成信工污染气象学课件02污染气象

空气污染气象学第二章

污染气象第二章污染气象

§2.1大气边界层(从天气图的层次性和复杂性谈起)

什么是大气边界层；其意义如何；在这一层次展开研究，对象是什么？伴随着太阳辐射24小时的周期变化，其厚度及其它气象要素又会发生怎样的变化；由于此层与污染物散步密切相连，那么诸如风速这些量随高度变化的解析表达式是什么？

(重点──边界层内风速、温度随高度的分布与日变化)

3§2.1大气边界层一、大气边界层的定义①受地球表面影响最剧烈的气层，气象要素有明显的日变化②湍流（乱流）输送不可忽略的气层a.更精确地说，应是在小于一天时间尺度上相互作用的层次，也称行星边界层PBL或边界层BL（除湍流作用外，大气的气压梯度力和地转偏向力对大气边界层流体的运动特性，也有不可忽略的作用，是行星低层大气或海洋流动的特点）。b.也可理解为:第一个风向与等压线一致的高度。

4靠近地球表面的气层俗称为低层大气，有时不太严格的旧称它为大气边界层大气边界层厚度差异很大，晴天白天高度可达1—2km，而夜间地面强烈冷却时，可能只有100米的量级。平均而言，可认为厚度几百米或量级1km。这一层与人类活动、空气污染最密切。另外，由于存在连续性的湍流，在这一层次由于湍流的输送会导致气象和要素日变化非常显著（下文详细讲解）。

580km50km10km1～2km10km100mz热成层中层平流层对流层平流层对流层边界层近地层Ekman层6二研究大气边界层的意义

（1）数值模拟和预报已成大气预报的主流方向，模式精细程度的提高需要对边界层更精细的描述。（2）与国民经济有关的很多情况都要基于边界层研究的成果（水库设计、蒸发量估算、农田小气候、风能利用等）。（3）作为环保问题的大气污染物防治更与大气边界层研究息息相关:大气污染防治中需要定量计算一定污染源造成污染时空分布，而这就需要知道边界层的湍流状态和大气边界层运动规律。7三大气边界层的研究对象

大气边界层的研究对象是，在不同气象、地表甚至人类活动条件下，边界层的状态结构及其演变。具体地说，就是研究：地表（包括海表）与大气如何相互作用及如何交换能量和物质（动量、热量、水汽和微量气体成分）；这些物理化学量是如何输送扩散的；大气边界层发生和变化的一些现象和过程。8

大气边界层的研究还包括边界层大气化学，这主要涉及目前普遍关心的大气环境问题。地球生物圈几乎都包含或依赖于大气边界层，大气边界层很大程度上可以看作是生物圈循环系统的一部分。该层为植物光合作用输送二氧化碳，同时收纳植物光合作用释放出的氧气，而为动物呼吸提供氧气。边界层中通过光化学作用及向上输送给自由大气和向地面沉降等过程，使废弃物得以迁移转化，空气得到净化。9从更宽广的视角来看，大气边界层还研究大气-生物圈、大气-水圈相互作用等交叉性学科问题，要认识这些相互作用在全球变化中的影响。因此，在20世纪80和90年代开展了一些大规模深入的海洋-大气和陆地-大气相互作用的研究。存在的难点问题：下边界的不均匀大气温度层结的复杂性地球的自转10四、不同类型边界层的细分按热力学性质及湍流所起作用的不同，大气边界层分为：不稳定、稳定及中性边界层三种。同一类型区分为三部分：近地层（贴地层）、

Ekman层和过渡层

11不稳定边界层

—地面加热，风速切变

—陆地出现在白天—对流边界层或混合层稳定—出现在夜间或随地面逆温层结，亦称夜间边界层中性—浮力很弱，风速很大12不同类型大气边界层的细分：自由大气自由大气自由大气过渡层(卷夹层)不稳定边界层混合层近地面层中性边界层近地面层近地面层～～间歇湍流稳定边界层ziL～～波动13

