说说“污染气象学”（4）---- 混合层厚度

冬季“混合层厚度”较薄，是气象部门解释秋冬季容易形成严重雾霾的重要因素之一。

“混合层(Mixing Layer)”是气象专业名词，顾名思义：（1）大气层内分有子层；（2）因为描述空气污染物，混合层必定紧靠地面；（3）混合层顶那里有个“盖”，因此地面附近污染物才被限制在混合层内经历输送过程。（4）冬季混合层厚度较薄，夏季较厚。

空气污染物被约束在“混合层”内输送扩散和历经各个大气过程。但在“说说污染气象学（2）”中，已经介绍，混合层顶不是刚性的，会随时间和地域变化，有部分烟气会“逃逸”离开混合层，进入“自由大气”。

混合层厚度变化可以导致污染物浓度发生明显变化：冬季常只有几百米的厚度，夏季可能达到2~3公里。也就是说不考虑别的条件时，类似数量的空气污染物，在垂直方向冬季有可能被约束在只有夏季几分之一的空间内，浓度自然要升高，何况冬季要采暖的地区会增加排放污染物呢。

大气层很厚，超过100公里。和我们生活工作直接相关的底层称为对流层（Troposphere）。对流层是因为地面的存在，太阳辐射造成地面气温通常高于上层空气，导致在垂直方向有对流运动而得名。对流层厚度在赤道附近最厚，两极最簿。我们在中纬度地区，约10公里厚。对流层的另一个特色是包含了大气中绝大部分的水物质。水的气、液、固三相在自然条件下的转换，大量吸收和释放热量，是对流层内有气候和气象变化的根本原因之一。对流层的上方是“平流层（Stratosphere）”，含义就是从那里向上空气流动基本上只是水平的了，因此我们坐飞机旅行，主要时间花在在万米左右高空，遥望脚下满目白色云朵。。。

因为动力学和热力学状态有所不同，对流层内还可以再分子层。

按照流体力学，空气运动受到地面粘性阻力的影响，形成“行星边界层（PBL- Planetary Boundary Layer）”。该层以上则称为“自由大气(Free Atmosphere)”。这里地面的影响主要指粘性，或摩擦阻力。形成的是“动力学”型的边界层，比较簿。上下风速差别大时，有湍流发生，垂直混合也会较强。

更重要的是“热力学”型的边界层。那是因为太阳辐射到地面，地面温度升得很高，导致垂直方向发生对流和湍流。热力边界层较厚，直至垂直方向混合可以忽略时，到达其顶部。常见其上层有“逆温层（Inversion）”，即气温度下面低上面高的空气层。逆温层内空气处于强稳定状态，湍流微弱，几乎没有垂直混合。空气污染物到达那里后就犹如被“上盖”了，因此形成混合层。如前所述，混合层在冬季常只有几百米的厚度，夏季则可能达到2~3公里。

在污染气象学中，不细分因为动力或热力学原因形成混合层的差别，只看重哪个对污染物的输送更为重要。多数情况下热力学混合层更为重要，例如常见“低空逆温”和“接地逆温”。

低空逆温指底面靠近地面的逆温，可以形成一个上盖，压住下面的混合层。这种情况在冷暖气流对峙时常有发生。在“说说污染气象学（3）”中说到“静是静了，稳吗？”，就指这种情况：“对峙”所以静风或微风，但此时混合层内稳定度常是“中性”，上面有低空逆温（强稳定气层）盖住，厚度只有几百米，因此造成严重污染。“热力学”混合层厚度由气温随高度的分布（温度廓线）确定。

接地逆温是指地面以上即为逆温。冬日冷高压下，凌晨寒冷，冰霜遍地，地面附近气温最低。如果还静风，就会有“大漠孤烟”（烟气很少扩散或混合）。但如果有寒风，就要考虑“动力学”混合层了，厚度由风速风向随高度的变化（风廓线）确定。

混合层厚度是决定空气污染物浓度高低的重要因素之一，但需要气温和风速风向随高度的变化数据来确定（探空数据），相当麻烦。常用估算方法包括Holzworth最大混合层厚度法、爱克曼螺线法（我国环保部推荐）、英国图形法和含湿度影响的Nozaki法等。

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请留意我2017年1月1日博文：增补有关混合层厚度变化的想法 

请查阅我2017年12月2日博文：评论今天科学网新闻“‘谜雾’追踪” （http://blog.sciencenet.cn/blog-609047-1087905.html）里面引用了一本英文书上的两张图，实测混合层和逆温层一目了然。