不同大气稳定度分类方法的比较研究

郭栋鹏，王 冉，赵 鹏，许培强

(1.太原科技大学 环境与安全学院，太原 030024;2.五冶集团上海有限公司建筑分公司，上海 200003)

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，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[1]。因此了解大气稳定度是间接了解大气湍流状态的重要手段，稳定度类别判断正确与否直接影响各类烟羽扩散模式计算结果[2]。如何客观准确地进行大气稳定度分级是污染气象学的主要内容之一，对于提高大气边界层数值模拟和大气污染扩散预报至关重要。大气稳定度判定方法的研究是受到了众多学者的关注，目前判定大气稳定度的方法已有多种，但使用中均有局限性，用不同方法分类往往可得到不同结果。

常用的大气稳定度分类方法有Pasquill(P-S)法、Pasquill-Turner(P-T)法、温度梯度法(ΔT/ΔZ)、温度梯度-风速法(ΔT-u)、理查森数法(Ri)、总体理查森数(Rib)、风向脉动标准差法、莫宁-奥布霍夫长度(L)等[3]，李祥余对不同的稳定度分类方法总结为两大类:基于常规气象资料的分类法(如P-S法、P-T法、城市稳定度分类法)和基于特殊气象资料的分类法，后者又分为梯度资料分类法(ΔT/ΔZ、ΔT-u、Ri法、Rib法)，和湍流资料分类法(包括风向脉动标准差法、L法)[4]，为稳定度的判定提供了理论参考。Monin和Obukhov为了研究不同稳定度对污染扩散的影响和对风能的利用建立了应用广泛的Monin和Obukhov相似理论(M-O相似理论)[5]；Pasquill提出了Pasquil(P-S)级别，通过风速与太阳辐射值，将稳定度划分为化为A、B、C、D、E、F六级，分别对应非常不稳定、中度不稳定、轻度不稳定、中性、中度稳定、非常稳定，P-S的分类多次得到后人的修正与发展[6]。马福建研究了Ri法对稳定度的判定[7]，李智等人对Ri法，Rbb法，ΔT/ΔZ法、P-T法及辐射法五种大气稳定度分类方法进行了研究[8]。ManjuMohan和Siddiqui T A利用在美国伊利诺斯州采集到的数据应用不同稳定度判断方法进行比较，研究发现Ri法、Rib法和M-O长度法因考虑了机械湍流和热力湍流，与Pasiquill的分类相吻合[9]。Wood C R等使用M-O相似理论对伦敦地区三年的风速、风向、温度以及稳定度进行了统计分析[10]。刘玮等人对不同大气稳定度分类方法在沿海地区的实用性进行分析，结果表明，使用基于梯度理查森数的模型能得到更好的风廓线特性[11]。郝辰妍等人采用修正风向标准差法对青海某地区的大气热稳定性进行判定分类[12]。杨桂实等人分析了大气颗粒物与气象参数之间的关系[13]。

本文选用ΔT/ΔZ法、ΔT-u法、Ri法、L法研究2015年1月1日～2015年1月15日期间河北海兴核电厂址大气稳定度的分类，对不同分类方法判定结果分析，明确各自的优缺点，对其中存在的不足之处加以修正。本文气象观测数据来源于河北海兴核电厂址气象观测站，数据为1 h测量数据的平均值。

1 研究方法

1.1 研究区域

本文研究区域位于河北海兴核电厂址，该厂址靠近渤海湾西岸，地貌主要以滨海平原地貌为主，局部为河流地貌和人工地貌。厂址范围内地形较平坦，一般高程3～5 m.地表为第四系海陆交互相、海相或陆相沉积物覆盖，厂址周边地形见图1。厂址所在区域属暖温带亚湿润气候区。四季分明。年平均日照总量2 392.5 h，日照百分率55%.年平均气温12.8 ℃，年平均降水量547.1 mm，降水集中在夏季(6～8月)，占全年降雨总量的69%，年平均风速3.3 m/s，受渤海湾影响，7月和8月以偏东风为主，其他月份以西南风为主；春季风速最大，平均为4.0 m/s，冬、秋、夏三季节平均风速差异不大，分别为3.1 m/s、3.0 m/s和2.9 m/s，10 m与100 m高度年均风速玫瑰见图2.

图1 半径10 km内三维地形图Fig.1 3D topographic map within a radius of 10 km

图2 不同高度年均风玫瑰Fig.2 Annual average wind rose of different heights

1.2 研究方法

(1) ΔT/ΔZ法

ΔT/ΔZ法是指用铅直方向两层大气间的温度梯度来表示水平和垂直方向上的湍流状态[14]。其分类标准见表1.

表1 温度梯度分类标准Tab.1 the classification criteria of temperature gradient

(2)ΔT-u法

ΔT-u法是综合考虑温度梯度和风速的方法，该方法在温度梯度法的基础上根据地面风速的不同分为六大类。其分类标准见表2.

表2 温度梯度—风速法划定稳定度的标准Tab.2 Standard of classification using temperature gradient-wind velocity method

(3)Ri法

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[15-16]，它考虑了温度与风速垂直切变两种因素，其认为当风速切边产生湍流能量大到可以抵消空气浮力消耗时，会发生湍流运动。理查森数常用下式计算：

Ri=

(1)

表3 Ri分类标准Tab.3 Standard of classification by Ri

(4)L法

L法考虑了热力湍流参数和机械湍流参数的变化，但是实际中却因观测技术的限制和基于地表粗糙z0为前提[17]，所以应用时往往会有不同程度的偏差。L常用下式计算：

(2)

式中:κ是卡门常数(取κ=0.4)，g是重力加速度，u2、u1上下两个高度的风速，T2、T1是上下两个高度的热力温度，T热力温度(此用上层温度代替)。其分类标准见表4.