分层(力学特征)（1）贴底层

a.h=1mb.分子粘性力占有重要地位，同时还要考虑湍流应力。

c.受地表细致结构的影响。（2）近地层

a.b.湍流十分活跃，湍流应力>>科氏力。

c.气象要素日变化非常明显（尤其是温度梯度），风向随高度变化不明显。

14

近地层由于薄，便产生了一个主要特征：常值通量（动量通量，水汽通量，热量通量），在近地层中可取为对高度不变的常数。常值通量在一定程度上成立。为由上向下的通量。（3）上部摩擦层

a.<h<1.5mb.湍流切应力，科氏力，气压梯度力三个量级相当。

c.风向随高度变化形成Ekman螺旋。15白天五、日变化的描述夜间16白天

（1）近地层：在贴近地面的薄气层内（SL），白天由于地面强烈受热，形成贴近地面大气中超绝热温度递减率，而反映在位温上，即，风速则随高度递增。（2）混合层：SL向上，边界层的大部分范围内有一个位温不随高度而变化的气层，风速也是如此，相应温度呈绝热下降。其原因是强烈的湍流混合使风位温等垂直梯度减少，造成均匀分布。17

对流边界层（CBL，也称混合层）：当大气层结处于极其不稳定时，湍流运动强烈，大气处于充分混合的对流运动状态，处于这种运动状态的边界层称对流边界层。在对流边界层中，有一个明显的特点是在一个大高度范围内（位温，风向，风速）随高度变化甚小。但靠近地面的“近地层”中风速随高度剧增，位温随高度剧减。这种状态多发生于晴天太阳辐射强的正午阶段，排入边界层的污染物质很容易被稀释扩散。18

（3）卷夹层：在自由大气与边界层间有一个过渡区域，其中各要素有边界层值逐渐过渡到自由大气。表现为位温随高度而增，风则接近地转风（在卷夹层中，发生着复杂的物理过程，从边界层中受热上升的气块可以穿透夹卷层进入自由大气，同样，湍流重力波亦可使自由大气中具有较高位温的气块进入边界层）。19夜间

（1）稳定边界层（SBL）：在地面附近有一个逆温层，在T和上均体现出来，这是由于地面强烈冷却造成的地面温度低于大气。SBL抑制对流发展，排入空中的污染物难以扩散。多发生在晴朗夜晚，亦被称为夜间边界层。（2）残留层（RL）：在SBL之上，是一个位温随高度变化很小的“残留层”。从成因上而言，白天对流边界层在夜间由于地面降温形成逆温，但上部保留白天混合层特征。20

（3）顶盖逆温：RL与FA之间的这一部分。2122五、边界层的主要特征1、湍流运动发展高度湍流性引起污染物扩散

风切变引起扩散Ekman螺线大气边界层中空气运动的雷诺数一般都会超过层流的临界值，因此，大气边界层中大气运动几乎都是处于湍流运动状态，这是大气边界层的主要特征之一23

大气边界层有别于其上自由大气的基本特点就是其运动的湍流性。

（1）湍流运动引起各种物理量包括热量、动量、水汽和各种物质（污染物）的交换和输送。（2）大气中不断发生着能量由平均动能转化为湍流运动，以及湍流运动把湍流能量变为分子内能的过程，故湍流在大气的能量平衡中起重要作用。（3）边界层风向是指向低压的，这样就形成指向低压区的质量辐合垂直运动气压场变化环流和天气演变。（4）边界层本身也产生局地环流天气现象。242风的分布

摩擦力随高度变化，使风速随高度明显增大风廓线拟合：①平坦开阔地形，中性层结对数律②非中性，偏离对数律，符合幂指数律③为应用方便，统一用幂指数律

25

:摩擦速度，k卡门常数（0.4）

:地面粗糙度.z=,则u=0。

中性时对数廓线是理论上最完整，精度较高的廓线，应用也最多，在实用中用如下幂次律更方便。，（核心是求m

）

实测方法：双经纬仪侧风，对数法求取

,,P:风速高度指数26

各下垫面粗糙程度

地表覆盖粗糙度

冰面平静的海短草（3cm）0.01

城镇部区0.4

城市森林1

大城市、丘陵1～327P：依赖于大气稳定度和地面粗糙度各稳定度等级的P值稳定度等级

ABCDE城市

0.10.150.200.250.3乡村

0.070.070.100.150.2528zu城市城郊农村下垫面影响

地球表面的不均匀，由其施加的动力及热力影响，会直接导致风速随高度产生不同的廓线293、温度的垂直分布30温度日变化晴天、小风，明显；阴天、风大不明显。zt000812182031DIURNALCYCLEOFSURFACEHEATING/COOLING:zT01kmMIDDAYNIGHTMORNINGMixingdepthSubsidenceinversionNIGHTMORNINGAFTERNOON第二章污染气象

§2.2

大气湍流

一、大气湍流

(重点──湍流运动的判据─Ri数)

