大氣穩定度分類方法及判據比較研究

李祥余

(南通市通州區環境保護局，江蘇 南通　226300)

大氣穩定度分類方法及判據比較研究

李祥余

(南通市通州區環境保護局，江蘇 南通226300)

【摘要】比較分析了Pasquill法、Pasquill-Turner法、P·S法、溫度梯度法、溫度梯度-風速法、理查遜數法、總體理查遜數、風向脈動標準差法、莫寧-奧布霍夫長度法等十一種主要大氣穩定度分類方法。研究表明，在實際應用中要根據常規氣象資料、梯度資料和湍流資料可獲得性的不同，分別優先選取P·S法、理查遜數或總體理查遜數法和莫寧-奧布霍夫長度法會獲得一個更加準確的分類結果。

【關鍵詞】大氣層結；梯度；湍流；標準差；總體理查遜數

引用文獻格式：李祥余.大氣穩定度分類方法及判據比較研究[J].環境與可持續發展，2015，40(6)：93-95.

大氣穩定度是指近地層氣塊受到擾動后氣塊在鉛直方向上運動的強弱程度[1]，是大氣湍流狀況的一種表征，是大氣擴散能力一個重要的綜合指數。如何客觀準確地進行大氣穩定度分級是污染氣象學的重點內容之一，對于提高大氣邊界層數值模擬和大氣污染擴散預報精度至關重要。因此大氣穩定度判定方法的研究受到了眾多學者的關注[2-6]，然而他們大多集中于一種或幾種判定方法上，多種不同方法的對比分析較少。根據使用資料的不同大氣穩定度分類方法主要分為常規氣象資料法和特殊氣象資料法兩大類，本文系統比較研究了這兩大類11種判定方法，為實際應用中選擇合適的判定方法提供一些理論參考。

1基于常規氣象資料的大氣穩定度分類法

1.1　Pasquill法

Pasquill法(PL)主要根據常規觀測的太陽輻射、云量和地面風速等資料將大氣穩定度分為極不穩定、不穩定、弱不穩定、中性、弱穩定和穩定六個級別，分別用字母A、B、C、D、E和F類表示[7-9]。通過內插值還可進一步細分為A～B、B～C、C～D、D～E和E～F類。PL法中的日間太陽輻射狀況簡單分為強、中、弱三級。日落前一小時至日出后一小時定義為夜間；同時不論天空云量多少，將日出后及日落前一小時的穩定度級別均定為D類。這些基本量的確定逐漸成為后來分類的基礎。由于PL法只需要常規氣象資料，簡便實用，因此被廣泛使用；但該方法只粗略考慮了熱力和動力兩方面因素對穩定度的影響；對于平坦開闊農村地區適用性比較強，而對于城市、水面、荒漠等特殊下墊面地區只能半定量地劃分穩定度級別。

1.2　Pasquill-Turner法

Pasquill-Turner法(P-T法)是指Pasquill提出，經Turner進一步修正的方法[8]。Turner首先根據太陽高度角給出了日照級數，然后根據天空云量狀況對日照級數訂正，得出凈輻射指數，最后結合地面10 m風速給出穩定度類別。Turner當初用1、2、3、4、5、6、7級分別對應Pasquill法的A、B、C、D、D～E、E、F類。這兩種方法基本原理相同，只是P-T法更準確。P-T法只要有太陽高度角、云高、云量和地面風速的觀測資料，就能客觀地給出穩定度分類級別，既簡單易行又基本合理，所以至今它仍是實際工作中最為常用的方法。

1.3　P·S法

P·S法是指經原國家環保局修訂的Pasquil1分類法[8]。它起始于20世紀70年代，我國在環境保護研究實踐中，結合國情作了修訂，并將其作為國家標準《制定地方大氣污染物排放標準的技術方法》(GB/T 3840-91)規范使用，是我國廣泛使用的穩定度分類法，對于平原有較好的適用性。P·S法大氣穩定度等級的劃分是使用Pasquill法劃分標準，分別由A、B、C、D、E和F表示強不穩定、不穩定、弱不穩定、中性、較穩定和穩定級別。

