大氣邊界層的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

寧志遠，劉厚鳳

（山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東濟南250014）

大氣邊界層的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

寧志遠，劉厚鳳*

（山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東濟南250014）

對大氣邊界層的理論基礎(chǔ)、確定方法、特征要素、影響因子、時空變化特征以及與大氣污染間的相互作用進行總結(jié)，得出以下結(jié)論：大氣邊界層的理論體系較為完備，但理論研究進展緩慢；廓線測量是確定大氣邊界層結(jié)構(gòu)最常用的方法，雷達、數(shù)值模擬等方法仍需對比驗證；大氣邊界層日變化、季節(jié)變化特征十分明顯，海陸間邊界層變化特征差異明顯，戈壁、高原等地區(qū)的大氣邊界層特征較為特殊；大氣邊界層結(jié)構(gòu)，尤其是風(fēng)速風(fēng)向、混合層高度對大氣環(huán)境有明顯的影響；大氣污染對大氣邊界層的影響和區(qū)域大氣邊界層特征的研究較少，可作為今后的研究重點。

大氣邊界層；理論基礎(chǔ)；確定方法；時空變化特征；大氣邊界層結(jié)構(gòu)與大氣污染的相互影響

大氣邊界層（Atmospheric Boundary Layer，ABL）位于大氣圈與地球表面交界區(qū)，是對流層下部直接受地面影響的部分，平均高度約為1～2 km，也是大氣熱量、動量和各種物質(zhì)（水汽、污染物）上下輸送的重要通道，能在一小時或更短時間內(nèi)響應(yīng)地面作用[1]，影響因素包括地表摩擦、熱量輸送、污染物排放及地形擾動等，對某區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

20世紀初，Prandtl、Ekman提出的邊界層理論和Ekman螺線奠定了大氣邊界層理論基礎(chǔ)[2]；20世紀中期，隨著Monin-Obukhov相似性理論和自由對流大氣湍流理論的提出，經(jīng)典湍流理論基本形成[3]。

20世紀60年代，Lorenz發(fā)現(xiàn)了新的湍流發(fā)生機制[4]；70年代，Deardorff、Wyngaard和Dyer等人將相似性原理引入混合層和對流層的研究并逐漸完善，使其有了極大的應(yīng)用價值[5]。

20世紀80年代，Nieuwstadt、Sorbjan等提出了局地自由對流相似的概念，并應(yīng)用于存在平流的非均勻下墊面，取得了較好的效果[6]。然而近幾十年，邊界層理論研究一直較為緩慢。

中國對湍流的研究始于周培源1940年提出的湍流應(yīng)力方程模式理論[6]。20世紀70年代至21世紀00年代，主要研究成果有周秀驥、周明煜、胡非等提出的分子動力學(xué)理論、大氣邊界層湍流場團塊結(jié)構(gòu)、最鄰近最大作用假設(shè)等[7]。此外，洪鐘祥、雷孝恩和劉式達等也在湍流的基礎(chǔ)理論研究上作出了獨特貢獻。

實驗觀測方面，20世紀70年代初，中科院大氣物理所開始進行山區(qū)大氣邊界層的觀測實驗，并在80年代開展大氣環(huán)境質(zhì)量評價觀測研究[8]。20世紀90年代至21世紀00年代，綜合觀測系統(tǒng)建設(shè)、實驗研究以及預(yù)報模式等都有了更深層次的發(fā)展[9]。

近年來，激光雷達技術(shù)逐漸應(yīng)用于大氣邊界層的研究當(dāng)中，賀千山、王珍珠等人利用激光雷達等對不同地區(qū)大氣邊界層進行觀測，結(jié)果表明激光雷達能夠?qū)崿F(xiàn)較高準確度的大氣邊界層探測[10]。

目前，針對大氣邊界層進行的研究主要以實驗觀測和數(shù)值模擬為主[8]，大氣邊界層與污染物的關(guān)聯(lián)性是研究熱點之一，但由于自身復(fù)雜性，該方面工作難有較大突破。

1 大氣邊界層的確定方法

1.1 確定大氣邊界層的傳統(tǒng)方法

大氣邊界層高度的傳統(tǒng)確定方法主要有基于參數(shù)化的簡單計算和基于廓線測量[8]。參數(shù)化方法實用性強，多用于風(fēng)、溫廓線數(shù)據(jù)充分的情況；廓線測量結(jié)果更為準確、可靠，但因探測儀器自身的限制，應(yīng)用不是很普遍。

1.2 確定大氣邊界層的新興方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，聲雷測定、激光測定等方法也逐漸應(yīng)用于大氣邊界層的測定，聲雷測定根據(jù)發(fā)射聲波在不同高度溫度和氣溶膠濃度的不同來確定大氣混合層高度，激光測定則是根據(jù)不同高度濕度和氣溶膠濃度的不同來確定[8]。