二、大气湍流的数学描述

(重点─方差、标准差和湍强，相关、谱和湍流尺度)§2.2

大气湍流34大气湍流的研究背景

湍流是流体在特定条件下所表现出的一种特殊现象（边界层要解决的问题就是湍流问题）。迄今已发现湍流广泛地存在于固壁附近的流体之中，尤其在人类日常活动的大气边界层中，湍流扮演着极其重要的角色。地—气之间的能量和物质交换就主要是通过大气边界层中的湍流活动来实现的，也正因为如此，才使得地球表面的物理特征可以影响到地球大气的运动状态，从而造就了今天地球大气所特有的复杂的环流形式。否则，地球大气的运动要简单得多。可以说湍流运动涉及到气象学的各个领域，而湍流现象更为边界层气象学家们所关注。湍流现象首先是由Reynolds等人于1883年在实验室里发现的。但人们最初对湍流仅处于感性认识。后来，普朗特和卡门等人创立的流体混合长理论为湍流研究作出了迄今为止最为卓越的贡献。混合长理论基本上奠定了湍流理论的基础，至此以后人们才对湍流运动有了较为理性的理解，也使看来杂乱无序的湍流运动可以近似地用一些公式来进行描述。35

在以后的几十年中大多数科学家对湍流的研究都是循着这个思路进行的。我国对湍流的研究先对要迟得多，著名科学家周培源先生首先对湍流运动进行了研究，他提出的著名的17方程理论和湍流相似把湍流研究理论大大向前推进了一步。湍流正真被气象学家所重视是基于第二次世界大战的需要，西方诸国为了军事目的，曾组织大批科学家研究边界层的大气运动规律，作为边界层最主要特征的湍流运动无疑成为科学家们的主要攻关目标。近十年来，湍流研究有了突飞猛进的发展，目前已作为一门分支学科在气象学中有一席之地。复杂的湍流运动一直吸引着许多科学家的研究兴趣，百余年来全世界已有无数科学工作者为探索其中的规律奉献出了毕生的心血。到目前为止，湍流研究理论已取得了许多重大进展，也解决了许多科学技术方面的疑难问题。但我们又不得不认识到，湍流理论的发展欲再前进一步都步履艰难。因此，有相当一部分科学家试图另辟蹊径，特别是近些年随着劳伦兹所提出的混沌理论的兴起，有些人利用混沌理论来解释湍流现象（刘式达.有关大气湍流的几个问题.气象学报，1990，48：117—121）。36

然而，以杨振宁为代表的一批科学工作者认为，从目前混沌方面的研究结果来看，用混沌性质研究湍流运动有极为明显的不当之处，同时一般人也认为混沌理论会使本来就复杂的湍流问题变得更为复杂，把人们引向一个难以用大脑思维的迷宫。

这个问题还有待进一步商榷，但对湍流基本理论的研究不应该忽视。从本质上讲目前的湍流基本理论都还很不成熟，甚至可以说至今对湍流现象还没有一个令人心悦诚服的描述。但这并不意味着湍流是不可认识的，只能说明湍流的基础理论还有许多极需完善的地方。也许从弄清湍流内部结构的物理性质入手去更加深入的研究湍流运动是有益的。37一、引言1大气湍流的定义和特征大气湍流是气流在三度空间的不规则涨落。(时、空、脉动)

40大气湍流湍流是一种具有强烈涡旋性的不规则运动，在边界层大气中，几乎总是存在湍流运动。人们已很好地认识到湍流的存在和它的性质，烟囱排出的烟气总是涡旋性地扩展，便是大气湍流的形象表征。要给湍流作完善和恰当的定义是十分困难的，故至今尚无严格统一的定义。41

湍流：湍流是迭加在平均风速上的扰动，通俗可理解为阵风。湍流是由很多大小不同、相互迭加、不规则的湍涡组成。大气中几乎时时处处存在着各种不同尺度的湍流运动。

42

湍涡：湍流组成最基本的单元，分为：

（1）大湍涡：水平尺度在大于100km,生命周期为半天到几天，对大气运动总能量影响最大。（2）中湍涡：水平尺度在10-100km,生命周期0.1-几小时，是大湍涡分裂为小湍涡的过渡阶段，在能量上起输送作用。

（3）小湍涡：水平尺度在10km以下，生命周期为几秒到几分钟，对垂直湍流运动总贡献很大，是大气边界层的普遍现象（尤其在近地层，小尺度湍流活动强烈，它们左右着该层能量和物质的交换，当然也决定了与该层以上气层间物质和能量的交换）。

