第5章 城市混合层高度的确定.doc

第5章 城市混合层高度模式 城市混合层是指靠近城市下垫面的一部分大气在这一层大气中，通过城市下垫面热力和动力的湍流混合作用，对气象要素的演变和污染物质的迁移转化发生直接的影响在空气质量模式中，都把混合层的顶部当成污染物质的反射面也就是说，如果把混合层当成容纳污染物质的箱子的高度，混合层顶就是箱子的盖因此，混合层结构及其发展的理论预测模式的研究，对于城市边界层气候和污染气象的研究具有重要意义特别是对于了解一个城市地区的大气容量和自净能力也是十分重要的 图5.1 城市边界层的分层示意图 在城市建筑物顶以下至地面这一层称为—城市覆盖层（Urban canopy layer,简称UCL）它受人类活动的影响最大它与建筑物的密度、高度、几何形状、外表面涂料、颜色、街道宽度和朝向、路面铺砌材料、不透水面积、绿化面积、建筑材料、空气中污染物浓度以及人为热和人为水汽的排放量等关系甚大，属于小尺度气候其中还可分为：建筑气候、街道峡谷气候（urban canyon, 由一条街道和两旁建筑物墙壁所组成）、住宅区气候、商业区气侯，工业区气候，等等由建筑物顶向上到积云中部高度，这一层可称为城市边界层（urban boundary layer,简称 UBL），它受城市周围局地环境、城市大气质量（污染为性质及其浓度）、城市建筑物结构、布局、高度、下垫面热力、和动力影响，在这一层中湍流混合作用显著，与城市覆盖层间存在着物质、能量的交换，并受城市地形、四周环境及区域和局地气候（区域气候因子）的影响，属中尺度气候。

在城市的下风方向还有一个“城市尾羽层”，也可称为“城市尾烟气层”（urban plume）这一层中的气流、污染物、云、雾、降水和气温等都受城市下垫面及边界层的影响在“城市尾羽层”之下为“乡村边界层”（rural boundary layer,简称 RBL）Oke(1980)曾根据大量资料[8]综合分析指出：在不同风速下，城市对下风方向的影响可达30km，最大时可达到100km以上但在区域静风条件下，城市又有显著的热岛环流时，城区出现穹隆形尘盖（urban dome）这时，城市尾羽层就不存在了，见图5.2所示 图5.2 静风时城市大气尘盖示意图 城市大气边界层的上限高度因天气条件而异，白天与夜晚不同在中纬度大城市，晴天常见的情况是白天可达到1000—1500m，而夜晚只有200—250m左右；静风时夜晚城市尘盖顶高度有时只有100—200m之间5.1 城市大气混合层发展的物理机制 在城市地区晴朗、小风的白天，太阳辐射能加热城市下垫面与人为热一起所提供的能量，以感热通量形式驱动城市大气边界层中对流单体的发展，形成具有一定特色的边界层结构，并具有其独特的演变过程，这种受浮力支配的混合层称之为热边界层或对流边界层。

对流边界层可分为三层，即底部的近地面层，中部的混合层和上部的夹卷层 近地面层的特点是存在着超绝热递减率、湿度随高度减小，大的风速切变，边界层通量特征遵循M-O相似理论 在混合层由于不稳定下垫面的浮力驱动作用，导致地面向上热通量制约着混合层的发展整个混合层内的热力湍流十分活跃，产生强烈的混合作用，由于强烈的混合作用使位温、湿度、风速随高度变化很小，污染物质得到充分混合和扩散由于城市与郊区热力状况存在着明显的差异，不同性质地表的加热作用使市区与郊区的混合层高度不同，在地表受热强烈的地区，如市中心或能耗大的工业区，混合层高度高，地表受热较弱的地区混合层高度低，如果有平流作用，这种差异将由市中心向下风向移动下图为城市区域混合层的发展过程 图5.3 城市混合层的发展过程在夹卷层D内，位温是不连续的，跃变值为，在高度下面，湍流热通量假设随高度呈线性减小，并在边界层上部变为负值在以上，是稳定层结，，在在以下为混合层， 在没有大尺度系统平流作用时，城市地区大气边界层的形成机制主要受城市下垫面热力和动力影响其发展机制可分为五个阶段[1] 阶段I：日出前，在城市下垫面热力、动力作用下，混合层很浅，一般为几十米到200米左右，当地面上近地层是一层由于夜间地面长波辐射冷却而形成的接地逆温层时混合层不存在。

由于城市热岛效应，接地逆温在城市中心要比近郊和远郊弱的多，有时甚至不存在日出后，太阳辐射加热地面，产生向上的感热通量输送，并开始形成热力对流使湍流运动增强，接地逆温层自下而上逐渐被侵蚀破坏但在边界层发展的初期，对流比较弱，对流和地面机械湍流影响高度较低，使上部的稳定层还未受到地面热力的影响 阶段II：上午的过渡时期或自由对流时期这时低层大气感热通量继续增大，对流逐渐占主导地位，充分的混合使对流泡迅速增长，并开始侵蚀到上部稳定层这时对流边界层的增长速度最大可达每秒20厘米由于充分的混合作用，使边界层内部位温、风速和湿度等要素的垂直分布趋于上下一致同时由于上边界的卷夹更加明显，混合层高度得以迅速增加午后时分，地面热通量达到最大时，混合层也将发展到最大高度夏季可达到1-2公里，冬季由于地面热通量较弱，其混合层的发展较为缓慢和浅薄 阶段III：其特点是上层逆温（或稳定层）底部的卷入过程这时边界层的增长率相对阶段II要小得多但边界层的界面上湍流活动仍然很活跃，产生净的向下的热通量边界层发展过程中，上边界的夹卷发生在充分混合层与上部逆温层之间的过渡区，我们称为夹卷层这是由于上部非湍流的、风速较大（动力剪切）和温度较高的空气进入的混合层，一方面使混合层升高，同时也产生了向下的感热通量和动量通量。

