青島地區(qū)混合層高度的季節(jié)性變化＊

李金堡 駱永軍 柴藝淳

（1．海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋系 大連 116018）（2．中國海洋大學(xué)海洋氣象學(xué)系 青島 266100）

1 引言

R．B 斯塔爾［1］在邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論中指出，大氣邊界層是指對(duì)流層內(nèi)貼近地表面約1km～5km 厚的一層。大氣邊界層的高度（或厚度）和結(jié)構(gòu)與大氣邊界層內(nèi)的溫度分布或大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)。中性或不穩(wěn)定時(shí)，由于動(dòng)力或熱力湍流的作用，邊界層內(nèi)上下層之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)量或熱量交換。通常把出現(xiàn)這一現(xiàn)象的層稱為混合層。廖國蓮［2］在大氣混合層厚度的計(jì)算方法及影響因子一文中提到，大氣混合層高度是在鉛垂方向上反映污染物擴(kuò)散的重要參數(shù)，它的研究對(duì)大氣環(huán)境預(yù)測、環(huán)境規(guī)劃等起著重要作用。劉北平［3］、徐金輝［4］等研究和提出了幾種常規(guī)的混合層高度的確定方法。史寶忠［5］等對(duì)幾種混合層高度確定方法進(jìn)行了比較和分析。程水源［6］等針對(duì)北京地區(qū)的混合層高度相關(guān)方面進(jìn)行了研究和分析?，F(xiàn)在國際上計(jì)算大氣混合層高度的方法主要有干絕熱方法、羅氏法、Gamo［7］法、激光雷達(dá)測距法等。本文著重介紹了一種國際上主要運(yùn)用來計(jì)算混合層高度的方法—干絕熱方法，主要利用清晨探空曲線，與一天中溫度最高時(shí)刻的干絕熱曲線相交的方法找出交點(diǎn)，得出大氣混合層高度的方法。

2 數(shù)據(jù)和方法

2．1 數(shù)據(jù)資料

本文所用的數(shù)據(jù)主要來自俄亥俄大學(xué)的青島地區(qū)大氣探空數(shù)據(jù)和地面的08時(shí)開始到17時(shí)的地面溫度數(shù)據(jù)，探空數(shù)據(jù)長度是從2003年3月到2010年12月，為每日00 時(shí)和12 時(shí)的探空數(shù)據(jù)。包括從地面到高空各規(guī)定層的氣壓、溫度、露點(diǎn)溫度等資料數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)天數(shù)中有20層以上。另外，還利用到部分NCEP數(shù)據(jù)，本文所用的數(shù)據(jù)范圍為維度：37°07′～41°0′N，經(jīng)度：117°35′～121°10′E，為中國山東青島附近海域的數(shù)據(jù)。主要是描述2007年相關(guān)逐月的實(shí)測海溫?cái)?shù)據(jù)，以及海氣感熱通量和海氣潛熱通量的數(shù)據(jù)資料。

2．2 利用干絕熱方法計(jì)算大氣混合層高度

干絕熱曲線法是由Holzworth［8］于20世紀(jì)60年代在研究美國多個(gè)地區(qū)日平均最大混合層高度時(shí)提出的。此方法主要考慮了熱力湍流效應(yīng)，而相應(yīng)的忽略了平流，下沉及機(jī)械湍流的影響。平均混合層高度由清晨08時(shí)的溫度廓線和地面最高、最低溫度而定。該方法主要突出了熱浮力是白天邊界層主要的驅(qū)動(dòng)力的特點(diǎn)，天氣晴好時(shí)相對(duì)準(zhǔn)確，陰雨時(shí)準(zhǔn)確度有所降低，在有地區(qū)探空數(shù)據(jù)和地面氣溫資料時(shí)，干絕熱方法是一種比較準(zhǔn)確和方便的方法。針對(duì)干絕熱方法，有具體的兩種如下作法：

1）圖解計(jì)算法

利用清晨08時(shí)氣溫探空資料，?，攬D上畫出08時(shí)氣溫廓線，在埃瑪圖上得到溫度廓線與曲線的交點(diǎn)，取當(dāng)天最高溫度，一般是14時(shí)的地面氣溫作干絕熱曲線，廓線與曲線的交點(diǎn)，讀取下墊面和交點(diǎn)處的氣壓值，采用圖解等面積法，求得該層平均氣溫t，用等溫大氣的壓高公式，由氣壓值計(jì)算混合層高度H，單位是m：

式中R為干空氣比氣體常數(shù)，g為重力加速度，P0為地面大氣壓，hpa；PH為H高度的 大氣壓，hpa；為下墊面至H高度的層內(nèi)平均氣溫（K）；H為大氣混合層高度。

2）圖解概算法

在?，攬D上讀取下墊面和交點(diǎn)出的氣壓值，在邊界層內(nèi)，自地面每升高100m，大氣壓平均降低12．4hpa，則大氣混合層高度H可按下式計(jì)算：

