环境管理_气象条件对空气污染的影响

第二章气象条件对空气污染的影响 第二章气象条件对空气污染的影响 2 1大气边界层及其特征2 2风和湍流2 3气温与大气稳定度2 4辐射与云2 5天气形势2 6下垫面条件 2 1大气边界层及其特征 2 1 1大气边界层的基本概念大气边界层 Atmosphericboundarylayer ABL Planetaryboundarylayer PBL 对流层最底层 从地面至高度约为1 1 5km之间直接受地面影响的大气层 它响应地面作用的时间尺度为1小时或更短 2 1 2边界层气体的运动形式 平均风速 造成快速水平输送和平流的直接原因 波动 夜间长能观测到 主要输送动量和能量 输送少量的热量 湿度 污染物等标量 湍流 出现的频次非常高是边界层最显著的特征 2 1 3湍流输送 1 湍流的定义自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态 层流 laminarflow 平顺 光滑 清晰 没有掺混现象 湍流 turbulence 杂乱无章 看上去毫无规则 1 湍流的定义 湍流 turbulence 叠加在平均风速上的阵风 是由不规则的湍涡 eddy 组成 不同湍涡的相对强度构成湍流谱 2 湍流产生的原因 热力因素地面受太阳加热使表面空气变暖 成热泡上升 热泡就是大湍涡 机械因素地面对气流的摩擦曳力 使气流演变成湍流 水平和垂直风切变 3 湍流产生的能量来源及传递 湍流的能量传递湍流级串 Bigwhorlshavelittlewhorls Whichfeedontheirvelocity Andlittlewhorlshavelesserwhorls Andsoontoviscosity大涡用动能哺育小涡 小涡照此把儿女养活 能量沿代代旋涡传递 但终于耗散在粘滞里 L F 理查逊 1922 大涡旋套小涡旋 速度有增 小涡旋套微涡旋 粘滞乃生 污染物在大气中的扩散取决于湍流的发展 4 湍流特征 不规则性和随机性扩散性大雷诺数性质涡旋运动耗散性混沌特性 连续性流动属性记忆特性间歇性猝发与拟序结构 5 湍流的数学描述 1200 1300 1400 5 10 地方时 风速 m s 平均风速 6m s 风速波动在1m s 午后实测风速轨迹 平均风速 5 5m s 风速波动在0 5m s 平均风速 5m s 风速波动在0 5m s 平均值方差 标准差 CO2 H2O T 湍流变量的脉动部分 湍流方差 方差 标准差 方差的平方根 标准差与方差相比 优点在于具有原变量相同的量纲 湍流统计理论中常用标准差表示为湍流强度的变量 协方差 协方差表示A B两个变量之间共同关系的程度 雷诺平均 5 湍流的数学描述 湍流的强弱 脉动量的均方根 湍流强度 湍流耗散率 5 湍流的数学描述 热力因素 动力因素 理查逊数Ri 空气动力学粗糙度z0 切应力 垂直显热通量H 莫宁 奥布霍夫长度L 产生湍流的因素 2 1 4大气边界层结构 大气边界层又可分为近地边界层 surfaceboundarylayer 和埃克曼层 Ekmanboundarylayer 摩擦层 近地边界层又可分为近地面层 surfacelayer 和贴地层 直接受下垫面影响驱动力 气压梯度力 pressuregradientforce 湍流摩擦力 turbulentfrictionstress 大气运动 湍流运动 风向随高度几乎不变 风 温度等气象要素随高度迅速变化 驱动力 湍流粘性力 turbulentviscosityforce 气压梯度力 科里奥利力 coriolisforce 简称科氏力 大气运动 风速随高度明显变化 z 0 1Zi Zi 2 1 4大气边界层结构 大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作用而导致的强烈的日变化 在陆地高压区 边界层具有轮廓分明 周日循环发展的结构 这种结构的三个主要部分是大涡对流混合层 含有原先混合层空气的残留层 具有间隙性湍流的稳定边界层 对流边界层结构及其流场图象 引自Wyngaard 1990 稳定边界层结构及其流场图象 引自Wyngaard 1990 盖帽逆温上部稳定层结中的波动及下部大对流湍涡 湍流层较浅层内存在显著平均梯度 风速极值分布湍涡尺度小 伴随叠加重力波 2 2风和湍流 2 2 1风风 空气相对于地面的水平运动 有方向和大小 污染系数 2 2 2湍流 大气中的污染物在湍流涡旋的作用下散布开来 湍流运动的不规则性与随机性对污染物有输送和扩散稀释的作用 湍流 机械湍流 热力湍流 2 2 2湍流 无湍流 有湍流 分子扩散作用 湍流扩散 分子扩散作用 2 2 2湍流 湍涡小于烟团 湍涡大大超过烟团 湍涡尺度与烟团相当 2 3气温与大气稳定度 气温的垂直分布可以表征大气层结的稳定度 Atmosphericstability 在大气边界层中重要的温度概念 虚温 Tv Virtualtemperature 当气压不变时 与湿空气具有相同密度的干空气所对应的温度 位温 Potentialtemperature 气体从原有的压强与温度出发 以干绝热的形式膨胀或压缩到标准压强的温度 T 实测的温度e P 当时的水汽压 大气压 P0 基准大气压 如100kPa或地面气压 2 3气温与大气稳定度 虚位温 v Virtualpotentialtemperature 饱和空气 未饱和空气 r 非饱和气块的水汽混合比rsat 饱和气块的水汽混合比rL 液态水混合比 2 3气温与大气稳定度 大气稳定度的判断 气温垂直递减率 与干绝热递减率 d的比较 位温随高度的变化 z 理查逊数Ri 湍流热通量HT 特征温度T 莫宁 奥布霍夫长度L z L 判断近地面层稳定度的条件 2 3气温与大气稳定度 不同虚位温廓线下的非局部稳定度特征 Stull 1988 1999 提出了稳定度的非局地判断 FA 自由大气层ML 混合层RL 残留层SBL 稳定边界层SL 近地层SCL 云下层 不同时刻 大气边界层平均虚位温廓线 2 3气温与大气稳定度 2 3气温与大气稳定度 2 4辐射与云 太阳辐射是地球大气的主要能量来源 影响地面及大气的热状况 引起温度分布变化 导致空气污染物扩散的不同 云的存在减小气温随高度的变化 全球能量平衡示意图 2 5天气形势 不利于污染物扩散 有利于污染物扩散 反气旋Anti cyclone 气旋cyclone 天气系统影响着日或更长时间尺度污染物在底层大气的扩散 2 5天气形势 降水 降雪 雾等 2 6下垫面条件 城市热岛环流 2 6下垫面条件 山谷风白天 谷风夜间 山