城市大氣穩(wěn)定度分級(jí)模型

大氣穩(wěn)定度，它表示空氣塊在鉛直方向的穩(wěn)定程度，即氣塊是否安于原在的層次，是否易于發(fā)生對(duì)流。大氣穩(wěn)定度 眾所周知，作為城市主要公害的大氣污染除了取決于污染源的位里和排放強(qiáng)度外，還受周圍環(huán)境氣象條件的制約。在不同氣象條件下，同等童的大氣污染物所造成的近地面空氣的污染濃度可相差幾倍到幾十倍。 對(duì)于大氣污染而言，與其關(guān)系最密切的是地表以上500m左右的空氣層狀態(tài)及污染源下風(fēng)方向...更多

大氣穩(wěn)定度，是疊加在大氣背景場(chǎng)上的擾動(dòng)能否隨時(shí)間增強(qiáng)的量度。也指空中某大氣團(tuán)由于與周圍空氣存在密度、溫度和流速等的強(qiáng)度差而產(chǎn)生的浮力使其產(chǎn)生加速度而上升或下降的程度。大氣抑制空氣垂直運(yùn)動(dòng)的能力，稱為大氣穩(wěn)定度。

大氣穩(wěn)定度表示空氣是否安于原在的大氣層，是否易于發(fā)生垂直運(yùn)動(dòng)，即是否易于發(fā)生對(duì)流。許多天氣現(xiàn)象的發(fā)生，都和大氣穩(wěn)定度有關(guān)，也直接影響空中飛行的安全。假如有一團(tuán)空氣受到對(duì)流沖擊力的作用，產(chǎn)生了向上或向下的運(yùn)動(dòng)，那么就可能出現(xiàn)三種情況：

如果空氣團(tuán)受力移動(dòng)后逐漸減速，并有返回原來高度的趨勢(shì)，這時(shí)的大氣層，對(duì)于該空氣團(tuán)而言是穩(wěn)定的;

如果空氣團(tuán)一離開原位就逐漸加速運(yùn)動(dòng)，并有遠(yuǎn)離起始高度的趨勢(shì)，這時(shí)的大氣層，對(duì)于該空氣團(tuán)而言是不穩(wěn)定的;

如果空氣團(tuán)被推到某一高度后，既不加速也不減速，這時(shí)的大氣層，對(duì)于該空氣團(tuán)而言是中性的。

大氣穩(wěn)定度與該空氣團(tuán)與四周大氣的氣壓、溫度和密度有關(guān)。這一大氣層是否穩(wěn)定，實(shí)際上就是某一運(yùn)動(dòng)的空氣團(tuán)比周圍空氣是輕還是重的問題。比周圍空氣重，傾向于下降;比周圍空氣輕，傾向于上升;和周圍空氣團(tuán)一樣輕重，既不傾向于下降也不傾向于上升。空氣團(tuán)的輕重，取決于氣壓和氣溫，在氣壓相同的情況下，空氣團(tuán)的輕重問題，實(shí)際上就是空氣團(tuán)與周圍大氣的氣溫差問題。

大氣是否穩(wěn)定，通常用周圍空氣的溫度垂直遞減率(y)與運(yùn)動(dòng)空氣團(tuán)的溫度垂直遞減率(yd)的對(duì)比來判斷。

如圖，設(shè)A、B、C為三團(tuán)均未飽和的空氣，其位置都在離地200m的高度上，在做升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，其溫度垂直遞減率(yd)假定為1℃/100m，而周圍空氣的溫度垂直遞減率(y)分別為0.8℃/100m、1℃/100m、1.2℃/100m，則可以有三種不同的大氣穩(wěn)定度：

A團(tuán)空氣受到外力作用后，如果上升到300m高度(圖左列實(shí)矢線所示)，則本身的溫度(11℃)低于周圍空氣的溫度(11.2℃)，它向上的速度就要減小，并有返回原來高度的趨勢(shì)(虛矢線所示);如果它下降到100m高度，其本身的溫度(13℃)高于周圍空氣的溫度(12.8℃)它向下的速度就要減小，也有返回原來高度的趨勢(shì)。因此，當(dāng)y yd時(shí)，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)。

B團(tuán)空氣受到外力作用后，不管上升或下降，其本身的溫度均與周圍空氣的溫度相等，它的加速度等于零。因此，當(dāng)y=yd時(shí)，大氣處于中性平衡狀態(tài)。

