第二章 气象条件等因素对空气污染的影响

1、第二章第二章 气象条件对空气污染的影响气象条件对空气污染的影响1. 1.大气垂直分层大气垂直分层对流层对流层平流层平流层中间层中间层热层热层大气边界层结构及其特征大气边界层结构及其特征对流层对流层l温度随高度的增加而降低，气温递减率温度随高度的增加而降低，气温递减率 为为6.5/km6.5/kml对流层中的垂直运动显著对流层中的垂直运动显著l集中了集中了80%80%的大气质量和几乎全部水汽的大气质量和几乎全部水汽l气象要素水平分布不均匀气象要素水平分布不均匀l云雾降水等都发生在此层云雾降水等都发生在此层平流层平流层l自对流层顶到自对流层顶到55km55km左右左右l25km25km以下温度递减

2、率接近零，以下温度递减率接近零，25km25km以上温以上温度随高度明显增加度随高度明显增加l平流层气流运动主要以水平运动为主平流层气流运动主要以水平运动为主l水汽极少，颗粒物极少，能见度极好水汽极少，颗粒物极少，能见度极好l大气污染物进入平流层后能长期存在大气污染物进入平流层后能长期存在中间层中间层l从平流层顶至从平流层顶至85km85km高度左右高度左右l层内温度随高度增加而下降层内温度随高度增加而下降l空气的垂直对流运动强空气的垂直对流运动强, ,故又称之为高空对故又称之为高空对流层或上对流层流层或上对流层热层热层l约至约至550km550km高度高度l温度随高度增加而上升温度随高度增加

3、而上升l带电粒子运动受地球磁场的作用明显带电粒子运动受地球磁场的作用明显l极光极光散逸层散逸层l随高度升高气温增加不显著随高度升高气温增加不显著l大气成分可以散逸到星际空间大气成分可以散逸到星际空间大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大约大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大约1212公里厚度，公里厚度，是大气与下垫面直接发生相互作用的层次是大气与下垫面直接发生相互作用的层次; ;是是人类生命和工程人类生命和工程活动的主要场所活动的主要场所; ;是是地表与大气之间物质和能量交换的通道地表与大气之间物质和能量交换的通道; ;是是空气污染和许多气象灾害的发生地。空气污染和许多气象灾害的发生地。

4、在这一层中，在这一层中，湍流交换湍流交换在大气的动量、热量、水汽及其他微量气体的平衡中起重要在大气的动量、热量、水汽及其他微量气体的平衡中起重要作用。作用。 10 km12 km对流层对流层平流层平流层边界层边界层大气边界层大气边界层大气边界层定义：大气边界层定义：大气边界层位于对流层的最底部，由于直接与地大气边界层位于对流层的最底部，由于直接与地面相贴而强烈受到面相贴而强烈受到分子粘性分子粘性、湍流摩擦湍流摩擦、辐射增辐射增热热、水汽交换水汽交换、物质扩散物质扩散各种交换作用和各种交换作用和地形的地形的影响影响，致使，致使湍流应力湍流应力成为重要因子而不可忽略，成为重要因子而不可忽略，与之相

5、联系形成与之相联系形成ABL/PBLABL/PBL。即直接受地面影响。即直接受地面影响的那部分对流层，它响应地面的作用时间尺度为的那部分对流层，它响应地面的作用时间尺度为1 1小时或者更短。小时或者更短。动量、热量、动量、热量、水分、物质交换水分、物质交换边界层顶边界层顶1 1）大气边界层垂直方向的概念化分层大气边界层垂直方向的概念化分层上部摩擦层上部摩擦层近地面层近地面层贴地层贴地层贴地层：贴地层：1m，分子粘性力占主要，分子粘性力占主要近地层：近地层：50100m，湍流应力超过分子粘性力，湍流应力超过分子粘性力上部摩擦层：科氏力、湍流应力、气压梯度力上部摩擦层：科氏力、湍流应力、气压梯度力

