福建沿海区域大气稳定度分类方法对比研究

张新骞 陈龙泉 张俊芳

(中国辐射防护研究院，山西 太原 030006)

引言

在大气边界层和大气环境的研究中，将大气稳定度作为大气湍流运动强弱的一个重要标志，它同样也可以描述污染物在大气中的扩散速度和扩散范围。但大气湍流活动是一个十分复杂的过程,加上不同地域的下垫面情形各异,使得大气稳定度的划分变得同样复杂。由于对大气稳定度划分的方法有很多，所以在不同下垫面情况下如何选择最恰当的估算方法就显得尤为重要。

近年来，我国很多学者在对不同地区大气稳定度特征方面开展了大量的研究，如李琼等[1]对我国广东各地Pasquill大气稳定度频率的分布特征进行了分析,认为沿海区域的稳定度以中性频率最大，不稳定类(A—C)频率比稳定类(E—F)大些，沿海、平原、山区这3种区域的中性频率依次减小。范绍佳等[2]利用广东阳江的铁塔梯度资料对该沿海地区大气稳定度的相关分析，认为广东沿海地区大气稳定度分类以理查逊数(Ri)的结果最合适。康凌等[3]对比研究了戈壁、丘陵、沿海三种不同下垫面情况时稳定度分类方法指出，对于昼夜温差大、风速大的戈壁地区，适合采用ΔT—U法、辐射法和风向标准差法对大气稳定度进行分类；对于风速小的丘陵地区适合采用辐射法对稳定度进行分类；而辐射大、风速高的沿海区域则适合采用ΔT—U和辐射法对大气稳定度进行分类。司高华等[4]对西北某地的大气稳定度特征的研究表明，该地区大气稳定度以中性为主，极稳定和极不稳定出现的频率均比较小，风速大是造成中性类偏多的主要原因。由此可见，受不同下垫面情况的影响，各类稳定度估算方法得到的结果均不相同，所以在不同的下垫面下，应当结合当地的实际情况，根据估算结果分析不同方法在本区域的适用性。本文将根据福建沿海区域某厂址的气象塔层风、温梯度数据进行计算分析，用不同方法来估算稳定度类别，并对这几种判定方法估算的稳定度特征做对比分析。

利用福建沿海某厂址所建的100 m气象观测铁塔2018年1月1日至2018年12月31日塔层10 m、30 m、50 m、70 m、100 m所获取的风向、风速、温度的观测资料以及地面站太阳辐射表观测的总辐射值和净辐射值，参照1987年我国国家核安全局发布的《核电厂厂址选择的大气弥散问题》(HAD101/02)及IAEA的规定，将大气状态分成强不稳定(A)、不稳定(B)、弱不稳定(C)、中性(D)、较稳定(E)和稳定(F)共6种不同稳定度。

1 资料与方法

1.1 数据资料

厂址区域位于福建沿海，属中亚热带海洋性季风气候，气候温暖湿润，四季分明，降水量比较充沛。夏半年多偏南风，暖热多雨；冬半年多偏北风，寒冷干燥。年主导风向偏东北风。根据厂址气象站本年的观测资料，厂址所在区域年平均气温为19.4 ℃，年平均风速为2.9 m·s-1，年主导风向是ENE，频率为21.7%，次主导风向NE，频率为13.1%。

图1给出了厂址周围地区三维地形和地貌情况。厂址附近范围大部分为海域，仅西南小部分为陆地，另有一些长条形岛屿。陆地总体呈西北面最高，地势逐渐向东南方向降低，地貌类型主要为低丘、残丘、海湾洼地。陆地主体表现为低丘，海拔高度为200—300 m。

图1 观测区域半径40 km范围内的三维地形Fig.1 Three-dimensional topography within a radius of 40 km from the observed area

观测铁塔位于福建沿海的丘陵地带，观测场的海拔高度为98 m，区域地形平坦，无高大建筑物或山体的影响。观测场的北面近处为避风港海面，远处约5 km为海拔比观测场海拔低的半岛；西面为陆地，较远处为与观测场海拔接近的山体；南面500 m左右有较观测场海拔高出100 m的山体，山体南面为大海；东面有高出地面2 m左右的低丘，300 m外为大海。本文采用2018年1月1日至2018年12月31日塔层10 m、30 m、50 m、70 m、100 m所获取的风向、风速、温度分钟观测数据以及地面站观测的总辐射值和净辐射值分钟数据进行计算，用于计算的样本数据获取率为98.9%。为了保证不同高度要素的观测结果具有可比性，铁塔各高度层的仪器在进行安装前均进行了标定和水平比对，结果表明各风向、风速传感器和温度传感器差异均在精度范围以内。各仪器的性能指标详见表1。