C團(tuán)空氣受到外力作用后，如果上升到300m高度，其本身的溫度(11℃)高于周圍空氣的溫度(10.8℃)空氣團(tuán)要加速上升;如果下降到100m高度，其本身的溫度(13℃)低于周圍空氣的溫度(13.2℃)空氣團(tuán)要加速下降。因此，當(dāng)y yd時(shí)，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

1、Pasquill法

Pasquill法(PL)主要根據(jù)常規(guī)觀測(cè)的太陽輻射、云量和地面風(fēng)速等資料將大氣穩(wěn)定度分為極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、弱穩(wěn)定和穩(wěn)定六個(gè)級(jí)別，分別用字母A、B、C、D、E和F類表示。

通過內(nèi)插值還可進(jìn)一步細(xì)分為A～B、B～C、C～D、D～E和E～F類。PL法中的日間太陽輻射狀況簡單分為強(qiáng)、中、弱三級(jí)。日落前一小時(shí)至日出后一小時(shí)定義為夜間;同時(shí)不論天空云量多少，將日出后及日落前一小時(shí)的穩(wěn)定度級(jí)別均定為D類。

這些基本量的確定逐漸成為后來分類的基礎(chǔ)。由于PL法只需要常規(guī)氣象資料，簡便實(shí)用，因此被廣泛使用;但該方法只粗略考慮了熱力和動(dòng)力兩方面因素對(duì)穩(wěn)定度的影響;對(duì)于平坦開闊農(nóng)村地區(qū)適用性比較強(qiáng)，而對(duì)于城市、水面、荒漠等特殊下墊面地區(qū)只能半定量地劃分穩(wěn)定度級(jí)別。

2、Pasquill-Turner法

Pasquill-Turner法(P-T法)是指Pasquill提出，經(jīng)Turner進(jìn)一步修正的方法。Turner首先根據(jù)太陽高度角給出了日照級(jí)數(shù)，然后根據(jù)天空云量狀況對(duì)日照級(jí)數(shù)訂正，得出凈輻射指數(shù)，最后結(jié)合地面10 m風(fēng)速給出穩(wěn)定度類別。

Turner當(dāng)初用1、2、3、4、5、6、7級(jí)分別對(duì)應(yīng)Pasquill法的A、B、C、D、D～E、E、F類。這兩種方法基本原理相同，只是P-T法更準(zhǔn)確。P-T法只要有太陽高度角、云高、云量和地面風(fēng)速的觀測(cè)資料，就能客觀地給出穩(wěn)定度分類級(jí)別，既簡單易行又基本合理，所以至今它仍是實(shí)際工作中最為常用的方法。

3、P·S法

P·S法是指經(jīng)原國家環(huán)保局修訂的Pasquil1分類法。它起始于20世紀(jì)70年代，我國在環(huán)境保護(hù)研究實(shí)踐中，結(jié)合國情作了修訂，并將其作為國家標(biāo)準(zhǔn)《制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法》(GB/T 3840-91)規(guī)范使用，是我國廣泛使用的穩(wěn)定度分類法，對(duì)于平原有較好的適用性。

P·S法大氣穩(wěn)定度等級(jí)的劃分是使用Pasquill法劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別由A、B、C、D、E和F表示強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定級(jí)別。

4、城市穩(wěn)定度分類法

城市穩(wěn)定度分類法(LD)是Ludwig和Dabberdt基于Pasquill-Turner工作上提出的城市(含城郊)穩(wěn)定度分類法。該方法的要點(diǎn)主要是先由云量和太陽高度角求日照參數(shù)(φ)，其中，0≤φ≤1，大小代表日照強(qiáng)度，分為強(qiáng)日照(φ 0.55)、中等日照(0.3≤φ≤0.55)和弱日照(φ 0.3)三種。求得φ后，再根據(jù)風(fēng)速、太陽高度角、云量等確定穩(wěn)定度級(jí)別。

1、梯度資料分類法

(1)溫度梯度法：溫度梯度法或稱溫差法(ΔT/ΔZ)是指用兩層大氣間鉛直方向的溫度梯度來表示水平和垂直方向上的湍流狀態(tài)。

溫差法是美國田納西河流域管理局發(fā)現(xiàn)的，隨后國際原子能機(jī)構(gòu)在1980年推出其判據(jù)。該判據(jù)推出后不久即被中科院大氣所采用。長期的大量實(shí)踐研究表明，溫度梯度法適用于判斷穩(wěn)定大氣層結(jié)，不適合用在高架源排放和不穩(wěn)定狀態(tài)層結(jié)分類。

