賀蘭山東麓大氣邊界層氣象條件分析

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(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心 寧夏銀川 750002；3.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院 四川成都 610225

與環(huán)境背景相比，城市形成了一個獨(dú)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(fēng)向風(fēng)速變化、垂直風(fēng)切變、氣溫的垂直分布結(jié)構(gòu)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(guān)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(jì)迅速發(fā)展，但也造成了較為嚴(yán)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(yán)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(kuò)散的氣象因子是降水、溫度、風(fēng)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(fēng)向、風(fēng)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(jìn)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(kuò)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(diǎn)是每天只有08h和20h兩個時次的資料，探空站的布點(diǎn)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(xué)研究所桑建人等人利用雙經(jīng)緯儀基線小球測風(fēng)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(fēng)向風(fēng)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(fēng)場特征

2.1 風(fēng)向變化特征

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

(a)1.5m(靜風(fēng)頻率為43%)

(b)50m(靜風(fēng)頻率為0)

(c)150m(靜風(fēng)頻率為0)

(c)300m(靜風(fēng)頻率為0)

(d)400m(靜風(fēng)頻率為0)

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

2.2 風(fēng)速變化特征

2.2.1 日變化特征

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

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

2.2.2 不同風(fēng)向的風(fēng)速變化特征

地面1.5m處以WSW的風(fēng)速最大；50m、100m最大風(fēng)速在SE；150m、200m各高度最大風(fēng)速在NNE；250m處最大風(fēng)速在WSW；300m、350m最大風(fēng)速在SSE；400m、450m高度最大風(fēng)速出現(xiàn)在NNE；500m高度處最大風(fēng)速出現(xiàn)在SSE；550m、600m高度處最大風(fēng)速出現(xiàn)在NNE；650m、700m高度平均最大風(fēng)速分別出現(xiàn)在WSW和ESE；750m、800m高度最大風(fēng)速出現(xiàn)在W；850m、900m高度最大風(fēng)速分別出現(xiàn)在SE和NNE；950m、1000m高度最大風(fēng)速出現(xiàn)在WSW。總體上，各高度最大風(fēng)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(fēng)向平均風(fēng)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(qiáng)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(jié)果，因此近似認(rèn)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(diǎn)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(diǎn)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(fēng)速條件下的大氣穩(wěn)定度。

3.2 不同穩(wěn)定度各高度向風(fēng)速變化特征

地面1.5m處以小于1.0m/s風(fēng)速段出現(xiàn)頻率最大，50～250m各高度1～2.9m/s風(fēng)速段出現(xiàn)頻率最大，300～400m以3～5.9m/s風(fēng)速段出現(xiàn)的頻率最大，450～550m風(fēng)速頻率最大值出現(xiàn)在1～2.9m/s風(fēng)速段，600～900m各高度3～5.9m/s風(fēng)速段出現(xiàn)的頻率最大，950m、1000m風(fēng)速頻率最大值分別出現(xiàn)在1～2.9m/s和3～5.9m/s風(fēng)速段。總之，觀測期內(nèi)各高度以1～5.9m/s風(fēng)速段出現(xiàn)的頻率最大，≥8.0m/s風(fēng)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(fēng)速狀況，得到了不同穩(wěn)定度風(fēng)速隨高度變化情況(表1)。可以看出，在300m高度以下，除A穩(wěn)定度下風(fēng)速呈先增大后減小的趨勢外，其他大氣穩(wěn)定度下的風(fēng)速均呈現(xiàn)出快速增大的趨勢，高度升高每100m，風(fēng)速平均增大0.8m/s，300～700m之間，平均風(fēng)速幾乎沒有變化，在3.3m/s左右，700～1000m之間，風(fēng)速呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢。

表1 觀測期間不同穩(wěn)定度風(fēng)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(fēng)速廓線指數(shù)變化特征

在近地層，風(fēng)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(fēng)速廓線指數(shù)(風(fēng)切變指數(shù))表示風(fēng)速在垂直方向的變化情況，其大小反映了風(fēng)速隨高度增加的變化程度，其值大表示風(fēng)速隨高度增大得快，風(fēng)速梯度大；其值小表示風(fēng)速隨高度增加得慢，風(fēng)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(fēng)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(fēng)速，m/s；U2為Z2高度處平均風(fēng)速，m/s。

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

表2 不同穩(wěn)定度下平均風(fēng)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(fēng)速廓線指數(shù)P對石嘴山市300m高度以下的平均風(fēng)速進(jìn)行擬合，將擬合的風(fēng)速與其相同高度的實(shí)測風(fēng)速進(jìn)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(fēng)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(kuò)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(dāng)大氣穩(wěn)定度等級為A，B，C，D時

L=A0U/F

(4)

當(dāng)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(fēng)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(jié)合05h、08h、11h、14h、17h和20h六個時次的風(fēng)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(guān)，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(jié)合A、B、C、D、E、F六個不同等級大氣穩(wěn)定度的風(fēng)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(dá)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(qiáng)不穩(wěn)定大氣(A)的混合層厚度為0m。混合層厚度與大氣不同穩(wěn)定度關(guān)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(jié)論

(1)石嘴山市邊界層內(nèi)各高度層主導(dǎo)風(fēng)向分布不均；300m高度以下各時次風(fēng)速隨高度遞增，300m以上風(fēng)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(fēng)速最大，其他各高度平均風(fēng)速最大值主要出現(xiàn)在20h；各高度平均風(fēng)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(fēng)速段出現(xiàn)的頻率最大，≥8.0m/s風(fēng)速出現(xiàn)的頻率最小。

(2)平均風(fēng)速廓線指數(shù)P對石嘴山市300m高度以下的平均風(fēng)速在C、D、E、F四類大氣穩(wěn)定度下風(fēng)速隨高度的變化符合冪指數(shù)規(guī)律，能較好地擬合實(shí)測風(fēng)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(fēng)速呈先增大后減小的趨勢外，其他大氣穩(wěn)定度下的風(fēng)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(guān)，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(dá)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(qiáng)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。