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        青島地區(qū)混合層高度的季節(jié)性變化*

        2014-12-02 06:07:10李金堡駱永軍柴藝淳
        艦船電子工程 2014年11期
        關(guān)鍵詞:春夏季下墊面邊界層

        李金堡 駱永軍 柴藝淳

        (1.海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋系 大連 116018)(2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋氣象學(xué)系 青島 266100)

        1 引言

        R.B 斯塔爾[1]在邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論中指出,大氣邊界層是指對(duì)流層內(nèi)貼近地表面約1km~5km 厚的一層。大氣邊界層的高度(或厚度)和結(jié)構(gòu)與大氣邊界層內(nèi)的溫度分布或大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)。中性或不穩(wěn)定時(shí),由于動(dòng)力或熱力湍流的作用,邊界層內(nèi)上下層之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)量或熱量交換。通常把出現(xiàn)這一現(xiàn)象的層稱為混合層。廖國(guó)蓮[2]在大氣混合層厚度的計(jì)算方法及影響因子一文中提到,大氣混合層高度是在鉛垂方向上反映污染物擴(kuò)散的重要參數(shù),它的研究對(duì)大氣環(huán)境預(yù)測(cè)、環(huán)境規(guī)劃等起著重要作用。劉北平[3]、徐金輝[4]等研究和提出了幾種常規(guī)的混合層高度的確定方法。史寶忠[5]等對(duì)幾種混合層高度確定方法進(jìn)行了比較和分析。程水源[6]等針對(duì)北京地區(qū)的混合層高度相關(guān)方面進(jìn)行了研究和分析?,F(xiàn)在國(guó)際上計(jì)算大氣混合層高度的方法主要有干絕熱方法、羅氏法、Gamo[7]法、激光雷達(dá)測(cè)距法等。本文著重介紹了一種國(guó)際上主要運(yùn)用來(lái)計(jì)算混合層高度的方法—干絕熱方法,主要利用清晨探空曲線,與一天中溫度最高時(shí)刻的干絕熱曲線相交的方法找出交點(diǎn),得出大氣混合層高度的方法。

        2 數(shù)據(jù)和方法

        2.1 數(shù)據(jù)資料

        本文所用的數(shù)據(jù)主要來(lái)自俄亥俄大學(xué)的青島地區(qū)大氣探空數(shù)據(jù)和地面的08時(shí)開(kāi)始到17時(shí)的地面溫度數(shù)據(jù),探空數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是從2003年3月到2010年12月,為每日00 時(shí)和12 時(shí)的探空數(shù)據(jù)。包括從地面到高空各規(guī)定層的氣壓、溫度、露點(diǎn)溫度等資料數(shù)據(jù),絕大多數(shù)天數(shù)中有20層以上。另外,還利用到部分NCEP數(shù)據(jù),本文所用的數(shù)據(jù)范圍為維度:37°07′~41°0′N,經(jīng)度:117°35′~121°10′E,為中國(guó)山東青島附近海域的數(shù)據(jù)。主要是描述2007年相關(guān)逐月的實(shí)測(cè)海溫?cái)?shù)據(jù),以及海氣感熱通量和海氣潛熱通量的數(shù)據(jù)資料。

        2.2 利用干絕熱方法計(jì)算大氣混合層高度

        干絕熱曲線法是由Holzworth[8]于20世紀(jì)60年代在研究美國(guó)多個(gè)地區(qū)日平均最大混合層高度時(shí)提出的。此方法主要考慮了熱力湍流效應(yīng),而相應(yīng)的忽略了平流,下沉及機(jī)械湍流的影響。平均混合層高度由清晨08時(shí)的溫度廓線和地面最高、最低溫度而定。該方法主要突出了熱浮力是白天邊界層主要的驅(qū)動(dòng)力的特點(diǎn),天氣晴好時(shí)相對(duì)準(zhǔn)確,陰雨時(shí)準(zhǔn)確度有所降低,在有地區(qū)探空數(shù)據(jù)和地面氣溫資料時(shí),干絕熱方法是一種比較準(zhǔn)確和方便的方法。針對(duì)干絕熱方法,有具體的兩種如下作法:

        1)圖解計(jì)算法

        利用清晨08時(shí)氣溫探空資料,?,攬D上畫(huà)出08時(shí)氣溫廓線,在?,攬D上得到溫度廓線與曲線的交點(diǎn),取當(dāng)天最高溫度,一般是14時(shí)的地面氣溫作干絕熱曲線,廓線與曲線的交點(diǎn),讀取下墊面和交點(diǎn)處的氣壓值,采用圖解等面積法,求得該層平均氣溫t,用等溫大氣的壓高公式,由氣壓值計(jì)算混合層高度H,單位是m:

        式中R為干空氣比氣體常數(shù),g為重力加速度,P0為地面大氣壓,hpa;PH為H高度的 大氣壓,hpa;為下墊面至H高度的層內(nèi)平均氣溫(K);H為大氣混合層高度。

