大氣穩(wěn)定度分類方法及判據(jù)比較研究

李祥余

(南通市通州區(qū)環(huán)境保護(hù)局，江蘇 南通　226300)

大氣穩(wěn)定度分類方法及判據(jù)比較研究

李祥余

(南通市通州區(qū)環(huán)境保護(hù)局，江蘇 南通226300)

【摘要】比較分析了Pasquill法、Pasquill-Turner法、P·S法、溫度梯度法、溫度梯度-風(fēng)速法、理查遜數(shù)法、總體理查遜數(shù)、風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差法、莫寧-奧布霍夫長度法等十一種主要大氣穩(wěn)定度分類方法。研究表明，在實際應(yīng)用中要根據(jù)常規(guī)氣象資料、梯度資料和湍流資料可獲得性的不同，分別優(yōu)先選取P·S法、理查遜數(shù)或總體理查遜數(shù)法和莫寧-奧布霍夫長度法會獲得一個更加準(zhǔn)確的分類結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】大氣層結(jié)；梯度；湍流；標(biāo)準(zhǔn)差；總體理查遜數(shù)

引用文獻(xiàn)格式：李祥余.大氣穩(wěn)定度分類方法及判據(jù)比較研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2015，40(6)：93-95.

大氣穩(wěn)定度是指近地層氣塊受到擾動后氣塊在鉛直方向上運(yùn)動的強(qiáng)弱程度[1]，是大氣湍流狀況的一種表征，是大氣擴(kuò)散能力一個重要的綜合指數(shù)。如何客觀準(zhǔn)確地進(jìn)行大氣穩(wěn)定度分級是污染氣象學(xué)的重點內(nèi)容之一，對于提高大氣邊界層數(shù)值模擬和大氣污染擴(kuò)散預(yù)報精度至關(guān)重要。因此大氣穩(wěn)定度判定方法的研究受到了眾多學(xué)者的關(guān)注[2-6]，然而他們大多集中于一種或幾種判定方法上，多種不同方法的對比分析較少。根據(jù)使用資料的不同大氣穩(wěn)定度分類方法主要分為常規(guī)氣象資料法和特殊氣象資料法兩大類，本文系統(tǒng)比較研究了這兩大類11種判定方法，為實際應(yīng)用中選擇合適的判定方法提供一些理論參考。

1基于常規(guī)氣象資料的大氣穩(wěn)定度分類法

1.1　Pasquill法

Pasquill法(PL)主要根據(jù)常規(guī)觀測的太陽輻射、云量和地面風(fēng)速等資料將大氣穩(wěn)定度分為極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、弱穩(wěn)定和穩(wěn)定六個級別，分別用字母A、B、C、D、E和F類表示[7-9]。通過內(nèi)插值還可進(jìn)一步細(xì)分為A～B、B～C、C～D、D～E和E～F類。PL法中的日間太陽輻射狀況簡單分為強(qiáng)、中、弱三級。日落前一小時至日出后一小時定義為夜間；同時不論天空云量多少，將日出后及日落前一小時的穩(wěn)定度級別均定為D類。這些基本量的確定逐漸成為后來分類的基礎(chǔ)。由于PL法只需要常規(guī)氣象資料，簡便實用，因此被廣泛使用；但該方法只粗略考慮了熱力和動力兩方面因素對穩(wěn)定度的影響；對于平坦開闊農(nóng)村地區(qū)適用性比較強(qiáng)，而對于城市、水面、荒漠等特殊下墊面地區(qū)只能半定量地劃分穩(wěn)定度級別。

1.2　Pasquill-Turner法

Pasquill-Turner法(P-T法)是指Pasquill提出，經(jīng)Turner進(jìn)一步修正的方法[8]。Turner首先根據(jù)太陽高度角給出了日照級數(shù)，然后根據(jù)天空云量狀況對日照級數(shù)訂正，得出凈輻射指數(shù)，最后結(jié)合地面10 m風(fēng)速給出穩(wěn)定度類別。Turner當(dāng)初用1、2、3、4、5、6、7級分別對應(yīng)Pasquill法的A、B、C、D、D～E、E、F類。這兩種方法基本原理相同，只是P-T法更準(zhǔn)確。P-T法只要有太陽高度角、云高、云量和地面風(fēng)速的觀測資料，就能客觀地給出穩(wěn)定度分類級別，既簡單易行又基本合理，所以至今它仍是實際工作中最為常用的方法。

