)，海表溫度及氣溫均呈上升趨勢(shì)，并在午后達(dá)到最大值，而后逐漸降低。從圖中也可以看出，平均邊界層高度的日變化趨勢(shì)與海氣溫差的日變化趨勢(shì)接近一致，平均邊界層高度的日變化幅度較小，主要是因?yàn)楹鉁夭钶^小，抑制了海上湍流活動(dòng)。

圖6 2019年6—7月南海北部平均海表面溫度（SST）和平均氣溫（T2m）日循環(huán)變化圖

圖7 2019年6—7月南海北部平均邊界層高度日循環(huán)變化圖

4 總結(jié)與討論

本文利用南海北部2019年6—7月船載GPS秒級(jí)探空數(shù)據(jù)，研究了氣塊法、位溫梯度法、相對(duì)濕度梯度法、比濕梯度法和理查森數(shù)法這5種不同的邊界層高度診斷方法對(duì)海洋大氣邊界層高度計(jì)算的適用性，對(duì)比了5種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了適用于海氣邊界層高度診斷的方法，并分析了該時(shí)間段內(nèi)南海北部邊界層高度的日變化特征。具體結(jié)論如下：

（1）5種不同的邊界層高度診斷方法計(jì)算的邊界層高度存在顯著的差異。相對(duì)濕度梯度法與比濕梯度法診斷的邊界層高度普遍偏高，且具有很大的不確定性。氣塊法、位溫梯度法及理查森數(shù)法診斷的邊界層高度較為合理，且理查森數(shù)法診斷結(jié)果不確定性最小。氣塊法與位溫梯度法診斷結(jié)果在統(tǒng)計(jì)上沒(méi)有顯著差別，其余方法之間的比較都有顯著差異。基于濕度的兩種診斷方法與其他方法之間沒(méi)有顯著相關(guān)性，其余方法之間存在顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.5左右。由于不同診斷方法導(dǎo)致的邊界層高度的結(jié)構(gòu)不確定性在10%～100%?？傮w而言，理查森數(shù)法診斷的邊界層高度更穩(wěn)定，該方法更適用于海上大氣邊界層高度的診斷。

（2）南海北部6—7月的平均邊界層高度在500～700 m，邊界層高度的平均日變化約為278 m，遠(yuǎn)低于陸地上大氣邊界層高度的日變化值。平均邊界層高度的日變化相對(duì)較小，變化趨勢(shì)為先升高再降低，在局地時(shí)間14時(shí)達(dá)到最高。這主要是受太陽(yáng)短波輻射變化的影響，平均邊界層高度的變化趨勢(shì)與氣溫及海表溫度的變化趨勢(shì)一致。同時(shí)，由于南海季風(fēng)帶來(lái)大量的暖濕氣流及海洋大氣本身的特性，較小的海氣溫差抑制了海上湍流的發(fā)展，導(dǎo)致海上大氣邊界層高度的日變化幅度較小。

受觀測(cè)資料時(shí)間長(zhǎng)度和觀測(cè)地點(diǎn)的限制，本文只對(duì)5種方法診斷的南海北部2019年6—7月邊界層高度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果可能存在一定局限性。同時(shí)，由于缺少長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)，本文的分析也僅局限于夏季期間，無(wú)法對(duì)海洋邊界層高度的季節(jié)變化及年際變化特征進(jìn)行分析。未來(lái)將采用更多的邊界層觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)海上大氣邊界層的變化特征進(jìn)行更為深入的研究。