表1 观测设备性能指标Table 1 Performance indicators for observation equipment

另外，塔层各高度风向资料按16个风向统计，风速取平均值。 季节划分为：冬季(12月至翌年2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)。

1.2 计算方法

本文采用太阳辐射法、温度梯度法(ΔT)、温度梯度—风速法(ΔT—U)和理查逊数法(Ri)4种方法确定大气稳定度的划分结果。

(1)本文所指的太阳辐射法实际是对P-T法[5-6]的改进，P-T法是指Pasquill提出，经Turner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，根据观测地的纬度、经度、日期和时间判定其日照级数，然后根据天空云量状况对日照级数订正，最后结合地面10 m高度的风速得到稳定度类别，其具体的分类方法见表2。由于P-T法需要借助云量来判断辐射的强弱，云量的观测结果受观测者主观判断差别较大，太阳光的入射量可以直接使用太阳辐射表或者类似的仪器测量，而夜间的净辐射通量也可以根据净辐射仪观测获得，有了这种数据可以再结合塔层10 m高度处测得的风速值根据表3进行分类[7]，这样得到的结果比P-T法更加客观、准确。

表2 P-T法稳定度分类表Table 2 P-T method for stability classification

表3 基于太阳辐射或夜间净辐射与风速值给出的改进的稳定度分类表Table 3 An improved stability classification table using solar radiation or night net radiation and wind speed values

(2)温度梯度法(ΔT)是根据不同高度的温差，即计算温度随高度(每百米)的递减率ΔT/ΔZ来确定大气的稳定度[7],这种方法是用两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，这种方法划分稳定条件下的类别是较好的，不稳定条件下则不太可靠。而且这种温度梯度与稳定度之间的相对关系通常用于相对平坦的地区。

(3)温度梯度—风速法(ΔT—U)是以温度递减率与风速相结合考虑的方法[7]，采用塔层100 m与10 m的温差来计算温度递减率ΔT/ΔZ，另外加入塔层10 m高度的风速观测值从多角度进行稳定度分类。这种方法同时考虑了支配湍流活动的热力因子和动力因子。因此，一般认为其优于只考虑了热力湍流的温度梯度法。两种方法的分类标准见表4和表5。

表4 大气稳定度分级法(温度梯度法)Table 4 Atmospheric stability classification (temperature gradient method)

表5 大气稳定度分级法(温度梯度与风速组合法ΔT—U)Table 5 Classification of atmospheric stability(combined method of temperature gradient and wind speed ΔT-U)

(4)理查逊数法(Ri)是利用风温梯度观测资料，可得到近地层的Ri，计算公式见下文。采用范绍佳等[8]推荐的沿海地区理查逊数法分类标准，见表6。

表6 沿海地区Ri法分类标准Table 6 Classification standard of coastal area by Ri method

(1)

2 结果分析

2.1 四季及全年不同大气稳定度出现频率对比

表7给出了太阳辐射法、温度梯度法、温度梯度—风速法、理查逊数法4种不同分类方法计算出的该地区四季和全年大气稳定度出现的频率情况，根据图2的分布情况可以看出不同的稳定度分类方法在各季得到的结果差别较为明显。

图2 2018年各季观测区域四种分类方法的春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)大气稳定度出现频率Fig.2 Occurrence frequency of different atmospheric stability based on four classification methods during spring (a),summer (b),autumn (c),and winter (d) in 2018

表7 2018年观测区域4种分类方法的大气稳定度出现频率Table 7 Frequency of occurrence of atmospheric stability for four classification methods in the observed area in 2018 %

由图2可见，利用太阳辐射法确定的大气稳定度分类，四季的最大值均出现在D类，冬季最大可达67.8%，因为冬季太阳辐射变弱，D类天气出现频率升高。A—C类在夏季出现的频率也较高，为37.5%，因为夏季太阳辐射的增强导致地面加热变快，易产生垂直运动的气流，致使不稳定类增加。

由温度梯度法确定的稳定度分类全年四季中D类和E类出现的频率是最高的，特别是D类秋季最高可达到76%；由温度梯度—风速法和理查逊数方法确定的大气稳定度分类从四季来看，夏季的不稳定类天气最多，而春冬季的稳定类天气居多，秋季处于过渡期，湍流活动相对较弱，该现象符合一般规律；各季各分类方法的最大值较为集中出现在D类型天气，C类天气次之。