1.4　城市穩定度分類法

城市穩定度分類法(LD)是Ludwig和Dabberdt基于Pasquill-Turner工作上提出的城市(含城郊)穩定度分類法[2，5]。該方法的要點主要是先由云量和太陽高度角求日照參數(φ)，其中，0≤φ≤1，大小代表日照強度，分為強日照(φ>0.55)、中等日照(0.3≤φ≤0.55)和弱日照(φ<0.3)三種。求得φ后，再根據風速、太陽高度角、云量等確定穩定度級別。

2基于特殊氣象資料的大氣穩定度分類法

2.1　梯度資料分類法

(1)溫度梯度法：溫度梯度法或稱溫差法(ΔT/ΔZ)是指用兩層大氣間鉛直方向的溫度梯度來表示水平和垂直方向上的湍流狀態[4，8，10]。溫差法是美國田納西河流域管理局發現的，隨后國際原子能機構在1980年推出其判據。該判據推出后不久即被中科院大氣所采用。長期的大量實踐研究表明，溫度梯度法適用于判斷穩定大氣層結，不適合用在高架源排放和不穩定狀態層結分類。

(2)溫度梯度-風速法：溫度梯度-風速法是綜合考慮溫度梯度和風速的方法[7，8]。該方法在溫度梯度法的基礎上根據地面風速的不同又增加劃分六大類，穩定度分類更加詳細。由于此方法同時考慮了大氣湍流熱力和動力兩方面的影響因子，所以總體上較之僅以溫度梯度作判斷的方法要好。

(3)風速比法：大氣湍流擴散能力與風速密切相關。風速比(UR)為上下兩層風速的比值[4，11]。UR法參照Pasquill穩定度分類規則，根據兩層風速比值大小分為6個類別。UR值是根據Businger表達式計算的，為一種經驗數據，適用于風速大、穩定級別高的大氣穩定狀態判定。

(4)理查遜數法：理查遜數(Ri)是1920年Richardson為了表征大氣穩定度而根據能量收支方程引入的，是一個無量綱參數[4，5，10]。Ri綜合了湍流激發的熱力因子和動力因子的作用，反應了更多的湍流狀況信息，因此Ri法判斷大氣穩定度較準確。其判據國內一般采用中科院大氣所1980年推薦使用的標準。由于Ri法對風速、溫度梯度資料的精度要求高，對風速反應尤為敏感，有高精度鐵塔風溫觀測資料時計算結果較準確[12]，但現實中普遍缺乏鐵塔觀測資料，所以在實際應用中很少。

(5)總體理查遜數：由于Ri式中風速差處于分母位置，任何微小的風速測量誤差將會導致Ri計算結果巨大的偏差，因此為了避免精確測量風速值難以獲得的困難，常用總體理查遜數(BRi)來表征[5，8]。BRi的計算采用上下連續兩個高度層風速和高度的幾何平均值來表示，得出的結果為兩高度的平均幾何高度的BRi值。目前BRi法還沒有相對統一的劃分大氣穩定度標準，大多采用D.Golder、Irwin和Houghton等提出的分類標準。

2.2　湍流資料分類法

(1)風向脈動標準差法：風和湍流是大氣擴散能力大小的決定因子，可見風向脈動標準差δA(水平)和δE(垂直)是一個直接表征大氣湍流強弱的參量，與擴散參數關系密切，能夠彌補常規氣象資料劃分穩定度的不足，作為大氣穩定度的分類判據較準確[7，8，10]。其分類判據一般采用美國國家環保局空氣質量控制守則里推薦的標準，分為水平和垂直兩個風向脈動標準差分類判據。

