三明市大氣混合層高度變化特征分析

三明市氣象局 楊 希 卜銀軍 陳雪芹

三明市大氣混合層高度變化特征分析

三明市氣象局 楊 希 卜銀軍 陳雪芹

利用三明市1960～2013年逐日02時、08時、14時和20時四個時次的地面氣象資料，采用羅氏法計算得出逐日四個時次的混合層高度，分析了混合層高度年變化、月變化、日變化等規律及與有關氣象要素的關系。結果表明，54a來，年平均混合層高度呈現先平穩、后緩慢下降、再明顯升高的趨勢；年平均混合層高度和年降水日數存在一定的負相關關系，相關系數為-0.45。02時、08時、20時年平均混合層高度月變化較小，14時年平均混合層高度月變化較大，該時次能較好地反映夏季整體湍流強，冬季湍流弱的特點；平均混合層高度月變化中，5月500～600m高度占比最大，其他各月600～700m高度占比最大。混合層高度日變化特征為白天高、夜間低，與湍流活動日變化特征吻合較好。相對濕度與混合層高度有明顯的負相關關系，相關系數-0.83；風速與混合層高度中度相關，相關系數0.52。

羅氏法 混合層高度 變化特征 三明市

1 概述

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對環境污染越來越關注，近年來，霧霾天氣嚴重困擾著人們的生活。大氣擴散能力的強弱是影響空氣質量的重要原因之一，而混合層高度表征污染物在垂直方向上熱力湍流、對流和動力湍流輸送所能達到的高度，混合層高度越高，大氣垂直輸送、稀釋污染物的能力就越強，反之越弱[1]。研究大氣混合層高度的變化特征對開展大氣環境變化的預測以及環境規劃、大氣環境總量控制等具有重要作用[2]。

近年來，國內外學者對混合層開展了大量研究。Miller 等[3]用混合層高度和混合層內平均風速作為獨立變量的面源模式估算城市空氣的污染濃度；Mazzeo等[4]對月平均最大混合層高度進行了分析，結果發現最小值出現在比較溫暖的7月，最大值出現在比較冷的1月；尤煥苓等[1]研究發現，年平均最大混合層高度與年降水日數有較為密切的關系，年降水日數多的年份，年平均最大混合層高度較低，而年降水日數少的年份，年平均最大混合層高度較高；郝巨飛等[5]認為大氣混合層高度與穩定度等級是影響空氣質量的重要因子，在實際環境氣象預報預警業務中可以提供一定的參考；楊靜等[6]根據烏魯木齊冬季夜間層結穩定，混合層高度最低，是污染氣象條件最為不利的時間段的結論，建議城市主要工業污染源在冬季夜間適當減排，加強夜間排污監督管理，嚴防偷排漏排；時曉曚等[7]判斷空氣污染物質量濃度與日最大混合層高度有明顯的負相關關系。計算混合層高度有很多方法，廖國蓮[8]、孟慶珍[9]、史寶忠等[10]對混合層高度的計算方法進行了對比分析，本文基于1960～2013年（下稱54a）逐日地面觀測資料，采用羅氏法計算混合層高度，并對混合層高度進行統計分析，從而為開展大氣污染擴散研究奠定一定基礎。

2 資料與方法

利用三明市54a逐日02時、08時、14時和20時四個時次的總低云量、風速、溫度、露點溫度、濕度和降水量等。

混合層高度使用羅氏法計算，羅氏法考慮了大氣穩定度、溫度、露點溫度、風速及緯度等因子，公式如下：

其中，h——混合層高度（m）；P——Pasquill 穩定度級別，1～6；T-Td——溫度與露點溫度差（℃）；Z——離地面高度（m）；Uz——離地面 Z 高度的平均風速（m/s）；Z0——地表粗糙度（m，本文使用0.2m）；f——科氏力參數（f=2?sinθ，?=7.292×10-5rad/s，θ為地理緯度）。大氣穩定度劃分使用P-T法，分為強不穩定、不穩定、弱不穩定、中性、較穩定和穩定6級。大氣穩定度的劃分計算如下：先計算出太陽高度角h0，h0=arcsin(sinФsinδ+ cosФcosδcosω)，式中，h0為太陽高度角，Ф為當地緯度，δ為當地經度，ω為時角；再由太陽高度角和云量查表得出太陽輻射等級；最后由地面風速和太陽輻射等級查表得出大氣穩定度等級。

