不同大氣穩(wěn)定度分類方法的比較研究

郭棟鵬，王 冉，趙 鵬，許培強(qiáng)

(1.太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，太原 030024;2.五冶集團(tuán)上海有限公司建筑分公司，上海 200003)

大氣穩(wěn)定度是指近地層氣塊受到擾動(dòng)后氣塊在鉛直方向上運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱程度，是大氣湍流狀況的一種表征，是大氣擴(kuò)散能力一個(gè)重要的綜合指數(shù)[1]。因此了解大氣穩(wěn)定度是間接了解大氣湍流狀態(tài)的重要手段，穩(wěn)定度類別判斷正確與否直接影響各類煙羽擴(kuò)散模式計(jì)算結(jié)果[2]。如何客觀準(zhǔn)確地進(jìn)行大氣穩(wěn)定度分級(jí)是污染氣象學(xué)的主要內(nèi)容之一，對(duì)于提高大氣邊界層數(shù)值模擬和大氣污染擴(kuò)散預(yù)報(bào)至關(guān)重要。大氣穩(wěn)定度判定方法的研究是受到了眾多學(xué)者的關(guān)注，目前判定大氣穩(wěn)定度的方法已有多種，但使用中均有局限性，用不同方法分類往往可得到不同結(jié)果。

常用的大氣穩(wěn)定度分類方法有Pasquill(P-S)法、Pasquill-Turner(P-T)法、溫度梯度法(ΔT/ΔZ)、溫度梯度-風(fēng)速法(ΔT-u)、理查森數(shù)法(Ri)、總體理查森數(shù)(Rib)、風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差法、莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度(L)等[3]，李祥余對(duì)不同的穩(wěn)定度分類方法總結(jié)為兩大類:基于常規(guī)氣象資料的分類法(如P-S法、P-T法、城市穩(wěn)定度分類法)和基于特殊氣象資料的分類法，后者又分為梯度資料分類法(ΔT/ΔZ、ΔT-u、Ri法、Rib法)，和湍流資料分類法(包括風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差法、L法)[4]，為穩(wěn)定度的判定提供了理論參考。Monin和Obukhov為了研究不同穩(wěn)定度對(duì)污染擴(kuò)散的影響和對(duì)風(fēng)能的利用建立了應(yīng)用廣泛的Monin和Obukhov相似理論(M-O相似理論)[5]；Pasquill提出了Pasquil(P-S)級(jí)別，通過(guò)風(fēng)速與太陽(yáng)輻射值，將穩(wěn)定度劃分為化為A、B、C、D、E、F六級(jí)，分別對(duì)應(yīng)非常不穩(wěn)定、中度不穩(wěn)定、輕度不穩(wěn)定、中性、中度穩(wěn)定、非常穩(wěn)定，P-S的分類多次得到后人的修正與發(fā)展[6]。馬福建研究了Ri法對(duì)穩(wěn)定度的判定[7]，李智等人對(duì)Ri法，Rbb法，ΔT/ΔZ法、P-T法及輻射法五種大氣穩(wěn)定度分類方法進(jìn)行了研究[8]。ManjuMohan和Siddiqui T A利用在美國(guó)伊利諾斯州采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用不同穩(wěn)定度判斷方法進(jìn)行比較，研究發(fā)現(xiàn)Ri法、Rib法和M-O長(zhǎng)度法因考慮了機(jī)械湍流和熱力湍流，與Pasiquill的分類相吻合[9]。Wood C R等使用M-O相似理論對(duì)倫敦地區(qū)三年的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度以及穩(wěn)定度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[10]。劉瑋等人對(duì)不同大氣穩(wěn)定度分類方法在沿海地區(qū)的實(shí)用性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，使用基于梯度理查森數(shù)的模型能得到更好的風(fēng)廓線特性[11]。郝辰妍等人采用修正風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差法對(duì)青海某地區(qū)的大氣熱穩(wěn)定性進(jìn)行判定分類[12]。楊桂實(shí)等人分析了大氣顆粒物與氣象參數(shù)之間的關(guān)系[13]。

本文選用ΔT/ΔZ法、ΔT-u法、Ri法、L法研究2015年1月1日～2015年1月15日期間河北海興核電廠址大氣穩(wěn)定度的分類，對(duì)不同分類方法判定結(jié)果分析，明確各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)其中存在的不足之處加以修正。本文氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于河北海興核電廠址氣象觀測(cè)站，數(shù)據(jù)為1 h測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域位于河北海興核電廠址，該廠址靠近渤海灣西岸，地貌主要以濱海平原地貌為主，局部為河流地貌和人工地貌。廠址范圍內(nèi)地形較平坦，一般高程3～5 m.地表為第四系海陸交互相、海相或陸相沉積物覆蓋，廠址周邊地形見(jiàn)圖1。廠址所在區(qū)域?qū)倥瘻貛啙駶?rùn)氣候區(qū)。四季分明。年平均日照總量2 392.5 h，日照百分率55%.年平均氣溫12.8 ℃，年平均降水量547.1 mm，降水集中在夏季(6～8月)，占全年降雨總量的69%，年平均風(fēng)速3.3 m/s，受渤海灣影響，7月和8月以偏東風(fēng)為主，其他月份以西南風(fēng)為主；春季風(fēng)速最大，平均為4.0 m/s，冬、秋、夏三季節(jié)平均風(fēng)速差異不大，分別為3.1 m/s、3.0 m/s和2.9 m/s，10 m與100 m高度年均風(fēng)速玫瑰見(jiàn)圖2.

