大气混合层厚度的计算方法及影响因子

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1、http://www.paper.edu.cn大气混合层厚度的计算方法及影响因子廖国莲(中山大学大气科学系，510275)摘要：本文讲述了大气混合层厚度的定义及它在大气环境保护中的作用。论述了大气混合层厚度的多种计算方法如国标法、干绝热法、罗氏法等，并分析了大气混合层厚度的各种影响因子。其中大气稳定度是决定混合层厚度的最主要因子。关键词：大气混合层厚度、国标法、干绝热法、罗氏法一、大气混合层的定义及研究意义边界层中的空气明显地受地面摩擦或热力作用的影响，因而在某个高度的稳定层下会出现显著的垂直混合，造成混合层。一般地，混合层顶为云底，位温、比湿等一些物理要素在混合层顶表现明显的不

2、连续性。污染气象学定义混合层为，湍流特征不连续界面以下湍流较充分发展的大气层，其厚度就是混合层厚度。它表征了污染物在垂直方向被热力湍流稀释的范围，即低层空气热力对流与动力湍流所能达到的高度。此层中的一些物理量如位温、比湿、虚位温、假相当位温保持随高度几乎不变。而Bond曾用虚位温来确定混合层，认为在混合层中虚位[1-4]温是一常数。大气混合层厚度是反映污染物在铅直方向扩散的重要参数，也是影响大气污染物扩散的主要气象因子之一。在不同的气象条件下，同一个大气污染源排放的污染物在大气中的扩散能力是不同的。大气混合层厚度越大，就越有利于污染物的扩散和稀释。因此，对大气混合层的研究，是大气

3、环境预测的需要，对大气环境总量控制起着重要作用，并为环境规划和经济发展战略的制定提供重要的依据。二、大气混合层厚度的确定方法１、国标法（国标推荐法）国标法为国家标准GB/T13201中附录B及附录E中规定的方法。该方法实1http://www.paper.edu.cn质上认为近地层大气的热状况在相当大的程度上取决于地面的加热和冷却程度，它直接利用我国地面常规气象观测资料，综合考虑了热力和动力因子，把太阳高度角，云量（总云量／低云量）和风速分级定量化，对大气稳定度分类，再由公式计算出混合层厚度，具体算法如下：⑴、计算观测时刻的太阳高度角，其公式为h0=arcsin[sinφsinδ

4、+cosφcosδcos(15t+λ-300)]式中h0为太阳高度角，φ为观测点的纬度，ｔ为观测进行时的北京时间，λ为观测点的经度，δ为太阳赤纬，由如下公式计算：δ＝0.006918-0.39912cosθ0+0.70257sinθ0-0.006758cosθ0+0.000907sin2θ0-0.002697cos3θ0+0.001480sin3θ0]*180/л式中θ0＝360d0/365,d0为一年中日期序数，依次为0,1,2,……364。[5]⑵、根据总云量／低云量及算出的h0，由文献表B1确定太阳辐射等级，再由地面风速值及太阳辐射等级，由表B2确定大气稳定度等级。[5]⑶

5、、计算混合层厚度值。由文献表I确定观测点序号，再由表E１查出ａ0,ｂ0值，根据公式计算混合层厚度：在不稳定和中性气象条件下，即大气稳定度为A、B、C和D时，Ｌ＝ａ0u10/f。在稳定的大气层结条件下，即大气稳定度为E和F时，L=b0u10f。其中L为混合层厚度；u10为10m高度上平均风速，大于6m/s时取为6m/s；ａ0、ｂ0为混合层系数，ａ0取值和稳定度对应分别为A：0.073，B：0.048，C：0.031，[6]D：0.022，b0取值和稳定度对应分别为E：1.66，F：0.70；f为地转参数，-5f=2Ωsinφ，Ω为地转角速度，取为7.29*10/s；φ为观测点地理纬

6、度。此法所需资料少，方法简便易行，计算也简单，只要有总云量、低云量和风速观测资料的地区都可应用，在我国也得到了应用。但该方法没有考虑到热力因子和其它气象条件对混合层厚度的影响，有时会使计算结果与实际产生偏差，不能全面地反映出区域的混合层情况。如公式中若风速为0，则L为0，事实上混合层厚度不会为0，只是说明当时动力湍流较弱，混合层厚度较小，该方法的计算公式因静风的影响会造成结果系统偏低。但可以通过用大气稳定度频率加权取和的办法予以纠正。特别对区域性的环境评价和大范围环境普查不失为一种有效的[3-5]方法，便于全国统一标准进行评价和比较。2http://www.paper.edu.c

7、n２、干绝热法干绝热曲线法是由Holzworth在研究美国一些地区平均最大混合层深度（MMD）时，于六十年代提出的。他考虑在典型的天气条件下，夜间由于地面辐射冷却，近地面空气形成逆温，呈稳定状态。反之，白天由于太阳辐射而呈不稳定状态。忽略平流、下沉以及机械湍流的影响，而主要考虑热力因子影响，即太阳辐射造成的日间升温的极大值对混合层厚度的影响是最主要的。[7]图一、最大混合层厚度求法示意在假设空气为干空气或为未饱和湿空气的条件下，湍流混合的结果会促使气层的温度垂直分布趋于干绝热递减