成信工污染气象学课件02污染气象-4大气稳定度

空气污染气象学污染气象1.4

大气稳定度本节主要内容

混合层23451.大气稳定度的定义确定大气稳定度的方法逆温对烟流扩散的影响空气污染气象学一大气稳定度的定义气象学家把近地层大气划分为稳定、中性和不稳定三种状态。假如有一空气块受到对流冲击力的作用，产生了向上或向下的运动，如果空气团受移动后逐渐减速，并有返回原来高度的趋势，这时的气层，对该气团而言是稳定的；若空气团离开原位就逐渐加速运动，并有远离原来高度的趋势，对于该气团而言是不稳定的；如空气团被推到一高度后，既不加速，也不减速，保持原有的速度，对于该气团而言是中性气层。空气污染气象学稳定度的释义

稳定度------大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流

定性描述：

外力使气块上升或下降气块去掉外力气块减速，有返回趋势，稳定气块加速上升或下降，不稳定气块停在外力去掉处，中性空气污染气象学下图表示一个球的重力模型，不稳定的情形就像一个位于山顶上的球；中性情形就像是在平地上的球；稳定情形则像是处于山谷里的球。

大气稳定度是大气对于其中作垂直运动的气团是加速、遏制、还是不改变其运动状态的一种性质的描述。空气污染气象学二

对烟流扩散的影响大气稳定度是表征大气的稳定程度，表征大气扩散能力的强弱。不稳定，对流发展，大气扩散能力强；越不稳定，最大落地浓度越大，距离越近。大气稳定度对烟流扩散有很大影响，具体的烟流扩散形状可以表示为五种：翻卷型、锥形、扇形、屋脊型、漫烟型。

空气污染气象学空气污染气象学空气污染气象学

1基于大气静力稳定度的判据气块的加速度干绝热过程

三

确定大气稳定度的方法空气污染气象学对象是气块：只考虑热力因素。空气污染气象学ATMOSPHERICLAPSERATEANDSTABILITYTzG=9.8Kkm-1Consideranairparcelatzliftedtoz+dz

andreleased.Itcoolsuponlifting(expansion).Assumingliftingtobeadiabatic,thecoolingfollowstheadiabaticlapserate

G:z“Lapserate”=-dT/dzATM(observed)Whathappensfollowingreleasedependsonthelocallapserate–dTATM/dz:

-dTATM/dz>G

eupwardbuoyancyamplifiesinitialperturbation:atmosphereisunstable-dTATM/dz=G

ezerobuoyancydoesnotalterperturbation:atmosphereisneutral-dTATM/dz<G

edownwardbuoyancyrelaxesinitialperturbation:atmosphereisstable

dTATM/dz>0(“inversion”):verystableunstableinversionunstablestableThestabilityoftheatmosphereagainstverticalmixingissolelydeterminedbyitslapserate空气污染气象学2

理查逊数考虑湍流的能量来源于机械运动做功和浮力做功两方面。Ｒi<0且数值很大，很不稳定，湍流发展旺盛Ｒi＝０中性中等湍强Ｒi>０稳定湍流弱

1920年英国科学家Richardson发现大气湍流是在风切变产生的湍流能量大到足以抵消浮力做功所消耗的能量时发生的,即大气湍流是热力和动力共同作用的结果。他提出利用理查逊数来判断大气湍流的强弱。空气污染气象学３其他判据位温梯度湍流热通量莫宁-奥布霍夫长度空气污染气象学莫宁-奥布霍夫长度L:苏联科学家

Monin

和Obukhov1954提出表征大气湍流的特征量L。

他们认为在近地层大气中,中性时,大气湍流性质决定于摩擦速度(u*)和高度(Z)；稳定和不稳定时,除决定于前两个参数外,还受湍流热通量系数和浮力参数(g/Ө)的影响，其中HT为热通量。莫宁和奥布霍夫利用量纲分析,将影响湍流性质的4个参数组成特征长度Ｌ；

空气污染气象学判据不稳定中性稳定Ri＜0＝0＞0＜0＝0＞0

＞

Γd

＝Γ

d

＜

Γ

dL＜0→∞＞0H＞0＝0＜0空气污染气象学空气污染气象学空气污染气象学空气污染气象学空气污染气象学4.

