陜西省混合層高度變化規(guī)律研究

陳建文, 胡 琳, 王娟敏, 張文靜, 毛明策, 吳素良, 王 琦

(陜西省氣候中心, 西安 710014)

陜西省混合層高度變化規(guī)律研究

陳建文, 胡 琳, 王娟敏, 張文靜, 毛明策, 吳素良, 王 琦

(陜西省氣候中心, 西安 710014)

根據(jù)陜西省99個氣象臺站2006—2011年逐時氣象觀測資料，統(tǒng)計計算了各站四季及年平均混合層高度，并利用GIS系統(tǒng)繪制等值線分布圖，分析了混合層高度的區(qū)域分布特征、四季和全年日變化特征。分析表明：(1) 全年和四季平均混合層高度均以關(guān)中最高、陜北其次、陜南最低，其中陜北區(qū)域北部高、中部低，關(guān)中和陜南均為東北部高、西南部低；(2) 各區(qū)域混合層高度均以春季最高，夏季其次，冬季最低，大致以冬季12月或1月最低，隨后快速升高，4—5月達(dá)到最高，以后逐漸降低；(3) 日變化均呈單峰型，日出后開始迅速升高，13：00前后達(dá)到最高，16：00開始迅速降低，日落后至次日日出前持續(xù)較低，春、夏季峰值持續(xù)時間較長，秋、冬季較短；(4) 四季陜北和關(guān)中全天平均混合層高度差異不大，大部分時間關(guān)中略高于陜北；陜南春、夏季白天、秋季9：00—16:00、冬季10：00—15:00明顯低于陜北和關(guān)中，而秋季18：00至次日7：00、冬季17:00至次日7:00大多高于陜北和關(guān)中。

陜西省; 大氣穩(wěn)定度; 混合層高度; 分布特征

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化水平的顯著提高，大氣污染狀況日益嚴(yán)重，大氣污染環(huán)境污染問題已經(jīng)引起各國政府的高度重視，并且越來越受到氣象和環(huán)保工作者的普遍關(guān)注，成為當(dāng)前最迫切需要解決的環(huán)境問題之一。大氣的擴(kuò)散能力是影響空氣質(zhì)量的主要影響因子之一，眾多研究人員開展了大量的研究工作，考察風(fēng)速、降水、穩(wěn)定度等氣象因子對大氣污染的影響[1-11]，但大多立足于單站風(fēng)速、穩(wěn)定度、混合層高度等大氣擴(kuò)散因子的特征分析，關(guān)于區(qū)域混合層高度分布特征的研究尚不多見。混合層高度是反映大氣污染物在垂直方向擴(kuò)散的重要參數(shù)，是大氣邊界層內(nèi)發(fā)生湍流混合大氣擴(kuò)散能力的重要大氣層結(jié)特征要素，也是影響大氣污染物擴(kuò)散的重要氣象因子之一。大氣邊界層內(nèi)產(chǎn)生強烈的動力和熱量交換的這一層大氣稱之為混合層，污染氣象學(xué)定義混合層為湍流特征不連續(xù)界面以下湍流較充分發(fā)展的大氣層，湍流特征不連續(xù)界面的高度就是混合層高度[6]，它表征了大氣污染物在垂直方向上被熱力湍流稀釋的范圍，混合層厚度與大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速有著密切的關(guān)系。風(fēng)和湍流是影響大氣擴(kuò)散能力的主要動力因子，而大氣穩(wěn)定度則是決定大氣擴(kuò)散能力的主要熱力因子[6-7]。大氣混合層厚度越大，就越有利于污染物的擴(kuò)散和稀釋[1]，混合層內(nèi)污染物濃度越低，反之則越高。位溫、比濕、風(fēng)速梯度等氣象要素和物理要素在混合層內(nèi)和層頂表現(xiàn)為明顯的不連續(xù)。混合層頂像蓋子一樣限制了大氣污染物的垂直向上擴(kuò)散，在混合層頂形成高濃度，其上下兩側(cè)的污染物濃度往往相差5～10倍，混合層高度越小大氣污染物濃度差值就越大，此時，混合層頂以上風(fēng)速梯度趨近于零。

