刘强
【摘 要】Methods about determination of atmospheric stability are divided into two categories.The first one is based on conventional meteorological data,surface wind speed,cloud amount,and sunshine intensity data to determine the atmospheric stability,and this method mainly for flat open rural areas,only using observations from the suburban or airport meteorological station without considering some influences of dynamic and thermal factors of specific underlying surface,such as cities,mountains,water-surface,etc.,and making semi-quantitative diffusion level of atmospheric stability.The second one is based on the high-altitude meteorological data,making use of the vertical distribution of temperature and wind velocity,and considering the influence of dynamic and thermal factors on atmospheric stability,in order to better reflect influence of the wind,temperature and turbulence on atmospheric stability.%大气稳定度方法主要分为2大类：第一类是基于常规气象资料,利用地面风速、云
量、日照强度等资料对大气稳定度进行判定,此种方法主要针对开阔平坦乡村地区,资料采用城郊气象站或飞机场气象站的气象观测资料,并未考虑特殊的下垫面,如城市、山地、水面等的动力和热力因子对稳定度的影响,只是半定量地给出稳定度扩散级别。第二类是基于高空气象资料,利用温度和风速的垂直分布情况,综合考虑动力因子和热力因子对稳定度的作用,更好地反映出风、温度等气象要素对大气稳定度的影响。
【期刊名称】《干旱气象》
【年(卷),期】2011(029)003
【总页数】7页(P355-361)
【关键词】大气稳定度;温度;风速
【作 者】刘强
【作者单位】新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,新疆乌鲁木齐830000
【正文语种】中 文
【中图分类】P421
大气稳定度是指气块受任意方向扰动后，返回或远离平衡位置的趋势和程度［1］。它表示在大气层中的个别气块是否安于原在的层次，是否易于发生垂直运动，即是否易于发生对流。大气稳定度可表明大气湍流的强弱，并和大气的对流发展密切相关。在研究污染物在大气中的迁移转化规律里，大气的稳定度是很重要的，大气是否稳定直接影响到大气扩散的强弱，比如说大气越不稳定，其扩散能力越强，污染物在大气中稀释越快。在大气湍流扩散问题中，常用大气稳定度作为反映湍流状况、扩散速率强弱的主要指标。因而如何客观、合理地确定稳定度是长期以来人们一直研究的问题。目前，已经有很多专家对稳定度进行过研究，本文对常用的稳定度判定方法进行了总结。 到目前为止大气稳定度的判定方法主要分为2大类:第一类是基于常规气象资料，利用地面风速、云量、日照强度等资料对大气稳定度进行判定;第二类是基于高空气象资料，利用温度和风速的垂直分布情况，对大气稳定度进行判定。现将这2类方法中的常用方法做简单阐述。
(1)Pasquill法
Pasquill(1961)［2－3］利用常规观测的风速、云量、日射程度等资料将大气稳定度分为6个稳定度的扩散级别，即 A，B，C，D，E，F 类，依次规定分属极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定、稳定级别。有时对极稳定情况定义为G类。另外，可更为细致地采用A～B，B～C，C～D，D ～E，和 E～F类，其稳定度扩散状况取2类间的内插值，Pasquill的稳定度分级方法见表1。
这里日间的日射强的对应于中纬度(如英国)盛夏晴天阳光充足的中午，而日射弱的则相应于隆冬时的晴天中午。此种方法比较简便，只需要风速、云量、日射程度等资料，就可以简单判定大气稳定度
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(2)P－T法
Turner(1961)［2，4］引进了一个用太阳高度角来判定日射强弱的更好且定量的规范方法，以给出稳定度扩散级别。某时某地的太阳高度角按下式计算:
式中，为hθ太阳高度角，φ为地理纬度，δ为太阳赤纬(亦称太阳倾角)，ω为时角，并有
这里t为地方时。赤纬可根据天文年历查得。由太阳高度角判定日射强度与等级方法见表2，
由太阳高度角hθ辅以天空状况判定日射等级的方法见表3。
最后根据确定的日射等级和地面风速给出稳定度的扩散级别，如表4所示。