这种夹卷通量与地面输入的能量一起，决定着混合层中温度、风速及其它湍流量的变化 阶段IV：地面热通量减少，，夹卷过程停止，湍流消退这时边界层中的位温分布接近中性层结 阶段V：日落之后，地面长波辐射冷却，地面热通量为负值<0，接地逆温开始发展 对流边界层的发展显然与下垫面热力状况有关，由地面向上的湍流热通量直接控制着边界层的发展在地面湍流热通量增长阶段，对流边界层高度增长迅速当地面湍流热通量达到最大之后，其增长速度即减慢，直至不变日落前1小时左右，整层湍流热通量变化为负值 根据Deardorff(1972)[2]等人的研究，当大气稳定度参数/L<-5时，边界层便处于充分混合状态其中L为Monin-Obukhov长度对于一般的对流天气，这一条件是较容易满足的，假定|L|大到40米，也只须在200米以上，因此，除近地面很薄的超绝热层外，对流边界层一天中总是处于较好的对流混合状态，在污染气象学中统称“混合层” 由于城市下垫面大气运动的复杂性，混合层在一天中的演变是受多种因素影响典型的对流天气，混合层主要受地面感热通量和上部逆温层所支配热通量愈强，上层逆温愈弱，则对流和夹卷愈强，混合层发展愈快另外，上层空气的大尺度沉降作用会在一定程度上抵消由于夹卷引起的混合层的抬升。

地面动力扰动在一定条件下对混合层的发展也有影响5.2 对流边界层高度的预报模式 在白天，由于太阳辐射，下垫面产生热力对流泡，向边界层中输送能量使从近地面层顶至边界层顶中的温度充分混合该层中位温几乎不随高度变化（），可用一个平均值表示在边界层顶部，位温有一跃变，而在其上面则是未受扰动的自由大气，递增率为G，从地面层开始湍流热通量随高度线性降低，而且在混合层顶以下为正值>0,在混合层顶的D区域内由于夹卷效应，湍流热通量出现负值<0，并且，位温和感热通量出现不连续模式可分为考虑和不考虑夹卷层的几何厚度Dh两种边界层模型在对流边界层模型中的位温廓线和感热通量廓线中，z1为对流边界层顶，z2以上是未被对流边界层发展所影响的自由大气，z1、z2之间是一个界面层，即下部混合对流层与上部稳定层之间相互夹卷作用的区域，在该区域中，位温和感热通量由混合对流层经过夹卷层到上部逆温层呈现为不连续变化D为夹卷层厚度Dq为通量夹卷层的位温差为相应于感热通量的最小高度zs为近地面层高度，zs以下为地面超绝热层 与混合层高度比较，我们可以忽略夹卷层的几何厚度（但在研究夹卷层对混合层影响的微观结构时就不应忽略其厚度），并且，忽略地面超绝热层的厚度及影响，把整个混合层理想化为充分对流混合的等位温分布，可由一平均位温qM表示，则感热通量随高度相应线性递减，在混合层顶部与上部稳定层之间存在位温和感热通量跃变Dq、的不连续界面。

我们忽略地面应力、平流热输送及边界层顶下沉等因素，从混合层增长过程中的热力学关系来寻找混合层高度变化的规律[2] 最早的对流边界层高度的预报方程，没有考虑位温的跃变对边界层的影响[3] (5.1)其中wz为天气尺度大气运动引起的处的垂直运动速度；上部逆温层的温度递减率 如果不考虑天气尺度大气运动和平流作用而只考虑位温的跃变影响，则有 (5.2) 由混合层顶热量平衡得混合层抬高带进混合层顶的热量应等于混合层顶夹卷向下的热量，故 (5.3)由于混合层加热使减少的速率是，即混合层内位温的增加速率另一方面，由于混合层增高而使增加的速率是，G是未受扰动稳定大气的位温随高度的递增率，所以，Dq的净变化率是 (5.4) 由对流边界层中的热量守恒方程可知，平均位温的变化是由进入边界层的湍流热通量支配的，即 (5.5)式中分别为地面层和边界层顶的感热通量。

这里已用了感热通量随高度线性减小的假设由（5.5）代入（5.4）式得： (5.6)混合层顶夹卷使位温跃变强度增大或减小，为了解出,还应知道混合层顶的卷入率的值，一般采用容易计算和测量的地面层感热通量的关系来闭合方程，求解，即 (5.7)a称为夹卷率，其值约为0.2[3] 另外，混合层高度随时间的变化与夹卷速度we、下沉速度wL及跃变温度Dq有关，它们的关系为： (5.8) (5.9)式中Dq为穿过混合层顶部夹卷层的跃变温度，将随着混合层变暖而减弱，随着夹卷向上吞并暖空气而增强，所以（5.4）式可写成[4] (5.10)由于强覆盖逆温层抑制夹卷，强地面湍流热通量则加强夹卷所以类似于（5.9）式代入（5.7）式，求得夹卷速度是： (5.11)混合层顶的下沉速度很难测量。

但如果已知混合层中散度为高度的函数，那么利用下式可以估计h处的平均垂直速度： (5.12)一般采用下式计算 。