同时，通过不同方法对四季稳定度估算结果的分析，认为在估算结果中存在两点较为异常的分布。一是在太阳辐射法判定的稳定度分类中，四季均表现为A、B类高于C类。分析其原因，由于太阳辐射法同时考虑了风速值，计算得到该区域的年平均风速为2.0—3.0 m·s-1。在该风速段下，地处福建沿海地区的该厂址，日间的光照强度非常大，随着太阳辐射强度的不断增大，大气稳定度逐渐由中性变为不稳定，当日间辐射值大于25(cal·cm-2·h-1)，其估算结果均判定为A—B类，所以导致其在C类的分布水平低于A、B类。二是温度梯度法在春、冬两季，E类的分布明显多于其他3种。分析其原因，因为福建沿海地区受亚热带海洋性气候影响，春、冬季主导风向为偏东北风，而海上的来流多为中性和偏中性来流，该方法单纯依赖温度因素，致使D、E类天气在四季的分布过于集中。

图3和表7给出了不同的稳定度分类方法在全年得到的结果，图4给出了该区域实测的年均风速廓线图和温度廓线图，从全年4种方法判定的结果可见，出现了上文提及的两种异常现象。即，太阳辐射法判定稳定度出现的A、B类的水平偏高；温度梯度法判定稳定度出现E类的水平偏高。理查逊数法在夏季C类值明显高于其他3种判定。分析认为这是因为夏季热力因素在该方法判定中占权重较大，夏季太阳辐射的增强导致地面加热变快，塔层上下层的温度差会较为明显，致使理查逊数法存在对C类稳定度的偏高估算。ΔT—U法和理查逊数法估算得到的稳定度分布具有较高的相似性，即全年稳定度类型集中在C和D类上，单一类型出现频率最高的为D类的40.2%和38.0%，全年不稳定类(A—C)的频率占比也十分相近，分别为49.3%和51%。ΔT—U法分类时存在B、C类稳定度出现频率偏高，E、F类稳定度出现频率偏低的情形。分析认为：根据图4的风、温廓线可知，区域10 m高度层的年平均风速为2.0—3.0 m·s-1，100 m与10 m高度的温差全年处于-0.3～-1.3 ℃之间。导致ΔT—U法分类时出现大量B、C类天气，而且本区域全年整体出现逆温的情况很少，所以E、F类天气出现的频率也较低。

图3 2018年全年观测区域太阳辐射法(a)、温度梯度法(b)、ΔT—U法(c)、理查逊数法(d)大气稳定度出现频率Fig.3 Occurrence frequency of different atmospheric stability based on solar radiation method(a),temperature gradient method(b),ΔT-U method (c),and Ri method (d) in 2018

图4 2018年观测区域年平均风速(a)和温度(b)廓线图Fig.4 Annual mean profiles of wind speed (a) and air temperature (b) in the observed area in 2018

综上所述，通过该厂址区域四季及整年不同类型稳定度估算结果的分析认为，ΔT—U法和理查逊数法判定的各天气类型结果分布较为合理连续，能够较好地反映本地区近地面大气稳定度特征。

2.2 不同大气稳定度出现频率的日变化

根据上述4种不同方法分类，计算出该地区不同大气稳定度出现频率的日变化，从另一个角度去了解这4种方法对于该稳定度划分区域适用性。

根据图5分析可知，存在不合理性的有以下3点：(1)由图5a的太阳辐射法可见，在夜间不稳定类(A—C)天气是不出现的，白天时段稳定类(E、F)天气也不出现，该结果的出现受限于该方法的判定依据，而对比于其他3种方法发现，这样导致了白天E、F类和夜晚A—C类天气的估算结果过于绝对。(2)图5b的温度梯度法中稳定型天气E、F类天气频率在夜间高达45%，与同期中性类天气D类相当。这一点明显区别于其他3种判定方法的估算结果。出现此类情形的原因是由于与该方法仅仅考虑不同高度的温差所致。即当夜间垂向温度变化不大时，该温度梯度法难以有效区分稳定类和中性类天气。(3)理查逊数法和ΔT—U法大气稳定度的日变化具有相似的规律，都直观反映了热力因素和动力因素的共同作用，白天多为不稳定层结，夜间多为中性层结，其原理为稳定度受温度变化的影响比较明显，夜间湍流减弱，伴随逆温生消E、F类天气有一定的增加，白天随着太阳辐射的增强，热力对流旺盛，大气层结也变得相对不稳定。另外，从图上可以看出理查逊数法的估算结果连续性要优于ΔT—U法的估算结果，其在昼夜交替时更加平滑的反映出了稳定度的变化特征。