1.3 確定大氣邊界層的經(jīng)驗公式方法

公式計算方法中最具代表性的為Nozaki等在1973年提出的羅氏法[9]，具體為：

H=121/6（6-P）（T-Td）+0.169P（Uz+0.257）/12f ln（z/z0）

式中：H為計算的平均混合層高度（m）；（T-Td）為露點差（℃）；P為帕斯奎爾穩(wěn)定度；Uz為Z高度處所觀測的平均風(fēng)速（m/s）；z0為地面粗糙度（在鄉(xiāng)村地區(qū)取0.03～0.2 m，在市區(qū)取0.8～2.0 m）；F為地轉(zhuǎn)參數(shù)（l/s），f=2ΨsinΥ；Υ為地理緯度，Ψ為地球自轉(zhuǎn)角速度。

在平均混合層高度計算時，對市區(qū)的風(fēng)速應(yīng)根據(jù)城市的大小先衰減20%～35%，再按公式計算，然后按各類穩(wěn)定度出現(xiàn)的頻率加權(quán)取和。

2 大氣邊界層時空變化特征

2.1 內(nèi)陸地區(qū)大氣邊界層變化特征

2.1.1 內(nèi)陸地區(qū)大氣邊界層日變化特征

大氣邊界層最基本的特征就是氣象要素的日變化，白天地表受到太陽照射加熱，溫度升高；晚上則因為地表長波輻射冷卻作用而降溫，使得接近地表的氣溫呈現(xiàn)日變化[10]；在陸地高壓區(qū)，不穩(wěn)定邊界層出現(xiàn)在白天，穩(wěn)定邊界層主要出現(xiàn)在夜間。大氣邊界層的日變化特征見圖1。

圖1 大氣邊界層的日變化特征

2.1.2 內(nèi)陸地區(qū)大氣邊界層季節(jié)變化特征

在內(nèi)陸區(qū)域，混合層高度大致以冬季1月或12月最低，隨后快速升高；4～5月達到最高，隨后逐漸降低。

冬季的邊界層高度和污染的關(guān)系更為密切[10]。冬季夜間輻射強度更大且時間更長，接地逆溫充分發(fā)展，至使混合層高度較低。冬季典型的邊界層結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 冬季典型邊界層結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2可知，在冬季混合層高度較低時，垂直方向的對流較弱，低架源排放出的污染物使近地面污染加重；高架源排放的污染物對近地面的影響較小，但會加重200 m以上低空的大氣污染。

2.2 沿海地區(qū)大氣邊界層變化特征

2.2.1 沿海地區(qū)大氣邊界層日變化特征

在沿海地區(qū)，由于海水的比熱大，上層海水混合強烈，使得海水表面溫度日變化不明顯[11]，所以海上大氣邊界層的日變化也不明顯。但與內(nèi)陸地區(qū)相同的是，海上高壓區(qū)域因為氣流沉降，邊界層厚度通常比低壓區(qū)小。

2.2.2 沿海地區(qū)大氣邊界層季節(jié)變化特征

沿海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)的大氣邊界層有著不同的變化特征。沿海地區(qū)春、夏季節(jié)海溫等于或小于氣溫，形成相對穩(wěn)定的下墊面，所以混合層高度較低；冬季海溫要高于氣溫，形成不穩(wěn)定的下墊面，有利于熱力湍流發(fā)生，故秋冬季混合層高度較高[11]。

2.3 特殊地形地區(qū)大氣邊界層特征

在戈壁、高原、山區(qū)等特殊地形地區(qū)，大氣邊界層呈現(xiàn)特殊特征。戈壁地區(qū)，熱通量較大，使邊界層高度明顯高于其他地區(qū)，在夏季可達4 400 m[12]。高原地區(qū)地表熱通量略低于戈壁地區(qū)，大氣邊界層平均厚度約在2 000～2 500m[13]。在山區(qū)，由于山谷風(fēng)環(huán)流的存在，使得大氣邊界層厚度的晝夜差異明顯大于其他地區(qū)，且該地區(qū)湍流較難發(fā)展，邊界層厚度一般在600～1 000m[14]。

3 大氣邊界層結(jié)構(gòu)與大氣環(huán)境相互作用

3.1 大氣邊界層結(jié)構(gòu)對大氣環(huán)境的影響

3.1.1 大氣穩(wěn)定度對大氣環(huán)境的影響

大氣越穩(wěn)定，湍流運動、大氣擴散能力越差，空氣質(zhì)量也就越差[15]。

3.1.2 溫度對大氣環(huán)境的影響

溫度越高，湍流運動、大氣擴散能力就越強，空氣質(zhì)量越好；出現(xiàn)逆溫層時，污染物垂直方向擴散受阻，空氣質(zhì)量變差[16]。

3.1.3 濕度層結(jié)對大氣環(huán)境的影響

濕度越大，越有利于霧和霾的形成，從而加重大氣污染[17]。

3.1.4 風(fēng)速風(fēng)向?qū)Υ髿猸h(huán)境的影響

小風(fēng)或靜風(fēng)天氣會使污染物大量積累[18]，發(fā)生重污染，而來自清潔地區(qū)的較大風(fēng)速輸送則有利于重污染消散，且風(fēng)速的變化與其他氣象要素相比，與空氣質(zhì)量的變化有更明顯的相關(guān)性[19]。

