大气稳定度分类方法及判据比较研究

李祥余

(南通市通州区环境保护局，江苏 南通　226300)

大气稳定度分类方法及判据比较研究

李祥余

(南通市通州区环境保护局，江苏 南通226300)

【摘要】比较分析了Pasquill法、Pasquill-Turner法、P·S法、温度梯度法、温度梯度-风速法、理查逊数法、总体理查逊数、风向脉动标准差法、莫宁-奥布霍夫长度法等十一种主要大气稳定度分类方法。研究表明，在实际应用中要根据常规气象资料、梯度资料和湍流资料可获得性的不同，分别优先选取P·S法、理查逊数或总体理查逊数法和莫宁-奥布霍夫长度法会获得一个更加准确的分类结果。

【关键词】大气层结；梯度；湍流；标准差；总体理查逊数

引用文献格式：李祥余.大气稳定度分类方法及判据比较研究[J].环境与可持续发展，2015，40(6)：93-95.

大气稳定度是指近地层气块受到扰动后气块在铅直方向上运动的强弱程度[1]，是大气湍流状况的一种表征，是大气扩散能力一个重要的综合指数。如何客观准确地进行大气稳定度分级是污染气象学的重点内容之一，对于提高大气边界层数值模拟和大气污染扩散预报精度至关重要。因此大气稳定度判定方法的研究受到了众多学者的关注[2-6]，然而他们大多集中于一种或几种判定方法上，多种不同方法的对比分析较少。根据使用资料的不同大气稳定度分类方法主要分为常规气象资料法和特殊气象资料法两大类，本文系统比较研究了这两大类11种判定方法，为实际应用中选择合适的判定方法提供一些理论参考。

1基于常规气象资料的大气稳定度分类法

1.1　Pasquill法

Pasquill法(PL)主要根据常规观测的太阳辐射、云量和地面风速等资料将大气稳定度分为极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定和稳定六个级别，分别用字母A、B、C、D、E和F类表示[7-9]。通过内插值还可进一步细分为A～B、B～C、C～D、D～E和E～F类。PL法中的日间太阳辐射状况简单分为强、中、弱三级。日落前一小时至日出后一小时定义为夜间；同时不论天空云量多少，将日出后及日落前一小时的稳定度级别均定为D类。这些基本量的确定逐渐成为后来分类的基础。由于PL法只需要常规气象资料，简便实用，因此被广泛使用；但该方法只粗略考虑了热力和动力两方面因素对稳定度的影响；对于平坦开阔农村地区适用性比较强，而对于城市、水面、荒漠等特殊下垫面地区只能半定量地划分稳定度级别。

1.2　Pasquill-Turner法

Pasquill-Turner法(P-T法)是指Pasquill提出，经Turner进一步修正的方法[8]。Turner首先根据太阳高度角给出了日照级数，然后根据天空云量状况对日照级数订正，得出净辐射指数，最后结合地面10 m风速给出稳定度类别。Turner当初用1、2、3、4、5、6、7级分别对应Pasquill法的A、B、C、D、D～E、E、F类。这两种方法基本原理相同，只是P-T法更准确。P-T法只要有太阳高度角、云高、云量和地面风速的观测资料，就能客观地给出稳定度分类级别，既简单易行又基本合理，所以至今它仍是实际工作中最为常用的方法。

1.3　P·S法

P·S法是指经原国家环保局修订的Pasquil1分类法[8]。它起始于20世纪70年代，我国在环境保护研究实践中，结合国情作了修订，并将其作为国家标准《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 3840-91)规范使用，是我国广泛使用的稳定度分类法，对于平原有较好的适用性。P·S法大气稳定度等级的划分是使用Pasquill法划分标准，分别由A、B、C、D、E和F表示强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定级别。

1.4　城市稳定度分类法

城市稳定度分类法(LD)是Ludwig和Dabberdt基于Pasquill-Turner工作上提出的城市(含城郊)稳定度分类法[2，5]。该方法的要点主要是先由云量和太阳高度角求日照参数(φ)，其中，0≤φ≤1，大小代表日照强度，分为强日照(φ>0.55)、中等日照(0.3≤φ≤0.55)和弱日照(φ<0.3)三种。求得φ后，再根据风速、太阳高度角、云量等确定稳定度级别。