表4 L法分类标准Tab.4 Standard of classification by L

2 结果分析

2.1 气象数据分析

2015年1月1日～2015年1月15日期间观测期间10 m与100 m位置处的风速、温度结果见图3-图4.

图3 风速随时间变化图Fig.3 Changes in wind velocity with time

图4 温度-时间变化图Fig.4 Changes in temperature with time

由图3可以看出，10 m高度15天内平均风速为2.99 m/s，最大风速为9.04 m/s，最小风速为0.47 m/s.每天风速大多数时间维持在2 m/s～4 m/s.其中有9天风速在上午10点至下午4点之间明显增大且最大风速也在此期间，此情况占比为60%.100 m高度15天内平均风速为5.69 m/s，最大风速为14.27 m/s.每天会在上午8点至下午7点间出现风速小于4 m/s的情况，其中有7天时间持续时长会在5～8 h，占比为46.67%；其余时间内风速均在在4 m/s以上，而风速均在8 m/s以上又占大多数时段。

由图4可知，10 m高度15天内平均温度为-0.14 ℃，最高温度为10.03 ℃，最低温度为-8.63 ℃.每天10点至21点的气温会维持在0 ℃以上，最高温度可达5～10 ℃.其余时间段温度会在0 ℃以下，最低温度达-6～-9 ℃.个别天会出现气温在-2 ℃～2 ℃小幅度波动。100 m高度处15天内平均温度为1.69 ℃，最高温度为9.61 ℃，最低温度为-3.88 ℃.每天气温波动幅度在2～3之间。全天温度基本在0 ℃以上，只有在夜间9点至上午7点间某一时段会出现0 ℃以下情况。

2.2 稳定度判定统计分析

对2015年1月1日～2015年1月15日期间，四种方法判定结果做统计分析见图5，不同类型稳定度出现频率见图6.

图5 四种方法判定结果对比Fig.5 Comparison of the results from different methods

图6 稳定度级别频率图Fig.6 Frequency of stability class

图5、图6可知，观测期间采用ΔT法判定分类，统计得到观测期均为D类中性天气，E、F类稳定性天气，D类观测期间达87次，占总观测时数的24.17%，E类观测期间达97次，占总观测时数的26.94%，F类观测期间达87次，占总观测时数的48.89%，不稳定性天气A～C观测期间未出现。

采用ΔT-u分类法，统计得到D类中性天气和E、F类稳定性天气最多，D类观测期间达75次，占总观测时数的20.83%；E、F类观测期间为233次，占总观测时数的64.72%； E类达111次，占总观测时数的30.83%；F类达122次，占总观测时数的33.89%；不稳定性天气A～C观测期间总计出现52次，占总观测时数的14.45%，其中A类未出现。

采用Ri法分类，统计得到D类中性天气为67次，占总观测时数的18.61%；稳定性天气E、F类观测期间达282次，占总观测时数的78.34%；E类达11次，占总观测时数的3.06%；F类达204次，占总观测时数的56.67%；不稳定天气A～C观测期间总计出现78次，占总观测时数的21.67%：A类达44次，占总观测时数的12.22%；B类达14次，占总观测时数的3.89%；C类达20次，占总观测时数的5.56%.

采用L法分类，统计得到D类中性天气达71次，占总观测时数的19.72%；E、F类稳定性天气观测期间达275次，占总观测时数的76.39%； E类达58次，占总观测时数的16.11%；F类达146次，占总观测时数的40.56%；不稳定性天气A～C观测期间总计出现85次，占总观测时数的23.61%：A类达51次，占总观测时数的14.17%；B类达9次，占总观测时数的2.50%；C类达25次，占总观测时数的6.94%.

综合分析表明，ΔT法只出现中性天气和稳定性天气，稳定类天气最多，中性天气次之；ΔT-u法也是稳定类天气较多，其次为中性天气最多，另外还出现了不稳定类天气，这主要因为ΔT只考虑温度梯度这一因素，对其他影响因素不加以考虑，ΔT-u法综合考虑了温度梯度和风速，稳定度级别划分更为准确。Ri法稳定类天气最多，不稳定性天气次之，中性天气最少；L法也是稳定类天气最多，不稳定类天气次之，中性天气最少；Ri和L法在稳定类天气、不稳定类天气和中性天气虽有差别，但差别不大。

3 结论

采用ΔT法、ΔT-u法、Ri法、L法对河北海兴核电厂址气象站2015年1月1日～2015年1月15日期间10 m、100 m高度处风速和温度观测气象资料进行稳定度判断比较，研究表明：

ΔT法与ΔT-u法出现稳定类天气较多，中性天气次之，Ri法与L法稳定类天气最多，不稳定性天气次之。这主要因为ΔT只考虑温度梯度这一因素，对其他影响因素不加以考虑，ΔT-u法综合考虑了温度梯度和风速，而Ri法与L法综合考虑了不同高度风速与温度的梯度，因此稳定度级别划分更为准确。

总之，ΔT法的测量比较简单，但用它把某些类别区分开来比较困难。在A、B、C类不稳定条件下不易判别，ΔT-u法因为综合了温度梯度和风速较好地克服了仅仅使用温度梯度分类法(ΔT)的不足。Ri法和L法对稳定类条件和不稳定类条件天气都有很好的表现，但Ri法对风速温度的精度要求高，风速观测上极小误差就会导致Ri的巨大误差。