43

（4）微小湍涡：尺度为1mm至几厘米，周期只有百分之几秒。（各向同性，会迅速受到粘性阻力作用，不可逆地转化为热量，其越强，耗散率也越大。）

大气湍流是大气污染物浓度稀释减少的主要原因，受湍流的影响，大气无规则运动，气流在三维空间随时空无规则涨落，伴随着流动的涨落，风、温度、湿度等气象要素乃至他们的导出量也呈无规则涨落。

44湍流的基本特征（1）随机性：湍流是非规则的、混乱的、不可预测的。（2）非线性：湍流是高度非线性的．当流动达到某一特定状态，例如雷诺数超过某临界值，流动中的小扰动就会自发地增长，并很快达到一定的扰动幅度。（3）扩散性：湍流会引起动量、热量及流动中的其他物质快速扩散。45湍流的基本特征（4）涡旋性：利用湍流的可视化，例如，将几滴颜料注入湍流运动的水中，表明湍流结构可设想成由无数大小不同的湍涡组成，它们分裂、合并、拉长、旋转。最大的湍涡可达到整个湍流层的宽度，小的可到毫米的数量级，它们相互叠加在一起，构成湍流的涡旋结构。（5）耗散性：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成为热能。2、湍流成因动力因子（风切变）：机械湍流热力因子（层结不稳定，对流）

稳定层结波的破碎间歇湍流稳定不稳定浮力作用W'W'机械作用切变49

大气湍流的形式和发展取决于两种因素：

（1）机械或动力因素形成的湍流为机械湍流（如气流的垂直切变）。（2）由热力因素形成的湍流为热力湍流（如地表增温引起的气层不稳定）。二者相比，热力湍流能量更集中于低频端，即不稳定层结引起的热力湍涡主要是大涡，当热力湍流强盛时，脉动场的低频部分占主要地位。

边界层中部大涡旋3、湍流对污染物扩散的作用3.1湍流扩散示意图

上图表示干净大气中一团携带大量气溶胶粒子的空气在湍流作用下包络范围的变化。

湍流是极端大量分子所组成的流体团的整体运动。伴随着速度的时空涨落，流体团所携带的物理属性将很快地在空间散布开．逐渐与周围的流体混合而实现湍流扩散。湍流的混合(扩散)能力远远强于没有湍流的流动(层流)。在大气湍流扩散问题中通常只考虑湍流扩散而忽略分子扩散的作用。53为了便于直观理解湍流扩散的具体过程，将湍流想像成由大小不同的旋涡构成的流动。这些涡旋叫做湍涡。一个大湍涡包含着许多较小的湍涡，较小的湍涡又包含着很多更小的湍涡，大湍涡套着小湍涡构成了湍流远动。最大的湍涡通常也是最强的湍涡,小的高频湍涡都是些较弱的湍涡。大湍涡运动能产生湍涡般大小的风切变区,这些风切变区能形成一些较小的湍涡。不同尺度湍涡的相对强弱就定义为湍流谱。对湍流谱特征的研究能说明哪种大小的湍涡对湍能贡献最大。湍涡－－烟云或烟团的扩散稀释就是由湍涡来完成的。3.2湍涡扩散作用一个烟团在大小不同的湍涡中的扩散状态。图a表示烟团处于比它尺度小的湍涡中。烟团随风向下风向移动的同时受到小尺度湍涡的来回搅动，边缘缓慢与周围空气混合，大小缓慢膨胀，浓度也缓慢地降低。说明比烟团小得多的湍涡对扩散稀释作用不大。图b表示一个比烟团大得多的旋涡或流场扰动对扩散的作用，这时烟团主要被湍涡运动夹带，表现为位置的摆动，本身分散也不大。图c表示尺度大小与烟团相仿的湍涡的作用。这时烟团被湍涡拉开，撕碎且产生变形。具有较强的扩散。

对应于大气湍流的强弱，污染物在大气中的扩散也呈现三种基本状态。它们的名称分别是环链形扩散．锥形扩散和扇形扩散。环链形扩散。烟流外形起伏很大。这种扩散状态烟云上下、左右及前后的湍流扩散都很快、稀释能力强。表明大气很不稳定，湍流很强。出现在风小，天气晴朗太阳辐射强的白天或是起伏地形的上空。

