青島地區混合層高度的季節性變化＊

李金堡 駱永軍 柴藝淳

（1．海軍大連艦艇學院軍事海洋系 大連 116018）（2．中國海洋大學海洋氣象學系 青島 266100）

1 引言

R．B 斯塔爾［1］在邊界層氣象學導論中指出，大氣邊界層是指對流層內貼近地表面約1km～5km 厚的一層。大氣邊界層的高度（或厚度）和結構與大氣邊界層內的溫度分布或大氣穩定度密切相關。中性或不穩定時，由于動力或熱力湍流的作用，邊界層內上下層之間產生強烈的動量或熱量交換。通常把出現這一現象的層稱為混合層。廖國蓮［2］在大氣混合層厚度的計算方法及影響因子一文中提到，大氣混合層高度是在鉛垂方向上反映污染物擴散的重要參數，它的研究對大氣環境預測、環境規劃等起著重要作用。劉北平［3］、徐金輝［4］等研究和提出了幾種常規的混合層高度的確定方法。史寶忠［5］等對幾種混合層高度確定方法進行了比較和分析。程水源［6］等針對北京地區的混合層高度相關方面進行了研究和分析。現在國際上計算大氣混合層高度的方法主要有干絕熱方法、羅氏法、Gamo［7］法、激光雷達測距法等。本文著重介紹了一種國際上主要運用來計算混合層高度的方法—干絕熱方法，主要利用清晨探空曲線，與一天中溫度最高時刻的干絕熱曲線相交的方法找出交點，得出大氣混合層高度的方法。

2 數據和方法

2．1 數據資料

本文所用的數據主要來自俄亥俄大學的青島地區大氣探空數據和地面的08時開始到17時的地面溫度數據，探空數據長度是從2003年3月到2010年12月，為每日00 時和12 時的探空數據。包括從地面到高空各規定層的氣壓、溫度、露點溫度等資料數據，絕大多數天數中有20層以上。另外，還利用到部分NCEP數據，本文所用的數據范圍為維度：37°07′～41°0′N，經度：117°35′～121°10′E，為中國山東青島附近海域的數據。主要是描述2007年相關逐月的實測海溫數據，以及海氣感熱通量和海氣潛熱通量的數據資料。

2．2 利用干絕熱方法計算大氣混合層高度

干絕熱曲線法是由Holzworth［8］于20世紀60年代在研究美國多個地區日平均最大混合層高度時提出的。此方法主要考慮了熱力湍流效應，而相應的忽略了平流，下沉及機械湍流的影響。平均混合層高度由清晨08時的溫度廓線和地面最高、最低溫度而定。該方法主要突出了熱浮力是白天邊界層主要的驅動力的特點，天氣晴好時相對準確，陰雨時準確度有所降低，在有地區探空數據和地面氣溫資料時，干絕熱方法是一種比較準確和方便的方法。針對干絕熱方法，有具體的兩種如下作法：

1）圖解計算法

利用清晨08時氣溫探空資料，埃瑪圖上畫出08時氣溫廓線，在埃瑪圖上得到溫度廓線與曲線的交點，取當天最高溫度，一般是14時的地面氣溫作干絕熱曲線，廓線與曲線的交點，讀取下墊面和交點處的氣壓值，采用圖解等面積法，求得該層平均氣溫t，用等溫大氣的壓高公式，由氣壓值計算混合層高度H，單位是m：

式中R為干空氣比氣體常數，g為重力加速度，P0為地面大氣壓，hpa；PH為H高度的 大氣壓，hpa；為下墊面至H高度的層內平均氣溫（K）；H為大氣混合層高度。

2）圖解概算法

在埃瑪圖上讀取下墊面和交點出的氣壓值，在邊界層內，自地面每升高100m，大氣壓平均降低12．4hpa，則大氣混合層高度H可按下式計算：

嚴格地說，大氣壓隨高度增加是按指數規律減少的。因此，這一計算結果只是接近真值。

3 結果與分析

3．1 青島大氣混合層高度的變化規律

以下分別分析了由2003～2010年每月和每季度的青島大氣混合層平均高度的統計，由于2007年平均氣溫高達13．8℃，是1899年以來年平均氣溫最高的兩年之一。所以選取2007年進行分析，可以對其特殊性和其他年份的一般性做出比對。