本文研究陜西省2006—2011年月、季和年不同穩(wěn)定度層結(jié)下的混合層高度變化規(guī)律，宏觀分析大氣邊界層內(nèi)不同區(qū)域大氣擴(kuò)散能力和污染物可能堆積區(qū)域，是研究區(qū)域大氣擴(kuò)散和大氣污染特征分析的需要，也是大氣環(huán)境污染預(yù)測評價的需要，并對區(qū)域大氣環(huán)境容量起著主要控制作用，可以為大氣環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境治理提供宏觀重要的科學(xué)依據(jù)。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

本文選取陜西省10個地市99個地面氣象觀測站，2006—2011年具有完整的自動氣象站觀測記錄，且均無遷站或站址變化的每日逐時氣象資料進(jìn)行計算分析?；菊竞鸵话阏驹屏績H有8：00，14:00，20:00三次觀測記錄，其他時次云量采用直線內(nèi)插法補全。

1.2 計算方法

1.2.1 穩(wěn)定度計算分類 利用陜西省99個氣象臺站2006—2011年氣象觀測資料，采用帕斯奎爾(Pasquill)及其修訂的分類法對每日逐時大氣穩(wěn)定度計算分類[3]。根據(jù)云量、云狀、太陽輻射狀況和地面風(fēng)速等常規(guī)氣象資料用A，B，C，D，E，F(xiàn)六個穩(wěn)定度級別來表示大氣對污染物的擴(kuò)散能力，從A→F表示大氣擴(kuò)散能力逐漸減弱[4-11]。具體分類步驟如下：

(1) 太陽高度角的計算：

h0= arcsin[sinφsinσ+cosφcosσ

cos(15t+λ-300]

(1)

式中：φ——當(dāng)?shù)鼐暥?；λ——?dāng)?shù)亟?jīng)度；σ——太陽傾角。

0.006758cos2θ+0.000907sin2θ-

0.002697cos3θ+0.001480sin3θ)

(2)

(2) 太陽輻射等級的確定：太陽輻射等級利用某時刻的總云量、低云量和太陽高度角由表1確定。

表1 太陽輻射等級

(3) 大氣穩(wěn)定度分類。大氣穩(wěn)定度利用的某時刻的太陽輻射等級和地面10 m高度平均風(fēng)速根據(jù)表2進(jìn)行分類，“A—B”表示介于A、B類之間，與A、B類相差半級(表2)。

1.2.2 混合層高度計算 根據(jù)大氣邊界層(或混合層)高度參數(shù)化計算方程，計算各類穩(wěn)定度下的混合層高度：

(1) 當(dāng)大氣穩(wěn)定度為A，B，C和D時：

(3)

(2) 當(dāng)大氣穩(wěn)定度為E和F時：

(4)

式中，地轉(zhuǎn)參數(shù)f=2Ωsinφ；Ω=7.29×10-5rad/s為地轉(zhuǎn)角速度；H為混合層高度；U10為10 m高度處平均風(fēng)速，大于6 m/s時取為6 m/s；邊界層參數(shù)as，bs取值見表3。

表2 大氣穩(wěn)定度等級

表3 大氣邊界層參數(shù)

2 混合層高度區(qū)域分布特征

根據(jù)逐時各類穩(wěn)定度下的混合層高度，統(tǒng)計陜西各站2006—2011年四季及全年平均混合層高度，利用GIS系統(tǒng)，采用反距離加權(quán)法插值，繪制混合層高度等值線分布圖，分析其區(qū)域分布特征。

2.1 近6年平均混合層高度區(qū)域分布特征

從圖1看出，近6年平均混合層高度330～930 m，整體表現(xiàn)為關(guān)中最高、陜北其次、陜南最低的分布特征，全省高值中心在關(guān)中東北部的合陽，低值中心在關(guān)中中南部秦嶺北麓的戶縣和周至。其中：陜北年平均混合層高度563.2 m，為399～732 m，高值中心在定邊，低值中心在陜北中部的甘泉和延川，大致呈北部高中部低的分布特征；關(guān)中平均569.6 m，為329～930 m，高值中心在合陽，最高值在華山，低值中心在戶縣和周至，呈東北部高西南部低的分布特征；陜南年平均479.5 m，為376～617 m，高值中心在商州市區(qū)，低值中心在漢中盆地的城固，亦呈東北部高西南部低的分布特征。