当大气层结为中性的时候，烟流外形常呈锥形外表，扩散能力中等，称为锥形扩散。出现条件是平坦郊野上空风大的多云天或阴天。扇形扩散。出现在晴朗风小的夜间，大气处于很稳定的状态。这时候湍流很弱，尤其是垂直方向的湍流涨落受到更强烈的抑制。垂直方向的扩散非常弱而水平方向随着风向摆动仍保持一定程度的扩散，烟流外形如同一面张开的扇子。250'500'AdaptedfromSeinfeld–originalpoto

Turcotte,BeverlyTimes(MA)58湍流扩散与分子扩散把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似。不同的是，分子的运动以分子为单位，湍流以湍涡为单位，湍涡运动速度比分子运动速度大的多，比分子扩散快约106倍。没有湍流运动，污染物的扩散就成了问题。59湍流与扩散的关系这是因为无湍流时，污染物单靠分子扩散，扩散速度很小；有湍流时，由于其靠湍流扩散，运动的方向和大小都极不规则，使流场各部分间强烈混合，混合加快了扩散速度。若只有风无湍流，从烟囱中排出的废气像一条“烟管”一样几乎保持着同样粗细，吹向下方，缓慢扩散。

1883年英国科学家雷诺首先系统地研究了流体中湍流的产生条件。他发现:要使流体从层流转变为湍流,必须增加流动速度Ｕ或增加与流动有关的特征长度Ｌ或减少流体的粘性γ,这三方面的因素可以组成一个无量纲数称雷诺数。

大气湍流是动力和热力共同作用的结果,雷诺数只表示动力作用。雷诺数Reynolds4、湍流运动的判据61湍流运动的判据——雷诺数其中：L是运动的特征尺度（如管子的直径）U是流体特征流动速度v

是分子动力学粘性系数大气中一般的速度量级为100厘米/秒,粘性大约为0.15平方厘米/秒,而流动的特征长度一般取离地面的高度。62大气湍流对于大气：V=1.5×10-5m2/s若取L=1m只要U>0.1m/s则Re>6000大气运动的雷诺数很大,大气的流动通常是湍流的，另外，尺度大的扰动，容易激发湍流。→湍能源于尺度较大的湍涡。1.瞬时值、平均值、脉动值雷诺瞬＝平＋脉

时间平均：

二、大气湍流的数学描述T为平均时间或采样时间，在气象学上，常用的时间平均周期为10分钟左右。2.方差、标准差、湍流强度方差—分散程度（衡量随机变量在其平均值附近的分散程度）标准差（均方差）有偏方差：协方差：相关系数：湍强：在湍流统计理论中，用方差或标准差来表示湍流运动的强弱，定义标准差与平均风速的比为湍强69不稳定中性稳定Ix0.290.210.18Iy0.190.090.10Iz0.140.070.08例：测量u和w风分量，6秒测量一次1分钟内的瞬时风速，得到下列10组观测结果：u(m/s)5654753546w(m/s)0-110-212-11-1求平均值、方差和标准差、协方差和相关系数。应用中，用风向方位角的方差或标准差（）及风向高度角的方差或标准差（）表示湍强

和湍强的关系：723.相关、谱和湍流尺度（一）相关

Lagrange法—个别流体质点运动（移动坐标）

Euler法—在固定点观测流体的流动（固定坐标）1、Lagrange相关系数：若湍流场定常，则有：表示，同一流体质点在不同时刻脉动速度的相关。2、Euler时间相关系数：

同一空间点处，不同时刻脉动速度的相关3、Euler空间相关系数：

同一时间，空间两点脉动速度的相关纵向相关：横向相关：4、相关系数的性质及物理意义：τ→0，→1τ→∞，→0

，为偶函数－1≤≤1R(τ)τ拉格朗日相关系数RL(τ)

反映湍涡的平均寿命，大涡寿命长。涡寿命＞

τ，则经τ后仍处于同一涡，故相关大。欧拉相关系数R(x)：

两点间距x小，处于同一涡的机会高，则相关大。（二）谱大涡形成低频振荡脉动量统计平均值由不同频率的谐波叠加而成小涡形成高频振荡引进谱概念，称大气湍流谱F(n)为湍流函数:S(n)为谱密度:频谱分析－－了解那种频率的湍涡对湍流场的贡献最大7778

能谱分布大致可以分成三部分：含能区、惯性区、耗散区。湍能在含能区产生，通过惯性区输送到耗散区。通过对各种情况分析：（1）越不稳定，低频部分占的比重越大，或大涡占比重越大。（2）稳定度的不同影响多在低频端，而对高频影响较小。79（引自Stull，1988）

