大气环境学重点复习及部分简答题

第三章大气污染的气象过程小尺度大气边界层自由大气1大气边界层的特征1.1、大气边界层定义1.2大气边界层垂直分层结构粘性副层（微观层）近地边界层（=近地面层+冠层，常通量层）Ekman层（上部摩擦层、外部边界层）层流、紊流1.3边界层发展的日变化海洋陆地大气边界层的分类与特征1.4大气边界层特征：温度、风和湍流空气的增热和冷却大气中的非绝热过程传导：贴地气层辐射（主要长波）：地面与空气间对流与乱流：气层之间由于地表性质差异受热不均等引起的空气大规模有规则的升降运动，称对流。（高低层）小规模不规则的涡旋运动称乱流，又称湍流。（近地层大气热量交换的重要方式）水相变化：潜热交换蒸发吸热，蒸发所带水分多于凝结，大气获得热量，热带（对流层下半部）大气中的绝热过程没有热量交换，由于压力的变换（1）干绝热过程干空气或未饱和的湿空气块，进行垂直运动时，与外界没有热量交换，只因体积膨胀（或收缩）作功引起内能增减和温度变化过程，称为干绝热过程。气块绝热上升单位距离时的温度降低值，称绝热垂直减温率，简称绝热直减率干空气或未饱和的湿空气，绝热上升单位距离时的温度降低值，称干绝热直减率，rd据计算：rd=0.98℃／100m≌1℃／100m。（2）湿绝热过程饱和湿空气作垂直湿绝上升运动时的绝热变化过程，称湿绝热过程饱和湿空气绝热上升单位距离时的温度降低值，称湿绝热直减率，用γm表示。γm＜γd（上升时水汽凝结所放出热量补偿了部分气块膨胀消耗的内能）γm是一个变量，它随气温升高和气压降低而减小。高温时的γm比低温时的γm小（气温高时，空气达到饱和时的水汽含量较大）气压高的饱和空气块的γm大于气压低的（气压高时空气密度大，释放的潜热所起的补偿增温作用要小一些）低层大气温度的垂直分布日变化气温直减率的大小与太阳辐射、云况、风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。低层大气温度的垂直分布（1）大气的绝热过程（2）干绝热直减率rd=-(dTi/dZ)d=g/Cpｇ－重力加速度ｇ＝9.81m／s2Cp－干空气定压比热，Cp＝1005J／(kg．K)下标i--表示空气块下标d--表示干空气一干空气块绝热升降到标准气压（1000hPa）处所具有的温度称为它的位温。（3）气温的垂直分布大气稳定度判断大气中是否会产生云雾，主要就是看大气中是否会产生上升运动判断空气是否会产生上升运动，就要看空气在铅直方向上位置稳定的程度，即大气稳定度当外界作用停止后气团有三种可能运动趋势：1、有回到原来位置的倾向——稳定2、既无远离平衡位置也无返回原地的倾向——中性3、有继续移动的趋势。——不稳定大气静力稳定度处于静力平衡状态的大气层中，一些空气团块受到动力因子或热力因子的扰动，常会产生向上或向下的垂直运动，这种偏离其平衡位置的运动能否发展成为对流运动，是由大气层结，即温度和湿度的垂直分布所决定。大气层结具有的这种影响对流运动的特性称为大气的静力稳定度。通常采用“气块法”判断静力稳定度大气稳定度的判定方法有到令并取则即，代入方程准静力条件，有TRmPV*TRVMP*RR*VMRTPRTP＝ga''＝gTTTgTTTgRTPRTPRTPga'''''''''111＝＝zTTzTTd0'0gzTad＝稳定度的综合判定方法综合干空气和未饱和湿空气的判定方法，可归纳如下：空气不稳定）（对干空气稳定，对湿时，条件性不稳定，当时，绝对不稳定；当时，绝对稳定；当dmdm大气的垂直稳定度可用位温梯度来表示（如右）：稳定度对污染物扩散的影响极稳定层结——逆温（温度随高度的升高而增高的大气层）辐射逆温：晴朗微风的夜晚，地面因强烈的有效辐射而降温，形成温度上高下低的现象。