2.2 近6年四季平均混合層高度區(qū)域分布特征

從圖2看出，與全年一樣，四季平均混合層高度均呈關(guān)中高、陜北其次、陜南最低的分布特征，其中陜北區(qū)域北部高、中部低，關(guān)中和陜南均為東北部高、西南部低。全省高值中心在合陽，低值中心在戶縣和周至。春季陜北平均混合層高度605～713 m，高值中心在定邊，低值中心在延安市區(qū)、延川和延長；關(guān)中為431～1 069 m，高值中心在合陽和富平，低值中心在戶縣、周至和長安；陜南在555～719 m之間，高值中心在商州市區(qū)，低值中心在漢中盆地的南鄭。夏季陜北平均混合層高度576～883 m，高值中心在定邊，低值中心在延安市區(qū)、延川和延長；關(guān)中在396～956 m之間，高值中心在合陽和富平，低值中心在戶縣、周至和長安；陜南在419～645 m之間，高值中心在商州市區(qū)，低值中心在漢江谷地的寧陜。秋季陜北平均混合層高度在329～638 m之間，高值中心在定邊，低值中心在黃陵；關(guān)中在247～868 m之間，高值中心在合陽和富平，低值中心在戶縣、周至和長安；陜南在247～600 m之間，高值中心在商州市區(qū)，低值中心在漢中盆地的城固。冬季陜北平均混合層高度在325～543 m之間，高值中心在定邊，低值中心在甘泉；關(guān)中在241～923 m之間，高值中心在合陽，低值中心在戶縣和周至；陜南在270～560 m之間，高值中心在商州市區(qū)，低值中心在漢中盆地的南鄭。

圖1 年平均混合層高度分布特征

3 混合層高度時間變化特征

按照陜北、關(guān)中和陜南三個氣候區(qū)，分別統(tǒng)計四季和年、年內(nèi)各月以及四季和年的逐時平均混合層高度，分析其混合層高度季節(jié)、月和日變化特征。

3.1 季節(jié)變化特征

從表4看出，全省混合層高度均以春季為最高，其次是夏季，秋季明顯降低，冬季最低。四季和全年均以關(guān)中最高，陜北其次，陜南明顯較低。

表4 陜西不同區(qū)域四季和年平均混合層高度m

3.2 月變化特征

從圖3看出，陜北、關(guān)中、陜南月平均混合層

高度變化規(guī)律基本一致，大致以冬季12月或1月最低，隨后快速升高，4—5月達(dá)到最高，以后逐漸降低，其中，陜北和關(guān)中5月最高，陜南4月最高，陜北1月最低，關(guān)中和陜南12月最低。區(qū)域比較來看：月平均混合層高度關(guān)中最高，其次是陜北，陜南明顯較低；陜北11月至次年3月明顯低于關(guān)中，其余各月與關(guān)中相當(dāng)；陜北和關(guān)中4—6月明顯較高，峰值明顯，而冬季則較低，陜南全年變化幅度相對較小，春、夏季相對較高，但峰值不顯著；陜南除1月高于陜北外，其他各月明顯低于陜北和關(guān)中。

圖2 四季平均混合層高度分布特征

圖3 陜北、關(guān)中、陜南近6年各月平均混合層高度變化曲線

3.3四季及年混合層高度日變化特征

3.3.1 年混合層高度日變化特征 從圖4看出，陜北、關(guān)中、陜南近6年年均混合層高度日變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)單峰型。6：00開始迅速升高，13：00達(dá)到最高，隨后開始降低，17：00后迅速降低，20：00至次日6：00持續(xù)較低并波動變化，1：00—5：00處于谷值時段。區(qū)域比較來看：關(guān)中和陜北白天7：00—17：00各時刻平均混合層高度明顯高于陜南，夜間三大區(qū)域相差不大，其中陜南夜間21：00至次日5：00明顯高于陜北，略低于關(guān)中；陜北和關(guān)中各時刻差異相對較小，其中13：00至20：00陜北大多數(shù)時刻高于關(guān)中，其余時刻低于關(guān)中。

3.3.2 四季混合層高度日變化特征 從圖5看出，陜北、關(guān)中、陜南近6年四季混合層高度日變化規(guī)律基本一致，均呈單峰型。大致從日出后開始迅速升高，13：00前后達(dá)到最高，16：00開始迅速降低，日落后至次日日出前持續(xù)較低。夏季峰值持續(xù)：時間最長(12：00—16：00)，春季其次(12:00—15：00)，秋、冬季較短(13：00)。春季20：00至次日6：00，夏季20：00至次日5：00，以及秋、冬季19：00至次日7：00持續(xù)較低。區(qū)域比較來看：四季陜北和關(guān)中全天平均混合層高度差異不大，大部分時間關(guān)中略高于陜北；陜南春、夏季白天、秋季9：00至16：00以及冬季10：00至15：00明顯低于陜北和關(guān)中，而秋季夜間18：00至次日7：00、冬季夜間17：00至次日7：00大多高于陜北和關(guān)中。

