寧志遠(yuǎn)，劉厚鳳

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

大氣邊界層的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

寧志遠(yuǎn)，劉厚鳳*

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

對(duì)大氣邊界層的理論基礎(chǔ)、確定方法、特征要素、影響因子、時(shí)空變化特征以及與大氣污染間的相互作用進(jìn)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(jìn)展緩慢；廓線測(cè)量是確定大氣邊界層結(jié)構(gòu)最常用的方法，雷達(dá)、數(shù)值模擬等方法仍需對(duì)比驗(yàn)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(duì)大氣環(huán)境有明顯的影響；大氣污染對(duì)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(diǎn)。

大氣邊界層；理論基礎(chǔ)；確定方法；時(shí)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(duì)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(dòng)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(shí)或更短時(shí)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(dòng)等，對(duì)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(jì)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(jì)中期，隨著Monin-Obukhov相似性理論和自由對(duì)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(jì)60年代，Lorenz發(fā)現(xiàn)了新的湍流發(fā)生機(jī)制[4]；70年代，Deardorff、Wyngaard和Dyer等人將相似性原理引入混合層和對(duì)流層的研究并逐漸完善，使其有了極大的應(yīng)用價(jià)值[5]。

20世紀(jì)80年代，Nieuwstadt、Sorbjan等提出了局地自由對(duì)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(guó)對(duì)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(jì)70年代至21世紀(jì)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(dòng)力學(xué)理論、大氣邊界層湍流場(chǎng)團(tuán)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(dá)等也在湍流的基礎(chǔ)理論研究上作出了獨(dú)特貢獻(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面，20世紀(jì)70年代初，中科院大氣物理所開(kāi)始進(jìn)行山區(qū)大氣邊界層的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，并在80年代開(kāi)展大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)觀測(cè)研究[8]。20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)00年代，綜合觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)研究以及預(yù)報(bào)模式等都有了更深層次的發(fā)展[9]。

近年來(lái)，激光雷達(dá)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(dá)等對(duì)不同地區(qū)大氣邊界層進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)較高準(zhǔn)確度的大氣邊界層探測(cè)[10]。

目前，針對(duì)大氣邊界層進(jìn)行的研究主要以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(diǎn)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(jiǎn)單計(jì)算和基于廓線測(cè)量[8]。參數(shù)化方法實(shí)用性強(qiáng)，多用于風(fēng)、溫廓線數(shù)據(jù)充分的情況；廓線測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確、可靠，但因探測(cè)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(cè)定、激光測(cè)定等方法也逐漸應(yīng)用于大氣邊界層的測(cè)定，聲雷測(cè)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(lái)確定大氣混合層高度，激光測(cè)定則是根據(jù)不同高度濕度和氣溶膠濃度的不同來(lái)確定[8]。

1.3 確定大氣邊界層的經(jīng)驗(yàn)公式方法

公式計(jì)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(jì)算的平均混合層高度（m）；（T-Td）為露點(diǎn)差（℃）；P為帕斯奎爾穩(wěn)定度；Uz為Z高度處所觀測(cè)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(jì)算時(shí)，對(duì)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(jì)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(shí)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(yáng)照射加熱，溫度升高；晚上則因?yàn)榈乇黹L(zhǎng)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(jiàn)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(dá)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(qiáng)度更大且時(shí)間更長(zhǎng)，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(jiàn)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(shí)，垂直方向的對(duì)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(duì)近地面的影響較小，但會(huì)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(qiáng)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?yàn)闅饬鞒两?，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(duì)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(dá)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(duì)大氣環(huán)境的影響

3.1.1 大氣穩(wěn)定度對(duì)大氣環(huán)境的影響

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

3.1.2 溫度對(duì)大氣環(huán)境的影響

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

3.1.3 濕度層結(jié)對(duì)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(huì)使污染物大量積累[18]，發(fā)生重污染，而來(lái)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(duì)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(kuò)散就越充分，空氣質(zhì)量也就越好；當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，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(duì)大氣邊界層的影響

目前，大氣污染對(duì)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(jī)制尚不明確。

氣溶膠通過(guò)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(duì)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(duì)大氣邊界層的影響機(jī)制和影響程度都需要進(jìn)一步研究；除氣溶膠外，其余污染物對(duì)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(jìn)展緩慢。

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

（3）內(nèi)陸地區(qū)，邊界層高度隨著日出而增大，在午間達(dá)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(kuò)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(duì)空氣質(zhì)量的影響最為明顯。

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

4.2 展望

從國(guó)內(nèi)外的大氣邊界層研究進(jìn)展來(lái)看，目前對(duì)于大氣邊界層的研究還存在以下不足：

（1）目前針對(duì)風(fēng)速、降水、大氣穩(wěn)定度等大氣邊界層結(jié)構(gòu)要素對(duì)大氣污染的影響大多立足于單個(gè)站點(diǎn)風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、混合層高度等大氣擴(kuò)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(jiàn)，而我國(guó)近年來(lái)多發(fā)區(qū)域性污染，對(duì)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(diǎn)。

（2）目前大氣污染對(duì)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(kāi)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(yuǎn)（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(tái)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。