2基于特殊气象资料的大气稳定度分类法

2.1　梯度资料分类法

(1)温度梯度法：温度梯度法或称温差法(ΔT/ΔZ)是指用两层大气间铅直方向的温度梯度来表示水平和垂直方向上的湍流状态[4，8，10]。温差法是美国田纳西河流域管理局发现的，随后国际原子能机构在1980年推出其判据。该判据推出后不久即被中科院大气所采用。长期的大量实践研究表明，温度梯度法适用于判断稳定大气层结，不适合用在高架源排放和不稳定状态层结分类。

(2)温度梯度-风速法：温度梯度-风速法是综合考虑温度梯度和风速的方法[7，8]。该方法在温度梯度法的基础上根据地面风速的不同又增加划分六大类，稳定度分类更加详细。由于此方法同时考虑了大气湍流热力和动力两方面的影响因子，所以总体上较之仅以温度梯度作判断的方法要好。

(3)风速比法：大气湍流扩散能力与风速密切相关。风速比(UR)为上下两层风速的比值[4，11]。UR法参照Pasquill稳定度分类规则，根据两层风速比值大小分为6个类别。UR值是根据Businger表达式计算的，为一种经验数据，适用于风速大、稳定级别高的大气稳定状态判定。

(4)理查逊数法：理查逊数(Ri)是1920年Richardson为了表征大气稳定度而根据能量收支方程引入的，是一个无量纲参数[4，5，10]。Ri综合了湍流激发的热力因子和动力因子的作用，反应了更多的湍流状况信息，因此Ri法判断大气稳定度较准确。其判据国内一般采用中科院大气所1980年推荐使用的标准。由于Ri法对风速、温度梯度资料的精度要求高，对风速反应尤为敏感，有高精度铁塔风温观测资料时计算结果较准确[12]，但现实中普遍缺乏铁塔观测资料，所以在实际应用中很少。

(5)总体理查逊数：由于Ri式中风速差处于分母位置，任何微小的风速测量误差将会导致Ri计算结果巨大的偏差，因此为了避免精确测量风速值难以获得的困难，常用总体理查逊数(BRi)来表征[5，8]。BRi的计算采用上下连续两个高度层风速和高度的几何平均值来表示，得出的结果为两高度的平均几何高度的BRi值。目前BRi法还没有相对统一的划分大气稳定度标准，大多采用D.Golder、Irwin和Houghton等提出的分类标准。

2.2　湍流资料分类法

(1)风向脉动标准差法：风和湍流是大气扩散能力大小的决定因子，可见风向脉动标准差δA(水平)和δE(垂直)是一个直接表征大气湍流强弱的参量，与扩散参数关系密切，能够弥补常规气象资料划分稳定度的不足，作为大气稳定度的分类判据较准确[7，8，10]。其分类判据一般采用美国国家环保局空气质量控制守则里推荐的标准，分为水平和垂直两个风向脉动标准差分类判据。

(2)莫宁-奥布霍夫长度法：莫宁-奥布霍夫长度(L)[5，6]是又一个表征近地层湍流状态的指数，和Ri一样是一个无量纲参数。L值可以由Ri或BRi对应的函数关系求出，其计算较为复杂，涉及摩擦速度、卡门常数、垂直湍流热通量和空气定压比热等参数，而这些参数的获得需要借助三维超声风速仪等特种仪器。与BRi法一样，L法稳定度分类标准主要有D.Golder、Irwin和Houghton提出的三种判据。

3结果分析

通过上述比较分析可知，大气稳定度判定方法的选择是基于气象资料上。①当只有常规的风速、日照、云量等气象观测资料时，在实际应用中建议使用简便实用的P·S法；此方法在开阔平坦下垫面条件下有较好的分类结果。②当至少有两层风温观测梯度资料时，推荐使用总体理查逊数法；但由于其没有统一的分类标准，所以采用何种分类判据对结果会有一定的偏差。若有高精度的风温梯度资料，理查逊数法则在理论上更加合理，分类也更精确。③当有三维超声风速仪、涡动协方差测量系统等特种设备测量的湍流数据时，莫宁-奥布霍夫长度法和风向脉动标准差法都能给出很好的分类结果。

参考文献：

[1]周淑贞，张如一，张超.气象学和气候学(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]陈泮勤.几种稳定度分类法的比较研究[J].环境科学学报，1983，3(4)：357-364.

[5]曹文俊，朱汶.大气稳定度参数的计算方法及几种稳定度分类方法的对比研究[J].中国环境科学，1990，10(2)：142-147.

[6]李智边.几种大气稳定度分类法的适用性研究[J].环境科学研究，1990，3(2)：14-21.