1.3　P·S法

P·S法是指經(jīng)原國家環(huán)保局修訂的Pasquil1分類法[8]。它起始于20世紀(jì)70年代，我國在環(huán)境保護(hù)研究實踐中，結(jié)合國情作了修訂，并將其作為國家標(biāo)準(zhǔn)《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》(GB/T 3840-91)規(guī)范使用，是我國廣泛使用的穩(wěn)定度分類法，對于平原有較好的適用性。P·S法大氣穩(wěn)定度等級的劃分是使用Pasquill法劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別由A、B、C、D、E和F表示強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定級別。

1.4　城市穩(wěn)定度分類法

城市穩(wěn)定度分類法(LD)是Ludwig和Dabberdt基于Pasquill-Turner工作上提出的城市(含城郊)穩(wěn)定度分類法[2，5]。該方法的要點主要是先由云量和太陽高度角求日照參數(shù)(φ)，其中，0≤φ≤1，大小代表日照強(qiáng)度，分為強(qiáng)日照(φ>0.55)、中等日照(0.3≤φ≤0.55)和弱日照(φ<0.3)三種。求得φ后，再根據(jù)風(fēng)速、太陽高度角、云量等確定穩(wěn)定度級別。

2基于特殊氣象資料的大氣穩(wěn)定度分類法

2.1　梯度資料分類法

(1)溫度梯度法：溫度梯度法或稱溫差法(ΔT/ΔZ)是指用兩層大氣間鉛直方向的溫度梯度來表示水平和垂直方向上的湍流狀態(tài)[4，8，10]。溫差法是美國田納西河流域管理局發(fā)現(xiàn)的，隨后國際原子能機(jī)構(gòu)在1980年推出其判據(jù)。該判據(jù)推出后不久即被中科院大氣所采用。長期的大量實踐研究表明，溫度梯度法適用于判斷穩(wěn)定大氣層結(jié)，不適合用在高架源排放和不穩(wěn)定狀態(tài)層結(jié)分類。

(2)溫度梯度-風(fēng)速法：溫度梯度-風(fēng)速法是綜合考慮溫度梯度和風(fēng)速的方法[7，8]。該方法在溫度梯度法的基礎(chǔ)上根據(jù)地面風(fēng)速的不同又增加劃分六大類，穩(wěn)定度分類更加詳細(xì)。由于此方法同時考慮了大氣湍流熱力和動力兩方面的影響因子，所以總體上較之僅以溫度梯度作判斷的方法要好。

(3)風(fēng)速比法：大氣湍流擴(kuò)散能力與風(fēng)速密切相關(guān)。風(fēng)速比(UR)為上下兩層風(fēng)速的比值[4，11]。UR法參照Pasquill穩(wěn)定度分類規(guī)則，根據(jù)兩層風(fēng)速比值大小分為6個類別。UR值是根據(jù)Businger表達(dá)式計算的，為一種經(jīng)驗數(shù)據(jù)，適用于風(fēng)速大、穩(wěn)定級別高的大氣穩(wěn)定狀態(tài)判定。

(4)理查遜數(shù)法：理查遜數(shù)(Ri)是1920年Richardson為了表征大氣穩(wěn)定度而根據(jù)能量收支方程引入的，是一個無量綱參數(shù)[4，5，10]。Ri綜合了湍流激發(fā)的熱力因子和動力因子的作用，反應(yīng)了更多的湍流狀況信息，因此Ri法判斷大氣穩(wěn)定度較準(zhǔn)確。其判據(jù)國內(nèi)一般采用中科院大氣所1980年推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)。由于Ri法對風(fēng)速、溫度梯度資料的精度要求高，對風(fēng)速反應(yīng)尤為敏感，有高精度鐵塔風(fēng)溫觀測資料時計算結(jié)果較準(zhǔn)確[12]，但現(xiàn)實中普遍缺乏鐵塔觀測資料，所以在實際應(yīng)用中很少。

