三明市大气混合层高度变化特征分析

三明市气象局 杨 希 卜银军 陈雪芹

三明市大气混合层高度变化特征分析

三明市气象局 杨 希 卜银军 陈雪芹

利用三明市1960～2013年逐日02时、08时、14时和20时四个时次的地面气象资料，采用罗氏法计算得出逐日四个时次的混合层高度，分析了混合层高度年变化、月变化、日变化等规律及与有关气象要素的关系。结果表明，54a来，年平均混合层高度呈现先平稳、后缓慢下降、再明显升高的趋势；年平均混合层高度和年降水日数存在一定的负相关关系，相关系数为-0.45。02时、08时、20时年平均混合层高度月变化较小，14时年平均混合层高度月变化较大，该时次能较好地反映夏季整体湍流强，冬季湍流弱的特点；平均混合层高度月变化中，5月500～600m高度占比最大，其他各月600～700m高度占比最大。混合层高度日变化特征为白天高、夜间低，与湍流活动日变化特征吻合较好。相对湿度与混合层高度有明显的负相关关系，相关系数-0.83；风速与混合层高度中度相关，相关系数0.52。

罗氏法 混合层高度 变化特征 三明市

1 概述

随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们对环境污染越来越关注，近年来，雾霾天气严重困扰着人们的生活。大气扩散能力的强弱是影响空气质量的重要原因之一，而混合层高度表征污染物在垂直方向上热力湍流、对流和动力湍流输送所能达到的高度，混合层高度越高，大气垂直输送、稀释污染物的能力就越强，反之越弱[1]。研究大气混合层高度的变化特征对开展大气环境变化的预测以及环境规划、大气环境总量控制等具有重要作用[2]。

近年来，国内外学者对混合层开展了大量研究。Miller 等[3]用混合层高度和混合层内平均风速作为独立变量的面源模式估算城市空气的污染浓度；Mazzeo等[4]对月平均最大混合层高度进行了分析，结果发现最小值出现在比较温暖的7月，最大值出现在比较冷的1月；尤焕苓等[1]研究发现，年平均最大混合层高度与年降水日数有较为密切的关系，年降水日数多的年份，年平均最大混合层高度较低，而年降水日数少的年份，年平均最大混合层高度较高；郝巨飞等[5]认为大气混合层高度与稳定度等级是影响空气质量的重要因子，在实际环境气象预报预警业务中可以提供一定的参考；杨静等[6]根据乌鲁木齐冬季夜间层结稳定，混合层高度最低，是污染气象条件最为不利的时间段的结论，建议城市主要工业污染源在冬季夜间适当减排，加强夜间排污监督管理，严防偷排漏排；时晓曚等[7]判断空气污染物质量浓度与日最大混合层高度有明显的负相关关系。计算混合层高度有很多方法，廖国莲[8]、孟庆珍[9]、史宝忠等[10]对混合层高度的计算方法进行了对比分析，本文基于1960～2013年（下称54a）逐日地面观测资料，采用罗氏法计算混合层高度，并对混合层高度进行统计分析，从而为开展大气污染扩散研究奠定一定基础。

2 资料与方法

利用三明市54a逐日02时、08时、14时和20时四个时次的总低云量、风速、温度、露点温度、湿度和降水量等。

混合层高度使用罗氏法计算，罗氏法考虑了大气稳定度、温度、露点温度、风速及纬度等因子，公式如下：

其中，h——混合层高度（m）；P——Pasquill 稳定度级別，1～6；T-Td——温度与露点温度差（℃）；Z——离地面高度（m）；Uz——离地面 Z 高度的平均风速（m/s）；Z0——地表粗糙度（m，本文使用0.2m）；f——科氏力参数（f=2Ωsinθ，Ω=7.292×10-5rad/s，θ为地理纬度）。大气稳定度划分使用P-T法，分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定6级。大气稳定度的划分计算如下：先计算出太阳高度角h0，h0=arcsin(sinФsinδ+ cosФcosδcosω)，式中，h0为太阳高度角，Ф为当地纬度，δ为当地经度，ω为时角；再由太阳高度角和云量查表得出太阳辐射等级；最后由地面风速和太阳辐射等级查表得出大气稳定度等级。

