大气边界层的国内外研究现状

宁志远，刘厚凤

（山东师范大学地理与环境学院，山东济南250014）

大气边界层的国内外研究现状

宁志远，刘厚凤*

（山东师范大学地理与环境学院，山东济南250014）

对大气边界层的理论基础、确定方法、特征要素、影响因子、时空变化特征以及与大气污染间的相互作用进行总结，得出以下结论：大气边界层的理论体系较为完备，但理论研究进展缓慢；廓线测量是确定大气边界层结构最常用的方法，雷达、数值模拟等方法仍需对比验证；大气边界层日变化、季节变化特征十分明显，海陆间边界层变化特征差异明显，戈壁、高原等地区的大气边界层特征较为特殊；大气边界层结构，尤其是风速风向、混合层高度对大气环境有明显的影响；大气污染对大气边界层的影响和区域大气边界层特征的研究较少，可作为今后的研究重点。

大气边界层；理论基础；确定方法；时空变化特征；大气边界层结构与大气污染的相互影响

大气边界层（Atmospheric Boundary Layer，ABL）位于大气圈与地球表面交界区，是对流层下部直接受地面影响的部分，平均高度约为1～2 km，也是大气热量、动量和各种物质（水汽、污染物）上下输送的重要通道，能在一小时或更短时间内响应地面作用[1]，影响因素包括地表摩擦、热量输送、污染物排放及地形扰动等，对某区域的大气环境质量有着至关重要的作用。

20世纪初，Prandtl、Ekman提出的边界层理论和Ekman螺线奠定了大气边界层理论基础[2]；20世纪中期，随着Monin-Obukhov相似性理论和自由对流大气湍流理论的提出，经典湍流理论基本形成[3]。

20世纪60年代，Lorenz发现了新的湍流发生机制[4]；70年代，Deardorff、Wyngaard和Dyer等人将相似性原理引入混合层和对流层的研究并逐渐完善，使其有了极大的应用价值[5]。

20世纪80年代，Nieuwstadt、Sorbjan等提出了局地自由对流相似的概念，并应用于存在平流的非均匀下垫面，取得了较好的效果[6]。然而近几十年，边界层理论研究一直较为缓慢。

中国对湍流的研究始于周培源1940年提出的湍流应力方程模式理论[6]。20世纪70年代至21世纪00年代，主要研究成果有周秀骥、周明煜、胡非等提出的分子动力学理论、大气边界层湍流场团块结构、最邻近最大作用假设等[7]。此外，洪钟祥、雷孝恩和刘式达等也在湍流的基础理论研究上作出了独特贡献。

实验观测方面，20世纪70年代初，中科院大气物理所开始进行山区大气边界层的观测实验，并在80年代开展大气环境质量评价观测研究[8]。20世纪90年代至21世纪00年代，综合观测系统建设、实验研究以及预报模式等都有了更深层次的发展[9]。

近年来，激光雷达技术逐渐应用于大气边界层的研究当中，贺千山、王珍珠等人利用激光雷达等对不同地区大气边界层进行观测，结果表明激光雷达能够实现较高准确度的大气边界层探测[10]。

目前，针对大气边界层进行的研究主要以实验观测和数值模拟为主[8]，大气边界层与污染物的关联性是研究热点之一，但由于自身复杂性，该方面工作难有较大突破。

1 大气边界层的确定方法

1.1 确定大气边界层的传统方法

大气边界层高度的传统确定方法主要有基于参数化的简单计算和基于廓线测量[8]。参数化方法实用性强，多用于风、温廓线数据充分的情况；廓线测量结果更为准确、可靠，但因探测仪器自身的限制，应用不是很普遍。

1.2 确定大气边界层的新兴方法

随着科学技术的发展，声雷测定、激光测定等方法也逐渐应用于大气边界层的测定，声雷测定根据发射声波在不同高度温度和气溶胶浓度的不同来确定大气混合层高度，激光测定则是根据不同高度湿度和气溶胶浓度的不同来确定[8]。