（学会分析原因，有图如下）乱流（对流）逆温（由于低层空气的乱流混合，在乱流层的顶部所形成）平流逆温：暖空气流到冷的下垫面上而形成的逆温。（冬季常平流雾）雪面逆温下沉逆温：由于空气下沉，绝热增温而形成的逆温。锋面逆温：在冷暖空气的过渡带形成的逆温。（只能在冷气团所控制的地区内观测到）b—夜间c—日出前后逆温层最后d—太阳出来了逐渐增温e—恢复正常逆温对污染物扩散的影响(?)贴地逆温对地面源、高架源悬空逆温对地面源、高架源1.5风的垂直分布在低层大气中因为受地面摩擦力的影响，风随着高度增加而增大，形成有一定规律的垂直分布或称为风的廓线.1.5.1近地层、中性层结（对数率）（摩擦速度--湍流切应力与空气密度比值的平方根）指高处为Z的风速与摩擦速度、卡门常数及高度与地面粗糙度的比值对数有关，中性，不稳定＜，稳定＞000ZZZ0u*ūlnZZ1.5.2近地层、非中性层结（指数率）高处为Z的平均风速与高处为Z1的平均风速及高度比的固定常数幂有关1.5.3大气边界层风的分布Ekman螺旋线2.湍流2.1、湍流的基本概念不规则性、脉动性1、流体力学中的经典湍流概念2、湍流成因（两个因素）一般情况下，大气湍流的强弱取决于热力和动力两个因子：（1）在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作用；（2）中性层结，动力因子起主要作用。（3）湍流扩散比分子扩散快105~106倍。3、湍流判据—雷诺数层流和湍流在一定的条件下是可以相互转化的：(1)增加流速；(2)增加与流速相关的特征长度；(3)减少流体的粘性。/ReUL——U为平均流动速度；L为流动的特征长度（如管直径）；v为运动学的粘滞系数vULLUvLU22粘滞力/惯性力Re大气湍流——临界雷诺数4、湍流的基本特征随机性、非线性、扩散性、涡旋性、耗散性、有界性、具备统计上稳定的平均值湍流为一种叠加在平均风上的脉动变化5、理查孙数（判别大气湍流强弱的参数）以湍能消耗率和湍能补充率的比值定义一个无因次参量Rf称为通量理查孙数：2zuzgKKRMzHzfKHz和KMz分别为热量和动量的垂直交换系数定义2zuzgRi为理查孙数，则R(f)=Ri*(K(Hz)/K(Mz))其中，Ri为湍能消耗率，那个K的比值为平均动能转变为湍能即湍能补充率Ric=KMz/KHz——临界理查孙数，非常数，与磁场强弱有关如当湍能消耗率大于湍能补充率，即Ri＞KMz/KHz时，湍能将减弱nzzuu)(11理查孙数综合反应了热力因子和动力因子对湍流发展的影响，用它来反应层结大气温度度比单纯用热力因子判断要客观。0z，热力因子和动力因子/湍流加强；=0，热力因子不起作用/动力因子使湍流加强0，热力因子使湍流减弱，动力因子使湍流加强，综合效果取决于风速切变6.低层大气的湍流特征湍强：表示大气中湍流运动的强弱，为风速标准差σ与平均风速u之比垂直湍强、横向湍强、纵向湍强2.2大气湍流扩散的理论处理对扩散过程进行理论处理：可得污染物浓度计算公式→进行预测和估算描述大气输送与扩散有两种基本途径：1）欧拉方法是相对于固定坐标系描述污染物的输送与扩散；2）拉格朗日方法是跟随流体移动的粒子来描述污染物的浓度及其变化。欧拉方法易于测量，有个闭合问题，能较精确确定所需的粒子统计量拉格朗日方法的数学处理比欧拉方法容易些，不存在闭合问题。研究平均运动规律，形成了湍流半经验理论，研究脉动运动规律，形成了湍流统计理论。扩散理论1）梯度输送理论（K理论)湍流半经验理论梯度输送理论处理空气污染物散布的基本思路,就是利用湍流半经验理论，将速度场的脉动量与平均量联系起来。湍流半经验理论的一个基本假定是：由湍流引起的动量通量与局地风速梯度成正比，如：（比例系数Kz即湍流交换系数亦称湍流扩散系数）uuwKzz湍流的半经验理论，是根据一些假设及实验结果建立湍流应力与平均速度梯度之间的关系，从而建立起湍流运动的封闭方程组。