3 混合層高度特征

3.1 混合層高度年變化

圖1為三明市54a平均混合層高度年變化散點圖。由圖可見，54a來三明市年平均混合層高度趨勢為1960～1970年趨勢平穩，1970～2000年緩慢降低，2000年開始緩慢升高，2005年之后明顯升高；年平均混合層高度最小值為590m（1997年），最大值為732m（2011年），極值均出現在后20年，這可能與近年來極端天氣氣候事件頻發有一定關系。

圖1 三明市54a平均混合層高度年變化散點圖

圖2 三明市54a四個時次平均混合層高度年變化散點圖

圖2為三明市54a四個時次平均混合層高度年變化散點圖。由圖可見，02時呈現先升高，后緩慢降低，再明顯升高的趨勢，08時呈現先緩慢升高，后緩慢降低，再明顯升高的趨勢，14時呈現先降低，后升高的趨勢，20時呈現先降低、后升高，再降低，最后明顯升高的趨勢，這說明近10a來夜間的混合層高度有明顯升高，有利于污染物的擴散；2005年之后02時、08時、20時同時開始明顯升高和14時開始升高，使得年平均混合層高度也從2005年開始明顯升高；02時、08時、14時和20時年平均混合層高度最小分別為440m（1997年）、447m（1963年）、892m（1997年）和555m（2008年），最大值分別為564m（2011年）、583m（2005年）、1213m（1963年）和699m（2005年）。

圖3為三明市54a平均混合層高度和降雨日數年變化。由圖可見，平均混合層高度和降雨日數存在負相關關系，二者的相關系數為-0.45，特別是在1962年、1967年、1971年、1974年、1985年、1986年和1997年呈顯著負相關，2003年之后，負相關有一定滯后，2011年又開始表現出明顯的負相關關系。說明降水天氣系統對混合層高度影響很大，可能的原因是：（1）對流活動和降水的發生，使大氣中的能量迅速釋放，混合層高度減弱甚至消失；（2）降水的發生往往是云量較多的陰天，地表接受太陽輻射減少，風速減小，湍流減弱，混合層高度變小[1]。

圖3 三明市54a平均混合層高度和降雨日數年變化

3.2 混合層高度月變化

圖4為三明市54a各時次平均混合層高度月變化。由圖可見，除14時外，其他時次平均混合層高度月變化較小，02時在490m左右高度波動，波動范圍為432～530m，08時在500m左右高度波動，波動范圍為483～524m，20時在630m左右高度波動，波動范圍為584～671m，平均值在670m左右高度波動，波動范圍為629～707m；14時月平均混合層高度比其他時次明顯偏高，這與14時太陽輻射和地面輻射差達到最大值有很大關系，與午后湍流明顯增強，大氣邊界層高度明顯抬升能很好地對應；14時月平均混合層高度變化明顯，1～6月在990m高度附近，變化范圍為978～1009m；7月開始迅速提高到1179m，主要原因是雨季過后，三明市每年都有一段晴熱天氣，大氣熱湍流最為旺盛，所以7月是一年中混合層高度最高的月份；8～9月略有回落，混合層高度在1103～1124m之間，10月又攀升至1182m，主要原因是10月起，三明迎來秋高氣爽的天氣，天氣以晴朗為主，相對濕度低，使得混合層高度再次升高，11～12月混合層高度在1044～1120m之間，緩慢下降開始回落。平均混合層高度總體季節分布規律是夏季最高，其次是秋季和冬季，春季最低。

圖4 三明市54a各時次平均混合層高度月變化

在分析逐日14時相對濕度和14時混合層高度的相關性時，發現二者的相關度高達-0.83，而同時次風速和混合層高度的相關系數為0.52，可見在三明，通過羅氏法計算出的混合層高度與溫度露點差（T-Td）有密切關系，T-Td的大小反映相對濕度的大小，而三明風速小，致使風速對混合層高度的貢獻明顯小于相對濕度的貢獻。這也就能很好地解釋14時月平均混合層高度在10月出現次大值，而全年的月平均混合層高度在670m附近小范圍波動，主要是由三明累年月平均相對濕度變化小（月均值變化區間在74%～80%）造成。

