大气污染的气象过程.

大气污染的气象过程目录1大气边界层的特征2大气湍流扩散的理论基础3大气污染物浓度分布的扩散模式4复杂地形上的大气污染5城市和区域大气污染扩散1大气边界层特征名词解释：湍流切应力：湍流切应力是与湍流动量输送相伴随的表现应力，是由湍流强度涨落引起的。以u’，v’，w’分别表示直角坐标三个方向的湍流速度，各湍流速度分量乘积的平均值再乘上空气密度ρ就是对应方向的湍流动量通量。气压梯度力：由于气压分布不均匀而作用于单位质量空气上的力,其方向由高压指向低压。科氏力（地转偏向力）：由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力。1.1低层大气的温度与大气稳定度近地层大气中温度随高度分布规律受下垫面影响极大一般说来，太阳辐射愈强、云量愈少、风速愈小、土壤导热性愈差则气温的垂直变化愈大。压力变化导致的温度变化大气的绝热过程：干绝热直减率：干气团绝热上升或下降单位高度(通常100m)的温度变化量称为干绝热直减率，用γd表示，单位K/100m。如果g＝9.81m/s2,Cp＝1.005J/(kg·K)，则γd＝0.98K/100m,通常取γd＝1K/100m。干空气或未饱和湿空气每上升100m，温度下降1K。湿绝热直减率大气稳定度定义：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，不稳定气块既不加速也不减速，中性不稳定条件下有利于扩散气温的垂直分布——温度层结Tzd0，正常分布层结＝，中性层结（绝热直减率）＝0，等温层结0，逆温层结Tzd0，正常分布层结＝，中性层结（绝热直减率）＝0，等温层结0，逆温层结γd位温干空气团绝热升高或降低到标准气压(1000hPa)处的温度称为位温，用θ表示，单位K。绝热运动时，位温只取决于初始状态的温度和压力，因此有：空气团作绝热运动，位温不变。288.000)1000(PT大气的垂直稳定度可用位温梯度来表示，中性，不稳定＜，稳定＞000ZZZ逆温逆温不利于扩散辐射：1.辐射逆温：地面白天加热，大气自下而上变暖；地面夜间变冷，大气自下而上冷却太阳地球：短波地球大气层：长波大气吸收长波强逆温辐射逆温的生消过程逆温2.下沉逆温（多在高空大气中，高压控制区内）很厚的气层下沉压缩变扁顶部增温比底部多逆温3.平流逆温暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成4.湍流逆温γγd下层湍流混合达γd上层出现过渡层逆温逆温5.锋面逆温冷、暖气团相遇冷暖间逆温暖气上爬，形成锋面1.2风的垂直分布平均风速随高度变化中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度1.对数率0u*ūlnZZ近地层风速廓线模式高度为Z处的风速（m/s）摩擦速度卡门常数高度（m）地面粗糙度地面粗糙度越大，风速梯度越小近地层风速廓线模式2.指数率：非中性层结：指数律，稳定度参数近地层风速廓线模式高度为Z处的平均风速（m/s）高度为Z1米处的平均风速（m/s）常数实验确定nzzuu)(11大气边界层风的分布Ekman螺旋线（北半球下视，地偏力指向运动右方，故顺时针；南半球则相反）高度增高，风速增大，方向逐渐接近地转风。近地层风速廓线模式1.3大气湍流1.3.1湍流与雷诺数大气湍流的形成和发展取决于两种因素：机械湍流——垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度热力湍流——温度垂直分布不均（不稳定）在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作用，在中性层结情况下，动力因子起主要作用。湍流扩散比分子扩散快105~106倍。雷诺数：U——平均流动速度L——流动特征长度v——运动学粘滞系数vULRe雷诺数：ReRe*(1000~2320)——层流ReRe**(12000~13800)——湍流Re*ReRe**——即可以是层流也可以湍流vULLUvLU22/Re粘滞力惯性力1.3.2查理孙数大气湍流运动的强弱取决于平均动能转变为湍能的速率以及湍能消耗的速率。以湍能消耗率和湍能补充率的比值定义一个无因此参量Rf称为通量查理孙数：2zuzgKKRMzHzf定义查理孙数（Ri）为：2zuzgRiRiKKRMzHzf临界查理孙数(KMz/KHz)：当湍能消耗率大于湍能补充率，即Ri＞KMz/KHz时，湍能将减弱；当湍能消耗率小于湍能补充率，即Ri＜KMz/KHz时，湍能将增强；当湍能消耗率等于湍能补充率，即Ri=KMz/KHz时，湍流将维持原状；1.3.3低层大气的湍流特征高频湍流主要是由动力作用引起的；低频部分，层结越不稳定，谱密度越大，说明热力作用只对较大尺度的湍流有影响；不稳定层结下要比稳定层结下，某一频段所含的总能量大；小湍涡具有各项同性的性质。湍强：风速标准差σ与平均风速u之比垂直湍强：中性层结：垂直风速标准差σw与平均风速成正比，即垂直湍强不随风速而变。粗糙度z0越大，σw越大，与高度无关。不稳定层结：垂直风速标准差σw与高度的1/3次方成正比横向湍强：在中性和不稳定层结下σA与平均风速u成正比，但不稳定时σA比中性时大3倍左右。稳定时，σA随风速加大略有减小，横向湍强向上减小纵向湍强：不随风速变化，随稳定度有变化，但不如σv激烈。在中性和稳定条件下，σu随高度不变，故而纵向湍强随高度减小。2大气湍流扩散的理论处理欧拉方法：相对固定坐标系描述污染物的输送和扩散。拉格朗日方法：跟随流体移动的粒子描述污染物的浓度及其变化。