圖4 陜北、關(guān)中、陜南近6年平均混合層高度日變化曲線

圖5 陜北、關(guān)中、陜南四季平均混合層高度日變化曲線

4 討 論

混合層高度是反映大氣污染物在大氣邊界層內(nèi)垂直擴(kuò)散能力和湍流混合擴(kuò)散能力的重要氣象參數(shù)，混合層高度越大，就越有利于污染物的擴(kuò)散和稀釋，而大氣層結(jié)穩(wěn)定度是決定混合層厚度的最主要因子[11]。

關(guān)中區(qū)域由于城市化的快速發(fā)展，鋼筋水泥和柏油形成的城市下墊面不斷拓展，白天太陽輻射使得地表升溫遠(yuǎn)比陜北和陜南快，大氣垂直對流和湍流活動強烈，不穩(wěn)定類天氣較多，因此總體混合層高度也相對較高。夜間由于地面快速降溫，穩(wěn)定類天氣較多，近地層也更容易形成逆溫，因此夜間混合層高度較低，使得晝、夜間混合層高度差異較大。而陜南以丘陵山地為主，受秦嶺的阻隔，形成亞熱帶氣候，植被茂盛，且多陰、雨、大霧等天氣，中性類天氣較多，因此混合層高度相對較低，但全天變化幅度相對較小。陜北北部位于毛烏素沙漠南緣，南部黃土高原植被相對稀疏，因此整體則介于二者之間。

陜西春季受西南暖濕氣流和西北氣流的交替影響，地面風(fēng)速相對較大，加之地面因太陽輻射快速升溫，不穩(wěn)定類天氣增多，垂直對流和湍流不斷加強，因此混合層高度較高。而夏季長時間受西太平洋副熱帶高壓控制，地面風(fēng)速相對春季小，因此混合層高度略小于春季。秋、冬季西北干冷氣流逐漸占據(jù)主導(dǎo)，隨著太陽不斷南歸，太陽輻射不斷減少，地面風(fēng)速也逐漸減小，冬季太陽輻射最弱，風(fēng)速相對最小，垂直對流和湍流也最弱，穩(wěn)定類天氣出現(xiàn)頻率較高，近地層也更容易形成逆溫，因此混合層高度最低。

5 結(jié) 論

(1) 全年和四季平均混合層高度均以關(guān)中最高、陜北其次、陜南最低，其中陜北區(qū)域北部高、中部低，關(guān)中和陜南均為東北部高、西南部低。全省高值中心在關(guān)中東北部的合陽，低值中心在關(guān)中中南部秦嶺北麓的戶縣和周至。陜北高值中心在定邊，低值中心在延安市區(qū)、延川和延長；關(guān)中高值中心在合陽和富平，低值中心在戶縣、周至和長安；陜南高值中心在商州市區(qū)，低值中心在漢中盆地。

(2) 各區(qū)域混合層高度均以春季最高，夏季其次，冬季最低，大致以冬季12月或1月最低，隨后快速升高，4—5月達(dá)到最高，以后逐漸降低，其中，陜北和關(guān)中5月最高，陜南4月最高，陜北1月最低，關(guān)中和陜南12月最低；日變化均呈單峰型，日出后開始迅速升高，13：00前后達(dá)到最高，16：00開始迅速降低，日落后至次日日出前持續(xù)較低，春、夏季峰值持續(xù)時間較長，秋、冬季較短。

(3) 四季陜北和關(guān)中全天平均混合層高度差異不大，大部分時間關(guān)中略高于陜北；陜南春、夏季白天、秋季9:00—16:00以及冬季10：00—15:00明顯低于陜北和關(guān)中，而秋季夜間18：00—次日7:00、冬季夜間17：00至次日7:00大多高于陜北和關(guān)中。

[1] 廖國蓮.大氣混合層厚度的計算方法及影響因子[J].中山大學(xué)研究生學(xué)刊:自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)版,2005,26(4):66-73.

[2] 陸雍森.環(huán)境評價[M].2版.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2002:220-242.

[3] 劉強.大氣污染物擴(kuò)散中穩(wěn)定度判定方法概述[J].干旱氣象,2011,29(3):355-361.