[7]杨洪斌，刘万军.4种大气稳定度划分方法的分析比较[J].辽宁气象，1995，(3)：30-31.

[8]蒋维楣，孔鉴泞，曹文俊，等.空气污染气象学教程(第二版)[M].北京：气象出版社，2004：1-16.

[9]徐大海.关于帕斯奎尔稳定度类别的云量判别及入射太阳辐射量[J].气象，1990，16(12)：21-25.

[10]黄倩，陈长和，黄建国.几种大气稳定度分类方法和相应扩散参数的比较[J].兰州大学学报(自然科学版)，1996，32(3)：143-150.

[11]曹文俊，朱汶，王蓓蕾.重庆冬季大气边界层湍流扩散能力的初步研究[J].大气科学，1994，18(2)：243-251.

[12]李祥余.塔克拉玛干沙漠腹地近地层微气象学特征研究[D].新疆大学，2007.

常纪文：三个“最严格”盯环保 公众参与可破监管难题

近日发布的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》(以下简称《建议》)，生态环境部分亮点颇多，全篇共四次出现“最严格”，其中，三次落在生态环保领域。那么，如何让生态环境约束变硬，“十三五”环保产业面临哪些发展机遇，环保企业如何进行市场布局？带着这些问题，《每日经济新闻》记者(以下简称NBD)近日专访了国务院发展研究中心资源与环境政策研究所副所长常纪文。

三个“最严格”划“红线”

NBD：《建议》提到“资源约束趋紧，生态环境恶化趋势尚未得到根本扭转”，对此，您怎么看？

常纪文：这个判断是国家有关部门研究的结果。需强化资源的可持续化利用，资源利用既要满足于当前的需求，还需要满足后代使用，实际上，当前来看，包括石油、铁矿等资源都需要依靠进口，所以资源约束趋紧。

对于生态环境恶化趋势尚未得到根本扭转。近几年，环境污染物的排放总量正处于历史高位，复合型污染的特征更加明显，蓝天与雾霾天交替出现，环境质量状况非常复杂。

到“十三五”末期，主要污染物排放总量的拐点可能全面到来。今后五年是环境与发展矛盾的凸显期、环境标准与要求提高期，遇上了经济下行期，过关越坎的难度更大。

NBD：今后五年的生态环境领域的目标要求“生态环境质量总体改善”，这一目标如何实现？

常纪文：当前来看，比较严重的是大气、水等污染问题，目前是水环境保护和大气环境保护的战略相持期，虽然环境治理和环境承载压力大，但恶化趋势放缓，“十三五”末期可能会出现好转。

为此，国家出台了一系列的保障措施。中国正在通过基础设施建设解决环保问题，特别是农村环保问题。通过基础设施建设，进行集中处理，能够解决一些环境问题，同时加上工业污染的治理，达到双管齐下解决污染问题的目的。

NBD：中央强调，必须坚持节约资源和保护环境的基本国策，同时提出了三个“最严格”，这释放出何种信号？

常纪文：《建议》中确实提到了三个最严格，这说明这三方面的问题最严重，实际情况确实如此，当前水污染问题较严重，水污染必定又会影响到饮水安全，直接关系到人体健康。同时，土地扩张很厉害，环境保护问题也较突出。

环保基建迎“爆发期”

NBD：《建议》在环保领域的亮点颇多，未来推进的重点和难点在哪里？

常纪文：通过“多规合一”等措施，推进主体功能区的科学开发利用；实行省以下环境监测和监察执法垂直管理制度，巩固属地的环境监管责任制度，形成企业主体责任、地方政府监管、上级部门监察相结合的环境保护监管监察新模式，既保障环境执法的效果，又遏制地方保护主义。

但是，生态环境监管体制建议不要走入死胡同，想通过垂直管理来达到目的，往往是治标不治本。

建议还是加强社会的参与和牵制，把各种监管和企业的开发利用行为置于人们的参与和监督之中。

NBD：您对“十三五”环保产业发展有什么预期？

常纪文：“十三五”时期，国家将加大环保基础设施建设，涉及污水处理、垃圾处理等多方面。生态环保需要与全面建设小康社会向结合，同时生活条件上也应该干净、卫生、安全，对环保产业来说将是一个很大的机遇。同时，二胎政策的出台，将激活环保市场。

(摘自：《每日经济新闻》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

作者简介：李祥余，博士，工程师，主要从事环境保护与气候变化等方面的研究和管理

中图分类号：X51

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2015)06-0093-03