1.3 确定大气边界层的经验公式方法

公式计算方法中最具代表性的为Nozaki等在1973年提出的罗氏法[9]，具体为：

H=121/6（6-P）（T-Td）+0.169P（Uz+0.257）/12f ln（z/z0）

式中：H为计算的平均混合层高度（m）；（T-Td）为露点差（℃）；P为帕斯奎尔稳定度；Uz为Z高度处所观测的平均风速（m/s）；z0为地面粗糙度（在乡村地区取0.03～0.2 m，在市区取0.8～2.0 m）；F为地转参数（l/s），f=2ΨsinΥ；Υ为地理纬度，Ψ为地球自转角速度。

在平均混合层高度计算时，对市区的风速应根据城市的大小先衰减20%～35%，再按公式计算，然后按各类稳定度出现的频率加权取和。

2 大气边界层时空变化特征

2.1 内陆地区大气边界层变化特征

2.1.1 内陆地区大气边界层日变化特征

大气边界层最基本的特征就是气象要素的日变化，白天地表受到太阳照射加热，温度升高；晚上则因为地表长波辐射冷却作用而降温，使得接近地表的气温呈现日变化[10]；在陆地高压区，不稳定边界层出现在白天，稳定边界层主要出现在夜间。大气边界层的日变化特征见图1。

图1 大气边界层的日变化特征

2.1.2 内陆地区大气边界层季节变化特征

在内陆区域，混合层高度大致以冬季1月或12月最低，随后快速升高；4～5月达到最高，随后逐渐降低。

冬季的边界层高度和污染的关系更为密切[10]。冬季夜间辐射强度更大且时间更长，接地逆温充分发展，至使混合层高度较低。冬季典型的边界层结构见图2。

图2 冬季典型边界层结构

根据图2可知，在冬季混合层高度较低时，垂直方向的对流较弱，低架源排放出的污染物使近地面污染加重；高架源排放的污染物对近地面的影响较小，但会加重200 m以上低空的大气污染。

2.2 沿海地区大气边界层变化特征

2.2.1 沿海地区大气边界层日变化特征

在沿海地区，由于海水的比热大，上层海水混合强烈，使得海水表面温度日变化不明显[11]，所以海上大气边界层的日变化也不明显。但与内陆地区相同的是，海上高压区域因为气流沉降，边界层厚度通常比低压区小。

2.2.2 沿海地区大气边界层季节变化特征

沿海地区和内陆地区的大气边界层有着不同的变化特征。沿海地区春、夏季节海温等于或小于气温，形成相对稳定的下垫面，所以混合层高度较低；冬季海温要高于气温，形成不稳定的下垫面，有利于热力湍流发生，故秋冬季混合层高度较高[11]。

2.3 特殊地形地区大气边界层特征

在戈壁、高原、山区等特殊地形地区，大气边界层呈现特殊特征。戈壁地区，热通量较大，使边界层高度明显高于其他地区，在夏季可达4 400 m[12]。高原地区地表热通量略低于戈壁地区，大气边界层平均厚度约在2 000～2 500m[13]。在山区，由于山谷风环流的存在，使得大气边界层厚度的昼夜差异明显大于其他地区，且该地区湍流较难发展，边界层厚度一般在600～1 000m[14]。

3 大气边界层结构与大气环境相互作用

3.1 大气边界层结构对大气环境的影响

3.1.1 大气稳定度对大气环境的影响

大气越稳定，湍流运动、大气扩散能力越差，空气质量也就越差[15]。

3.1.2 温度对大气环境的影响

温度越高，湍流运动、大气扩散能力就越强，空气质量越好；出现逆温层时，污染物垂直方向扩散受阻，空气质量变差[16]。

3.1.3 湿度层结对大气环境的影响

湿度越大，越有利于雾和霾的形成，从而加重大气污染[17]。

3.1.4 风速风向对大气环境的影响

小风或静风天气会使污染物大量积累[18]，发生重污染，而来自清洁地区的较大风速输送则有利于重污染消散，且风速的变化与其他气象要素相比，与空气质量的变化有更明显的相关性[19]。

