基于南非无线电探空仪和通量塔观测数据得出的行星边界层高度的长期变化特征

《Atmospheric Research》：Long-term variability of planetary boundary layer heights derived from radiosonde and flux tower observations in South Africa

南非洲对流边界层（CBL）和稳定边界层（SBL）高度日变化与季节变化特征研究。基于8个大气测风站和SAEON/EFTEON flux塔2012-2024年数据，发现CBL内陆最高达1728米，沿海低于931米；SBL内陆363米，沿海764米。日过渡时间分别为UTC 0500-0600（SBL→CBL）和1500-1600（CBL→SBL），CBL春夏季峰值，SBL秋冬季峰值。内陆CBL显著高于沿海，SBL区域差异较小。表面热通量显著影响PBL演变。

　　

作者：Pfano M. Makhokha, Anzel De Lange, Liesl Dyson, Gregor Feig, Abrí de Buys, Kathleen Smart

所属机构：南非林波波大学地理与环境研究系，Sovenga 0727

摘要

行星边界层（PBL）的高度是气候和空气污染扩散研究中的关键气象参数。本文利用2012年至2024年间从八个大气探测站收集的每日探测数据，以及来自一个南非环境观测网络（SAEON）和三个扩展型淡水和陆地环境观测网络（EFTEON）通量塔的PBL高度估计值，研究了南非境内PBL高度的长期变化情况。PBL高度是通过无线电探空仪的垂直剖面数据，结合包裹法和基于地面的温度反演方法估算得出的。平均对流边界层（CBL）高度在沿海地区低于931米，而在内陆地区超过1728米；相比之下，平均稳定边界层（SBL）高度在内陆地区达到363米，在沿海地区为764米。通量塔数据显示，SBL向CBL的转变发生在协调世界时（UTC）05:00至06:00之间，而CBL向SBL的转变则发生在15:00至16:00之间。CBL高度通常在春季和夏季达到峰值，而在秋季和冬季最低。总体而言，内陆地区的CBL高度普遍高于沿海地区，而SBL高度在各地区的差异相对较小。

引言

行星边界层（PBL）是大气层中与地球表面直接接触并受其影响的最低层（Stull, 1988）。PBL的高度决定了地表与大气之间物质交换和混合的垂直范围（Zhang et al., 2020），因此它是气候和空气污染研究中的重要气象参数（Basha and Ratnam, 2009; Zhang et al., 2020）。 PBL的日变化过程非常复杂，包括对流边界层（CBL）、残余层（RL）和稳定边界层（SBL）等多种状态，这些状态会根据主导的大气条件或强迫现象在不同时间出现（Stull, 1988; Zhang et al., 2018）。PBL的演变受到地表作用力和大气条件的影响，如地形、摩擦阻力、云量和地表太阳辐射（Zhang et al., 2013; Zhang et al., 2018; Gu et al., 2020; Palm et al., 2021; Huo et al., 2021; Tan et al., 2022）。 PBL内部发生着物理和化学过程（Miao et al., 2023），其中物理过程包括湍流和对流，负责地表与大气之间动量、水分、热量和空气污染物的垂直混合（Guo et al., 2019; Miao et al., 2023）；化学过程则是初级污染物反应生成次级污染物（Miao et al., 2023）。一天中，PBL高度和结构的变化促进了地表附近污染物的移动和扩散（Basha and Ratnam, 2009）。当CBL占主导时，强烈的垂直混合会降低地表附近的污染物浓度；而SBL则会限制垂直混合，导致污染物在地表附近积聚（Stull, 1988）。 了解PBL内部发生的各种过程及其演变对于评估任何地区的空气质量以及制定减少空气污染对环境和人类影响的措施至关重要（Miao et al., 2023）。由于持续的工业活动和依赖煤矿及燃煤电厂的能源结构，南非是受空气污染影响的国家之一（Collett et al., 2010; Jury and Buthelezi, 2022）。南非的其他空气污染源还包括农业活动、交通排放、野火和居民燃料燃烧，这些活动会导致颗粒物、二氧化氮、二氧化硫和一氧化碳等污染物释放到空气中（Williams et al., 2021; Gierens et al., 2019; Jury and Buthelezi, 2022）。 PBL高度无法直接测量，必须通过其他大气观测数据（如无线电探空仪和遥感仪器的数据）进行估算（Makhokha and De Lange, 2024）。尽管再分析产品可以提供PBL高度的估计值，但仍需评估其准确性以确保与观测数据的一致性（Guo et al., 2021）。 目前用于确定PBL高度的观测数据在空间和时间分辨率上存在局限性。南非高空数据的分辨率较低，主要是由于大气探测站分布稀少以及部分站点未能按标准每天进行两次无线电探空观测。尽管通量塔的数据时间分辨率较高（30分钟），但其空间覆盖范围有限，这些因素限制了关于南非PBL气候学的研究。现有研究主要集中在单一地点。例如，Korhonen等人（2014）在2010年对高地上某一点进行了激光雷达测量与多种大气模型的比较，而Gierens等人（2019）也在南非高地区域进行了相关研究。 本研究利用南非气象服务局（SAWS）提供的无线电探空仪垂直剖面数据，以及南非环境观测网络（SAEON）和扩展型淡水和陆地环境观测网络（EFTEON）通量塔的高分辨率PBL高度估计值，研究了南非境内PBL高度的长期变化。深入理解南非PBL高度的长期变化将有助于改善该国的空气污染相关研究，从而制定有效的缓解策略，减少空气污染对人类和环境的影响。