圖1 2003年青島地區大氣混合層月平均高度

由圖1可知，青島地區的混合層高度大致在500m～1000m 之間波動。在夏季（6、7月）最低，秋冬季時最高（11月），整體趨勢呈現由夏季到秋冬季的增長和秋冬季到春季的降低。在8年的時間內混合層頂平均位于1000m 左右。

圖2 2003～2010年青島地區大氣混合層季平均高度

由圖2可知，在夏季時混合層高度最低，平均降到了550m 左右，在夏季和秋季之間有一個陡增，在秋季時混合層頂最高達到了900m 以上的高度，在秋冬季混合層高度要比在春夏季時混合層高度要高。

圖3 2007年與2003年～2010年混合層高度的月平均

圖4 2007年與2003年～2010年混合層高度逐季度平均

由圖3可知，2007年青島地區的混合層高度大致處于400m～1200m 之間的波動。在夏季（6、7月）最低，春秋季時最高，呈雙峰凸顯。整體趨勢呈現由夏季到秋冬季的增長和秋冬季到春季的降低。尤其是在夏季（5、6月）時會有一陡降。相較2003～2010年時在3月時較往年混合層高度有較大差值，在4、5月時比往年稍高，在8～10月相比往年要少。

由圖4可知，2007年的混合層高度在夏季時最低，平均降到了500m 以下，在秋季時混合層頂最高達到了接近900m 的高度，在春季和冬季都維持在一個比較高的程度，在春秋季2007年青島地區的大氣混合層高度與往年基本持平，在夏季時比8年平均的高度要低50m 左右，在冬季則要稍高一些。

由以上干絕熱法得到的結果，與吳祖常等［9］在1998年得到的結果較為一致，其中，若為內陸臺站，則大氣混合層高度通常秋冬季時為最低，在夏季為最高；而沿海臺站則大相徑庭，大氣混合層高度通常夏季最低，在秋冬季最高。

表1 混合層高度統計結果

表1顯示的數據，比較了青島、大連、臺州三個地區的混合層高度，混合層高度均在夏季的6月最小，青島：729m；大連：628m；臺州：509m；混合層高度均在秋季的9月、11月最大，青島：1081m；大連：1207m；臺州：1042m。

表2 混合層高度，單位（m）

3．2 青島大氣混合層高度隨季節變化的原因分析

在大氣混合層高度發展的過程中，影響因子有很多，如大氣穩定度、天氣系統、海陸相互作用等。本文僅就海陸相互作用對大氣混合層高度的影響進行分析。

由上表2，內陸臺站中，大氣混合層高度在秋季，要低于春季。表2中所列舉的北京、濟南、太原等地的混合層高度均為春夏季節高于冬季，而上海則是夏季最低、秋季最高，這充分地體現出了沿海城市與內陸城市的地理差異，由于海陸熱力差異而引起的大氣混合層高度變化規律的不同。

圖5 海氣溫差月平均

大連和青島都屬于沿海的城市，這里將它們放在一起進行比較，在影響混合層高度發展的因素中，浮力對流、機械剪切是產生混合能的主要驅動力。而機械剪切在這里不作為重點考慮，因為在本文中主要考慮熱力作用的影響。

浮力對流的成因包括溫暖下墊面的熱傳遞及云頂的輻射冷卻，而大氣層結的穩定度同樣是決定混合層厚度的影響因子，例如平流、下沉等原因形成的逆溫層，是典型的抑制下墊面湍流發展的穩定層結，Stull［10］指出，大氣越不穩定，水平和垂直湍流交換越強，混合層厚度越大；而在大氣層結為穩定的條件下，湍流得不到發展，能達到的高度低，混合層厚度就小。

