第二章气象条件对空气污染的影响

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2.1 大气边界层及其特征大气边界层及其特征2.2 风和湍流风和湍流2.3 气温与大气稳定度气温与大气稳定度2.4 辐射与云辐射与云2.5 天气形势天气形势2.6 下垫面条件下垫面条件2.1 大气边界层及其特征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的基本概念大气边界层（大气边界层（Atmospheric boundary layer, ABL/Planetary boundary layer, PBL）：对流层最底）：对流层最底层，从地面至高度约为层，

2、从地面至高度约为11.5km之间直接受地面影响的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大气层，它响应地面作用的时间尺度为1小时或更短。小时或更短。2.1.2 边界层气体的运动形式边界层气体的运动形式平均风速：造成快速平均风速：造成快速水平输送和平流的直水平输送和平流的直接原因。接原因。波动：夜间长能观测波动：夜间长能观测到，主要输送动量和到，主要输送动量和能量，输送少量的热能量，输送少量的热量、湿度、污染物等量、湿度、污染物等标量。标量。湍流：出现的频次非湍流：出现的频次非常高是边界层最显著常高是边界层最显著的特征。的特征。2.1.3 湍流输送湍流输送（1）湍流的定义）湍流的定

3、义 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(laminar flow):平顺、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（turbulence）：杂乱无章、看上去毫无规则。）：杂乱无章、看上去毫无规则。（1）湍流的定义）湍流的定义湍流（湍流（turbulence）：叠加在平均风速上的阵）：叠加在平均风速上的阵风，是由不规则的湍涡（风，是由不规则的湍涡（eddy）组成。）组成。不同湍涡的相对强度构成湍流谱不同湍涡的相对强度构成湍流谱（2）湍流产生的原因：）湍流产生的原因：热力因素热力因素地面受太阳

4、加热使表面空气变暖，成热泡上升，热泡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。就是大湍涡。机械因素机械因素地面对气流的摩擦曳力，使气流演变成湍流。地面对气流的摩擦曳力，使气流演变成湍流。水平和垂直风切变水平和垂直风切变 。（3）湍流产生的能量来源及传递）湍流产生的能量来源及传递湍流的能量传递湍流级串Big whorls have little whorls,Which feed on their velocity;And little whorls have lesser whorls,And so on to viscosity大涡用动能哺育小涡，大涡用动能哺育小涡，小涡照此

5、把儿女养活。小涡照此把儿女养活。能量沿代代旋涡传递，能量沿代代旋涡传递，但终于耗散在粘滞里。但终于耗散在粘滞里。L. F. 理查逊（理查逊（1922）：）：大涡旋套小涡旋，大涡旋套小涡旋，速度有增；速度有增；小涡旋套微涡旋，小涡旋套微涡旋，粘滞乃生。粘滞乃生。污染物在大气中的扩散取决于湍流的发展污染物在大气中的扩散取决于湍流的发展（4）湍流特征）湍流特征不规则性和随机性不规则性和随机性 扩散性扩散性大雷诺数性质大雷诺数性质 涡旋运动涡旋运动耗散性耗散性混沌特性混沌特性 连续性连续性流动属性流动属性 记忆特性记忆特性间歇性间歇性 猝发与拟序结构猝发与拟序结构（5）湍流的数学描述）湍流的数学描述1

6、20013001400510地方时风速风速(m/s)平均风速：平均风速：6m/s6m/s，风速波动在风速波动在1m/s1m/s午后实测风速轨迹午后实测风速轨迹平均风速：平均风速：5.5m/s5.5m/s，风速波动在风速波动在0.5m/s0.5m/s平均风速：平均风速：5m/s5m/s，风速波动在风速波动在0.5m/s0.5m/s平均值平均值方差、标准差方差、标准差风速 uuuwwwvvvvvv qqq cccCO2H2OT u(m s-1) w(m s-1) v(m s-1) T() H2O (g m-3) CO2 (mg m-3) AAA湍流变量的脉动部分：湍流变量的脉动部分：210221A

7、ANNiiA湍流方差：湍流方差：湍流量湍流量 ： 2u 2v 2w 2 2r 2q 视为方差视为方差 方差标准差方差的平方根方差的平方根2 AA 标准差与方差相比，优点在于具有原变量相标准差与方差相比，优点在于具有原变量相同的量纲。同的量纲。 湍流统计理论中常用标准差表示为湍流强度湍流统计理论中常用标准差表示为湍流强度的变量。的变量。协方差协方差表示协方差表示A、B两个变量之间共同关系的两个变量之间共同关系的程度。程度。10)()(1NiiiABBBAANV110BABANNiii雷诺平均 baBABABABAAA)5()( ) 3(（5）湍流的数学描述）湍流的数学描述湍流的强弱湍流的强弱脉动

8、量的均方根脉动量的均方根湍流强度湍流强度湍流耗散率湍流耗散率 212)(ww ui（5）湍流的数学描述）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 210*)(u wCHpT22zvzuzgRvvi2.1.4 大气边界层结构大气边界层结构大气边界层又可分为近地边界层（大气边界层又可分为近地边界层（surface boundary layer）和埃克曼层（和埃克曼层（Ekman boundary layer）（摩擦层）（摩擦层）.近地边界层又可分为近地面层（近地边界层又可分为近地面层（surface layer）和贴地层。