6、三力平衡三力平衡2 2）大气边界层主要特征）大气边界层主要特征l大气边界层的主要运动形态一般是大气边界层的主要运动形态一般是湍流湍流，大气，大气湍流运动的尺度非常广；湍流运动的尺度非常广；l大气边界层的另一个重要特征就是由于大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作热力作用用而导致的强烈的而导致的强烈的日变化；日变化；l由于地面摩擦的存在，大气运动是由于地面摩擦的存在，大气运动是非地转非地转的；的；l大气是大气是非均匀非均匀介质，大气密度随时间和空间变介质，大气密度随时间和空间变化，特别是铅直方向上大气密度不均一；化，特别是铅直方向上大气密度不均一；l水平尺度远大于垂直尺度，可视为水平尺度远大于

7、垂直尺度，可视为浅层流体。浅层流体。边界层和自由大气的特征比较边界层和自由大气的特征比较性质性质边界层边界层自由大气层自由大气层湍流湍流摩擦摩擦扩散扩散风速风速垂直输送垂直输送厚度厚度几乎整个高度都是无间断的几乎整个高度都是无间断的湍流湍流对地面曳力大，能量耗散大对地面曳力大，能量耗散大在水平和垂直方向湍流迅速在水平和垂直方向湍流迅速混合混合近地层接近对数风速廓线，近地层接近对数风速廓线，是次地转的，常有穿过等压是次地转的，常有穿过等压线的气流线的气流受湍流控制受湍流控制时空变化在时空变化在100m-3km之间，之间，陆地上空有周日振荡陆地上空有周日振荡水平范围很大的浅层有零散水平范围很大的浅

8、层有零散的晴空湍流的晴空湍流粘滞耗散小粘滞耗散小分子扩散少，往往由平均风分子扩散少，往往由平均风在水平方向迅速输送在水平方向迅速输送接近地转风接近地转风受平均风速和积云尺度控制受平均风速和积云尺度控制空间变化小，空间变化小，8-18km；时间；时间变化缓慢变化缓慢3) 3) 边界层结构日变化边界层结构日变化l白天：近地面层、混合层、夹卷层；白天：近地面层、混合层、夹卷层；l夜间：近地面层、稳定边界层、残夜间：近地面层、稳定边界层、残留层留层表面表面表面中午日落午夜中午日出稳定(夜间)边界层卷挟带残余卷挟云层自由大气盖顶逆温大涡对流混合层混合图 8.2.1 陆上高压区大气边界层由三部分组成：大涡

9、对流混合层；含有原先混合层空气的残余层；具有间隙性湍流的夜间稳定边界层。高度(m)200010000边界层的发展具有明显的日变化特点：（高压区、小风、无云条件）边界层的发展具有明显的日变化特点：（高压区、小风、无云条件）边界层结构的日变化边界层结构的日变化对流边界层，稳定边界层，中性边界层对流边界层，稳定边界层，中性边界层白天：对流边界层白天：对流边界层 近地面层、混合层、夹卷层近地面层、混合层、夹卷层 夜间：稳定边界层夜间：稳定边界层 近地面层、稳定边界层、残留层近地面层、稳定边界层、残留层强风（强风（12m/s12m/s）或阴天条件：中性边界层）或阴天条件：中性边界层不同时刻，大气边界层平

10、均虚位温廓线不同时刻，大气边界层平均虚位温廓线FA: FA: 自由大气层自由大气层ML: ML: 混合层混合层RL: RL: 残留层残留层SBL: SBL: 稳定边界层稳定边界层CL: CL: 云层云层SCL: SCL: 云下层云下层S720152015年冬季南京大气边界层平均虚位温廓线年冬季南京大气边界层平均虚位温廓线4) 4) 大气边界层内的流动形式大气边界层内的流动形式一般地，边界层内气流的流动形式有三种：平均场、湍一般地，边界层内气流的流动形式有三种：平均场、湍流场、波动场。流场、波动场。实际上，后两者是叠加在平均场上的。实际上，后两者是叠加在平均场上的。平均风：明显的日变化平均风：明

11、显的日变化 风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度 一般量级：水平风为米的量级一般量级：水平风为米的量级 垂直风为毫米垂直风为毫米- -米的量级米的量级波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见：波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见： 重力波、惯性波重力波、惯性波湍流：大气边界层的运动形态，剪切和不稳定特性等，湍流：大气边界层的运动形态，剪切和不稳定特性等， 湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起

