夹卷能量是超厚对流边界层发展不可忽视的角色

来源：科学通报

在全球干旱地区，由于其特殊的气候环境背景，夏季晴天常常会出现在其他地区很少见的超厚对流大气边界层。这种特殊的边界层结构具有重要的天气气候意义，但目前对这种干旱地区超厚对流边界层的发展机制理解还十分有限。这既制约了大气数值模式中针对这种超厚对流边界层的参数化改进，也限制了对超厚对流边界层与天气气候背景相互作用的科学认识。中国气象局兰州干旱气象研究所张强研究员等通过选取地处我国西北干旱地区腹地的敦煌荒漠戈壁区为代表性研究区，利用该区域2006年6~7月展开的陆-气相互作用综合试验资料及2006~2016年的探空资料和常规气象观测资料，从大气边界层发展的能量机制出发，对该地区出现的超厚对流边界层的发展过程进行了系统分析。

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干旱区超厚对流边界层出现的普遍性

在西北干旱地区，全年除冬季之外的大多数时间都有可能发展出超过3 km的超厚对流边界层。甚至在既少雨又太阳辐射较强的初夏时段，对流边界层有可能达到5.4 km的极端状态，明显超出了以往在该地区夏季降水稍多的盛夏时所观测到的对流边界层厚度，但与最近国际上在非洲撒哈拉沙漠发现的对流边界层厚度的极端情况是基本一致的。

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残余层夹卷能量的贡献

在持续晴空期内，即使地表感热通量相对比较稳定，但对流边界层日最大厚度却仍然会逐渐持续增加，而且如果只以地表感热通量作为对流边界层发展的能量来源，并不能解释超厚对流边界层发展所吸收的能量，大约有超过一半的能量无法仅靠累积地表感热通量来平衡。因此，对干旱区而言，在对流边界层发展的能量控制方程中如果仅考虑累积地表感热通量具有很大缺陷，还必须补充考虑边界层顶的夹卷能量作用。边界层顶以上的近中性状态的残余层大气里所蕴藏的潜在能量一般会通过夹卷过程进入到对流边界层，为对流边界层在连续晴空期的持续发展提供重要的能量保障。如图1所示，由于残余层的存在，对流边界层上面的近中性位温廓线代替了AB线段所表示的无残余层时的理想逆温廓线。所以，当对流边界层发展到残余层时，残余层的潜在能量便会通过夹卷进入到对流边界层，与地表感热通量共同支持对流边界层发展，加速了对流边界层的发展。假设残余层的潜在能量可以全部被夹卷到对流边界层中，残余层夹卷的总能量基本可用斜线区的面积来表示。如果同时考虑了累积地表感热通量和残余层夹卷能量之后，对流边界层发展所需要吸收的能量与能够提供的总能量之间可以很好的平衡，相关性和一致性都十分理想。这说明，在干旱地区残余层的夹卷能量对对流边界层发展能量具有重要补充，在对流边界层发展的能量影响机制中必须考虑残余层的夹卷能量的作用。

图1  残余层的夹卷能量为对流边界层发展提供能量的示意图. 图中AB线段为无残余层情况下的理想逆位温廓线

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残余层与对流边界层的正反馈增长机制

在干旱区之所以出现超厚对流边界层，除了源于该地区夏半年强烈的感热加热以外，更多是由于该地区持续晴空期比较多。由于残余层实际上是前一天的对流边界层上部没有被地表辐射逆温和环境大气所破坏而保留下来的部分。所以，前一天的对流边界层厚度直接决定着残余层厚度，残余层厚度的不断增加显然是对流边界厚度不断增加的结果。所以，对流边界层厚度与残余层厚度之间实际上存在着一个正反馈机制。在每个持续晴空期，对流边界层与残余层之间的正反馈机制会得到充分发挥。在这种机制下，对流边界层日最大厚度与残余层厚度之间会不断循环增长（如图2所示），一般都会逐步发展到3 km以上的超厚对流边界层，甚至在地表加热旺盛时段能够通过循环增长机制发展出超过5 km的极端超厚对流边界层。否则，在夏季对流边界层厚度一般只能达到2~3 km之间，很难出现超厚对流边界层现象。强烈的感热加热无疑是对流边界层与残余层之间正反馈循环增长机制的关键触发因素。也正因为此，超厚对流边界层现象也只能出现在夏季地表加热剧烈的干旱地区。

图2  对流边界层与残余层之间的正反馈循环增长形成超厚对流大气边界层的示意图