半经验理论在理论上有很大的局限性和缺陷，但在一定条件下往往能够得出与实际符合得较满意的结果，因此在工程技术中得到广泛的应用。湍流扩散问题由湍流运动引起的污染物局地质量通量输送与污染物的平均浓度梯度成正比zqKwqyqKvqxqKuqzyx'''''Kx、Ky、Kx则分别为x、y、z三个方向的湍流扩散系数，故称K理论。这就是梯度输送理论（也称K理论）的基本关系式，也是导出湍流扩散方程的基础。考虑由湍流引起的速度脉动和浓度涨落，即将速度和浓度写为平均值与脉动值之和])'()()([zqwyqxqudtqd右端项的意义是，单位时间通过单位面积向x，y，z方向输送的扩散物质的平均质量，即局地质量通量。运用梯度输送理论的闭合形式，对湍流脉动量用平均量表示，即有)()()(zqKzyqKyxqKxdtqdzyxKx、Ky、Kz分别表示坐标x、y、z方向的湍流扩散系数。即为根据梯度输送理论导出的普遍形式湍流扩散方程，它说明流体中某物质的散布是由湍流扩散所引起的。为处理大气扩散问题，需求解扩散方程，一个主要问题:如何定Kx、Ky、Kz存在的问题：①Kx、Ky、Kz为常数，u与高度无关，这些都与实际不符；②K理论把湍流扩散类比分子扩散，缺乏严格物理依据；③假定湍流场均匀定常，实际大气很难满足。优越性：能利用实际的风场资料而不必求助于假设；亦能比较系统、客观地求解出空气污染物的浓度分布；最后，它易于加入源变化、化学变化和其它迁移清除过程，故适于区域性较大尺度的大气输送与扩散沉积问题的处理2）湍流扩散的统计理论它把描写湍流的扩散参数Y2(t)，和另一统计特征量相关系数R建立起关系，只要能找到相关系数的具体函数，通过积分就可求出扩散参数Y2(t)，污染物在湍流中扩散问题就得到解决。寻求扩散粒子的概率分布，进而求出扩散物质浓度的空间和时间的分布属于拉格朗日途径的处理方法。高斯烟流泰勒公式把扩散参数和湍流脉动场的统计特征量联系起来，导出了适用于连续运动扩散过程dtdRvyTtLy002222湍流强度—2v脉动速度的拉氏相关性RL（τ）式中相关意思是流场同一点在不同时刻的脉动速度的相关性。TLtLTdRTdtdRy020022)()(2)(23）湍流扩散的相似理论湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决扩散问题。4）比较基本原理、基本参数、适用范围、受限条件、气象资料3.大气污染物浓度分布的模式计算3.1高斯扩散公式3.2大气扩散参数的确定3.3烟气抬升高度3.4污染物在大气中的清除3.1高斯扩散模型污染物浓度符合正态分布平稳和均匀湍流的假设实际排放源位于地面或接近地面的大气边界层内梯度理论导出的有风连续点源在无界情形下的扩散公式：横向铅直向扩散参数——有界情形高架连续点源的高斯模式或烟流模式有效源高H－m，它包含烟囱高度hs和烟流的抬升高度Δh有界高架源的地面浓度可令z=0得到，地面轴线上的浓度可令y=0，其高于两侧浓度。22221,,exp222,,,,,,,yzyzyzyzQyzqxyzuqxyzQqxyzuuqxyz①正比于源强②称为大气稀释能力或大气扩散能力。③为正态分布形式。)4.3(2)(exp2)(exp)2exp(2),,(222222zzyzyHzHzyuQHzyxq；,,q3smusmgQmmg平均风速，源强浓度地面轴线上的浓度：高架源的地面最大浓度qm和它离源的距离xm：令σy和σz之比为常数在某一风速下会出现地面最大浓度的极大值，称为地面绝对最大浓度[qmax]abs，对应风速值称为临界风速uc，有时亦称为危险风速。模式计算参数大气扩散参数又称大气扩散标准差、浓度分布