12、伏和扰动。uuuu 大气边界层中的风廓线大气边界层中的风廓线中性层结条件下风速垂直中性层结条件下风速垂直分布（对数率风廓线）：分布（对数率风廓线）：0101lnlnlnlnZZZZUUzmzZZUU)/(11非中性层结条件下风速垂非中性层结条件下风速垂直分布（指数率风廓线）：直分布（指数率风廓线）：Z0：粗糙长度：粗糙长度(cm或或m)0m120152015年冬季南京大气边界层平均风速廓线年冬季南京大气边界层平均风速廓线8:0011:0014:0017:0020:0023:002:00 对流边界层结构及其流场图象。（引自对流边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard, 1990)Wynga

13、ard, 1990) 稳定边界层结构及其流场图象。（引自稳定边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard, 1990)Wyngaard, 1990)盖帽逆温盖帽逆温上部稳定层结中上部稳定层结中的波动及下部大的波动及下部大对流湍涡对流湍涡湍流层较浅湍流层较浅层内存在显著平层内存在显著平均梯度均梯度, ,风速极值风速极值分布分布湍涡尺度小湍涡尺度小, ,伴随伴随叠加重力波叠加重力波1 1 风和湍流风和湍流2 2 气温与大气稳定度气温与大气稳定度3 3 辐射与云辐射与云4 4 天气形势天气形势5 5 下垫面条件下垫面条件6 6 大气边界层结构及其特征大气边界层结构及其特征 影响大气污染物散布的主要

14、因子影响大气污染物散布的主要因子1 风和湍流风和湍流l风风：空气相对于地面的水平运动：空气相对于地面的水平运动 风速越大，单位时间污染物被输送距离越远，风速越大，单位时间污染物被输送距离越远，混入的空气量越多，污染物浓度越低。混入的空气量越多，污染物浓度越低。 水平搬运水平搬运，扩散稀释，扩散稀释l污染系数污染系数 污染系数风向频率污染系数风向频率/ /平均风速平均风速风频低，风速小，污染系数小，空气污染程度轻。风频低，风速小，污染系数小，空气污染程度轻。湍流：湍流：扩散稀释扩散稀释 自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态 层层 流流：平顺

15、、光滑、清晰，没有掺混现象：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象 湍湍 流流（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则湍流是如何发生的？湍流是如何发生的？ 层流失稳（剪切和热对流）层流失稳（剪切和热对流） 机械湍流、热力湍流机械湍流、热力湍流 雷雷 诺诺 ：在实验室模拟湍流：在实验室模拟湍流 雷诺数雷诺数 Re = U L / Re = U L / v v = =惯性力惯性力/ /粘滞力粘滞力= = U: U:平均流动速度；平均流动速度；L L：流动特征长度；：流动特征长度；v: v: 运动学粘滞系数运动学粘滞系数(cm(cm2 2/s)/s) 雷诺数小，意味着

16、流体流动时各质点间的雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力粘性力占主要地位，占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着雷诺数大，意味着惯性力惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数一般管道雷诺数ReRe20002000为层流状态，为层流状态，ReRe40004000为紊流状态，为紊流状态，ReRe2000200040004000为过渡状态。为过渡状态。22/LULU湍流稳定度参数梯度理查孙数湍流稳定度参数梯度理查孙数R Ri i 0 0 0：热力因子使湍

17、流减弱，动力因子使湍流增强，但是湍：热力因子使湍流减弱，动力因子使湍流增强，但是湍流最终是否发展，取决于流最终是否发展，取决于 的大小。的大小。R Ri i 临界值：临界值：1/21/41/21/4R Ri i 1/21/4 1/21/4 1/21/4 ：湍流不易发展。：湍流不易发展。2zuzgRizul湍流即叠加在平均风速上的阵风，可以看作是湍流即叠加在平均风速上的阵风，可以看作是由称之为湍涡的不规则涡流组成。一般来说，由称之为湍涡的不规则涡流组成。一般来说，湍流总是包括很多大小不同、相互叠加的湍涡，湍流总是包括很多大小不同、相互叠加的湍涡，这些不同尺度的湍涡的相对强度就定义为这些不同尺度的