嚴(yán)格地說，大氣壓隨高度增加是按指數(shù)規(guī)律減少的。因此，這一計(jì)算結(jié)果只是接近真值。

3 結(jié)果與分析

3．1 青島大氣混合層高度的變化規(guī)律

以下分別分析了由2003～2010年每月和每季度的青島大氣混合層平均高度的統(tǒng)計(jì)，由于2007年平均氣溫高達(dá)13．8℃，是1899年以來年平均氣溫最高的兩年之一。所以選取2007年進(jìn)行分析，可以對(duì)其特殊性和其他年份的一般性做出比對(duì)。

圖1 2003年青島地區(qū)大氣混合層月平均高度

由圖1可知，青島地區(qū)的混合層高度大致在500m～1000m 之間波動(dòng)。在夏季（6、7月）最低，秋冬季時(shí)最高（11月），整體趨勢呈現(xiàn)由夏季到秋冬季的增長和秋冬季到春季的降低。在8年的時(shí)間內(nèi)混合層頂平均位于1000m 左右。

圖2 2003～2010年青島地區(qū)大氣混合層季平均高度

由圖2可知，在夏季時(shí)混合層高度最低，平均降到了550m 左右，在夏季和秋季之間有一個(gè)陡增，在秋季時(shí)混合層頂最高達(dá)到了900m 以上的高度，在秋冬季混合層高度要比在春夏季時(shí)混合層高度要高。

圖3 2007年與2003年～2010年混合層高度的月平均

圖4 2007年與2003年～2010年混合層高度逐季度平均

由圖3可知，2007年青島地區(qū)的混合層高度大致處于400m～1200m 之間的波動(dòng)。在夏季（6、7月）最低，春秋季時(shí)最高，呈雙峰凸顯。整體趨勢呈現(xiàn)由夏季到秋冬季的增長和秋冬季到春季的降低。尤其是在夏季（5、6月）時(shí)會(huì)有一陡降。相較2003～2010年時(shí)在3月時(shí)較往年混合層高度有較大差值，在4、5月時(shí)比往年稍高，在8～10月相比往年要少。

由圖4可知，2007年的混合層高度在夏季時(shí)最低，平均降到了500m 以下，在秋季時(shí)混合層頂最高達(dá)到了接近900m 的高度，在春季和冬季都維持在一個(gè)比較高的程度，在春秋季2007年青島地區(qū)的大氣混合層高度與往年基本持平，在夏季時(shí)比8年平均的高度要低50m 左右，在冬季則要稍高一些。

由以上干絕熱法得到的結(jié)果，與吳祖常等［9］在1998年得到的結(jié)果較為一致，其中，若為內(nèi)陸臺(tái)站，則大氣混合層高度通常秋冬季時(shí)為最低，在夏季為最高；而沿海臺(tái)站則大相徑庭，大氣混合層高度通常夏季最低，在秋冬季最高。

表1 混合層高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表1顯示的數(shù)據(jù)，比較了青島、大連、臺(tái)州三個(gè)地區(qū)的混合層高度，混合層高度均在夏季的6月最小，青島：729m；大連：628m；臺(tái)州：509m；混合層高度均在秋季的9月、11月最大，青島：1081m；大連：1207m；臺(tái)州：1042m。

表2 混合層高度，單位（m）

3．2 青島大氣混合層高度隨季節(jié)變化的原因分析

在大氣混合層高度發(fā)展的過程中，影響因子有很多，如大氣穩(wěn)定度、天氣系統(tǒng)、海陸相互作用等。本文僅就海陸相互作用對(duì)大氣混合層高度的影響進(jìn)行分析。

由上表2，內(nèi)陸臺(tái)站中，大氣混合層高度在秋季，要低于春季。表2中所列舉的北京、濟(jì)南、太原等地的混合層高度均為春夏季節(jié)高于冬季，而上海則是夏季最低、秋季最高，這充分地體現(xiàn)出了沿海城市與內(nèi)陸城市的地理差異，由于海陸熱力差異而引起的大氣混合層高度變化規(guī)律的不同。

圖5 海氣溫差月平均

大連和青島都屬于沿海的城市，這里將它們放在一起進(jìn)行比較，在影響混合層高度發(fā)展的因素中，浮力對(duì)流、機(jī)械剪切是產(chǎn)生混合能的主要驅(qū)動(dòng)力。而機(jī)械剪切在這里不作為重點(diǎn)考慮，因?yàn)樵诒疚闹兄饕紤]熱力作用的影響。