相关与谱的关系

用傅里叶变换得：Taylor导出拉格朗日与欧拉相关及谱函数曲线81（三）湍流尺度时间尺度：空间尺度：大气湍流铅直尺度受地面限制，与高度有相同数量级。水平尺度十分宽广，大到上千公里（气旋、反气旋），小到几厘米，相应时间尺度十分宽广。82

泰勒冰冻湍流假设：当湍流强度很小时，某定点处脉动量随时间的变化完全是由于结构不变的湍流场以平均速度u通过该点所引起。根据泰勒冰冻湍流假设

83三、湍流交换对物理量，则

84

在上述基础上，以温度变化为例，在绝热运动中，，

考虑大气边界层中主要变化发生在铅直方向，则说明铅直热通量的垂直变化是边界层大气中温度变化的重要原因（含辐射、潜热）。85

白天日出后，地面加热，热通量向上减少，温度升高；夜间，热通量向下，其绝对值也向上减少，逐渐降低。类似可分析水汽：

水汽的湍流交换决定了边界层中水汽的时空分布。86小结1、大气湍流分热力湍流和机械湍流2、污染物的扩散是湍流作用的结果3、湍流运动的判据是Ri4、雷诺把湍流运动设想成两种运动的结合，即平均和脉动两种运动5、湍流强度为湍流运动各分量标准差与平均风速的比值876、相关—两脉动速度间的关系：拉格朗日时间相关欧拉空间相关（欧拉）：

欧拉时间相关的空间向量的关系：—Taylor冰冻湍流假设：当湍流强度很小时，某定点处脉动量随时间的变化完全是由于结构不变的湍流场以平均速度u通过该点所引起。当x=ut时，有RE(t)=RE(x)

通常利用这个关系，由时间相关→空间相关887、湍流谱------湍涡湍能贡献时间相关求谱：

空间相关求谱：8、湍流尺度—湍流平均寿命欧拉：拉格朗日：899、大气边界层：分近地层和摩擦层上层

边界层为1／10对流层，1－2km

近地层为1／10边界层，100m

近地层特征：气象要素日变化明显，且垂直梯度大10、边界层风分布中性，近地层，对数律：非中性（中性）幂指数律：

P随稳定度和地面粗糙度而定。

9011、温度廓线日变化zt000812182091练习由R(t)表达式，推求尺度、湍谱、并作图

污染气象1.3

风场本节主要内容4.局部风场3.地面风场资料的统计分析2.风对烟扩散的影响1.风的一般描述空气污染气象学一.风的一般描述

1.定义

2.形成

3.矢量性

4.天气、气候意义二.风对烟气的影响

1.概括而言，风在不同时刻具有不同的方向和速度。污染物排入大气后，就沿着风场运动。风不仅对污染物起着输送作用，而且有稀释和扩散作用。空气污染气象学北风：北风卷地白草折，胡天八月即飞雪千里黄云白日曛，北风吹雁雪纷纷。西风：西风烈,长空雁叫霜晨月昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路。

南风：夜来南风起，小麦覆陇黄。五月南风兴，思君下巴陵。

东风：东风吹战鼓擂现世界上究竟谁怕谁

空气污染气象学

2.从烟型上讲，风速的大小对烟流扩散有很大影响，在无风或小风时，烟流几乎是垂直的，当风速较大时，烟流是弯曲的。

3.从浓度而言，一般来说，污染物在大气中的浓度与污染物排放总量成正比，与平均风速成反比，即风速提高一倍，则下风向污染物浓度减少一半，正是基于这个道理，在工业布局上污染源安排在易于扩散的城市下风向。（1）对地面污染源来说，风速大，地面污染物浓度就越小，反之，则大。空气污染气象学

