舒志亮 陶 濤 孫艷橋

1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室 寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象災害防御技術中心 寧夏銀川 750002；3.成都信息工程大學電子工程學院 四川成都 610225

與環(huán)境背景相比，城市形成了一個獨特的下墊面，其上方的近地面層大氣特性形成了特殊的城市大氣邊界層，其典型厚度在1～2km之間[1-3]。大氣邊界層的粗糙度、水平風向風速變化、垂直風切變、氣溫的垂直分布結構等都會直接造成大氣穩(wěn)定程度的變化和湍流的發(fā)生，會直接造成大氣邊界層厚度的改變[4-7]。城市大氣污染主要受兩方面因素的影響：污染源和大氣穩(wěn)定度。楊靜等[8]利用地面常規(guī)氣象觀測資料計算了近30年烏魯木齊市大氣穩(wěn)定度和大氣混合層高度隨時間序列，分析了混合層高度和穩(wěn)定度與空氣污染的關系。

賀蘭山東麓的石嘴山市位于寧夏北部，依靠賀蘭山豐富的煤炭資源，經(jīng)濟迅速發(fā)展，但也造成了較為嚴重的污染，雖然近年來采取了很多治理措施，空氣質(zhì)量有所上升，但是其2019年前10個月空氣污染在寧夏五市中依然最為嚴重[9]。石嘴山市主要的污染物有PM10、PM2.5以及SO2、O2，污染源是工礦企業(yè)排污，影響擴散的氣象因子是降水、溫度、風速[10]。本文利用一次連續(xù)的加密探空資料，分析石嘴山市邊界層內(nèi)風向、風速以及氣溫隨高度變化情況，計算出石嘴山市不同時次及氣象條件下的大氣穩(wěn)定度和混合層厚度，從而進一步了解石嘴山市邊界層氣象條件變化特征，為石嘴山市污染物擴散研究及其治理提供理論依據(jù)。

1 資料來源

由于大氣邊界層觀測難度較大、成本較高、資料相對匱乏，許多邊界層分析利用的是氣象探空站的數(shù)據(jù)。氣象探空站資料的優(yōu)勢是時間序列長且穩(wěn)定，缺點是每天只有08h和20h兩個時次的資料，探空站的布點比較少，時間和空間分辨率低。石嘴山市沒有氣象探空站，為了摸清石嘴山市邊界層變化情況，寧夏氣象科學研究所桑建人等人利用雙經(jīng)緯儀基線小球測風和低空探空測溫的方法，在石嘴山市開展了為期11天的觀測，具體時間為：2007年8月1～13日，每天在05h、08h、11h、14h、17h、20h共觀測6次，取得了11天的寶貴的完整觀測資料，本文所用的數(shù)據(jù)正是此次觀測所得資料，以及同期石嘴山市國家氣象站的云、氣溫、風向風速等觀測資料。根據(jù)梁智豪[11]等人對我國119個探空站觀測的邊界層高度時空分布特征的研究，我國年平均邊界層高度為200～600m，因此，本文選取了1000m以下的觀測資料，每50m為一個高度層，來分析石嘴山市邊界層氣象條件的變化特征。

2 邊界層風場特征

2.1 風向變化特征

為了比較直觀地了解邊界層風向特征，圖1給出了1.5m、50m、150m、300m、400m及900m六個高度層的風向玫瑰圖。根據(jù)分析可得，地面1.5m處主導風向為E，風向頻率為15%；近地層50m處主導風向為NE，風向頻率為13%；100m處主導風向為W，風向頻率為18%；150m處主導風向為WNW，風向頻率為18%；200～350m主導風向均W，風向頻率12%～18%；400m和450m處主導風向為WSW，風向頻率分別為17%和20%；500～600m各高度主導風向W，風向頻率15%～20%；650～750m高度主導風向NNE，風向頻率15%～20%；800m處主導風向為WNW，風向頻率為15%；850m處主導風向為W，風向頻率為13%；900～1000m各高度主導風向WNW，風向頻率13%～17%。除地面1.5m處出現(xiàn)靜風(C，靜風頻率為43%)外，其他各高度層均無靜風。

(a)1.5m(靜風頻率為43%)

(b)50m(靜風頻率為0)

(c)150m(靜風頻率為0)

(c)300m(靜風頻率為0)

(d)400m(靜風頻率為0)

(e)900m(靜風頻率為0)圖1 邊界層各高度各風向頻率玫瑰圖Fig.1 Wind direction frequencies at various heights in the atmospheric boundary layer

2.2 風速變化特征

2.2.1 日變化特征

觀測期內(nèi)各時次平均風速隨高度變化情況見圖2?？傮w上，300m高度以下各時次平均風速隨高度增加而增加，300m高度以上風速隨高度變化較小。300m以下17h平均風速最大，350m、400m高度處20h平均風速最大，450m和500m處14h平均風速最大，550～800m各高度20h風速最大，850m、900m高度17h平均風速最大，950m、1000m高度處，最大風速值分別出現(xiàn)在08時、17時；地面1.5m高度05h平均風速最小，50～600m各高度平均風速最小值出現(xiàn)在08h，650～800m平均風速最小值出現(xiàn)在11h，850m、900m高度處平均風速最小值出現(xiàn)在14h，950m、1000m高度平均風速最小值分別出現(xiàn)在11h、14h。

