三明市大氣混合層高度變化特征分析

三明市氣象局 楊 希 卜銀軍 陳雪芹

三明市大氣混合層高度變化特征分析

三明市氣象局 楊 希 卜銀軍 陳雪芹

利用三明市1960～2013年逐日02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)和20時(shí)四個(gè)時(shí)次的地面氣象資料，采用羅氏法計(jì)算得出逐日四個(gè)時(shí)次的混合層高度，分析了混合層高度年變化、月變化、日變化等規(guī)律及與有關(guān)氣象要素的關(guān)系。結(jié)果表明，54a來(lái)，年平均混合層高度呈現(xiàn)先平穩(wěn)、后緩慢下降、再明顯升高的趨勢(shì)；年平均混合層高度和年降水日數(shù)存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.45。02時(shí)、08時(shí)、20時(shí)年平均混合層高度月變化較小，14時(shí)年平均混合層高度月變化較大，該時(shí)次能較好地反映夏季整體湍流強(qiáng)，冬季湍流弱的特點(diǎn)；平均混合層高度月變化中，5月500～600m高度占比最大，其他各月600～700m高度占比最大?；旌蠈痈叨热兆兓卣鳛榘滋旄摺⒁归g低，與湍流活動(dòng)日變化特征吻合較好。相對(duì)濕度與混合層高度有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)-0.83；風(fēng)速與混合層高度中度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.52。

羅氏法 混合層高度 變化特征 三明市

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境污染越來(lái)越關(guān)注，近年來(lái)，霧霾天氣嚴(yán)重困擾著人們的生活。大氣擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱是影響空氣質(zhì)量的重要原因之一，而混合層高度表征污染物在垂直方向上熱力湍流、對(duì)流和動(dòng)力湍流輸送所能達(dá)到的高度，混合層高度越高，大氣垂直輸送、稀釋污染物的能力就越強(qiáng)，反之越弱[1]。研究大氣混合層高度的變化特征對(duì)開(kāi)展大氣環(huán)境變化的預(yù)測(cè)以及環(huán)境規(guī)劃、大氣環(huán)境總量控制等具有重要作用[2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混合層開(kāi)展了大量研究。Miller 等[3]用混合層高度和混合層內(nèi)平均風(fēng)速作為獨(dú)立變量的面源模式估算城市空氣的污染濃度；Mazzeo等[4]對(duì)月平均最大混合層高度進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最小值出現(xiàn)在比較溫暖的7月，最大值出現(xiàn)在比較冷的1月；尤煥苓等[1]研究發(fā)現(xiàn)，年平均最大混合層高度與年降水日數(shù)有較為密切的關(guān)系，年降水日數(shù)多的年份，年平均最大混合層高度較低，而年降水日數(shù)少的年份，年平均最大混合層高度較高；郝巨飛等[5]認(rèn)為大氣混合層高度與穩(wěn)定度等級(jí)是影響空氣質(zhì)量的重要因子，在實(shí)際環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)中可以提供一定的參考；楊靜等[6]根據(jù)烏魯木齊冬季夜間層結(jié)穩(wěn)定，混合層高度最低，是污染氣象條件最為不利的時(shí)間段的結(jié)論，建議城市主要工業(yè)污染源在冬季夜間適當(dāng)減排，加強(qiáng)夜間排污監(jiān)督管理，嚴(yán)防偷排漏排；時(shí)曉曚等[7]判斷空氣污染物質(zhì)量濃度與日最大混合層高度有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。計(jì)算混合層高度有很多方法，廖國(guó)蓮[8]、孟慶珍[9]、史寶忠等[10]對(duì)混合層高度的計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比分析，本文基于1960～2013年（下稱(chēng)54a）逐日地面觀(guān)測(cè)資料，采用羅氏法計(jì)算混合層高度，并對(duì)混合層高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而為開(kāi)展大氣污染擴(kuò)散研究奠定一定基礎(chǔ)。

2 資料與方法

利用三明市54a逐日02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)和20時(shí)四個(gè)時(shí)次的總低云量、風(fēng)速、溫度、露點(diǎn)溫度、濕度和降水量等。

混合層高度使用羅氏法計(jì)算，羅氏法考慮了大氣穩(wěn)定度、溫度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)速及緯度等因子，公式如下：