表1為三明市54a各月平均混合層高度各高度層頻率分布表。由表可見，各月300m以下出現的頻率為0；5月500～600m高度占比最大，其他各月600～700m高度占比最大，最大頻率為23%～31%；各月500～800m高度層分布集中，占比為63%～72%，其他各層頻率以500～800m為中心迅速遞減。

表1 三明市54a各月平均混合層高度各高度層頻率分布表（%）

3.3 混合層高度日變化

圖5為三明市54a混合層高度日變化，雖然只有四個時次，但曲線也能基本說明混合層高度白天高、夜間低的特點，與湍流活動日變化規律吻合。

圖5 三明市54a混合層高度日變化

圖6為三明市54a四個時次各高度層分布頻率曲線。02時、08時和20時表現出非常集中的頻率分布，其中02時和08時300～400m高度占比最大，分別為27%和38%；20時400～500m高度占比最大，為34%，700～800m高度為次大值，該次大值主要是由午后到夜里的未釋放能量所致。14時各高度分布較為平均，各層頻率相差不大，1000～1100m高度占比最大，為10%，其他各層以它為中心，頻率逐漸降低。

圖6 三明市54a四個時次各高度層分布頻率曲線

4 結論

(1) 年平均混合層高度呈現先平穩，后緩慢下降，再明顯升高的趨勢；近10a來夜間的混合層高度有明顯升高，有利于污染物的擴散；2005年之后02時、08時、20時同時開始明顯升高和14時開始升高使得年平均混合層高度也從2005年開始明顯升高；年平均混合層高度和年降水日數存在一定的負相關關系，相關系數為-0.45。

(2) 02時、08時、20時年平均混合層高度月變化較小，14時年平均混合層高度月變化較大，該時次下半年高度高的特點主要是因為下半年天氣較好，相對濕度較低，可見下半年為三明市空氣污染擴散條件較好的時期。平均混合層高度總體季節分布規律是夏季最高，其次是秋季和冬季，春季最低。平均混合層高度月變化中，5月500～600m高度占比最大，其他各月600～700m高度占比最大。

(3) 混合層高度日變化曲線能基本說明混合層高度白天高、夜間低，與湍流活動日變化能較好地吻合。午后混合層高度明顯升高有利于空氣污染物的擴散，因此傍晚鍛煉要比晨練更加有益于身體健康，市民應多選在傍晚鍛煉。

(4) 相對濕度與混合層高度有明顯的負相關關系，相關系數高達-0.83；風速與混合層高度中度相關，相關系數為0.52。因三明整體風速較小，使得風速對混合層高度的貢獻遠低于濕度的貢獻。

[1] 尤煥苓,劉偉東,譚江瑞.北京地區平均最大混合層高度的時間變化特征[J].氣象,2010,36(4):51-55.

[2] 程水源,席德立,張寶寧,等.大氣混合層高度的確定與計算方法研究[J].中國環境科學,1997,17(6):512-516.

[3] Miller M E,Holzworth G C.An atmospheric diffusion model for metropolitan areas[J].Journal of the Air Pollution Control Association,1967,17(1):46-50.

[4] Mazzeo N.Gassmann Mixing heights and wind direction analysis for urban an suburban area of Buenos Aires city[J].Energy & Building,1990,15(3):333-337.

[5] 郝巨飛,張功文.邢臺市大氣穩定度和混合層高度特征研究 [J].氣象科技,2016,44(1):118-122.

[6] 楊靜,李霞,李秦,等.烏魯木齊近30a大氣穩定度和混合層高度變化特征及與空氣污染的關系[J].干旱區地理,2011, 34(5):747-752.

[7] 時曉曚,魏曉敏,畢瑋,等.瑋青島混合層高度變化特征及與空氣污染的關系[J].山東氣象，2016，36(4):1-6.

[8] 廖國蓮.大氣混合層高度的計算方法及影響因子[J].中山大學研究生學刊(自然科學與醫學版)，2005，26(4): 66-73.

[9] 孟慶珍,朱炳勝.重慶市大氣混合層高度的計算和分析[J]. 成都信息工程學院學報，1999，14(2):163-171.

[10] 史寶忠,鄭方成,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(自然科學版),1997, 29(2):138-141.