圖2 觀測期各高度平均風速日變化Fig.2 Diurnal variation of average wind speed at all heights during observation period

2.2.2 不同風向的風速變化特征

地面1.5m處以WSW的風速最大；50m、100m最大風速在SE；150m、200m各高度最大風速在NNE；250m處最大風速在WSW；300m、350m最大風速在SSE；400m、450m高度最大風速出現(xiàn)在NNE；500m高度處最大風速出現(xiàn)在SSE；550m、600m高度處最大風速出現(xiàn)在NNE；650m、700m高度平均最大風速分別出現(xiàn)在WSW和ESE；750m、800m高度最大風速出現(xiàn)在W；850m、900m高度最大風速分別出現(xiàn)在SE和NNE；950m、1000m高度最大風速出現(xiàn)在WSW?？傮w上，各高度最大風速出現(xiàn)的方向分布不均勻。

(a)1.5m

(b)50m

(c)150m

(d)300m

(e)400m

(f)900m圖3 邊界層各高度各風向平均風速玫瑰圖Fig.3 The average wind speed of all wind directions in the atmospheric boundary layer

3 大氣穩(wěn)定度變化特征

3.1 大氣穩(wěn)定度計算方法

根據(jù)帕斯奎爾分類法[12]，將大氣穩(wěn)定度分為強不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定六級，分別用A、B、C、D、E、F表示。首先根據(jù)公式(1)[13]計算出石嘴山市各觀測時次太陽高度角(由于本文分析的最大高度為1000m，幾乎不會影響到太陽高度角的計算結果，因此近似認為從地面到1000m高度的太陽高度角相同)：

h0=arcsin[sinψsinσ+cosψcosσcos(15t+λ-300)]

(1)

式中：h0為太陽高度角，deg；ψ為觀測點緯度，deg；σ為太陽傾角，deg；t為觀測具體時間(北京時)，h；λ為觀測點經(jīng)度，deg。

根據(jù)計算出的太陽高度角查出不同云量狀況下的太陽輻射等級，再根據(jù)太陽輻射等級查出石嘴山市不同觀測高度在不同風速條件下的大氣穩(wěn)定度。

3.2 不同穩(wěn)定度各高度向風速變化特征

地面1.5m處以小于1.0m/s風速段出現(xiàn)頻率最大，50～250m各高度1～2.9m/s風速段出現(xiàn)頻率最大，300～400m以3～5.9m/s風速段出現(xiàn)的頻率最大，450～550m風速頻率最大值出現(xiàn)在1～2.9m/s風速段，600～900m各高度3～5.9m/s風速段出現(xiàn)的頻率最大，950m、1000m風速頻率最大值分別出現(xiàn)在1～2.9m/s和3～5.9m/s風速段。總之，觀測期內(nèi)各高度以1～5.9m/s風速段出現(xiàn)的頻率最大，≥8.0m/s風速出現(xiàn)的頻率最小。

統(tǒng)計觀測的各高度層的不同大氣穩(wěn)定度條件下的風速狀況，得到了不同穩(wěn)定度風速隨高度變化情況(表1)?？梢钥闯?，在300m高度以下，除A穩(wěn)定度下風速呈先增大后減小的趨勢外，其他大氣穩(wěn)定度下的風速均呈現(xiàn)出快速增大的趨勢，高度升高每100m，風速平均增大0.8m/s，300～700m之間，平均風速幾乎沒有變化，在3.3m/s左右，700～1000m之間，風速呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢。

表1 觀測期間不同穩(wěn)定度風速隨高度變化表 單位：m/sTab.1Table of wind speed variation with height with different stability during observation

續(xù)表

3.3 不同穩(wěn)定度風速廓線指數(shù)變化特征

在近地層，風速隨高度的變化而有顯著的變化，造成這種變化的原因是地面的粗糙度和近地層的大氣垂直穩(wěn)定度變化顯著，風速廓線指數(shù)(風切變指數(shù))表示風速在垂直方向的變化情況，其大小反映了風速隨高度增加的變化程度，其值大表示風速隨高度增大得快，風速梯度大；其值小表示風速隨高度增加得慢，風速梯度小，其計算公式為冪公式[14-16]：

(2)

寫成指數(shù)公式為：

(3)

式中：P為風速廓線指數(shù)；Z1為第一層高度，m；Z2為第二層高度，m；U1為Z1高度處平均風速，m/s；U2為Z2高度處平均風速，m/s。

根據(jù)上述公式，結合石嘴山市觀測資料可以求出不同穩(wěn)定度下風速廓線指數(shù)P(見表2)。

表2 不同穩(wěn)定度下平均風速廓線指數(shù)(P)Tab.2 Average wind speed profile index under different stability