(2)莫寧-奧布霍夫長度法：莫寧-奧布霍夫長度(L)[5，6]是又一個表征近地層湍流狀態的指數，和Ri一樣是一個無量綱參數。L值可以由Ri或BRi對應的函數關系求出，其計算較為復雜，涉及摩擦速度、卡門常數、垂直湍流熱通量和空氣定壓比熱等參數，而這些參數的獲得需要借助三維超聲風速儀等特種儀器。與BRi法一樣，L法穩定度分類標準主要有D.Golder、Irwin和Houghton提出的三種判據。

3結果分析

通過上述比較分析可知，大氣穩定度判定方法的選擇是基于氣象資料上。①當只有常規的風速、日照、云量等氣象觀測資料時，在實際應用中建議使用簡便實用的P·S法；此方法在開闊平坦下墊面條件下有較好的分類結果。②當至少有兩層風溫觀測梯度資料時，推薦使用總體理查遜數法；但由于其沒有統一的分類標準，所以采用何種分類判據對結果會有一定的偏差。若有高精度的風溫梯度資料，理查遜數法則在理論上更加合理，分類也更精確。③當有三維超聲風速儀、渦動協方差測量系統等特種設備測量的湍流數據時，莫寧-奧布霍夫長度法和風向脈動標準差法都能給出很好的分類結果。

參考文獻：

[1]周淑貞，張如一，張超.氣象學和氣候學(第三版)[M].北京：高等教育出版社，2004：15-17.

[2]Ludwig FL，Dabberdt WF.Comparison of two practical atmospheric stability classification schemes in an urban application[J].Journal of Applied Meteorology，1976，15(11)：1172-1176.

[3]Pasquill F.The estimation of the dispersion of windborne material[J].Meteorological Magazine，1961，(90)：33-49.

[4]陳泮勤.幾種穩定度分類法的比較研究[J].環境科學學報，1983，3(4)：357-364.

[5]曹文俊，朱汶.大氣穩定度參數的計算方法及幾種穩定度分類方法的對比研究[J].中國環境科學，1990，10(2)：142-147.

[6]李智邊.幾種大氣穩定度分類法的適用性研究[J].環境科學研究，1990，3(2)：14-21.

[7]楊洪斌，劉萬軍.4種大氣穩定度劃分方法的分析比較[J].遼寧氣象，1995，(3)：30-31.

[8]蔣維楣，孔鑒濘，曹文俊，等.空氣污染氣象學教程(第二版)[M].北京：氣象出版社，2004：1-16.

[9]徐大海.關于帕斯奎爾穩定度類別的云量判別及入射太陽輻射量[J].氣象，1990，16(12)：21-25.

[10]黃倩，陳長和，黃建國.幾種大氣穩定度分類方法和相應擴散參數的比較[J].蘭州大學學報(自然科學版)，1996，32(3)：143-150.

[11]曹文俊，朱汶，王蓓蕾.重慶冬季大氣邊界層湍流擴散能力的初步研究[J].大氣科學，1994，18(2)：243-251.

[12]李祥余.塔克拉瑪干沙漠腹地近地層微氣象學特征研究[D].新疆大學，2007.

常紀文：三個“最嚴格”盯環保 公眾參與可破監管難題

近日發布的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》(以下簡稱《建議》)，生態環境部分亮點頗多，全篇共四次出現“最嚴格”，其中，三次落在生態環保領域。那么，如何讓生態環境約束變硬，“十三五”環保產業面臨哪些發展機遇，環保企業如何進行市場布局？帶著這些問題，《每日經濟新聞》記者(以下簡稱NBD)近日專訪了國務院發展研究中心資源與環境政策研究所副所長常紀文。

三個“最嚴格”劃“紅線”