9、）和贴地层。 近地面层 贴地层（冠层） 大气边界层 上部摩擦层 （Ekman 层） 11.5 km 50100 m 2 m 自由大气层 近地边界层 云层直接受下垫面影响直接受下垫面影响驱动力：气压梯度力（驱动力：气压梯度力（pressure gradient force）；湍流摩擦力（）；湍流摩擦力（turbulent friction stress ）。）。大气运动：湍流运动，风向随高度几乎不大气运动：湍流运动，风向随高度几乎不变。变。风、温度等气象要素随高度迅速变化。风、温度等气象要素随高度迅速变化。驱动力：湍流粘性力（驱动力：湍流粘性力（turbulent viscosity force

10、）；气压梯度力；科里奥利力）；气压梯度力；科里奥利力(coriolis force，简称科氏力）。，简称科氏力）。大气运动：风速随高度明显变化大气运动：风速随高度明显变化z0.1 ZiZi2.1.4 大气边界层结构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。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。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

11、的稳定边界层。空气的残留层、具有间隙性湍流的稳定边界层。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高度(m)200010000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高度(m)200010000 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) 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)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

12、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2.2 风和湍流风和湍流2.2.1 风风风：空气相对于地面的水平运动，有方向和风：空气相对于地面的水平运动，有方向和大小。大小。污染系数：污染系数： 平均风速风向频率污染系数 2.2.2 湍流湍流大气中的污染物在湍流涡旋的作用下散布开大气中的污染物在湍流涡旋的作用下散布开来。来。湍流运动的不规则性与随机性对污染物有输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。送和扩散稀释的作用。湍流湍流机械湍流机械湍流热力湍流热力湍流2.2.2 湍流

13、湍流无湍流无湍流有湍流有湍流分子扩散作用分子扩散作用湍流扩散湍流扩散分分子扩散作用子扩散作用2.2.2 湍流湍流abc湍涡小于烟团湍涡小于烟团湍涡大大超过烟团湍涡大大超过烟团湍涡尺度与烟团相当湍涡尺度与烟团相当2.3 气温与大气稳定度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气温的垂直分布可以表征大气层结的稳定度(Atmospheric stability)。在大气边界层中重要的温度概念：在大气边界层中重要的温度概念：虚温（虚温（Tv, Virtual temperature）：当气压不变）：当气压不变时，与湿空气具有相同密度的时，与湿空气具有相同密度的干空气所对应的温度。干空气所

14、对应的温度。位温（位温（ , Potential temperature）：气体从原有）：气体从原有的压强与温度出发，以干绝热的压强与温度出发，以干绝热的形式膨胀或压缩到标准压强的形式膨胀或压缩到标准压强的温度。的温度。PeTTv378. 01T ：实测的温度：实测的温度e、P ：当时的水汽压、大气压：当时的水汽压、大气压286. 00PPTP0 ：基准大气压（如：基准大气压（如100 kPa或或地面气压）地面气压）2.3 气温与大气稳定度气温与大气稳定度虚位温（虚位温（ v, Virtual potential temperature）：）：Lsat61. 01rrvrv61. 01饱和空气

15、：饱和空气：未饱和空气：未饱和空气：r ：非饱和气块的水汽混合比：非饱和气块的水汽混合比r sat ：饱和气块的水汽混合比：饱和气块的水汽混合比r L ：液态水混合比：液态水混合比 286. 0)1000(PTvv2.3 气温与大气稳定度气温与大气稳定度大气稳定度的判断：气温垂直递减率大气稳定度的判断：气温垂直递减率与干绝热与干绝热递减率递减率d的比较、位温随高度的变化的比较、位温随高度的变化/z 、理、理查逊数查逊数Ri 、湍流热通量、湍流热通量HT 、特征温度、特征温度T* 、莫、莫宁宁-奥布霍夫长度奥布霍夫长度L、=z/L。判断近地面层稳定度的条件判断近地面层稳定度的条件2.3 气温与大

16、气稳定度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）提出了稳定提出了稳定度的非局地度的非局地判断。判断。FA:自由大气层自由大气层ML:混合层混合层RL:残留层残留层SBL:稳定边界层稳定边界层SL:近地层近地层SCL:云下层云下层不同时刻，大气边界层平均虚位温廓线不同时刻，大气边界层平均虚位温廓线2.3 气温与大气稳定度气温与大气稳定度2.3 气温与大气稳定度气温与大气稳定度2.4 辐射与云辐射与云太阳辐射是地球大太阳辐射是地球大气的主要能量来源气的主要能量来源，影响地面及大气，影响地面及大气的热状况，引起温的热状况，引起温度分布变化，导致度分布变化，导致空气污染物扩散的空气污染物扩散的不同。不同。云的存在减小气温云的存在减小气温随高度的变化。随高度的变化。全球能量平衡示意图2.5 天气形势天气形势不利于污不利于污染物扩散染物扩散有利于污有利于污染物扩散染物扩散反气旋反气旋 Anti-cyclone气旋气旋 cyclone天气系统影天气系统影响着日或更响着日或更长时间尺度长时间尺度污染物在底污染物在底层大气的扩层大气的扩散散2.5 天气