[6] 鄧奕,范紹佳.沿海大氣穩(wěn)定度分類莫寧—奧布霍夫長度L分類標(biāo)準(zhǔn)研究[C]∥新世紀(jì)氣象科技創(chuàng)新與大氣科學(xué)發(fā)展：中國氣象學(xué)會2003年年會.大氣氣溶膠及其對氣候環(huán)境的影響分會論文集.北京:氣象出版社,2003:97-101.

[4] 孟慶珍,林安民.重慶近11年大氣混合層厚度研究[J].重慶環(huán)境科學(xué),1994,16(4):12-16.

[5] 楊勇杰,談建國,鄭友飛,等.上海市近15 a大氣穩(wěn)定度和混合層厚度的研究[J].氣象科學(xué),2006,26(5):536-541.

[6] 楊靜,李霞,李秦,等.烏魯木齊近30 a大氣穩(wěn)定度和混合層高度變化特征及與空氣污染的關(guān)系[J].干旱區(qū)地理,2011,34(5):747-752.

[7] 張德華,李曉忠,侯祺棕.城市大氣穩(wěn)定度分級模型的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2011,23(1):63-66.

[8] 范紹佳,林文實,蘇雄暉,等.理查遜數(shù)Ri在沿海近地層大氣穩(wěn)定度分類中的應(yīng)用[J].熱帶氣象學(xué)報,1999,15(4):370-375.

[9] 國家環(huán)保總局監(jiān)督管理司.中國環(huán)境影響評價培訓(xùn)教材[M].1版.北京:同濟(jì)大學(xué)出版社,2000:116-117.

[10] 蔡新玲,吳素良,王繁強,等.西安市近10年大氣穩(wěn)定度和邊界層厚度特征[J].氣象科技,2007,35(6):814-817.

[11] 陳建文,胡琳,王娟敏,等.陜西省大氣穩(wěn)定度分布特征研究[J].水土保持研究,2013,20(3):299-304.

DistributionCharacteristicsoftheMixedLayerHeightinShaanxiProvince

CHEN Jian-wen, HU Lin, WANG Juan-min, ZHANG Wen-jing, MAO Ming-ce, WU Su-liang, WANG Qi

(ShaanxiProvincialClimateCenter,Xi′an710014,China)

This paper calculated the mixed layer height according to hourly observation data of the 99 meteorological stations in Shaanxi Province from 2006 to 2011, analyzed the characteristics of regional distribution, the four seasons and the daily variation of the mixed layer height by using GIS system. The results show that: ① for area distribution of annual and seasonal, the highest mixed layer height is in Guanzhong, followed by the northern Shaanxi, it is the lowest in southern Shaanxi. Among them, it is lower in northern Shaanxi area and higher in the middle area, it is higher in the northeast and lower in southwest in the other areas; ② regional mixing layer height is the highest in spring, followed the summer, minimum is in the winter. It is the lowest in December or January, then increased rapidly, it reached the highest in April or May, then gradually decreased; ③ daily variation presented unimodal, began to rise rapidly after sunrise, reached the highest at 13:00 PM, began to decrease rapidly at 16:00 PM, continued to be low after sunset until the next sunrise, the peak duration is longer in spring and summer peak duration, is shorter in autumn and winter; ④ the difference of average mixing layer height is not big, most of the time in the Guanzhong is slightly higher than that of northern Shaanxi; the daytime in spring and summer, 9:00 AM to 16:00 PM in autumn, 10:00 AM to 15:00 PM in winter of southern Shaanxi is significantly lower than that of northern Shaanxi and the Guanzhong, but 18:00 PM to 7:00 AM next day in autumn, 17:00 PM to 7:00 AM next day in winter of southern Shaanxi is mostly higher than that of northern Shaanxi and the Guanzhong.

Shaanxi Province; atmospheric stability; the mixed layer height; distribution characteristics

2013-05-22

：2013-11-08

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目“基于相似理論的渭河致洪秋雨短期氣候預(yù)測方法研究”(2012JM5012);陜西省科技廳社發(fā)攻關(guān)項目(2012K12-01-03);干旱氣象科學(xué)研究基金項目(IAM201106)

陳建文(1967—),男,陜西省南鄭縣人,高級工程師,主要從事環(huán)境影響評價、氣候分析與應(yīng)用、環(huán)境氣象研究等工作。E-mail:chenjianween@126.com

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：A

：1005-3409(2014)05-0322-05