圖1 半徑10 km內(nèi)三維地形圖Fig.1 3D topographic map within a radius of 10 km

圖2 不同高度年均風(fēng)玫瑰Fig.2 Annual average wind rose of different heights

1.2 研究方法

(1) ΔT/ΔZ法

ΔT/ΔZ法是指用鉛直方向兩層大氣間的溫度梯度來(lái)表示水平和垂直方向上的湍流狀態(tài)[14]。其分類標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1.

表1 溫度梯度分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 the classification criteria of temperature gradient

(2)ΔT-u法

ΔT-u法是綜合考慮溫度梯度和風(fēng)速的方法，該方法在溫度梯度法的基礎(chǔ)上根據(jù)地面風(fēng)速的不同分為六大類。其分類標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2.

表2 溫度梯度—風(fēng)速法劃定穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standard of classification using temperature gradient-wind velocity method

(3)Ri法

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[15-16]，它考慮了溫度與風(fēng)速垂直切變兩種因素，其認(rèn)為當(dāng)風(fēng)速切邊產(chǎn)生湍流能量大到可以抵消空氣浮力消耗時(shí)，會(huì)發(fā)生湍流運(yùn)動(dòng)。理查森數(shù)常用下式計(jì)算：

Ri=

(1)

表3 Ri分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Standard of classification by Ri

(4)L法

L法考慮了熱力湍流參數(shù)和機(jī)械湍流參數(shù)的變化，但是實(shí)際中卻因觀測(cè)技術(shù)的限制和基于地表粗糙z0為前提[17]，所以應(yīng)用時(shí)往往會(huì)有不同程度的偏差。L常用下式計(jì)算：

(2)

式中:κ是卡門(mén)常數(shù)(取κ=0.4)，g是重力加速度，u2、u1上下兩個(gè)高度的風(fēng)速，T2、T1是上下兩個(gè)高度的熱力溫度，T熱力溫度(此用上層溫度代替)。其分類標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4.

表4 L法分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Standard of classification by L

2 結(jié)果分析

2.1 氣象數(shù)據(jù)分析

2015年1月1日～2015年1月15日期間觀測(cè)期間10 m與100 m位置處的風(fēng)速、溫度結(jié)果見(jiàn)圖3-圖4.

圖3 風(fēng)速隨時(shí)間變化圖Fig.3 Changes in wind velocity with time

圖4 溫度-時(shí)間變化圖Fig.4 Changes in temperature with time

由圖3可以看出，10 m高度15天內(nèi)平均風(fēng)速為2.99 m/s，最大風(fēng)速為9.04 m/s，最小風(fēng)速為0.47 m/s.每天風(fēng)速大多數(shù)時(shí)間維持在2 m/s～4 m/s.其中有9天風(fēng)速在上午10點(diǎn)至下午4點(diǎn)之間明顯增大且最大風(fēng)速也在此期間，此情況占比為60%.100 m高度15天內(nèi)平均風(fēng)速為5.69 m/s，最大風(fēng)速為14.27 m/s.每天會(huì)在上午8點(diǎn)至下午7點(diǎn)間出現(xiàn)風(fēng)速小于4 m/s的情況，其中有7天時(shí)間持續(xù)時(shí)長(zhǎng)會(huì)在5～8 h，占比為46.67%；其余時(shí)間內(nèi)風(fēng)速均在在4 m/s以上，而風(fēng)速均在8 m/s以上又占大多數(shù)時(shí)段。

由圖4可知，10 m高度15天內(nèi)平均溫度為-0.14 ℃，最高溫度為10.03 ℃，最低溫度為-8.63 ℃.每天10點(diǎn)至21點(diǎn)的氣溫會(huì)維持在0 ℃以上，最高溫度可達(dá)5～10 ℃.其余時(shí)間段溫度會(huì)在0 ℃以下，最低溫度達(dá)-6～-9 ℃.個(gè)別天會(huì)出現(xiàn)氣溫在-2 ℃～2 ℃小幅度波動(dòng)。100 m高度處15天內(nèi)平均溫度為1.69 ℃，最高溫度為9.61 ℃，最低溫度為-3.88 ℃.每天氣溫波動(dòng)幅度在2～3之間。全天溫度基本在0 ℃以上，只有在夜間9點(diǎn)至上午7點(diǎn)間某一時(shí)段會(huì)出現(xiàn)0 ℃以下情況。

2.2 穩(wěn)定度判定統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)2015年1月1日～2015年1月15日期間，四種方法判定結(jié)果做統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)圖5，不同類型穩(wěn)定度出現(xiàn)頻率見(jiàn)圖6.

