大气稳定度

　　大气稳定度，是叠加在大气背景场上的扰动能否随时间增强的量度。也指空中某大气团由于与周围空气存在密度、温度和流速等的强度差而产生的浮力使其产生加速度而上升或下降的程度。大气抑制空气垂直运动的能力，称为大气稳定度。

大气稳定度概念

　　大气稳定度表示空气是否安于原在的大气层，是否易于发生垂直运动，即是否易于发生对流。许多天气现象的发生，都和大气稳定度有关，也直接影响空中飞行的安全。假如有一团空气受到对流冲击力的作用，产生了向上或向下的运动，那么就可能出现三种情况：

　　如果空气团受力移动后逐渐减速，并有返回原来高度的趋势，这时的大气层，对于该空气团而言是稳定的;

　　如果空气团一离开原位就逐渐加速运动，并有远离起始高度的趋势，这时的大气层，对于该空气团而言是不稳定的;

　　如果空气团被推到某一高度后，既不加速也不减速，这时的大气层，对于该空气团而言是中性的。

　　大气稳定度与该空气团与四周大气的气压、温度和密度有关。这一大气层是否稳定，实际上就是某一运动的空气团比周围空气是轻还是重的问题。比周围空气重，倾向于下降;比周围空气轻，倾向于上升;和周围空气团一样轻重，既不倾向于下降也不倾向于上升。空气团的轻重，取决于气压和气温，在气压相同的情况下，空气团的轻重问题，实际上就是空气团与周围大气的气温差问题。

大气稳定度的判断

　　大气是否稳定，通常用周围空气的温度垂直递减率(y)与运动空气团的温度垂直递减率(yd)的对比来判断。

　　如图，设A、B、C为三团均未饱和的空气，其位置都在离地200m的高度上，在做升降运动时，其温度垂直递减率(yd)假定为1℃/100m，而周围空气的温度垂直递减率(y)分别为0.8℃/100m、1℃/100m、1.2℃/100m，则可以有三种不同的大气稳定度：

　　A团空气受到外力作用后，如果上升到300m高度(图左列实矢线所示)，则本身的温度(11℃)低于周围空气的温度(11.2℃)，它向上的速度就要减小，并有返回原来高度的趋势(虚矢线所示);如果它下降到100m高度，其本身的温度(13℃)高于周围空气的温度(12.8℃)它向下的速度就要减小，也有返回原来高度的趋势。因此，当y<yd时，大气处于稳定状态。

　　B团空气受到外力作用后，不管上升或下降，其本身的温度均与周围空气的温度相等，它的加速度等于零。因此，当y=yd时，大气处于中性平衡状态。

　　C团空气受到外力作用后，如果上升到300m高度，其本身的温度(11℃)高于周围空气的温度(10.8℃)空气团要加速上升;如果下降到100m高度，其本身的温度(13℃)低于周围空气的温度(13.2℃)空气团要加速下降。因此，当y>yd时，大气处于不稳定状态。

大气稳定度分类方法(常规气象资料)

　　1、Pasquill法

　　Pasquill法(PL)主要根据常规观测的太阳辐射、云量和地面风速等资料将大气稳定度分为极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定和稳定六个级别，分别用字母A、B、C、D、E和F类表示。

　　通过内插值还可进一步细分为A～B、B～C、C～D、D～E和E～F类。PL法中的日间太阳辐射状况简单分为强、中、弱三级。日落前一小时至日出后一小时定义为夜间;同时不论天空云量多少，将日出后及日落前一小时的稳定度级别均定为D类。

　　这些基本量的确定逐渐成为后来分类的基础。由于PL法只需要常规气象资料，简便实用，因此被广泛使用;但该方法只粗略考虑了热力和动力两方面因素对稳定度的影响;对于平坦开阔农村地区适用性比较强，而对于城市、水面、荒漠等特殊下垫面地区只能半定量地划分稳定度级别。

　　2、Pasquill-Turner法

　　Pasquill-Turner法(P-T法)是指Pasquill提出，经Turner进一步修正的方法。Turner首先根据太阳高度角给出了日照级数，然后根据天空云量状况对日照级数订正，得出净辐射指数，最后结合地面10 m风速给出稳定度类别。

　　Turner当初用1、2、3、4、5、6、7级分别对应Pasquill法的A、B、C、D、D～E、E、F类。这两种方法基本原理相同，只是P-T法更准确。P-T法只要有太阳高度角、云高、云量和地面风速的观测资料，就能客观地给出稳定度分类级别，既简单易行又基本合理，所以至今它仍是实际工作中最为常用的方法。