2.1湍流扩散的梯度输送理论'''''''它表示湍流扩散引起的物质输送梯度取决于该物质分布的不均匀程度（梯度大小）以及流场本身所具有的扩散能力（K值的大小）基本假定：比拟分子扩散过程湍流引起的动量通量与局地的平均风速梯度成正比zqKzyqKyxqKxdtdqzyx基本原理：湍流半经验理论基本参数：湍流交换系数K气象资料：风速及K的垂直廓线主要限制条件：小尺度湍涡作用基本使用范围：σz地面源2.2湍流扩散的统计理论TuxV（m·s-1）y泰勒公式TtLydtdRvTy00222)('2)(基本原理：湍流脉动速度统计特征量与扩散系数之间的关系基本参数：风速的脉动速度均方差拉格朗日自相关系数气象资料：湍流能谱主要限制条件：均匀湍流基本使用范围：σy、σz高架源，σy地面源2.3湍流扩散的相似理论)(*zcudtxdLzbudtzd基本原理：拉格朗日相似性假设基本参数：摩擦速度u*，湍流热通量HT气象资料：风、温廓线主要限制条件：地面应力层基本使用范围：σz地面源近距离3大气污染物浓度分布的模式计算3.1高斯扩散公式)](21exp[2),,(2222zyzyzyuQzyxq无界连续点源高斯扩散模式：高架连续点源扩散模式镜像全反射----像源法实源：像源：(,,,)cxyzHz(,,,)cxyzHz2222()(,,,)exp[()]222πyyyzqyzHcxyzHu实源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyyyzqyzHcxyzHu实源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyzyzqyzHcxyzHu像源的贡献2222()(,,,)exp[()]222πyzyzqyzHcxyzHu像源的贡献222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度222222()()(,,,)exp(){exp[]exp[]}2222πyyzyzqyzHzHcxyzHu实际浓度高架连续点源扩散模式2222(,,0,)exp()exp()22πyzyzqyHcxyHu地面浓度模式：取z＝0代入上式，得2222(,,0,)exp()exp()22πyzyzqyHcxyHu地面浓度模式：取z＝0代入上式，得22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHu地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHu地面轴线浓度模式：再取y=0代入上式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHuyz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式22(,0,0,)exp()2πzyzqHcxHuyz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值yz上式，x增大，则、增大，第一项减小，第二项增大，必然在某x处有最大值地面最大浓度模式：考虑地面轴线浓度模式高架连续点源扩散模式yzconstd(,0,0,)0dzcxHmax22πzyqcuHemax|2czxxH地面最大浓度模式（续）：设（实际中成立）由此求得yzconstd(,0,0,)0dzcxHmax22πzyqcuHemax|2czxxH地面最大浓度模式（续）：设（实际中成立）由此求得2222(,,,0)exp[()]22πyzyzqyzcxyzu地面源高斯模式（令H＝0）：相当于无界源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）2222(,,,0)exp[()]22πyzyzqyzcxyzu地面源高斯模式（令H＝0）：相当于无界源的2倍（镜像垂直于地面，源强加倍）2.2大气扩散参数P－G曲线法P－G曲线Pasquill常规气象资料估算Gifford制成图表扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用利用扩散曲线确定和yz扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用地面最大浓度估算Hmax|2czxxzH~zxmaxcx~yxmaxC由和由曲线（图4-5）反查出由曲线（图4-4）查由式（4-10）求出yHmax|2czxxzH~zxmaxcx~yxmaxC由和由曲线（图4-5）反查出由曲线（图4-4）查由式（4-10）求出y扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法稳定度分类方法改进的P－T法太阳高度角（式4-29，地理纬度，倾角）辐射等级稳定度云量（加地面风速）扩散参数的确定－中国国家标准规定的方法扩散参数的选取扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表4-8查算）平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，C提至B级，D、E、F向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市，同工业区取样时间大于0.5h，不变，1221,aayzxx2121()qyyz3.3烟流抬升高度影响热烟流抬升的因子：1、排出烟流本身的性质2、周围大气的性质3、下垫面影响sHHHsHH――烟囱几何高度――抬升高度有效源高sHHHsHH――烟囱几何高度――抬升高度有效源高3.4污染物在大气中的清除干沉积湿沉积化学转换干沉积：污染物质通过重力沉降、碰撞和吸收等过程从大气中清除并降落到地面上的过程。对于直径大于20um的较大粒子就有明显的重力沉降，应考虑重力沉降修正。即以代替有效源高H地面任意一点（x，y）的沉降率wsuxvHs)0,,(yxqvwss湿沉积：云雾以及雨、雪等降水都能对空气污染物，包括气体和粒子起到清除作用，称为降水清除或湿沉积。化学转换：空气中的污染物与空气中的其他成分以及其他污染物发生化学变化生