大气边界层的国内外研究现状

第27卷第2期2017年4月中国环境管理干部学院学报

JOURNAL OF EMCC

Vol.27 No.2

Apr. 2017

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

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)

摘要：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。

关键词：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

中图分类号：X51 文献标识码：A文章编号：1008-813X(2017)02-0022-04 Domestic and Abroad Research Status of Atmospheric Boundary Layer

Ning Zhiyuan,Liu Houfeng*

(Institute of Geography and Environment，Shandong Normal University，Jinan Shandong250014, China)

Abstract：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 slowly.(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.

Key words：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

收稿日期：2016-12-30

作者简介：宁志远（992-)，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。

2017年第2期宁志远刘厚凤大气边界层的国内外研究现状23

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 的非均勻下垫面，取得了较好的效果气然而近 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-T)+0.169P(U+0.257 V12fln(z/z。）式中：H为计算的平均混合层高度（m); (T-7)为露点差（°C); P为帕斯奎尔稳定度；U z为Z高度处所观测的平均风速（m/s); z。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）/s)，/=2审sinY;Y 为地理纬度，审为地球自转角速度。

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。

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