说说“污染气象学”（3）---- “静稳”和大气稳定状态

发生雾霾时，常听到新闻报道“静稳”气象条件是诱因。其实说法有毛病，问问网友：静是静了，稳吗？

“静”是说无风或微风，“稳”是指大气稳定状态。

举个例子：这几天冷空气下来了，气象报告会说“冷高压”天气系统控制。请问北京网友，有没有风小或无风的情况？冷高压系统控制时，低层大气气温垂直分布会呈“逆温”，即地面气温低于或等于上层气温。这时大气处于稳定状态，清早起来，如果北风不大，就可能会看到“大漠孤烟直”的景象。这才是又静又稳。当然湿度也很低，但也不能解释为什么这样的“静稳”条件没有引起PM2.5的高浓度！

我宁可说，12月上旬的华东严重雾霾是发生在“静-中性-混合层薄”的气象条件下。

记得前一阵网友的抱怨吗？今年秋天不像秋天，气温降不下来。其实是北方冷空气团比较弱，南边的热空气团顶着僵持。这时地面风速较小，出现“静”的状态，但垂直气温的分布，却可能出现“低空逆温”，即在几百米高处上面有层稳定的空气压着，污染物被限制在“只有几百米厚（引自美国NASA遥感12月7日华东地区雾霾的解释）”的混合层内。但是，在这几百米厚的混合层内，空气其实不是很稳定的，呈中性稳定状态的可能性大。即空气的混乱运动程度尚可，中等级别的大气湍流。持续几天，风小，污染物停留在原地和附近晃悠，被限制在薄混合层内积累，湿度又比较高，因此造成大范围持续的雾霾。

等到冷气团加强了，就会推动“冷锋”南下，甚至“北风怒号”~ 既不静也不稳了。北方被“吹出好天气”，上海是冷空气挟严重雾霾过境。先后进入冷高压，空气质量得到了改善。污染物哪里去了？一方面因为北风和一定程度的偏西风，累积在那里的污染物被“吹”向了南方和偏东方，最后去了海洋。当然冷锋阵面附近可能有降水区出现，“湿沉降”。像后来的12月16-17日。

“高压”对于气流特性来说，还意味着“辐散”。即当地地面气压较高，气流会向较低气压方向流动。因此继续排放的污染物，不容易再聚集起来，而是容易随北风南下，向更大范围扩散，“沉积”去了。

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“大漠孤烟直”是又静又稳，“夏日炎炎”是静而不稳，“北风怒号”是又不静又不稳。

在“说说‘污染气象学’（1）”中已经介绍过“风”，风指空气大尺度的水平运动。一般情况下，风受到大范围天气形势的控制，例如季风。但在大范围风速较小的情况下，当地地形可能造成区域、城市，或局部地区的“静”。明显例子是盆地地形（如四川），北京（西、北、东北有山），兰州、乌鲁木齐等城市。

大气稳定状态表征空气混乱运动（小尺度，大气湍流）的强度。大气湍流的强弱则由下层气温高低（夏日炎炎~热力学因素）和风速（北风怒号~动力学因素）决定。

因为太阳照射地面，以及地面生态系统的活动，一般情况下地面附近气温高于上层空气。根据理论分析，干空气在理想情况下，上升100米，会降温0.98度，称为“干绝热直减率(Dry Lapse Rate)”。实际空气里含有水汽，降温较少，约为0.65度。这样的降温规律在气象学里被用作判断大气稳定度的一种标准。气温垂直分布降温弱于、等于或强于这一标准的，相应大气层被认定为处于稳定、中性和不稳定状态。

“逆温（层）inversion”是一个重要的污染气象学名词。指在某一层空气内气温随高度不是减小，而是等同或增大，即向上降温弱于直减率标准。在逆温层内，大气处于强稳定状态。

空气运动主要是水平方向的（风），但在很不稳定的状态下，如夏日炎炎地面气温很高时，会发生上下的对流运动，同时促进地面附近污染物向上层空气混合或扩散。

大气湍流的强度由动力学及热力学两个因素决定。

动力学因素和流体力学中的湍流流动相同，来自于宏观流动（如风速U），和边界面的摩擦力（用摩擦速度u_*表征），代表性的判据称为雷诺数（Reynolds Number）Re = UL/n。其中L是流动的特征（代表性）尺度，这里可以是混合层（或边界层）厚度；n是空气的运动学粘性系数，可以查表得到。雷诺数实际上是宏观运动和地面附近粘性运动的尺度之比，因此雷诺数越大，流动越混乱，湍流强度就越大。风越大，越不稳定。

但是，空气运动还受热力学因素的促进或约束，即气温的垂直分布。夏日炎炎时，常常是微风或无风，也静，但水泥地面被晒得发烫，下层空气温度远高于上层，有时几乎可以看到路面上气流的垂直运动（对流）。这时大气湍流的强度很高，水平和垂直方向都有很强的扩散能力。

反之，冬日清晨，冰霜遍野，地面气温低于上层。这是处于“逆温”稳定状态。大气湍流微弱，烟流难以向四周和垂直方向扩散。如果没风，就可能发生“孤烟直”。“孤烟”指没有扩散，“直”是因为烟气温度较高，有浮力助它上升。如果烟气温度不高，就可能造成厨房四周乌烟瘴气了。

判别大气层热力学稳定状态的简单方法就是实际垂直降温率和中性值（Neutral - 上述100米降温0.98度或0.65度）的比较。

同时考虑动力学和热力学因素来判别大气稳定状态的参数有理查逊数和莫宁-奥布霍夫长度尺度。 

下次来说说“混合层”的问题。