（2）对于高架源，风速的影响具有双重性。一方面，风速会降低抬升高度，使烟气的着地浓度增大；另一方面，风速增大，能增加湍流，加快污染物扩散，使烟气着地浓度降低。

4.危险风速:对于某一高架源，存在危险风速，在该风速下，地面可能出现最高污染物浓度。但是下风向平均浓度而言，风速大的减轻污染物是有利的。

空气污染气象学

5.总结:风是决定污染物在大气中稀释、扩散最直接的因子，其值愈大，稀释、扩散速度就越快。三.地面风场资料的统计分析

1.风频：吹某一方向的风占观测次数的百分比。

2.风频最大的风为主导风。

3.风频表征下风向受污染的几率。空气污染气象学4.风频

5.空气污染气象学

某方向的污染系数小，表示该方向吹来的风造成污染的几率小，因此，选择厂址的原则是污染系数最小的方位。

6.污染系数的玫瑰图

空气污染气象学四.局地风场

1.热岛环流（1）产生背景：城市下垫面的特点是：a.城市人口密集、工业集中，能耗水平高；b.城市的覆盖物（如建筑、水泥路等）热容大，白天吸收太阳辐射热，夜间放热缓慢；c.城市上空笼罩着一层烟雾和二氧化碳，使地面有效辐射冷却效应减弱。由于上述原因，使城市净热量收入比周围农村多，故平均气温比农村高（特别在夜间），于是形成了所谓城市热岛。据统计，城乡年平均温差一般在0.4～1.5摄氏度，有时可达6～8摄氏度。其

空气污染气象学差值与城市的大小、性质、当地气候条件及纬度有关。（2）定义及物理图像

由于城市温度比乡村高，气压比农村低，所以可以形成一种从农村吹向城市的特殊的局地风称为热岛环流或城市风。空气污染气象学（3）空气污染效应

夜间城乡温差最大，城市风最容易出现，这种风在市区汇合就会产生上升气流，周围郊区二次空气吹向城市中心进行补充。因此，若城市周围有产生污染物的工厂，就会使污染物在夜间向市中心输送，造成严重污染，特别是城市上空逆温存在时，会使污染加重。

建筑物的污染效应：

空气污染气象学2.海陆风（1）背景及定义

在水陆交界区，由于水面和路面的热导率和比热容不同，水域温度变化比路面小，白天路面增温快，陆上气温比海上高，暖而轻的空气上升，于是下层空气由海洋向大陆，形成海风，上层空气从陆面向海洋流动形成回流。夜间产生与白天相反的气流，形成陆风。一般来说，海风比陆风强度大。海陆风是一种局地热力环流，白天陆地上的污染物随气流抬升后，在上层流向海洋，下沉后有可能部分地被海风带回陆地，造成重复污染。在大湖泊、江河的水陆交界地带可产生水陆风局地环流，称为水陆风。水陆风活动范围和强度比海陆风小。空气污染气象学（2）物理图像

空气污染气象学（3）空气污染效应

海边工厂的排污，必须考虑到海陆风的影响，因为有可能出现在夜间随陆风吹到海面上的污染物，在白天又随海风吹回来，或进入海陆风局地环流中，使污染物不能充分的扩散稀释而造成严重的污染。

夏天吹海风，形成熏烟，排放口在热力边界层之上。空气污染气象学

TIBL：在海陆交界地带，当陆面处于较强的加热状态，自较冷海面进入陆面的气流底部首先增温变性，产生超绝热层结，随湍流增长并进入对流混合状态。随着路径的加长，具有对流湍流的气层也逐渐增厚，产生TIBL。3.山谷风（1）背景及定义山区地形复杂，阳坡和阴坡面受热很不均匀，加上日照时间的变化，水平气温分布不均匀，就造成了局地热力环流，形成坡风和谷风。晴朗的夜晚，由于地面辐射冷却的快，从山沟两侧贴近山坡的，冷而重的空气顺坡下滑，形成下坡风。下坡风向山谷汇集，空气污染气象学

形成一股速度较大，层次较厚的气流，流向谷地或平原。上坡风的形成一般只发生在有日照的白天。（2）物理图像（3）空气污染效应日出日落前后是山谷风的转换期，这时风向空气污染气象学

不稳定，风速很小。此时，山沟中污染源排出的污染物由于风向来回摆动，产生循环积累，造成高浓度污染。此外，山谷中由于地形阻塞，气流不畅，容易出现长时间的小风，甚至静风，夜间沿坡下滑的冷空气因无法扩散而聚集在谷底，形成厚而强的逆温层。在易于出现小风并伴随逆温的凹地处，从污染源排放的污染物，往往会造成严重的大气污染。下图是山丘对烟气扩散影响的示意图，低位置污染源A排放的烟气向上山坡扩散，造成山坡和山顶的污染。位置高的排放源B排放的烟气，会随着山空气污染气象学

后的下降气流进入背风涡流区，造成背风污染。排放源C的位置正处于涡流区，会造成极为重要的背风污染。ThankYou!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小时。