根據(jù)不同穩(wěn)定度下平均風速廓線指數(shù)P對石嘴山市300m高度以下的平均風速進行擬合，將擬合的風速與其相同高度的實測風速進行對比分析(圖4)，可得出在C、D、E、F四類大氣穩(wěn)定度下風速隨高度的變化符合冪指數(shù)規(guī)律，擬合程度比較高，A、B類穩(wěn)定度在各高度擬合較差。

4 大氣混合層厚度變化特征

4.1 低空溫度場變化特征

根據(jù)觀測期各高度、各時段的平均氣溫時空變化，可得出在05h和20h出現(xiàn)了200m和100m的接地逆溫，08h在150m與500m之間氣溫穩(wěn)定變化不大外，其他時次平均氣溫均呈遞減狀態(tài)。各時次平均氣溫從地面到1000m高度由25.5℃遞減到19.6℃。各層平均氣溫日變化規(guī)律基本為：05h、08h、11h、20h、14h、17h依次升高。05h左右各層平均氣溫最低，在18～21.1℃之間變化；下午17h左右各層平均氣溫最高，由地面的29.6℃逐漸下降到1000m的20.8℃。

4.2 混合層厚度計算方法

大氣混合層厚度的大小和變化特征直接影響著污染物在大氣中的擴散范圍和稀釋速率，是反映大氣邊界層污染氣象特征的重要參數(shù)[17-18]，采用國際法計算不同大氣穩(wěn)定度等級下混合層的厚度，公式如下：

當大氣穩(wěn)定度等級為A，B，C，D時

L=A0U/F

(4)

當穩(wěn)定度等級為在E，F(xiàn)時

(5)

式中：L為大氣混合層厚度，m；U為一定高度層的平均風速，m/s；A0、B0為大氣混合層系數(shù)；F為地轉(zhuǎn)參數(shù)。

4.3 混合層厚度隨時間變化特征

根據(jù)公式(4)、(5)結合05h、08h、11h、14h、17h和20h六個時次的風速資料計算混合層厚度，得到石嘴山市不同時次混合層平均厚度，根據(jù)其日變化情況(表3)可以看出，石嘴山市大氣混合層厚度與氣溫的變化成正相關，變化幅度較大，混合層厚度最小值出現(xiàn)在05h，為67.3m，隨著氣溫升高，大氣混合層厚度隨之快速增加，到14h增加至一日中最大值，為1124.6m，隨著溫度降低，大氣混合層厚度也隨之快速減小，最大值是最小值的16.7倍。各時次平均混合層厚度為489.7m。

表3 觀測期不同時次的混合層厚度Tab.3 The thickness of the mixed layer at different observation periods

4.4 不同穩(wěn)定度下混合層厚度變化特征

根據(jù)公式(4)、(5)結合A、B、C、D、E、F六個不同等級大氣穩(wěn)定度的風速資料計算混合層厚度，得出不同大氣穩(wěn)定度條件下混合層厚度(表4)，可以看出，弱不穩(wěn)定(C)大氣混合層厚度最大，達1144.6m，其次為不穩(wěn)定大氣(B)，為670m，接下來依次為，中性大氣(D)、較穩(wěn)定大氣(E)和穩(wěn)定大氣(F)，其混合層厚度依次為，413.2、124和19m，強不穩(wěn)定大氣(A)的混合層厚度為0m?；旌蠈雍穸扰c大氣不同穩(wěn)定度關系密切。

表4 觀測期不同穩(wěn)定度條件下的混合層厚度Tab.4 Thickness of mixed layer under different stability conditions during observation period

5 結論

(1)石嘴山市邊界層內(nèi)各高度層主導風向分布不均；300m高度以下各時次風速隨高度遞增，300m以上風速隨高度變化不大；300m高度以下和850m高度以上普遍以17h平均風速最大，其他各高度平均風速最大值主要出現(xiàn)在20h；各高度平均風速最小值主要出現(xiàn)在清晨和上午各時次；各高度以1～5.9m/s風速段出現(xiàn)的頻率最大，≥8.0m/s風速出現(xiàn)的頻率最小。

(2)平均風速廓線指數(shù)P對石嘴山市300m高度以下的平均風速在C、D、E、F四類大氣穩(wěn)定度下風速隨高度的變化符合冪指數(shù)規(guī)律，能較好地擬合實測風速，A、B類穩(wěn)定度在各高度擬合較差。在300m高度以下，除A穩(wěn)定度下風速呈先增大后減小的趨勢外，其他大氣穩(wěn)定度下的風速均呈現(xiàn)出快速增大的趨勢。

(3)大氣混合層厚度與氣溫的變化成正相關，變化幅度較大，混合層厚度最小值出現(xiàn)在05h，為67.3m，最大值出現(xiàn)在14h，為1124.6m，是最小值的16.7倍，平均混合層厚度為489.7m。弱不穩(wěn)定(C)大氣混合層厚度最大，達1144.6m，接下來依次為不穩(wěn)定大氣(B)、中性大氣(D)、較穩(wěn)定大氣(E)和穩(wěn)定大氣(F)，強不穩(wěn)定大氣(A)的混合層厚度為0m,05h、20h出現(xiàn)了200m和100m的接地逆溫。