其中，h——混合層高度（m）；P——Pasquill 穩(wěn)定度級(jí)別，1～6；T-Td——溫度與露點(diǎn)溫度差（℃）；Z——離地面高度（m）；Uz——離地面 Z 高度的平均風(fēng)速（m/s）；Z0——地表粗糙度（m，本文使用0.2m）；f——科氏力參數(shù)（f=2?sinθ，?=7.292×10-5rad/s，θ為地理緯度）。大氣穩(wěn)定度劃分使用P-T法，分為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定6級(jí)。大氣穩(wěn)定度的劃分計(jì)算如下：先計(jì)算出太陽(yáng)高度角h0，h0=arcsin(sinФsinδ+ cosФcosδcosω)，式中，h0為太陽(yáng)高度角，Ф為當(dāng)?shù)鼐暥龋臑楫?dāng)?shù)亟?jīng)度，ω為時(shí)角；再由太陽(yáng)高度角和云量查表得出太陽(yáng)輻射等級(jí)；最后由地面風(fēng)速和太陽(yáng)輻射等級(jí)查表得出大氣穩(wěn)定度等級(jí)。

3 混合層高度特征

3.1 混合層高度年變化

圖1為三明市54a平均混合層高度年變化散點(diǎn)圖。由圖可見(jiàn)，54a來(lái)三明市年平均混合層高度趨勢(shì)為1960～1970年趨勢(shì)平穩(wěn)，1970～2000年緩慢降低，2000年開(kāi)始緩慢升高，2005年之后明顯升高；年平均混合層高度最小值為590m（1997年），最大值為732m（2011年），極值均出現(xiàn)在后20年，這可能與近年來(lái)極端天氣氣候事件頻發(fā)有一定關(guān)系。

圖1 三明市54a平均混合層高度年變化散點(diǎn)圖

圖2 三明市54a四個(gè)時(shí)次平均混合層高度年變化散點(diǎn)圖

圖2為三明市54a四個(gè)時(shí)次平均混合層高度年變化散點(diǎn)圖。由圖可見(jiàn)，02時(shí)呈現(xiàn)先升高，后緩慢降低，再明顯升高的趨勢(shì)，08時(shí)呈現(xiàn)先緩慢升高，后緩慢降低，再明顯升高的趨勢(shì)，14時(shí)呈現(xiàn)先降低，后升高的趨勢(shì)，20時(shí)呈現(xiàn)先降低、后升高，再降低，最后明顯升高的趨勢(shì)，這說(shuō)明近10a來(lái)夜間的混合層高度有明顯升高，有利于污染物的擴(kuò)散；2005年之后02時(shí)、08時(shí)、20時(shí)同時(shí)開(kāi)始明顯升高和14時(shí)開(kāi)始升高，使得年平均混合層高度也從2005年開(kāi)始明顯升高；02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)和20時(shí)年平均混合層高度最小分別為440m（1997年）、447m（1963年）、892m（1997年）和555m（2008年），最大值分別為564m（2011年）、583m（2005年）、1213m（1963年）和699m（2005年）。

圖3為三明市54a平均混合層高度和降雨日數(shù)年變化。由圖可見(jiàn)，平均混合層高度和降雨日數(shù)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，二者的相關(guān)系數(shù)為-0.45，特別是在1962年、1967年、1971年、1974年、1985年、1986年和1997年呈顯著負(fù)相關(guān)，2003年之后，負(fù)相關(guān)有一定滯后，2011年又開(kāi)始表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明降水天氣系統(tǒng)對(duì)混合層高度影響很大，可能的原因是：（1）對(duì)流活動(dòng)和降水的發(fā)生，使大氣中的能量迅速釋放，混合層高度減弱甚至消失；（2）降水的發(fā)生往往是云量較多的陰天，地表接受太陽(yáng)輻射減少，風(fēng)速減小，湍流減弱，混合層高度變小[1]。

圖3 三明市54a平均混合層高度和降雨日數(shù)年變化

3.2 混合層高度月變化

圖4為三明市54a各時(shí)次平均混合層高度月變化。由圖可見(jiàn)，除14時(shí)外，其他時(shí)次平均混合層高度月變化較小，02時(shí)在490m左右高度波動(dòng)，波動(dòng)范圍為432～530m，08時(shí)在500m左右高度波動(dòng)，波動(dòng)范圍為483～524m，20時(shí)在630m左右高度波動(dòng)，波動(dòng)范圍為584～671m，平均值在670m左右高度波動(dòng)，波動(dòng)范圍為629～707m；14時(shí)月平均混合層高度比其他時(shí)次明顯偏高，這與14時(shí)太陽(yáng)輻射和地面輻射差達(dá)到最大值有很大關(guān)系，與午后湍流明顯增強(qiáng)，大氣邊界層高度明顯抬升能很好地對(duì)應(yīng)；14時(shí)月平均混合層高度變化明顯，1～6月在990m高度附近，變化范圍為978～1009m；7月開(kāi)始迅速提高到1179m，主要原因是雨季過(guò)后，三明市每年都有一段晴熱天氣，大氣熱湍流最為旺盛，所以7月是一年中混合層高度最高的月份；8～9月略有回落，混合層高度在1103～1124m之間，10月又攀升至1182m，主要原因是10月起，三明迎來(lái)秋高氣爽的天氣，天氣以晴朗為主，相對(duì)濕度低，使得混合層高度再次升高，11～12月混合層高度在1044～1120m之間，緩慢下降開(kāi)始回落。平均混合層高度總體季節(jié)分布規(guī)律是夏季最高，其次是秋季和冬季，春季最低。