所以可以由青島地區的海氣溫差，來對下墊面是否穩定，穩定程度如何進行判斷，從而進一步判斷混合層高度的變化。如圖5所示，春、夏季節海溫等于或小于氣溫，形成相對穩定的下墊面，所以在春夏季節時，青島的大氣混合層高度較低；冬季則相反，海溫要高于氣溫，形成不穩定的下墊面，在這種情況下，有利于熱力湍流的強度和發展發生，從而秋冬季的混合層高度在全年中處于最高的時期。

圖6 2007年感熱通量的月平均變化

圖7 2007年潛熱通量的月平均變化

另外，從熱浮力通量的角度來看，熱浮力通量分布如圖6、圖7所示，兩個臺站對應位置的感熱和潛熱通量的季節變化與混合層高度的季節變化相似，呈春、夏季節低、秋冬季節高的分布特征。也就是說，在秋、冬季熱浮力通量要大于春夏季，這與內陸臺站的季節分布情況相反，是青島等沿海臺站邊界層高度季節變化區別于內陸臺站的主要原因。

4 結語

1）作為沿海城市，青島大氣混合層的季節性變化特征為：在春夏季時青島地區大氣混合層高度低，在秋冬季青島地區大氣混合層高度高。

2）春、夏季海溫等于或小于氣溫，形成相對穩定的下墊面，所以在春夏季時，混合層高度較低；冬季則相反，海溫要高于氣溫，形成不穩定的下墊面，在這種情況下，有利于熱力湍流的強度發展，從而秋冬季的混合層高度在全年中處于最高的時期。并且從熱浮力通量的分布可以看出，青島的感熱和潛熱通量的季節變化與混合層高度的季節變化相似，呈春、夏季低、秋冬季高的分布特征。也就是說，在秋、冬季熱浮力通量要大于春夏季，更進一步證明春夏季的混合層高度要低于秋冬季。

3）從海陸相互影響的角度出發，由于在不同的季節海洋和陸地會有相反的海洋溫差，以及風速和風向的季節性變化，從而海洋和陸地會有相反的感熱通量和潛熱通量的季節性變化，這也是沿海地區（如青島）和內陸地區（如太原）的大氣混合層高度的季節性變化相反的原因。

［1］R．B斯塔爾．邊界層氣象學導論［M］．青島：青島海洋大學出版社，1991：2-3．

［2］廖國蓮．大氣混合層厚度的計算方法及影響因子［J］．中山大學研究院學刊，2005，26（4）：67-68．

［3］劉北平．確定大氣混合層高度方法的研究［J］．環境科學研究，1990，3（1）：8-12．

［4］徐金輝，李薇．大氣混合層高度測定方法介紹［J］．氣象教育與科技，1994（1）：6-9．

［5］程水源，張寶寧，白天雄，等．北京地區大氣混合層高度的研究及氣象特征［J］．環境科學叢刊，1991，13（4）：76-80．

［6］史寶忠，鄭方威，曹國良．對大氣混合層高度確定方法的比較分析［J］．西安建筑科技大學學報，1997，29（2）：138-141．

［7］Gamo．M，Yokoyama．O．Growth Of the mixing depth and turbulence characteristics In the mixing layer［J］．Soc．Japan，1979，57：159-171．

［8］A．J．Garrett．Comparisons of Observed Mixed Layer Depth to Model Estimates Using observed Temperatures and Winds and MOS Forecasts［J］．Applied Meteorology，1981，20（12）：77-83．

［9］吳祖常，董保群．我國陸域大氣最大混合層厚度的地理分布與季節變化［J］．科技通報，1998，14（3）：159-160．

［10］Stull R．B．Mixed layer depth model based on turbulent energetics［J］．Atmospherical Science，1976，33（12）：68-78．