3.1.5 混合層高度對大氣環(huán)境的影響

混合層高度越大，污染物在垂直方向的擴散就越充分，空氣質(zhì)量也就越好；當(dāng)風(fēng)速較小時，邊界層高度較低，大氣重污染將持續(xù)甚至加重[20]。

3.2 大氣污染對大氣邊界層的影響

目前，大氣污染對大氣邊界層的研究主要集中在氣溶膠的輻射和氣候效應(yīng)，其他影響機制尚不明確。

氣溶膠通過吸收輻射使凈輻射量、溫度、邊界層高度均有下降，而降水量則因地區(qū)而異；在氣溶膠濃度較高的地區(qū)，氣溶膠對氣象要素的影響更為顯著[21]。

由于氣溶膠輻射效應(yīng)的不確定性，氣溶膠對大氣邊界層的影響機制和影響程度都需要進一步研究；除氣溶膠外，其余污染物對大氣邊界層的影響也尚不明確，需要在今后逐步研究。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

（1）大氣邊界層的基礎(chǔ)理論體系較為完備，但理論研究進展緩慢。

（2）目前確定大氣邊界層高度使用最多的是廓線測量法，聲雷測定、數(shù)值模擬等方法在實際應(yīng)用中仍需對比驗證。

（3）內(nèi)陸地區(qū)，邊界層高度隨著日出而增大，在午間達到頂峰，日落后迅速衰減，夜間最??；春季的邊界層高度最大，夏、秋季次之，冬季最小。沿海地區(qū)邊界層高度的日變化不明顯，秋冬季節(jié)的邊界層高度高于春夏季。戈壁、高原等地區(qū)的邊界層結(jié)構(gòu)較為特殊。

（4）大氣較不穩(wěn)定、風(fēng)速較大、混合層高度較大等條件利于污染物的擴散，而不利的氣象條件下較易發(fā)生重污染。各特征要素中，風(fēng)速風(fēng)向和混合層高度對空氣質(zhì)量的影響最為明顯。

（5）較大量氣溶膠的存在會使區(qū)域內(nèi)凈輻射量、氣溫、混合層高度略有下降，而對降水量的影響因地區(qū)而異。

4.2 展望

從國內(nèi)外的大氣邊界層研究進展來看，目前對于大氣邊界層的研究還存在以下不足：

（1）目前針對風(fēng)速、降水、大氣穩(wěn)定度等大氣邊界層結(jié)構(gòu)要素對大氣污染的影響大多立足于單個站點風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、混合層高度等大氣擴散因子的特征分析，關(guān)于區(qū)域大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征的研究尚不多見，而我國近年來多發(fā)區(qū)域性污染，對區(qū)域大氣邊界層結(jié)構(gòu)的研究可作為今后的研究重點。

（2）目前大氣污染對大氣邊界層的影響研究尚少，除氣溶膠的輻射與氣候效應(yīng)外，其余影響尚不明確，該方面研究仍需繼續(xù)開展，深入了解大氣邊界層與大氣污染之間的相互影響，以便更科學(xué)地提出大氣污染防控措施。

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（編輯：周利海）

Domestic and Abroad Research Status of Atm ospheric Boundary Layer

Ning Zhiyuan,Liu Houfeng*
（Institute of Geography and Environment,Shandong Normal University,Jinan Shandong 250014,China）

Summarized the theoretical basis,methods to determine,characteristic factors,impact factors,space-time characteristics of variation of the atmospheric boundary layer and the interaction between the structure of atmospheric boundary layer and the air pollution.Results showed that:(a)The theory of atmospheric boundary layer has a complete theoretical system and the theoretical research develops slow ly.(b)Profile measurement is the most common method to determine the structure of ABL,other methods such as radar and numerical simulation still need verification.(c)The diurnal and seasonal variation characteristics of the atmospheric boundary layer are very obvious,characteristics of variation between sea and land are obviously different, characteristics of ABL in gobi,plateau are special.(d)The influences caused by the structure of ABL,especially speed and direction of wind and PBL to air quality are obvious.(e)The research on the influence of atmospheric pollution on ABL and regional characteristics of ABL is less,it could be the focus of research in the future.

atmospheric boundary layer,theoretical basis,methods to determine,space-time characteristics of variation,the interaction between the structure of atmospheric boundary layer and the air pollution

X51

A

1008-813X（2017）02-0022-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.02.06

2016-12-30

寧志遠（1992-），男，山東青島人，山東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)碩士研究生在讀，主要從事環(huán)境規(guī)劃與管理等方面的研究。

*通訊作者：劉厚鳳（1965-），女，山東煙臺人，畢業(yè)于河南大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)，碩士，教授，主要從事環(huán)境規(guī)劃與管理、污染氣象學(xué)等方面的研究。