18、湍涡的相对强度就定义为湍流湍流谱谱。l许多边界层湍流是由来自地面的作用引起的，许多边界层湍流是由来自地面的作用引起的，例如白天阳光充足，地面的例如白天阳光充足，地面的太阳加热太阳加热使空气使空气热热泡泡上升，这种热泡就是大湍涡。地面对气流的上升，这种热泡就是大湍涡。地面对气流的摩擦曳力摩擦曳力使使风切变风切变得到发展，常常演变成湍流。得到发展，常常演变成湍流。像树木和建筑物那样的像树木和建筑物那样的障碍物障碍物能改变气流方向，能改变气流方向，在障碍物附近和障碍物下风方向产生在障碍物附近和障碍物下风方向产生湍流尾流湍流尾流。湍流的定义湍流的定义l定义定义1 1 泰勒和冯泰勒和冯 卡曼：湍流是一种

19、卡曼：湍流是一种不规则的不规则的运动运动，当流体流过固体表面，或者甚至当相邻，当流体流过固体表面，或者甚至当相邻的同类流体相互流过或绕过时，一般会在流体的同类流体相互流过或绕过时，一般会在流体中出现这种不规则运动。中出现这种不规则运动。l定义定义2 2 欣茨：流体的湍流运动是一种不规则的欣茨：流体的湍流运动是一种不规则的流动状态，它的各种量随时间与空间坐标表现流动状态，它的各种量随时间与空间坐标表现出随机变化，因而能辨别出不同的统计平均值。出随机变化，因而能辨别出不同的统计平均值。 湍流至今没有严格的科学定义。湍流至今没有严格的科学定义。湍流的基本特征湍流的基本特征l1. 1. 随机性。随机性

20、。非规则的、混乱的、不可预测的。时非规则的、混乱的、不可预测的。时间和空间上的随机现象。间和空间上的随机现象。l2. 2.非线性非线性。湍流是高度非线性的。湍流是高度非线性的。ReRe或或RiRi数超过某数超过某临界值，流动中的小扰动就会自发地增长，并很临界值，流动中的小扰动就会自发地增长，并很快到一定的扰动幅度。快到一定的扰动幅度。l3. 3. 扩散性扩散性。强烈的扩散能力，大约是分子扩散能。强烈的扩散能力，大约是分子扩散能力的力的1010万倍。万倍。l4. 4. 耗散性耗散性。湍流的能量是由大湍涡向小湍涡传递，。湍流的能量是由大湍涡向小湍涡传递，最后通过分子粘性耗散称为热能。最后通过分子粘

21、性耗散称为热能。l5. 5. 涡旋性涡旋性。含有尺度分布极广的大小不同的涡旋，。含有尺度分布极广的大小不同的涡旋，这些涡旋直接有强烈的相互作用。这些涡旋直接有强烈的相互作用。分子扩散分子扩散0 形成对流、湍流发展，有利污染扩散，形成对流、湍流发展，有利污染扩散， 越大，对流越越大，对流越快，污染扩散越快；快，污染扩散越快；=0 等温层等温层，空气没有垂直运动，大气稳定，空气没有垂直运动，大气稳定0 逆温层逆温层，对流、湍流被抑制，污染极难扩散，对流、湍流被抑制，污染极难扩散 对流层平均对流层平均=0.65K/100ml干绝热递减率干绝热递减率（ d），），湿绝热递减率湿绝热递减率（ m） d=

22、0.98K/100m干绝热线干绝热线湿绝热线湿绝热线TlnPO大气稳定度大气稳定度l大气稳定度是指大气稳定度是指整层空气整层空气的的稳定程度稳定程度。它是用来描述环境。它是用来描述环境大气层结对于在其中作大气层结对于在其中作垂直运动垂直运动的气团起什么影响的一种的气团起什么影响的一种热力性质。热力性质。环境大气温度直减率（环境大气温度直减率（ ）与上升气块绝热减温率（）与上升气块绝热减温率（ d或或m）对比：）对比：（1） d时，大气层结不稳定。时，大气层结不稳定。TzzdTzzdTzzdd逆温逆温l辐射逆温：辐射逆温： 地表辐射冷却，形成逆温地表辐射冷却，形成逆温l下沉逆温：空气下沉压缩增温