浮力對(duì)流的成因包括溫暖下墊面的熱傳遞及云頂?shù)妮椛淅鋮s，而大氣層結(jié)的穩(wěn)定度同樣是決定混合層厚度的影響因子，例如平流、下沉等原因形成的逆溫層，是典型的抑制下墊面湍流發(fā)展的穩(wěn)定層結(jié)，Stull［10］指出，大氣越不穩(wěn)定，水平和垂直湍流交換越強(qiáng)，混合層厚度越大；而在大氣層結(jié)為穩(wěn)定的條件下，湍流得不到發(fā)展，能達(dá)到的高度低，混合層厚度就小。

所以可以由青島地區(qū)的海氣溫差，來對(duì)下墊面是否穩(wěn)定，穩(wěn)定程度如何進(jìn)行判斷，從而進(jìn)一步判斷混合層高度的變化。如圖5所示，春、夏季節(jié)海溫等于或小于氣溫，形成相對(duì)穩(wěn)定的下墊面，所以在春夏季節(jié)時(shí)，青島的大氣混合層高度較低；冬季則相反，海溫要高于氣溫，形成不穩(wěn)定的下墊面，在這種情況下，有利于熱力湍流的強(qiáng)度和發(fā)展發(fā)生，從而秋冬季的混合層高度在全年中處于最高的時(shí)期。

圖6 2007年感熱通量的月平均變化

圖7 2007年潛熱通量的月平均變化

另外，從熱浮力通量的角度來看，熱浮力通量分布如圖6、圖7所示，兩個(gè)臺(tái)站對(duì)應(yīng)位置的感熱和潛熱通量的季節(jié)變化與混合層高度的季節(jié)變化相似，呈春、夏季節(jié)低、秋冬季節(jié)高的分布特征。也就是說，在秋、冬季熱浮力通量要大于春夏季，這與內(nèi)陸臺(tái)站的季節(jié)分布情況相反，是青島等沿海臺(tái)站邊界層高度季節(jié)變化區(qū)別于內(nèi)陸臺(tái)站的主要原因。

4 結(jié)語

1）作為沿海城市，青島大氣混合層的季節(jié)性變化特征為：在春夏季時(shí)青島地區(qū)大氣混合層高度低，在秋冬季青島地區(qū)大氣混合層高度高。

2）春、夏季海溫等于或小于氣溫，形成相對(duì)穩(wěn)定的下墊面，所以在春夏季時(shí)，混合層高度較低；冬季則相反，海溫要高于氣溫，形成不穩(wěn)定的下墊面，在這種情況下，有利于熱力湍流的強(qiáng)度發(fā)展，從而秋冬季的混合層高度在全年中處于最高的時(shí)期。并且從熱浮力通量的分布可以看出，青島的感熱和潛熱通量的季節(jié)變化與混合層高度的季節(jié)變化相似，呈春、夏季低、秋冬季高的分布特征。也就是說，在秋、冬季熱浮力通量要大于春夏季，更進(jìn)一步證明春夏季的混合層高度要低于秋冬季。

3）從海陸相互影響的角度出發(fā)，由于在不同的季節(jié)海洋和陸地會(huì)有相反的海洋溫差，以及風(fēng)速和風(fēng)向的季節(jié)性變化，從而海洋和陸地會(huì)有相反的感熱通量和潛熱通量的季節(jié)性變化，這也是沿海地區(qū)（如青島）和內(nèi)陸地區(qū)（如太原）的大氣混合層高度的季節(jié)性變化相反的原因。

［1］R．B斯塔爾．邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論［M］．青島：青島海洋大學(xué)出版社，1991：2-3．

［2］廖國蓮．大氣混合層厚度的計(jì)算方法及影響因子［J］．中山大學(xué)研究院學(xué)刊，2005，26（4）：67-68．

［3］劉北平．確定大氣混合層高度方法的研究［J］．環(huán)境科學(xué)研究，1990，3（1）：8-12．

［4］徐金輝，李薇．大氣混合層高度測定方法介紹［J］．氣象教育與科技，1994（1）：6-9．

［5］程水源，張寶寧，白天雄，等．北京地區(qū)大氣混合層高度的研究及氣象特征［J］．環(huán)境科學(xué)叢刊，1991，13（4）：76-80．

［6］史寶忠，鄭方威，曹國良．對(duì)大氣混合層高度確定方法的比較分析［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，29（2）：138-141．

［7］Gamo．M，Yokoyama．O．Growth Of the mixing depth and turbulence characteristics In the mixing layer［J］．Soc．Japan，1979，57：159-171．

［8］A．J．Garrett．Comparisons of Observed Mixed Layer Depth to Model Estimates Using observed Temperatures and Winds and MOS Forecasts［J］．Applied Meteorology，1981，20（12）：77-83．

［9］吳祖常，董保群．我國陸域大氣最大混合層厚度的地理分布與季節(jié)變化［J］．科技通報(bào)，1998，14（3）：159-160．

［10］Stull R．B．Mixed layer depth model based on turbulent energetics［J］．Atmospherical Science，1976，33（12）：68-78．