3.1.5 混合层高度对大气环境的影响

混合层高度越大，污染物在垂直方向的扩散就越充分，空气质量也就越好；当风速较小时，边界层高度较低，大气重污染将持续甚至加重[20]。

3.2 大气污染对大气边界层的影响

目前，大气污染对大气边界层的研究主要集中在气溶胶的辐射和气候效应，其他影响机制尚不明确。

气溶胶通过吸收辐射使净辐射量、温度、边界层高度均有下降，而降水量则因地区而异；在气溶胶浓度较高的地区，气溶胶对气象要素的影响更为显著[21]。

由于气溶胶辐射效应的不确定性，气溶胶对大气边界层的影响机制和影响程度都需要进一步研究；除气溶胶外，其余污染物对大气边界层的影响也尚不明确，需要在今后逐步研究。

4 结论与展望

4.1 结论

（1）大气边界层的基础理论体系较为完备，但理论研究进展缓慢。

（2）目前确定大气边界层高度使用最多的是廓线测量法，声雷测定、数值模拟等方法在实际应用中仍需对比验证。

（3）内陆地区，边界层高度随着日出而增大，在午间达到顶峰，日落后迅速衰减，夜间最小；春季的边界层高度最大，夏、秋季次之，冬季最小。沿海地区边界层高度的日变化不明显，秋冬季节的边界层高度高于春夏季。戈壁、高原等地区的边界层结构较为特殊。

（4）大气较不稳定、风速较大、混合层高度较大等条件利于污染物的扩散，而不利的气象条件下较易发生重污染。各特征要素中，风速风向和混合层高度对空气质量的影响最为明显。

（5）较大量气溶胶的存在会使区域内净辐射量、气温、混合层高度略有下降，而对降水量的影响因地区而异。

4.2 展望

从国内外的大气边界层研究进展来看，目前对于大气边界层的研究还存在以下不足：

（1）目前针对风速、降水、大气稳定度等大气边界层结构要素对大气污染的影响大多立足于单个站点风速、大气稳定度、混合层高度等大气扩散因子的特征分析，关于区域大气边界层结构特征的研究尚不多见，而我国近年来多发区域性污染，对区域大气边界层结构的研究可作为今后的研究重点。

（2）目前大气污染对大气边界层的影响研究尚少，除气溶胶的辐射与气候效应外，其余影响尚不明确，该方面研究仍需继续开展，深入了解大气边界层与大气污染之间的相互影响，以便更科学地提出大气污染防控措施。

[1]GARRATT J.R.，HICKSB.B.Micrometeorological and PBL experiments in Australia[J].Boundary-Layer Meteorology，1990，50（1）：11-29.

[2]SORBJAN Z.Structure of the Atmospheric Boundary Layer[J].Prentice Hall Englewood Cliffs，NJ，1989，11（1）：227-227.

[3]MONIN A.S.，Obukhov A.M.Basic laws of turbulentmixing in the atmosphere near the ground.Tr.Akad[J].Nauk SSSR Geofiz.Inst，1954，24（15）：163-187.

[4]SORBJAN Z.Local similarity in the convective boundary layer（CBL）[J].Boundary-Layer Meteorology，1988，45（3）：237-250.

[5]XU XIANGDE，ZHOU MINGYU，CHEN JIAYI，et al.A comprehensive physical pattern of land-air dynamic and themal struture on the Qinghai-Xizang Plateau[J].Science in China（Series D），2002，45（7）：577-595.

[6]刘辉志，洪钟祥.青藏高原改则地区近地层湍流特征[J].大气科学，2000，24（3）：290-300.