(5)總體理查遜數(shù)：由于Ri式中風(fēng)速差處于分母位置，任何微小的風(fēng)速測量誤差將會導(dǎo)致Ri計算結(jié)果巨大的偏差，因此為了避免精確測量風(fēng)速值難以獲得的困難，常用總體理查遜數(shù)(BRi)來表征[5，8]。BRi的計算采用上下連續(xù)兩個高度層風(fēng)速和高度的幾何平均值來表示，得出的結(jié)果為兩高度的平均幾何高度的BRi值。目前BRi法還沒有相對統(tǒng)一的劃分大氣穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)，大多采用D.Golder、Irwin和Houghton等提出的分類標(biāo)準(zhǔn)。

2.2　湍流資料分類法

(1)風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差法：風(fēng)和湍流是大氣擴(kuò)散能力大小的決定因子，可見風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差δA(水平)和δE(垂直)是一個直接表征大氣湍流強(qiáng)弱的參量，與擴(kuò)散參數(shù)關(guān)系密切，能夠彌補(bǔ)常規(guī)氣象資料劃分穩(wěn)定度的不足，作為大氣穩(wěn)定度的分類判據(jù)較準(zhǔn)確[7，8，10]。其分類判據(jù)一般采用美國國家環(huán)保局空氣質(zhì)量控制守則里推薦的標(biāo)準(zhǔn)，分為水平和垂直兩個風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差分類判據(jù)。

(2)莫寧-奧布霍夫長度法：莫寧-奧布霍夫長度(L)[5，6]是又一個表征近地層湍流狀態(tài)的指數(shù)，和Ri一樣是一個無量綱參數(shù)。L值可以由Ri或BRi對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系求出，其計算較為復(fù)雜，涉及摩擦速度、卡門常數(shù)、垂直湍流熱通量和空氣定壓比熱等參數(shù)，而這些參數(shù)的獲得需要借助三維超聲風(fēng)速儀等特種儀器。與BRi法一樣，L法穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)主要有D.Golder、Irwin和Houghton提出的三種判據(jù)。

3結(jié)果分析

通過上述比較分析可知，大氣穩(wěn)定度判定方法的選擇是基于氣象資料上。①當(dāng)只有常規(guī)的風(fēng)速、日照、云量等氣象觀測資料時，在實際應(yīng)用中建議使用簡便實用的P·S法；此方法在開闊平坦下墊面條件下有較好的分類結(jié)果。②當(dāng)至少有兩層風(fēng)溫觀測梯度資料時，推薦使用總體理查遜數(shù)法；但由于其沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，所以采用何種分類判據(jù)對結(jié)果會有一定的偏差。若有高精度的風(fēng)溫梯度資料，理查遜數(shù)法則在理論上更加合理，分類也更精確。③當(dāng)有三維超聲風(fēng)速儀、渦動協(xié)方差測量系統(tǒng)等特種設(shè)備測量的湍流數(shù)據(jù)時，莫寧-奧布霍夫長度法和風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差法都能給出很好的分類結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

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常紀(jì)文：三個“最嚴(yán)格”盯環(huán)保 公眾參與可破監(jiān)管難題

近日發(fā)布的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》(以下簡稱《建議》)，生態(tài)環(huán)境部分亮點頗多，全篇共四次出現(xiàn)“最嚴(yán)格”，其中，三次落在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域。那么，如何讓生態(tài)環(huán)境約束變硬，“十三五”環(huán)保產(chǎn)業(yè)面臨哪些發(fā)展機(jī)遇，環(huán)保企業(yè)如何進(jìn)行市場布局？帶著這些問題，《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者(以下簡稱NBD)近日專訪了國務(wù)院發(fā)展研究中心資源與環(huán)境政策研究所副所長常紀(jì)文。

三個“最嚴(yán)格”劃“紅線”

NBD：《建議》提到“資源約束趨緊，生態(tài)環(huán)境惡化趨勢尚未得到根本扭轉(zhuǎn)”，對此，您怎么看？

常紀(jì)文：這個判斷是國家有關(guān)部門研究的結(jié)果。需強(qiáng)化資源的可持續(xù)化利用，資源利用既要滿足于當(dāng)前的需求，還需要滿足后代使用，實際上，當(dāng)前來看，包括石油、鐵礦等資源都需要依靠進(jìn)口，所以資源約束趨緊。

對于生態(tài)環(huán)境惡化趨勢尚未得到根本扭轉(zhuǎn)。近幾年，環(huán)境污染物的排放總量正處于歷史高位，復(fù)合型污染的特征更加明顯，藍(lán)天與霧霾天交替出現(xiàn)，環(huán)境質(zhì)量狀況非常復(fù)雜。