Pasquill-Turner分类法基本思路：根据Ri定义：热力因子：白天，太阳辐射[太阳高度角，云况（云量、云状）]

夜间，红外辐射---云况动力因子：风速大小（不考虑风向，因近地面层风向不变）

代表研究地区气象条件的气象台站气象资料(最近3年左右)；包括每日逐时的风向、风速、总云量、低云量；年、季(月)降水量、气压、气温等；空气污染气象学云

高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）空气污染气象学Pasquill提出分类指标：

①由云况、日射确定辐射等级②由风速、辐射等级确定稳定度类别分ABCDEF类

Pasquill的稳定度分级方法地面风速（米/秒）日间日射程度夜间天空状况强中等弱薄云遮阴天或低云量≥4/8云量≤3/8<2AA—BB2-3A—BBCEF3-5BB—CCDE5-6CC—DDDD>6CDDDD

Pasquill(1961)按表所示划分给出6个稳定度扩散级别，即A、B、C、D、E、F类，依次规定为极不稳定，中等不稳定，弱不稳定，中性，弱稳定，中等稳定状况，有时对极稳定状况定义为G类。

Pasquill的方法根据风速、日射和夜间天空状况半定量地给出稳定度扩散级别，它未能比较确切地确定辐射状况，显然，过于粗糙。空气污染气象学由太阳高度角h⊙确定日射强度与等级h⊙（度）日射强度日射等级>60强435~60中等315~35轻度2≤15微弱1空气污染气象学日射等级确定规则时间天空状况日射等级不论日间或夜间总云量10/10，而且云高<2000米0夜间总云量≤4/10-2总云量>4/10-1日间H⊙<15°115°<h⊙<35°235°<h⊙<60°3H⊙>60°4云高<2000米的低云量为6~9，而且：H⊙>60°1H⊙≤60°0云高<2000米的低云量为>9，不论h⊙0空气污染气象学Turner把加热指数按太阳高度角、云况具体化确定为＋3，±2，±1，0。

Turner的稳定度分级方法地面风速（米/秒）日射等级43210-1-2<2AA-BBCDEE2~3A-BBCDDD-EE3~5BB-CCDDDD-E5~6CCDDDDD-E>6CDDDDDD上述分类方法，由Pasquill和Turner建立，称为P-T法空气污染气象学

Pasquill和Turner依据的是英国、美国机场的气象资料，比较详细（总、低云量，云状，云高），国内因资料所限（无云高资料），进行了订正，得出了中国的分类表，称为P-T-C法空气污染气象学空气污染气象学特点：当风速大，不论辐射如何，都为中性；当风速小，向2个极端（很不稳定或很稳定）缺点：实际应用时会出现稳定度分布不连续现象。评论：P-T-C法在100m以下，用常规资料判断，此原理较好，但总体上比较粗略，对扩散作气候估计（平均浓度计算）是可行的。由地面确定的稳定度类别，不能直接外推高架源，需考虑烟囱高度与混合层高的对比，早晚大气层结的过渡时刻，地面与高处稳定度往往相反，需特别小心。空气污染气象学应用P-T-C法应注意的问题：A.太阳高度角的计算B.云况：区分总云量/低云量；低、中、高云辐射性质不同C.风速：为地面风速（离地10m处10分钟平均风速）空气污染气象学P-T-C法确定稳定度的具体过程？空气污染气象学1.先计算太阳高度角；2.由云量和太阳高度角按表查出太阳辐射等级；3.由太阳辐射等级与风速按表查出稳定度类别。中午、总云量9、低云3、风速1.5mm/s，稳定度？（B）.空气污染气象学美国国家环保局（U.S.EPA,1990）推荐，在缺乏云量和云高资料时替换原P-G-T方案。