部分内容摘要

无线电探空仪数据来源于怀俄明大学的数据档案（https://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html），涵盖了2012年至2024年研究期间的南非多个大气探测站的数据。这些数据的时间分辨率为12小时。南非的大气探测站由南非气象服务局（SAWS）运营，每天在协调世界时（UTC）00:00和12:00各发射一次探空仪。

为了区分对流边界层（CBL）和稳定边界层（SBL），采用了两种不同的估算方法：包裹法和基于地面的温度反演法。包裹法最初由Holzworth（1964）提出，用于估算白天的CBL高度。

结果与讨论

本节全面分析了基于探空数据和通量塔数据的PBL高度观测结果，探讨了南非各地CBL和SBL高度的时间变化情况，并分析了地表热通量对PBL高度的影响。 文中使用“内陆地区”和“沿海地区”这两个术语来区分远离海岸线的内陆区域和沿海区域。

总结与结论

本研究利用2012年至2024年期间的无线电探空仪垂直剖面数据和通量塔PBL高度估计值，研究了南非境内PBL高度的长期变化。同时，还探讨了地表热通量对南非各地通量塔站点PBL高度演变和增长的影响。 在对流条件下，即白天，CBL高度占主导地位，这主要是由入射太阳辐射、地表加热和强烈的感热通量驱动的。

作者贡献声明

Pfano M. Makhokha：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件开发、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。 Anzel De Lange：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、研究实施、数据分析、概念构思。 Liesl Dyson：撰写、审稿与编辑、验证、监督、概念构思。 Gregor Feig：撰写、审稿与编辑、验证、数据整理。 Abri de Buys：撰写、审稿与...

未引用参考文献

Chen et al., 2024 扩展型淡水和陆地环境观测网络（EFTEON）、南非环境观测网络（SAEON），2024 扩展型淡水和陆地环境观测网络（EFTEON）、南非环境观测网络（SAEON），2024b 扩展型淡水和陆地环境观测网络（EFTEON）、南非环境观测网络（SAEON），2024c Liu and Liang, 2010 Lu and...

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了南非国家研究基金会（NRF）的资助（资助编号：PMDS22070431546）。作者感谢林波波大学地理与环境科学系提供的机构支持，同时也感谢南非气象服务局（SAWS）、怀俄明大学和南非环境观测网络（SAEON）提供所需数据的支持。