到“十三五”末期，主要污染物排放總量的拐點可能全面到來。今后五年是環(huán)境與發(fā)展矛盾的凸顯期、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)與要求提高期，遇上了經(jīng)濟(jì)下行期，過關(guān)越坎的難度更大。

NBD：今后五年的生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的目標(biāo)要求“生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善”，這一目標(biāo)如何實現(xiàn)？

常紀(jì)文：當(dāng)前來看，比較嚴(yán)重的是大氣、水等污染問題，目前是水環(huán)境保護(hù)和大氣環(huán)境保護(hù)的戰(zhàn)略相持期，雖然環(huán)境治理和環(huán)境承載壓力大，但惡化趨勢放緩，“十三五”末期可能會出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

為此，國家出臺了一系列的保障措施。中國正在通過基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)解決環(huán)保問題，特別是農(nóng)村環(huán)保問題。通過基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，進(jìn)行集中處理，能夠解決一些環(huán)境問題，同時加上工業(yè)污染的治理，達(dá)到雙管齊下解決污染問題的目的。

NBD：中央強(qiáng)調(diào)，必須堅持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策，同時提出了三個“最嚴(yán)格”，這釋放出何種信號？

常紀(jì)文：《建議》中確實提到了三個最嚴(yán)格，這說明這三方面的問題最嚴(yán)重，實際情況確實如此，當(dāng)前水污染問題較嚴(yán)重，水污染必定又會影響到飲水安全，直接關(guān)系到人體健康。同時，土地擴(kuò)張很厲害，環(huán)境保護(hù)問題也較突出。

環(huán)?；ㄓ氨l(fā)期”

NBD：《建議》在環(huán)保領(lǐng)域的亮點頗多，未來推進(jìn)的重點和難點在哪里？

常紀(jì)文：通過“多規(guī)合一”等措施，推進(jìn)主體功能區(qū)的科學(xué)開發(fā)利用；實行省以下環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)察執(zhí)法垂直管理制度，鞏固屬地的環(huán)境監(jiān)管責(zé)任制度，形成企業(yè)主體責(zé)任、地方政府監(jiān)管、上級部門監(jiān)察相結(jié)合的環(huán)境保護(hù)監(jiān)管監(jiān)察新模式，既保障環(huán)境執(zhí)法的效果，又遏制地方保護(hù)主義。

但是，生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體制建議不要走入死胡同，想通過垂直管理來達(dá)到目的，往往是治標(biāo)不治本。

建議還是加強(qiáng)社會的參與和牽制，把各種監(jiān)管和企業(yè)的開發(fā)利用行為置于人們的參與和監(jiān)督之中。

NBD：您對“十三五”環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展有什么預(yù)期？

常紀(jì)文：“十三五”時期，國家將加大環(huán)保基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，涉及污水處理、垃圾處理等多方面。生態(tài)環(huán)保需要與全面建設(shè)小康社會向結(jié)合，同時生活條件上也應(yīng)該干凈、衛(wèi)生、安全，對環(huán)保產(chǎn)業(yè)來說將是一個很大的機(jī)遇。同時，二胎政策的出臺，將激活環(huán)保市場。

(摘自：《每日經(jīng)濟(jì)新聞》2015-11-05，李彪；http：//www.nbd.com.cn/articles/2015-11-05/959536.html)

Study on Classification Methods and Criterions of Atmospheric Stability

LI Xiangyu

(Nantong Tongzhou District Environmental Protection Bureau，Nantong，Jiangsu 226300)

Abstract：Methods of Pasquill，Pasquill-Turner，revised Pasquill，temperature gradient，temperature gradient-wind speed，Richardson number，bulk Richardson number，standard deviation of wind direction，Monin-Obukhov length，etc.were comparatively analyzed.The results show that select which methods are depended on data availability.In practical application，for the conventional meteorological data，gradient data and turbulence data selecting revised Pasquill method，Richardson number method or bulk Richardson number method，and Monin-Obukhov length method respectively should obtain a more accurate classification results.

Keywords：atmospheric stratification；gradient；turbulence；standard deviation；bulk Richardson number

作者簡介：李祥余，博士，工程師，主要從事環(huán)境保護(hù)與氣候變化等方面的研究和管理

中圖分類號：X51

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-288X(2015)06-0093-03