        2)圖解概算法

        在埃瑪圖上讀取下墊面和交點(diǎn)出的氣壓值,在邊界層內(nèi),自地面每升高100m,大氣壓平均降低12.4hpa,則大氣混合層高度H可按下式計(jì)算:

        嚴(yán)格地說(shuō),大氣壓隨高度增加是按指數(shù)規(guī)律減少的。因此,這一計(jì)算結(jié)果只是接近真值。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 青島大氣混合層高度的變化規(guī)律

        以下分別分析了由2003~2010年每月和每季度的青島大氣混合層平均高度的統(tǒng)計(jì),由于2007年平均氣溫高達(dá)13.8℃,是1899年以來(lái)年平均氣溫最高的兩年之一。所以選取2007年進(jìn)行分析,可以對(duì)其特殊性和其他年份的一般性做出比對(duì)。

        圖1 2003年青島地區(qū)大氣混合層月平均高度

        由圖1可知,青島地區(qū)的混合層高度大致在500m~1000m 之間波動(dòng)。在夏季(6、7月)最低,秋冬季時(shí)最高(11月),整體趨勢(shì)呈現(xiàn)由夏季到秋冬季的增長(zhǎng)和秋冬季到春季的降低。在8年的時(shí)間內(nèi)混合層頂平均位于1000m 左右。

        圖2 2003~2010年青島地區(qū)大氣混合層季平均高度

        由圖2可知,在夏季時(shí)混合層高度最低,平均降到了550m 左右,在夏季和秋季之間有一個(gè)陡增,在秋季時(shí)混合層頂最高達(dá)到了900m 以上的高度,在秋冬季混合層高度要比在春夏季時(shí)混合層高度要高。

        圖3 2007年與2003年~2010年混合層高度的月平均

        圖4 2007年與2003年~2010年混合層高度逐季度平均

        由圖3可知,2007年青島地區(qū)的混合層高度大致處于400m~1200m 之間的波動(dòng)。在夏季(6、7月)最低,春秋季時(shí)最高,呈雙峰凸顯。整體趨勢(shì)呈現(xiàn)由夏季到秋冬季的增長(zhǎng)和秋冬季到春季的降低。尤其是在夏季(5、6月)時(shí)會(huì)有一陡降。相較2003~2010年時(shí)在3月時(shí)較往年混合層高度有較大差值,在4、5月時(shí)比往年稍高,在8~10月相比往年要少。

        由圖4可知,2007年的混合層高度在夏季時(shí)最低,平均降到了500m 以下,在秋季時(shí)混合層頂最高達(dá)到了接近900m 的高度,在春季和冬季都維持在一個(gè)比較高的程度,在春秋季2007年青島地區(qū)的大氣混合層高度與往年基本持平,在夏季時(shí)比8年平均的高度要低50m 左右,在冬季則要稍高一些。

        由以上干絕熱法得到的結(jié)果,與吳祖常等[9]在1998年得到的結(jié)果較為一致,其中,若為內(nèi)陸臺(tái)站,則大氣混合層高度通常秋冬季時(shí)為最低,在夏季為最高;而沿海臺(tái)站則大相徑庭,大氣混合層高度通常夏季最低,在秋冬季最高。

        表1 混合層高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        表1顯示的數(shù)據(jù),比較了青島、大連、臺(tái)州三個(gè)地區(qū)的混合層高度,混合層高度均在夏季的6月最小,青島:729m;大連:628m;臺(tái)州:509m;混合層高度均在秋季的9月、11月最大,青島:1081m;大連:1207m;臺(tái)州:1042m。

        表2 混合層高度,單位(m)

        3.2 青島大氣混合層高度隨季節(jié)變化的原因分析

        在大氣混合層高度發(fā)展的過(guò)程中,影響因子有很多,如大氣穩(wěn)定度、天氣系統(tǒng)、海陸相互作用等。本文僅就海陸相互作用對(duì)大氣混合層高度的影響進(jìn)行分析。

        由上表2,內(nèi)陸臺(tái)站中,大氣混合層高度在秋季,要低于春季。表2中所列舉的北京、濟(jì)南、太原等地的混合層高度均為春夏季節(jié)高于冬季,而上海則是夏季最低、秋季最高,這充分地體現(xiàn)出了沿海城市與內(nèi)陸城市的地理差異,由于海陸熱力差異而引起的大氣混合層高度變化規(guī)律的不同。

        圖5 海氣溫差月平均

        大連和青島都屬于沿海的城市,這里將它們放在一起進(jìn)行比較,在影響混合層高度發(fā)展的因素中,浮力對(duì)流、機(jī)械剪切是產(chǎn)生混合能的主要驅(qū)動(dòng)力。而機(jī)械剪切在這里不作為重點(diǎn)考慮,因?yàn)樵诒疚闹兄饕紤]熱力作用的影響。