圖5 四種方法判定結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of the results from different methods

圖6 穩(wěn)定度級(jí)別頻率圖Fig.6 Frequency of stability class

圖5、圖6可知，觀測(cè)期間采用ΔT法判定分類，統(tǒng)計(jì)得到觀測(cè)期均為D類中性天氣，E、F類穩(wěn)定性天氣，D類觀測(cè)期間達(dá)87次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的24.17%，E類觀測(cè)期間達(dá)97次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的26.94%，F(xiàn)類觀測(cè)期間達(dá)87次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的48.89%，不穩(wěn)定性天氣A～C觀測(cè)期間未出現(xiàn)。

采用ΔT-u分類法，統(tǒng)計(jì)得到D類中性天氣和E、F類穩(wěn)定性天氣最多，D類觀測(cè)期間達(dá)75次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的20.83%；E、F類觀測(cè)期間為233次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的64.72%； E類達(dá)111次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的30.83%；F類達(dá)122次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的33.89%；不穩(wěn)定性天氣A～C觀測(cè)期間總計(jì)出現(xiàn)52次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的14.45%，其中A類未出現(xiàn)。

采用Ri法分類，統(tǒng)計(jì)得到D類中性天氣為67次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的18.61%；穩(wěn)定性天氣E、F類觀測(cè)期間達(dá)282次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的78.34%；E類達(dá)11次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的3.06%；F類達(dá)204次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的56.67%；不穩(wěn)定天氣A～C觀測(cè)期間總計(jì)出現(xiàn)78次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的21.67%：A類達(dá)44次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的12.22%；B類達(dá)14次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的3.89%；C類達(dá)20次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的5.56%.

采用L法分類，統(tǒng)計(jì)得到D類中性天氣達(dá)71次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的19.72%；E、F類穩(wěn)定性天氣觀測(cè)期間達(dá)275次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的76.39%； E類達(dá)58次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的16.11%；F類達(dá)146次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的40.56%；不穩(wěn)定性天氣A～C觀測(cè)期間總計(jì)出現(xiàn)85次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的23.61%：A類達(dá)51次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的14.17%；B類達(dá)9次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的2.50%；C類達(dá)25次，占總觀測(cè)時(shí)數(shù)的6.94%.

綜合分析表明，ΔT法只出現(xiàn)中性天氣和穩(wěn)定性天氣，穩(wěn)定類天氣最多，中性天氣次之；ΔT-u法也是穩(wěn)定類天氣較多，其次為中性天氣最多，另外還出現(xiàn)了不穩(wěn)定類天氣，這主要因?yàn)棣只考慮溫度梯度這一因素，對(duì)其他影響因素不加以考慮，ΔT-u法綜合考慮了溫度梯度和風(fēng)速，穩(wěn)定度級(jí)別劃分更為準(zhǔn)確。Ri法穩(wěn)定類天氣最多，不穩(wěn)定性天氣次之，中性天氣最少；L法也是穩(wěn)定類天氣最多，不穩(wěn)定類天氣次之，中性天氣最少；Ri和L法在穩(wěn)定類天氣、不穩(wěn)定類天氣和中性天氣雖有差別，但差別不大。

3 結(jié)論

采用ΔT法、ΔT-u法、Ri法、L法對(duì)河北海興核電廠址氣象站2015年1月1日～2015年1月15日期間10 m、100 m高度處風(fēng)速和溫度觀測(cè)氣象資料進(jìn)行穩(wěn)定度判斷比較，研究表明：

ΔT法與ΔT-u法出現(xiàn)穩(wěn)定類天氣較多，中性天氣次之，Ri法與L法穩(wěn)定類天氣最多，不穩(wěn)定性天氣次之。這主要因?yàn)棣只考慮溫度梯度這一因素，對(duì)其他影響因素不加以考慮，ΔT-u法綜合考慮了溫度梯度和風(fēng)速，而Ri法與L法綜合考慮了不同高度風(fēng)速與溫度的梯度，因此穩(wěn)定度級(jí)別劃分更為準(zhǔn)確。

總之，ΔT法的測(cè)量比較簡(jiǎn)單，但用它把某些類別區(qū)分開(kāi)來(lái)比較困難。在A、B、C類不穩(wěn)定條件下不易判別，ΔT-u法因?yàn)榫C合了溫度梯度和風(fēng)速較好地克服了僅僅使用溫度梯度分類法(ΔT)的不足。Ri法和L法對(duì)穩(wěn)定類條件和不穩(wěn)定類條件天氣都有很好的表現(xiàn)，但Ri法對(duì)風(fēng)速溫度的精度要求高，風(fēng)速觀測(cè)上極小誤差就會(huì)導(dǎo)致Ri的巨大誤差。