(2)溫度梯度-風(fēng)速法：溫度梯度-風(fēng)速法是綜合考慮溫度梯度和風(fēng)速的方法。該方法在溫度梯度法的基礎(chǔ)上根據(jù)地面風(fēng)速的不同又增加劃分六大類，穩(wěn)定度分類更加詳細(xì)。由于此方法同時(shí)考慮了大氣湍流熱力和動(dòng)力兩方面的影響因子，所以總體上較之僅以溫度梯度作判斷的方法要好。

(3)風(fēng)速比法：大氣湍流擴(kuò)散能力與風(fēng)速密切相關(guān)。風(fēng)速比(UR)為上下兩層風(fēng)速的比值。UR法參照Pasquill穩(wěn)定度分類規(guī)則，根據(jù)兩層風(fēng)速比值大小分為6個(gè)類別。UR值是根據(jù)Businger表達(dá)式計(jì)算的，為一種經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，適用于風(fēng)速大、穩(wěn)定級(jí)別高的大氣穩(wěn)定狀態(tài)判定。

(4)理查遜數(shù)法：理查遜數(shù)(Ri)是1920年Richardson為了表征大氣穩(wěn)定度而根據(jù)能量收支方程引入的，是一個(gè)無量綱參數(shù)。

Ri綜合了湍流激發(fā)的熱力因子和動(dòng)力因子的作用，反應(yīng)了更多的湍流狀況信息，因此Ri法判斷大氣穩(wěn)定度較準(zhǔn)確。其判據(jù)國內(nèi)一般采用中科院大氣所1980年推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)。由于Ri法對(duì)風(fēng)速、溫度梯度資料的精度要求高，對(duì)風(fēng)速反應(yīng)尤為敏感，有高精度鐵塔風(fēng)溫觀測(cè)資料時(shí)計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，但現(xiàn)實(shí)中普遍缺乏鐵塔觀測(cè)資料，所以在實(shí)際應(yīng)用中很少。

(5)總體理查遜數(shù)：由于Ri式中風(fēng)速差處于分母位置，任何微小的風(fēng)速測(cè)量誤差將會(huì)導(dǎo)致Ri計(jì)算結(jié)果巨大的偏差，因此為了避免精確測(cè)量風(fēng)速值難以獲得的困難，常用總體理查遜數(shù)(BRi)來表征。

BRi的計(jì)算采用上下連續(xù)兩個(gè)高度層風(fēng)速和高度的幾何平均值來表示，得出的結(jié)果為兩高度的平均幾何高度的BRi值。目前BRi法還沒有相對(duì)統(tǒng)一的劃分大氣穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)，大多采用D.Golder、Irwin和Houghton等提出的分類標(biāo)準(zhǔn)。

2、湍流資料分類法

(1)風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差法：風(fēng)和湍流是大氣擴(kuò)散能力大小的決定因子，可見風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差δA(水平)和δE(垂直)是一個(gè)直接表征大氣湍流強(qiáng)弱的參量，與擴(kuò)散參數(shù)關(guān)系密切，能夠彌補(bǔ)常規(guī)氣象資料劃分穩(wěn)定度的不足，作為大氣穩(wěn)定度的分類判據(jù)較準(zhǔn)確。其分類判據(jù)一般采用美國國家環(huán)保局空氣質(zhì)量控制守則里推薦的標(biāo)準(zhǔn)，分為水平和垂直兩個(gè)風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差分類判據(jù)。

(2)莫寧-奧布霍夫長度法：莫寧-奧布霍夫長度(L)是又一個(gè)表征近地層湍流狀態(tài)的指數(shù)，和Ri一樣是一個(gè)無量綱參數(shù)。

L值可以由Ri或BRi對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系求出，其計(jì)算較為復(fù)雜，涉及摩擦速度、卡門常數(shù)、垂直湍流熱通量和空氣定壓比熱等參數(shù)，而這些參數(shù)的獲得需要借助三維超聲風(fēng)速儀等特種儀器。與BRi法一樣，L法穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)主要有D.Golder、Irwin和Houghton提出的三種判據(jù)。