        浮力對(duì)流的成因包括溫暖下墊面的熱傳遞及云頂?shù)妮椛淅鋮s,而大氣層結(jié)的穩(wěn)定度同樣是決定混合層厚度的影響因子,例如平流、下沉等原因形成的逆溫層,是典型的抑制下墊面湍流發(fā)展的穩(wěn)定層結(jié),Stull[10]指出,大氣越不穩(wěn)定,水平和垂直湍流交換越強(qiáng),混合層厚度越大;而在大氣層結(jié)為穩(wěn)定的條件下,湍流得不到發(fā)展,能達(dá)到的高度低,混合層厚度就小。

        所以可以由青島地區(qū)的海氣溫差,來(lái)對(duì)下墊面是否穩(wěn)定,穩(wěn)定程度如何進(jìn)行判斷,從而進(jìn)一步判斷混合層高度的變化。如圖5所示,春、夏季節(jié)海溫等于或小于氣溫,形成相對(duì)穩(wěn)定的下墊面,所以在春夏季節(jié)時(shí),青島的大氣混合層高度較低;冬季則相反,海溫要高于氣溫,形成不穩(wěn)定的下墊面,在這種情況下,有利于熱力湍流的強(qiáng)度和發(fā)展發(fā)生,從而秋冬季的混合層高度在全年中處于最高的時(shí)期。

        圖6 2007年感熱通量的月平均變化

        圖7 2007年潛熱通量的月平均變化

        另外,從熱浮力通量的角度來(lái)看,熱浮力通量分布如圖6、圖7所示,兩個(gè)臺(tái)站對(duì)應(yīng)位置的感熱和潛熱通量的季節(jié)變化與混合層高度的季節(jié)變化相似,呈春、夏季節(jié)低、秋冬季節(jié)高的分布特征。也就是說(shuō),在秋、冬季熱浮力通量要大于春夏季,這與內(nèi)陸臺(tái)站的季節(jié)分布情況相反,是青島等沿海臺(tái)站邊界層高度季節(jié)變化區(qū)別于內(nèi)陸臺(tái)站的主要原因。

        4 結(jié)語(yǔ)

        1)作為沿海城市,青島大氣混合層的季節(jié)性變化特征為:在春夏季時(shí)青島地區(qū)大氣混合層高度低,在秋冬季青島地區(qū)大氣混合層高度高。

        2)春、夏季海溫等于或小于氣溫,形成相對(duì)穩(wěn)定的下墊面,所以在春夏季時(shí),混合層高度較低;冬季則相反,海溫要高于氣溫,形成不穩(wěn)定的下墊面,在這種情況下,有利于熱力湍流的強(qiáng)度發(fā)展,從而秋冬季的混合層高度在全年中處于最高的時(shí)期。并且從熱浮力通量的分布可以看出,青島的感熱和潛熱通量的季節(jié)變化與混合層高度的季節(jié)變化相似,呈春、夏季低、秋冬季高的分布特征。也就是說(shuō),在秋、冬季熱浮力通量要大于春夏季,更進(jìn)一步證明春夏季的混合層高度要低于秋冬季。

        3)從海陸相互影響的角度出發(fā),由于在不同的季節(jié)海洋和陸地會(huì)有相反的海洋溫差,以及風(fēng)速和風(fēng)向的季節(jié)性變化,從而海洋和陸地會(huì)有相反的感熱通量和潛熱通量的季節(jié)性變化,這也是沿海地區(qū)(如青島)和內(nèi)陸地區(qū)(如太原)的大氣混合層高度的季節(jié)性變化相反的原因。

        [1]R.B斯塔爾.邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論[M].青島:青島海洋大學(xué)出版社,1991:2-3.

        [2]廖國(guó)蓮.大氣混合層厚度的計(jì)算方法及影響因子[J].中山大學(xué)研究院學(xué)刊,2005,26(4):67-68.

        [3]劉北平.確定大氣混合層高度方法的研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,1990,3(1):8-12.

        [4]徐金輝,李薇.大氣混合層高度測(cè)定方法介紹[J].氣象教育與科技,1994(1):6-9.

        [5]程水源,張寶寧,白天雄,等.北京地區(qū)大氣混合層高度的研究及氣象特征[J].環(huán)境科學(xué)叢刊,1991,13(4):76-80.

        [6]史寶忠,鄭方威,曹國(guó)良.對(duì)大氣混合層高度確定方法的比較分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),1997,29(2):138-141.

        [7]Gamo.M,Yokoyama.O.Growth Of the mixing depth and turbulence characteristics In the mixing layer[J].Soc.Japan,1979,57:159-171.

        [8]A.J.Garrett.Comparisons of Observed Mixed Layer Depth to Model Estimates Using observed Temperatures and Winds and MOS Forecasts[J].Applied Meteorology,1981,20(12):77-83.

        [9]吳祖常,董保群.我國(guó)陸域大氣最大混合層厚度的地理分布與季節(jié)變化[J].科技通報(bào),1998,14(3):159-160.

        [10]Stull R.B.Mixed layer depth model based on turbulent energetics[J].Atmospherical Science,1976,33(12):68-78.

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