Turner提出分级方法时，原是以 1，2，3，4，5，6，7级分别对应Pasquill分级方法的A，B，C，D，D ～E，E，F类。2种分级方法的原理是相同，Turner的分级方法定量较为确切，只要有地面风速、云量和云高的观测资料，就可以客观地定出稳定度扩散级别，可以由计算机完成分级工作。所以到目前为止，它仍是实际工作中最常用的方法。
(3)P·S法(国家标准中给定的方法)
20世纪70年代开始，在我国的环境保护研究实践中，曾相当广泛地应用扩散曲线法确定扩散参数。并根据国情作出了修改与总结，将其纳入国家标准 GB/T 13201 －91 作为规范使用［2，5］。
东乡神蛋为确定稳定度扩散级别 A、B、C、D、E、F 类，首先，按下式要计算时日的太阳倾角(即赤纬δ):
式中λ为当地经度，由计算所得的太阳高度角hθ和观测所得的云量确定太阳辐射等级，由太阳辐射等级和地面风速确定稳定度扩散级别，见表5。这里，方法的主要修改适应了我国大量地面气象观测站无云高观测资料的情况，而仅以总云量和低云量来确定太阳辐射等级。
(4)城市稳定度分类法(LD)
Ludwig［6－8］提出了城市(包括城郊)稳定度分类法，先由云量(n)和太阳高度角(hθ)求日照参数(φ):
式中，0≤φ≤1。φ的大小可代表日照强度，分为弱日照(φ ＜0.3)、中等日照(0.3≤φ≤0.55)、强日照(φ ＞0.55)3种。求得 hθ、φ 后，再根据地面风速、hθ、云量、φ等级，按表6就可判定稳定度级别。其中hθ计算公式与公式(4)相同。
上述4种方法属于第一类方法，优点是只需要常规气象资料就可以确定大气稳定度等级，应用起来比较简便;缺点是只能判定近地面大气稳定情况，对于大气稳定度在垂直空间上的分布，无法作出分析，也无法给出影响大气稳定度的各项参数。
(5)与温度递减率有关的分类方法［2，9－10］
①以温度递减率，即用2层大气之间的宏观垂直温度梯度来表示水平和垂直的湍流特征。国际原子能机构(1980)推荐具有大量实验基础数据的判据(表7)。长期实践经验表明，这种方法对于稳定大气状况的情形是可靠的，而对于不稳定状况或者对于高架源排放的情形下使用很不可靠。
②以温度递减率与风速相结合考虑的方案，这种方案同时考虑了支配湍流活动的动力因子和热力因子。因此，一般认为较之仅以热力因子的温度梯度作判断的方法要好，见表8。
(6)边界层湍流参量方法
大气稳定度状况实质上是大气热力过程和动力过程对湍流的产生、发展或抑制能力的一种度量。因此，采用一些具有明确理论意义的边界层湍流参量作为划分稳定度扩散级别的判据，可以更加客观地表征大气稳定度状况。最常用的是梯度理查逊数(Ri)，总体理查逊数(BRi)和莫宁—奥布霍夫长度(L，m)。
①莫宁—奥布霍夫长度(L，m)
莫宁—奥布霍夫长度L［6］是另一个比较有用的表征边界层湍流状态的指数:
式中，u*为摩擦速度，k为卡曼常数，g是重力加速度，T是空气绝对温度，H是垂直湍流热通量，ρ为空气密度，Cp是空气定压比热。
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此法引进了较为为全面的物理因子，考虑了不同场合热力湍流参数和机械湍流参数的变化，但是实际使用中却因观测技术的限制和基于地表粗糙度z0为前提，所以应用时往往会有不同程度的偏差。地表粗糙度z0是指平均风速减小到0时距地面的高度，地表粗糙程度越大表明平均风速减小到0的高度越大，地表就越粗糙。因为不同下垫面如沙漠、雪地、城市和海洋的地表粗糙度不同，因此实际使用时必须给出适合于当地地表粗糙度下的大气稳定度分类标准。
莫宁—奥布霍夫长度的标准计算:Irwin(1979)和Houghton(1985)分别提出的经验拟合公式，利用地表粗糙度来计算L的分类标准:Irwin(1979)的经验拟合公式为1/L=aZ0b，Houghton(1985)的经验拟合公式为1/L=a·［log10(Z0)－1］，表9是通过Houghton经验拟合公式，给出塔中以雪表面 Z0=0.1［11］为下垫面的对应P－T稳定度，表10是通过 Irwin(1979)的经验拟合公式给出以北京地区Z0=0.35［12］为下垫面的对应P－T稳定度，
通过公式6计算的L值，结合表9和表10，就可以判断不同地表粗糙度下的大气稳定度的级别。
禁播水浒②梯度理查逊数(Ri)
Richardson［9］根据能量收支方程引入了无因次数Ri，以表征大气稳定度:
温度梯度和风速梯度可以由对数内插公式比较精确的确定，即
其中，u2，u1，θ2，θ1 分别为对应高度 z2，z1 的风速和位温，。Ri作为描述大气湍流强弱的参数，从湍流生消的角度出发，综合了热力因子对湍流的激发、抑制作用以及摩擦切应力等动力因子产生湍流的作用，提供了较多的湍流状况的信息。
使用此类方法要根据当地地表下垫面粗糙度计算其分类标准，Ri与莫宁—奥布霍夫长度L有如下关系［13］:
通过计算所得的L值，对应P－T稳定度级别参数值计算的稳定度分类标准，然后通过不同高度层的Z/L，利用公式(11)和(12)计算不同高度层的理查逊数的范围，表11是根据表9计算
商业银行流动性风险管理指引的出的L值来计算不同高度的Ri值的变化范围，再由公式8计算出的不同高度的Ri值，就可以判定不同高度的大气稳定度，继而判断大气稳定度的垂直分布特征。
笔者通过在塔中［11］地区的研究，发现采用梯度理查逊数，能客观地反映出大气稳定度垂直的分布情况，说明了风、温度、湍流对大气稳定度的影响，同时也能较好说明动力因子和热力因子对大气稳定度的作用。
③总体理查逊数解放日报改版
工作中，在测风资料没有非常高精度的情况下，常用 BRi［14］代替 Ri。其定义式为
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