3 混合层高度特征

3.1 混合层高度年变化

图1为三明市54a平均混合层高度年变化散点图。由图可见，54a来三明市年平均混合层高度趋势为1960～1970年趋势平稳，1970～2000年缓慢降低，2000年开始缓慢升高，2005年之后明显升高；年平均混合层高度最小值为590m（1997年），最大值为732m（2011年），极值均出现在后20年，这可能与近年来极端天气气候事件频发有一定关系。

图1 三明市54a平均混合层高度年变化散点图

图2 三明市54a四个时次平均混合层高度年变化散点图

图2为三明市54a四个时次平均混合层高度年变化散点图。由图可见，02时呈现先升高，后缓慢降低，再明显升高的趋势，08时呈现先缓慢升高，后缓慢降低，再明显升高的趋势，14时呈现先降低，后升高的趋势，20时呈现先降低、后升高，再降低，最后明显升高的趋势，这说明近10a来夜间的混合层高度有明显升高，有利于污染物的扩散；2005年之后02时、08时、20时同时开始明显升高和14时开始升高，使得年平均混合层高度也从2005年开始明显升高；02时、08时、14时和20时年平均混合层高度最小分别为440m（1997年）、447m（1963年）、892m（1997年）和555m（2008年），最大值分别为564m（2011年）、583m（2005年）、1213m（1963年）和699m（2005年）。

图3为三明市54a平均混合层高度和降雨日数年变化。由图可见，平均混合层高度和降雨日数存在负相关关系，二者的相关系数为-0.45，特别是在1962年、1967年、1971年、1974年、1985年、1986年和1997年呈显著负相关，2003年之后，负相关有一定滞后，2011年又开始表现出明显的负相关关系。说明降水天气系统对混合层高度影响很大，可能的原因是：（1）对流活动和降水的发生，使大气中的能量迅速释放，混合层高度减弱甚至消失；（2）降水的发生往往是云量较多的阴天，地表接受太阳辐射减少，风速减小，湍流减弱，混合层高度变小[1]。

图3 三明市54a平均混合层高度和降雨日数年变化

3.2 混合层高度月变化

图4为三明市54a各时次平均混合层高度月变化。由图可见，除14时外，其他时次平均混合层高度月变化较小，02时在490m左右高度波动，波动范围为432～530m，08时在500m左右高度波动，波动范围为483～524m，20时在630m左右高度波动，波动范围为584～671m，平均值在670m左右高度波动，波动范围为629～707m；14时月平均混合层高度比其他时次明显偏高，这与14时太阳辐射和地面辐射差达到最大值有很大关系，与午后湍流明显增强，大气边界层高度明显抬升能很好地对应；14时月平均混合层高度变化明显，1～6月在990m高度附近，变化范围为978～1009m；7月开始迅速提高到1179m，主要原因是雨季过后，三明市每年都有一段晴热天气，大气热湍流最为旺盛，所以7月是一年中混合层高度最高的月份；8～9月略有回落，混合层高度在1103～1124m之间，10月又攀升至1182m，主要原因是10月起，三明迎来秋高气爽的天气，天气以晴朗为主，相对湿度低，使得混合层高度再次升高，11～12月混合层高度在1044～1120m之间，缓慢下降开始回落。平均混合层高度总体季节分布规律是夏季最高，其次是秋季和冬季，春季最低。

图4 三明市54a各时次平均混合层高度月变化

在分析逐日14时相对湿度和14时混合层高度的相关性时，发现二者的相关度高达-0.83，而同时次风速和混合层高度的相关系数为0.52，可见在三明，通过罗氏法计算出的混合层高度与温度露点差（T-Td）有密切关系，T-Td的大小反映相对湿度的大小，而三明风速小，致使风速对混合层高度的贡献明显小于相对湿度的贡献。这也就能很好地解释14时月平均混合层高度在10月出现次大值，而全年的月平均混合层高度在670m附近小范围波动，主要是由三明累年月平均相对湿度变化小（月均值变化区间在74%～80%）造成。