图5 2018年观测区域太阳辐射法(a)、温度梯度法(b)、ΔT—U法(c)、理查逊数法(d)4种分类方法下各类稳定度出现频率的日变化Fig.5 Daily variation of occurrence frequency of each stability under four classification methods solar radiation method(a),temperature gradient method(b),ΔT-U method (c),Ri method(d),in the observed area in 2018

2.3 不同来流情况下大气稳定度的分类

由于观测区域东濒海洋，根据其地理位置，将100 m高度来流风向为NNE—E的各风向划归为偏东北风流(即海上来流)，WSW—WNW的风向归为偏西风流(陆地来流)，其余各风向的来流则划归为沿岸流。基于上文中ΔT—U法和理查逊数法相对该区域有较优的估算结果，现采用这两种方法在不同来流情况下对稳定度的分类做统计分析。

根据图6可知，对于该区域不同来流情况下稳定度的分类结果来看，ΔT—U法在各稳定度频数呈现的连续性要优于理查逊数法。根据图4可以看出本区域出现逆温的频率较低，受亚热带海洋性季风气候影响，春季偏东北风和偏西风频值较高，秋、冬季的主导风向多为偏东北风来流，夏季多为偏西风来流。在主导和次主导风向下测得的风速值要明显高于其他方向的来流。在偏东北风来流时，主导风向下的平均风速较高，两种方法在D类稳定度的判定结果都能真实的反映出海上多为中性和偏中性来流的情况。另外，两种方法都合理的反映了不同来流条件下稳定类(E、F)天气分布的情况。

图6 2018年观测区域不同来流下ΔT—U法(a)、理查逊数法(b)各类稳定度出现频率Fig.6 The occurrence frequency of various kinds of stability under different flows in the observed area in 2018，based on ΔT-U method (a)、Ri method(b)

存在不合理性的有以下两点：一是与图3反映出同一现象，ΔT—U法分类时出现大量B、C类天气，原因在上文中已经分析。二是理查逊数法在偏西风和沿岸来流情况下，在不稳定类(A—C)天气分布均过高。分析其原因为，受来流平均风速较低的影响，上下气层风速差较小导致了其在不稳定类(A—C)天气分布很高，这一点在非主导和次主导风向的沿岸来流上体现更加明显。

3 结论

(1)不同估算方法得到的结果均能客观地反映出本沿海区域的稳定度特征，各类方法在不同观测时段所得到估算结果存在一定的差异性。从四季各稳定度分布情况看，鉴于厂址位于东南沿海，日间辐射值较大，太阳辐射法会导致稳定度估算结果在C类的分布较低；温度梯度法单纯依赖温度因素，在春、冬两季D、E类天气的分布过于集中；理查逊数法在夏季C类值的判定略高于其他3种方法。从全年4种方法判定的结果可知，ΔT—U法和理查逊数法具有相似的分布规律，全年稳定度类型集中在C和D类上。

(2)从大气稳定度出现频率的日变化来看，太阳辐射法的判定根据日间太阳辐射和夜间的净辐射观测值得出，白天不会出现稳定类天气(E、F)，夜间不会出现不稳定类天气(A—C)，这样会导致稳定度的估算结果过于绝对。ΔT法仅根据不同高度的温度差来确定大气的稳定度，对比于ΔT—U法同时考虑支配湍流活动的动力因子和热力因子的方法显得较为单一。理查逊数法(Ri)和ΔT—U法同时考虑了温度和风速两种变量的影响，理论上较ΔT法更加合理，但该方法中风速差的平方项位于分母位置，所以对风速观测精度的要求十分高。

(3)对于该区域不同来流情况下稳定度的分类结果分析，受来流平均风速较低的影响，4种估算方法以理查逊数法和ΔT—U法的结果分布较好，能准确反映该厂址区域大气湍流运动强弱的规律。而ΔT—U法在各稳定度频数呈现的连续性要优于理查逊数法，加上理查逊数法对于风速值的观测精度要求较高，所以从工程造价以及观测资料的可控性角度出发，更加推荐采用ΔT—U法作为该区域稳定度划分的方法。

(4)鉴于该厂址区域下垫面情况复杂所导致的低层风速值较小，该现象有别于其他沿海地区那样辐射强，风速大的特征，其稳定度分类仍然是一个比较复杂的问题，值得进一步研究。

(致谢：感谢徐向军研究员在论文的写作过程中提出的宝贵建议和悉心指导。)