圖4 三明市54a各時(shí)次平均混合層高度月變化

在分析逐日14時(shí)相對(duì)濕度和14時(shí)混合層高度的相關(guān)性時(shí)，發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)度高達(dá)-0.83，而同時(shí)次風(fēng)速和混合層高度的相關(guān)系數(shù)為0.52，可見(jiàn)在三明，通過(guò)羅氏法計(jì)算出的混合層高度與溫度露點(diǎn)差（T-Td）有密切關(guān)系，T-Td的大小反映相對(duì)濕度的大小，而三明風(fēng)速小，致使風(fēng)速對(duì)混合層高度的貢獻(xiàn)明顯小于相對(duì)濕度的貢獻(xiàn)。這也就能很好地解釋14時(shí)月平均混合層高度在10月出現(xiàn)次大值，而全年的月平均混合層高度在670m附近小范圍波動(dòng)，主要是由三明累年月平均相對(duì)濕度變化?。ㄔ戮底兓瘏^(qū)間在74%～80%）造成。

表1為三明市54a各月平均混合層高度各高度層頻率分布表。由表可見(jiàn)，各月300m以下出現(xiàn)的頻率為0；5月500～600m高度占比最大，其他各月600～700m高度占比最大，最大頻率為23%～31%；各月500～800m高度層分布集中，占比為63%～72%，其他各層頻率以500～800m為中心迅速遞減。

表1 三明市54a各月平均混合層高度各高度層頻率分布表（%）

3.3 混合層高度日變化

圖5為三明市54a混合層高度日變化，雖然只有四個(gè)時(shí)次，但曲線(xiàn)也能基本說(shuō)明混合層高度白天高、夜間低的特點(diǎn)，與湍流活動(dòng)日變化規(guī)律吻合。

圖5 三明市54a混合層高度日變化

圖6為三明市54a四個(gè)時(shí)次各高度層分布頻率曲線(xiàn)。02時(shí)、08時(shí)和20時(shí)表現(xiàn)出非常集中的頻率分布，其中02時(shí)和08時(shí)300～400m高度占比最大，分別為27%和38%；20時(shí)400～500m高度占比最大，為34%，700～800m高度為次大值，該次大值主要是由午后到夜里的未釋放能量所致。14時(shí)各高度分布較為平均，各層頻率相差不大，1000～1100m高度占比最大，為10%，其他各層以它為中心，頻率逐漸降低。

圖6 三明市54a四個(gè)時(shí)次各高度層分布頻率曲線(xiàn)

4 結(jié)論

(1) 年平均混合層高度呈現(xiàn)先平穩(wěn)，后緩慢下降，再明顯升高的趨勢(shì)；近10a來(lái)夜間的混合層高度有明顯升高，有利于污染物的擴(kuò)散；2005年之后02時(shí)、08時(shí)、20時(shí)同時(shí)開(kāi)始明顯升高和14時(shí)開(kāi)始升高使得年平均混合層高度也從2005年開(kāi)始明顯升高；年平均混合層高度和年降水日數(shù)存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.45。

(2) 02時(shí)、08時(shí)、20時(shí)年平均混合層高度月變化較小，14時(shí)年平均混合層高度月變化較大，該時(shí)次下半年高度高的特點(diǎn)主要是因?yàn)橄掳肽晏鞖廨^好，相對(duì)濕度較低，可見(jiàn)下半年為三明市空氣污染擴(kuò)散條件較好的時(shí)期。平均混合層高度總體季節(jié)分布規(guī)律是夏季最高，其次是秋季和冬季，春季最低。平均混合層高度月變化中，5月500～600m高度占比最大，其他各月600～700m高度占比最大。

(3) 混合層高度日變化曲線(xiàn)能基本說(shuō)明混合層高度白天高、夜間低，與湍流活動(dòng)日變化能較好地吻合。午后混合層高度明顯升高有利于空氣污染物的擴(kuò)散，因此傍晚鍛煉要比晨練更加有益于身體健康，市民應(yīng)多選在傍晚鍛煉。

(4) 相對(duì)濕度與混合層高度有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.83；風(fēng)速與混合層高度中度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.52。因三明整體風(fēng)速較小，使得風(fēng)速對(duì)混合層高度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于濕度的貢獻(xiàn)。

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