　　3、P·S法

　　P·S法是指经原国家环保局修订的Pasquil1分类法。它起始于20世纪70年代，我国在环境保护研究实践中，结合国情作了修订，并将其作为国家标准《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T 3840-91)规范使用，是我国广泛使用的稳定度分类法，对于平原有较好的适用性。

　　P·S法大气稳定度等级的划分是使用Pasquill法划分标准，分别由A、B、C、D、E和F表示强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定级别。

　　4、城市稳定度分类法

　　城市稳定度分类法(LD)是Ludwig和Dabberdt基于Pasquill-Turner工作上提出的城市(含城郊)稳定度分类法。该方法的要点主要是先由云量和太阳高度角求日照参数(φ)，其中，0≤φ≤1，大小代表日照强度，分为强日照(φ>0.55)、中等日照(0.3≤φ≤0.55)和弱日照(φ<0.3)三种。求得φ后，再根据风速、太阳高度角、云量等确定稳定度级别。

大气稳定度分类方法(特殊气象资料)

　　1、梯度资料分类法

　　(1)温度梯度法：温度梯度法或称温差法(ΔT/ΔZ)是指用两层大气间铅直方向的温度梯度来表示水平和垂直方向上的湍流状态。

　　温差法是美国田纳西河流域管理局发现的，随后国际原子能机构在1980年推出其判据。该判据推出后不久即被中科院大气所采用。长期的大量实践研究表明，温度梯度法适用于判断稳定大气层结，不适合用在高架源排放和不稳定状态层结分类。

　　(2)温度梯度-风速法：温度梯度-风速法是综合考虑温度梯度和风速的方法。该方法在温度梯度法的基础上根据地面风速的不同又增加划分六大类，稳定度分类更加详细。由于此方法同时考虑了大气湍流热力和动力两方面的影响因子，所以总体上较之仅以温度梯度作判断的方法要好。

　　(3)风速比法：大气湍流扩散能力与风速密切相关。风速比(UR)为上下两层风速的比值。UR法参照Pasquill稳定度分类规则，根据两层风速比值大小分为6个类别。UR值是根据Businger表达式计算的，为一种经验数据，适用于风速大、稳定级别高的大气稳定状态判定。

　　(4)理查逊数法：理查逊数(Ri)是1920年Richardson为了表征大气稳定度而根据能量收支方程引入的，是一个无量纲参数。

　　Ri综合了湍流激发的热力因子和动力因子的作用，反应了更多的湍流状况信息，因此Ri法判断大气稳定度较准确。其判据国内一般采用中科院大气所1980年推荐使用的标准。由于Ri法对风速、温度梯度资料的精度要求高，对风速反应尤为敏感，有高精度铁塔风温观测资料时计算结果较准确，但现实中普遍缺乏铁塔观测资料，所以在实际应用中很少。

　　(5)总体理查逊数：由于Ri式中风速差处于分母位置，任何微小的风速测量误差将会导致Ri计算结果巨大的偏差，因此为了避免精确测量风速值难以获得的困难，常用总体理查逊数(BRi)来表征。

　　BRi的计算采用上下连续两个高度层风速和高度的几何平均值来表示，得出的结果为两高度的平均几何高度的BRi值。目前BRi法还没有相对统一的划分大气稳定度标准，大多采用D.Golder、Irwin和Houghton等提出的分类标准。

　　2、湍流资料分类法

　　(1)风向脉动标准差法：风和湍流是大气扩散能力大小的决定因子，可见风向脉动标准差δA(水平)和δE(垂直)是一个直接表征大气湍流强弱的参量，与扩散参数关系密切，能够弥补常规气象资料划分稳定度的不足，作为大气稳定度的分类判据较准确。其分类判据一般采用美国国家环保局空气质量控制守则里推荐的标准，分为水平和垂直两个风向脉动标准差分类判据。

　　(2)莫宁-奥布霍夫长度法：莫宁-奥布霍夫长度(L)是又一个表征近地层湍流状态的指数，和Ri一样是一个无量纲参数。

　　L值可以由Ri或BRi对应的函数关系求出，其计算较为复杂，涉及摩擦速度、卡门常数、垂直湍流热通量和空气定压比热等参数，而这些参数的获得需要借助三维超声风速仪等特种仪器。与BRi法一样，L法稳定度分类标准主要有D.Golder、Irwin和Houghton提出的三种判据。