EPA推荐的一种新方案夜间，用温度递减率风速（米/秒）<2.02.0~3.03.0~5.05.0~6.0>6.0日间，用入射太阳辐射SR（瓦/米2）>700AABCC700~350ABBCD350~50BCCDD<50DDDDD（℃/米）<-0.01DDDDD-0.01~0.01EEDDD≥0.01FFEDD（1）表中“日间”是指日出后1小时起算的；“夜间”是指落前1小时起算的；（2）表中风速为10米高度上的平均风速；（3）表中温度递减率是取2米和10米两高度层间的气温差。空气污染气象学Ⅱ其他分类方法根据地面常规资料判断稳定度类的做法有局限性，个别情况会出现较大偏差。温度梯度分类法近地层温度随高度的变化是大气稳定度状况的定量判据之一。美国原子能委员会推荐用10m和30m高度的温度差。理论上最大缺陷是不考虑风速。在近地层中，有一定调节作用，可与Pasquill法有一定对应。外推到高架源，与Pasquill法一样有问题。空气污染气象学稳定度类国际原子能机构中国大气物理所1980A<-1.9<-2.2<-1.9B-1.9~-1.7-2.2~-1.8-1.9~-1.7C-1.7~-1.5-1.8~-1.5-1.7~-1.5D-1.5~-0.5-1.5~-0.1-1.5~-0.5E-0.5~-1.5-0.1~-1.6-0.5~-1.5F>1.5≥1.61.5~4.0空气污染气象学实践表明：对稳定状况，可用温度梯度法；对不稳定状态及高架源，用此法不可靠。空气污染气象学(二)σA分类法（风向标准差法）水平风向脉动标准差σA

即风的方位角脉动的标准差；

垂直风向脉动标准差σE

即风的高度角脉动的标准差。

σA

、σE

可由双向风标直接观测并计算得到，它们直接反映与大气稳定度状况相关的湍流扩散能力。所以，可用来确定稳定度等级。

空气污染气象学

在所讨论高度处测得σA

、σE

，可用此法，需较高的观测精度。

注意垂直与水平分类不同。稳定度类水平σA垂直σEA≥22.5≥11.5B17.5~22.510.0~11.5C12.5~17.57.8~10.0D7.5~2.55.0~7.8E3.8~7.52.4~5.0F<3.8≤2.4空气污染气象学（三）σA

、σE

分类直接测量湍流扩散特征量，此法理论上最好，在讨论源的所在高度测量（或相差不大）理论上有：

其中：σA

风向方位角的脉动标准差；

σE

风向高度角的脉动标准差。

X下风距离;f扩散函数。则，在具备湍流量σA

、σE

观测资料情况下，只要能给出f的形式，就可确定稳定度级别。空气污染气象学空气污染气象学局限性：需要湍流测量仪器才能测量要求在所在高度空气污染气象学空气污染气象学空气污染气象学空气污染气象学四逆温

1.对流层温度的描述及定义地球表面上方大气圈各气层的温度随着高度的不同而发生变化。不同气层的气温随高度的变化常用气温垂直递减率（）表示。气温垂直递减率（）是指在垂直于地球表面方向上每升高100m气温的变化值。对于标准大气来讲，在对流层上层的值为0.3～0.4摄氏度/100米；中层为0.5～0.6摄氏度/100米；下层0.65～0.75摄氏度/100米。整个对流层的垂直递减率平均值为0.65摄氏度/100米。但实际对流层，特别是近地层气温垂直变化比标准大气状况复杂空气污染气象学得多。由于气象条件的不同，可能大于0，等于0或小于0。大于0表示气温随高度增加而降低；等于0表示气温不随高度变化（等温层）；小于0表示气温随高度增加而增加。递减率<0的大气层与正常情况完全相反的现象称为逆温，这样的气层称为逆温层。2.逆温分类及特征根据逆温产生的原因不同，可分为辐射性逆温、沉降性逆温、湍流性逆温、锋面逆温和地形逆温五种。由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温称为辐射逆温。在近地面上方高空的大规模下降高压区空气向低压区沉降，由于经高压压缩而被空气污染气象学

加热的沉降空气比它下方低压区空气温暖，形成上暖下冷的逆温称为沉降性逆温。3.对污染物扩散的影响由于逆温层的存在，大大抑制了对流，使大气处于稳定状态，像一个盖子一样阻碍着大气的垂直运动。若逆温层存在于近地层，处于近地层内的污染物和水汽凝结物因不易向上传送而积聚，导致逆温层内空气质量下降，能见度降低。因此严重的大气污染往往发生在逆温及无风的天气。

空气污染气象学

熏烟通常发生在太阳出现后一个小时，持续时间大约1小