表1为三明市54a各月平均混合层高度各高度层频率分布表。由表可见，各月300m以下出现的频率为0；5月500～600m高度占比最大，其他各月600～700m高度占比最大，最大频率为23%～31%；各月500～800m高度层分布集中，占比为63%～72%，其他各层频率以500～800m为中心迅速递减。

表1 三明市54a各月平均混合层高度各高度层频率分布表（%）

3.3 混合层高度日变化

图5为三明市54a混合层高度日变化，虽然只有四个时次，但曲线也能基本说明混合层高度白天高、夜间低的特点，与湍流活动日变化规律吻合。

图5 三明市54a混合层高度日变化

图6为三明市54a四个时次各高度层分布频率曲线。02时、08时和20时表现出非常集中的频率分布，其中02时和08时300～400m高度占比最大，分别为27%和38%；20时400～500m高度占比最大，为34%，700～800m高度为次大值，该次大值主要是由午后到夜里的未释放能量所致。14时各高度分布较为平均，各层频率相差不大，1000～1100m高度占比最大，为10%，其他各层以它为中心，频率逐渐降低。

图6 三明市54a四个时次各高度层分布频率曲线

4 结论

(1) 年平均混合层高度呈现先平稳，后缓慢下降，再明显升高的趋势；近10a来夜间的混合层高度有明显升高，有利于污染物的扩散；2005年之后02时、08时、20时同时开始明显升高和14时开始升高使得年平均混合层高度也从2005年开始明显升高；年平均混合层高度和年降水日数存在一定的负相关关系，相关系数为-0.45。

(2) 02时、08时、20时年平均混合层高度月变化较小，14时年平均混合层高度月变化较大，该时次下半年高度高的特点主要是因为下半年天气较好，相对湿度较低，可见下半年为三明市空气污染扩散条件较好的时期。平均混合层高度总体季节分布规律是夏季最高，其次是秋季和冬季，春季最低。平均混合层高度月变化中，5月500～600m高度占比最大，其他各月600～700m高度占比最大。

(3) 混合层高度日变化曲线能基本说明混合层高度白天高、夜间低，与湍流活动日变化能较好地吻合。午后混合层高度明显升高有利于空气污染物的扩散，因此傍晚锻炼要比晨练更加有益于身体健康，市民应多选在傍晚锻炼。

(4) 相对湿度与混合层高度有明显的负相关关系，相关系数高达-0.83；风速与混合层高度中度相关，相关系数为0.52。因三明整体风速较小，使得风速对混合层高度的贡献远低于湿度的贡献。

[1] 尤焕苓,刘伟东,谭江瑞.北京地区平均最大混合层高度的时间变化特征[J].气象,2010,36(4):51-55.

[2] 程水源,席德立,张宝宁,等.大气混合层高度的确定与计算方法研究[J].中国环境科学,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] 郝巨飞,张功文.邢台市大气稳定度和混合层高度特征研究 [J].气象科技,2016,44(1):118-122.

[6] 杨静,李霞,李秦,等.乌鲁木齐近30a大气稳定度和混合层高度变化特征及与空气污染的关系[J].干旱区地理,2011, 34(5):747-752.

[7] 时晓曚,魏晓敏,毕玮,等.玮青岛混合层高度变化特征及与空气污染的关系[J].山东气象，2016，36(4):1-6.

[8] 廖国莲.大气混合层高度的计算方法及影响因子[J].中山大学研究生学刊(自然科学与医学版)，2005，26(4): 66-73.

[9] 孟庆珍,朱炳胜.重庆市大气混合层高度的计算和分析[J]. 成都信息工程学院学报，1999，14(2):163-171.

[10] 史宝忠,郑方成,曹国良.对大气混合层高度确定方法的比较分析[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),1997, 29(2):138-141.