4.逆温研究（实际）点：逆温的频率、厚度、强度、种类、生消规律。

空气污染气象学五

混合层

1.定义由于地表受热，促使大气增温，引起大气对流运动，从而使上下空气强烈混合，大气层结趋于干绝热直减率，伸展高度即为混合层高度。在污染气象中，湍流特征在连续界面以下的大气称为混合层，其高度就是混合层高度。

空气污染气象学2.空气污染效应它表征污染物在垂直方向上被湍流稀释的程度，即热力对流与运动湍流所能达到的高度。由上，混合层厚度是一个关键气象参数，其为大气环境预测、评价、规划及污染物排放制定提供依据。3.求取方法（1）国标法（2）罗氏法（3）干绝热法

(采取何种方法取决于资料)

最大混合层厚度：在温度对数压力图上，从地面最高温度作干绝热线与早晨探空曲线的交点到地面的空气污染气象学几何高度，即为最大混合高度。最低混合高度：从地面最低温加5摄氏度作干绝热线与早晨最高温度探空曲线的交点到地面的几何高度。

空气污染气象学混合层到达高度决定于初始温度的垂直结构和地面的增温情况。4.特征（1）从全球看，混合层高度自赤道向两极减少。（2）城市混合层高度大于郊区。（3）一年中，夏季大，冬季小。（4）一天中，中午大，日出前后小。空气污染气象学ThankYou!空气污染气象学污染气象2.5

风速、风向、大气稳定度联合频率

空气污染气象学2.5风速、风向、大气稳定度联合频率

一、表达形式空气污染气象学二、物理意义

表征在污染气象因子的共同作用下，下风向某点受影响的几率，是模式的输入参数。三、资料准备

风速、风向、总云、低云、经纬度等。空气污染气象学ThankYou!空气污染气象学污染气象2.6

大气的自净能力与污染物的散布空气污染气象学1.定义2.机制1.风场、大气湍流、大气边界层、大气稳定度2.辐射和云3.湿度4.天气形势5.烟羽抬升6.沉降7.温度层结8.地形1.常规气象资料的统计分析2.大气边界层平均场参数的观测3.大气湍流扩散试验特殊气象场观测

5.大气稳定度分级大气污染物散布的影响因子污染气象调查大气的自净能力2.6大气的自净能力与污染物的散布空气污染气象学定义:由于大气自身的运动，使得大气污染物输送、稀释、扩散，从而起到对大气的净化作用。机制:大气输送，大气扩散，沉降和化学转化。二、大气污染物散布的影响因子1.风场，大气湍流，大气边界层(风切变)，大气稳定度。(有必要举例说明后每一项影响因子的作用)一.大气的自净能力空气污染气象学2.辐射和云太阳辐射是地面和大气最主要的能量来源，整个大气层只吸收少量的太阳辐射，而大部分被输送到地面，地面典型吸收率约90%.结果使大部分能量被地面吸收，正是地面响应太阳辐射变暖和变冷，迫使边界层通过输送过程而变化，地面及大气的热状况温度的分布和变化，制约着大气的运动状态，影响云与降水的形成，对大气污染起着一定的作用。在晴朗的白天，太阳辐射首先加热了地面，近地层的空气温度升高，使大气处于不稳定的状态；夜间地面辐射失去热量，使近地层气温下降形成逆温，大气趋于稳定。

空气污染气象学云对太阳辐射有反射作用，它的存在会减少到达地面的太阳直接辐射；同时云层又加强大气的逆辐射，减少地面的有效辐射，因此云的存在可以减小气温随高度的变化。在缺乏温度层结观测资料的情况下，可以根据季节，每天的时间和云量来估计大气的稳定度状况，再结合风速的大小来进一步判断大气的扩散能力。进一步探讨云的类别及其扩散能力的影响。空气污染气象学3.湿度湿度的分类（表达）有研究表明，湿度增加时，硫化物、烟尘等浓度升高。灰尘等颗粒物作为凝结核，凝结沉于大气低层，使灰尘浓度升高，在足够湿度和降温条件下，形成雾，加剧大气污染。4.天气形势天气形势是指大范围的气压分布和大气运动状况。因为一定的天气现象和气象条件都与相应的天气形势联系在一起，所以与大气污染有关的气象因子也与天气形势有关。

空气污染气象学低压控制区，云天较多，上升运动，风速较大，多为中性或不稳定状态，有利于稀释扩散。高压控制区，天气晴朗，风速较小，大范围空气下沉运动导致在几百米至一、二千米