23、形成逆温下沉逆温：空气下沉压缩增温形成逆温l平流逆温：暖空气平流到冷地面形成逆温平流逆温：暖空气平流到冷地面形成逆温逆温的类型逆温的类型TzTzTzTzTzAABCDCDBh2h1h2h1l地形逆温：局部地区地形造成的逆温地形逆温：局部地区地形造成的逆温l锋面逆温：锋面上形成的逆温锋面逆温：锋面上形成的逆温l湍流逆温：低层空气湍流混合形成逆温湍流逆温：低层空气湍流混合形成逆温Tzz1d原层结曲线原层结曲线z2逆温层逆温层混合层混合层混合后层结曲线混合后层结曲线逆温逆温扇形扇形熏烟形熏烟形环形环形圆锥形圆锥形屋脊形屋脊形不同温度层结下烟流形状不同温度层结下烟流形状3 辐射与云辐射与云不同的辐射条

24、件及云况不同的辐射条件及云况, ,稳定度情况不同稳定度情况不同. .辐射强：大气不稳定，有利于污染物扩辐射强：大气不稳定，有利于污染物扩散；散；辐射弱：大气稳定，形成逆温；不利于辐射弱：大气稳定，形成逆温；不利于污染物扩散；污染物扩散；云：反射太阳辐射，减小气温随高度变云：反射太阳辐射，减小气温随高度变化，大气层结趋于稳定。化，大气层结趋于稳定。4 天气形势天气形势高压低压辐 合辐 散抬升、降水抬升、降水下沉、晴好下沉、晴好天气系统、降水、雾天气系统、降水、雾高压：辐散、反气旋、脊；高压：辐散、反气旋、脊；低压：辐合、气旋、槽等低压：辐合、气旋、槽等均压场、鞍型场；均压场、鞍型场；锋面、切变线

25、等；锋面、切变线等；雷暴、台风、热带云团等雷暴、台风、热带云团等例例 ：2015年年1月南京的一次空气污染过程月南京的一次空气污染过程 清洁天：清洁天：2015年年1月月13日日污染天：污染天：2015年年1月月26日日2015年年1月月13日日2015年年1月月26日日5 下垫面条件下垫面条件l热岛环流热岛环流l山谷风环流山谷风环流l海陆风环流海陆风环流l热岛环流热岛环流 是由城乡温度差异而引起的局地风。由于是由城乡温度差异而引起的局地风。由于城市人类活动影响以及城乡太阳辐射的差异等，城市人类活动影响以及城乡太阳辐射的差异等，使得城市温度经常比乡村高，城区暖而轻的空使得城市温度经常比乡村高，

26、城区暖而轻的空气要上升，而四周小区冷空气要向城区辐合补气要上升，而四周小区冷空气要向城区辐合补充，形成所谓充，形成所谓“城乡热岛环流城乡热岛环流”或称或称“城市城市风风”。 5.1 5.1 热岛环流热岛环流城市热岛与空气质量问题城市热岛与空气质量问题排放长波辐射散射吸收O3、NOX、VOCs、SO2气溶胶云长波辐射实例：上海城市热岛效应模拟实例：上海城市热岛效应模拟URB-NSH实例：上海城市热岛效应模拟实例：上海城市热岛效应模拟城市热岛垂直结构城市热岛垂直结构实例：上海实例：上海城市热岛效城市热岛效应对应对PM2.5PM2.5的影响的影响5.2 5.2 山谷风环流山谷风环流l山谷风山谷风 白天，山坡接受太阳光较多，白天，山坡接受太阳光较多，空气增温较快；而山谷上空，空气增温较快；而山谷上空，同高度上的空气因离地较远，同高度上的空气因离地较远，增温较慢。山坡上的暖空气