NBD：《建議》提到“資源約束趨緊，生態環境惡化趨勢尚未得到根本扭轉”，對此，您怎么看？

常紀文：這個判斷是國家有關部門研究的結果。需強化資源的可持續化利用，資源利用既要滿足于當前的需求，還需要滿足后代使用，實際上，當前來看，包括石油、鐵礦等資源都需要依靠進口，所以資源約束趨緊。

對于生態環境惡化趨勢尚未得到根本扭轉。近幾年，環境污染物的排放總量正處于歷史高位，復合型污染的特征更加明顯，藍天與霧霾天交替出現，環境質量狀況非常復雜。

到“十三五”末期，主要污染物排放總量的拐點可能全面到來。今后五年是環境與發展矛盾的凸顯期、環境標準與要求提高期，遇上了經濟下行期，過關越坎的難度更大。

NBD：今后五年的生態環境領域的目標要求“生態環境質量總體改善”，這一目標如何實現？

常紀文：當前來看，比較嚴重的是大氣、水等污染問題，目前是水環境保護和大氣環境保護的戰略相持期，雖然環境治理和環境承載壓力大，但惡化趨勢放緩，“十三五”末期可能會出現好轉。

為此，國家出臺了一系列的保障措施。中國正在通過基礎設施建設解決環保問題，特別是農村環保問題。通過基礎設施建設，進行集中處理，能夠解決一些環境問題，同時加上工業污染的治理，達到雙管齊下解決污染問題的目的。

NBD：中央強調，必須堅持節約資源和保護環境的基本國策，同時提出了三個“最嚴格”，這釋放出何種信號？

常紀文：《建議》中確實提到了三個最嚴格，這說明這三方面的問題最嚴重，實際情況確實如此，當前水污染問題較嚴重，水污染必定又會影響到飲水安全，直接關系到人體健康。同時，土地擴張很厲害，環境保護問題也較突出。

環保基建迎“爆發期”

NBD：《建議》在環保領域的亮點頗多，未來推進的重點和難點在哪里？

常紀文：通過“多規合一”等措施，推進主體功能區的科學開發利用；實行省以下環境監測和監察執法垂直管理制度，鞏固屬地的環境監管責任制度，形成企業主體責任、地方政府監管、上級部門監察相結合的環境保護監管監察新模式，既保障環境執法的效果，又遏制地方保護主義。

但是，生態環境監管體制建議不要走入死胡同，想通過垂直管理來達到目的，往往是治標不治本。

建議還是加強社會的參與和牽制，把各種監管和企業的開發利用行為置于人們的參與和監督之中。

NBD：您對“十三五”環保產業發展有什么預期？

常紀文：“十三五”時期，國家將加大環?；A設施建設，涉及污水處理、垃圾處理等多方面。生態環保需要與全面建設小康社會向結合，同時生活條件上也應該干凈、衛生、安全，對環保產業來說將是一個很大的機遇。同時，二胎政策的出臺，將激活環保市場。

(摘自：《每日經濟新聞》2015-11-05，李彪；http：//www.nbd.com.cn/articles/2015-11-05/959536.html)

Study on Classification Methods and Criterions of Atmospheric Stability

LI Xiangyu

(Nantong Tongzhou District Environmental Protection Bureau，Nantong，Jiangsu 226300)

Abstract：Methods of Pasquill，Pasquill-Turner，revised Pasquill，temperature gradient，temperature gradient-wind speed，Richardson number，bulk Richardson number，standard deviation of wind direction，Monin-Obukhov length，etc.were comparatively analyzed.The results show that select which methods are depended on data availability.In practical application，for the conventional meteorological data，gradient data and turbulence data selecting revised Pasquill method，Richardson number method or bulk Richardson number method，and Monin-Obukhov length method respectively should obtain a more accurate classification results.

Keywords：atmospheric stratification；gradient；turbulence；standard deviation；bulk Richardson number

作者簡介：李祥余，博士，工程師，主要從事環境保護與氣候變化等方面的研究和管理

中圖分類號：X51

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2015)06-0093-03