[7]胡隐樵，张强.论大气边界层的局地相似性[J].大气科学，1993，17（1）：10-20.

[8]刘小红，洪钟祥.北京地区一次特大强风过程边界层结构的研究[J].大气科学，1996，20（2）：223-228.

[9]王耀庭，李威，张小玲，等.北京城区夏季静稳天气下大气边界层与大气污染的关系[J].环境科学研究，2012，25（10）：1092-1098.

[10]王珍珠，李炬，钟志庆，等.激光雷达探测北京城区夏季大气边界层[J].应用光学，2008，29（1）：96-100..

[11]刘明星.戈壁下垫面夏冬两季大气边界层结构及演变特征的对比研究[D].北京：北京大学，2008.

[12]杨洋，刘晓阳，陆征辉，等.博斯腾湖流域戈壁地区大气边界层高度特征研究[J].北京大学学报：自然科学版，2016，52（5）：829-836.

[13]李英，胡志莉，赵红梅.青藏高原大气边界层结构特征研究综述[J].高原山地气象研究，2012，32（4）：91-96.

[14]孙海燕，梅再美.贵州山区山谷地形大气边界层夏季风温廓线结构特征分析[J].陕西气象，2008（4）：5-8.

[15]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.

[16]张强.地形和逆温层对兰州市污染物输送的影响[J].中国环境科学，2001，21（3）：230-234.

[17]付桂琴，张杏敏，尤凤春，等.气象条件对石家庄PM2.5浓度的影响分析[J].干旱气象，2016，34（2）：349-355.

[18]张宝贵，曹建新，杜建双，等.秦皇岛大气污染物的分布特征及其天气背景[J].中国环境管理干部学院学报，2016，26（5）：79-82.

[19]张人文，范绍佳.珠江三角洲风场对空气质量的影响[J].中山大学学报：自然科学版，2011，50（6）：130-134.

[20]李梦，唐贵谦，黄俊，等.京津冀冬季大气混合层高度与大气污染的关系[J].环境科学，2015，36（6）：1935-1943.

[21]马欣，陈东升，温维，等.应用WRF-chem探究气溶胶污染对区域气象要素的影响[J].北京工业大学学报，2016，42（2）：285-295.

（编辑：周利海）

Domestic and Abroad Research Status of Atm ospheric Boundary Layer

Ning Zhiyuan,Liu Houfeng*
（Institute of Geography and Environment,Shandong Normal University,Jinan Shandong 250014,China）

Summarized the theoretical basis,methods to determine,characteristic factors,impact factors,space-time characteristics of variation of the atmospheric boundary layer and the interaction between the structure of atmospheric boundary layer and the air pollution.Results showed that:(a)The theory of atmospheric boundary layer has a complete theoretical system and the theoretical research develops slow ly.(b)Profile measurement is the most common method to determine the structure of ABL,other methods such as radar and numerical simulation still need verification.(c)The diurnal and seasonal variation characteristics of the atmospheric boundary layer are very obvious,characteristics of variation between sea and land are obviously different, characteristics of ABL in gobi,plateau are special.(d)The influences caused by the structure of ABL,especially speed and direction of wind and PBL to air quality are obvious.(e)The research on the influence of atmospheric pollution on ABL and regional characteristics of ABL is less,it could be the focus of research in the future.

atmospheric boundary layer,theoretical basis,methods to determine,space-time characteristics of variation,the interaction between the structure of atmospheric boundary layer and the air pollution

X51

A

1008-813X（2017）02-0022-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.02.06

2016-12-30

宁志远（1992-），男，山东青岛人，山东师范大学环境科学专业硕士研究生在读，主要从事环境规划与管理等方面的研究。

*通讯作者：刘厚凤（1965-），女，山东烟台人，毕业于河南大学环境科学专业，硕士，教授，主要从事环境规划与管理、污染气象学等方面的研究。