《大气环境学》风和湍流

第二节风和湍流（二）风速（windspeed)1、表述方法单位时间内空气（水平）流动的距离。m/s。风速与风级的转换关系：u＝3.02×F3/2（km/h）式中：F为风力等级，0～12级《风级歌》：0级烟柱直冲天，1级轻烟随风偏；2级清风吹脸面，3级叶动红旗展；4级风吹飞纸片，5级带叶小树摇；6级举伞步行艰，7级迎风走不便；8级风吹树枝断，9级屋顶飞瓦片；10级拔树又倒屋，11、12陆上很少见。2、风速随高度的变化地表附近的气流运动受下垫面（地表面的树林、田野、建筑物等）摩擦力的阻滞，使气流在垂直方向上产生的风速梯度。表示风速随高度变化的曲线，称为“风速廓线”。风速随高度的增加而增加。风速大小直接决定了该地区的大气污染稀释能力（环境容量）。0*lnzzkuuu——高度为z处的风速，m/s；u*——摩擦速度，m/s；k——Karman常数，一般取0.4；z0——地面粗糙度，m.z0定义为离地面高度z0处，平均风速u＝0.对数律对数律较适用于描述近地层中性层结时的风廓线。不同稳定度下的风廓线指数m的取值稳定度等级ABCDE或F城市0.100.150.200.250.30乡村0.070.070.100.150.25城乡平均0.0850.110.150.200.275mZmZmZZZuum200200200221212，取气象台站的观测风速是在距地面10m高度10min内的平均风速。指数律（幂律）mzuu1010注意：=u——高度为z处的平均风速，m/s；u10——10m处的平均风速，m/s；m——风廓线指数，也称风速高度指数。与大气稳定度和地面粗糙度有关。风速的两种平均方式：平均风速是最常用的风参数。通常有两种平均方式：时间平均风速：任意高度处的时间平均风速。计算方法如前所述。空间平均风速：由地面起算的任一高度内的竖向平均风速。21)(112ZZdzzuZZumZZmuu001竖向平均风速的计算：若计算范围是由高度Z1～高度Z2，则若由地面积分到某一高度Z，则Z1=0，Z2=Z)(112011120ZZZZZmuummm按指数律积分u0为某参考高度Z0处的风速3、污染系数综合考虑风向和风速的影响，引入污染系数：fi、ui和Pi——第i方位的风向频率、平均风速和污染系数；f0——静风频率；u0——静风取u0=0.75m/s。Pi越小，污染源对该风向下风向的空气污染程度越轻；反之，对该风向下风向的空气污染程度越重。该风向下的平均风速风向频率污染系数00161ufufPiii（i=1，2，…16）相对污染系数：(%)100161iiiiPPR风向频率玫瑰图和污染系数玫瑰图，可直观地反映一个地区的风向，或风向与风速联合作用对空气污染物的输送、稀释影响。讨论：某地区的风向和污染系数资料如下表。若分别以风向频率和污染系数为依据，则应如何布置居民区和工业区的位置？风向iNNEESESSWWNWfi(％)161112211071112ui(m/s)54343236Pi3.22.84.05.33.33.53.72.0Ri(％)121014191213137利用污染系数指导城市规划及工业布局：工业排污区应设置在最大污染系数的下风向，或最小污染系数的上风向；休息疗养地、公园、文教、行政区等需要特别保护的区域应设置在最小污染系数的下风向，或最大污染系数上风向区域；商业及一些混合区应设置在二者的过渡带上。二、湍流1、定义湍流指一种不规则的空气运动，俗称乱流。研究湍流时，把它作为一种叠加在平均运动之上的脉动变化，由一系列不规则的涡旋运动组成。T时间内的平均风速湍流运动的定义2、特征空气的运动随时间和空间而随机变化。（1）机械湍流由机械或动力作用生成。如地表非均一性和粗糙程度。（2）热力湍流由各种热力因子诱生热力作用，也称为对流。如太阳加热地表导致热对流泡向上运动，地表受热不均匀，气层不稳定等。3、尺度湍流是由大大小小的湍涡组成。►最大的湍涡尺度约和边界层厚度相当，1000～10000km，生命周期为半天到几天；►最小的湍涡仅几个mm，生命周期仅百分之几秒。4、非湍流和湍流情况下气团的扩散若没有湍流运动，烟团仅仅靠分子扩散使烟团长大，速度非常缓慢。实际大气中存在着剧烈的湍流运动，使烟团与空气之间强烈地混合和交换。湍流扩散比分子扩散的速率快105～106倍，极为重要。当风速不太小时，在平均运动方向上仍以风的平流输送作用为主导。(a)(b)非湍流情况下的烟团扩散湍流情况下的烟团扩散5、不同尺度湍涡对扩散的影响abc图a：湍涡尺度＜烟团尺度图b：湍涡尺度＞烟团尺度图c：湍涡尺度≈烟团尺度实际大气中存在着各种尺度的湍涡，三种作用同时存在并相互作用。作业：P132.4试用下列实测数据计算各层大气的幂指数m值。高度Z（m）10203040风速u（m/s）3.03.53.94.22.5某城市地区地面10m高处的风速为2m/s，估算50m、100m、200m、300m高度处在稳定度为B、D、F时的风速，并以高度为纵坐标，风速为横坐标作出风速廓线图。（假定0m处风速为0）2.6某地区的风向频率和风速如下表。试计算污染系数及相对污染系数，并绘制风向频率玫瑰图和相对污染系数玫瑰图。并判断：若分别以风向频率和污染系数为依据，则应如何布置居民区和工业区的位置？风向NNNENEENEEESESESSESSSWSWWS(％)9.87.85.06.06.110.89.110.15.02.83.12.31.92.85.110.71.6ui(m/s)2.82.93.13.94.14.64.74.94.73.22.83.13.23.43.13.20.75[本章要点]1、熟悉大气的结构和组成2、掌握风向的十六方位划分法3、掌握风向频率玫瑰图和污染系数玫瑰图的绘制方法及其应用4、掌握风速随高度的变化关系5、掌握湍流的特征及其分类第三章大气动力学基本特征一、大气的状态变量与大气热力学1、气体状态方程对于实际大气，也近似视为理想气体，满足理想气体状态方程。式中：n——摩尔数；R*——气体常数，取8.314J/(mol.K)。单位质量干空气的状态方程：式中：Rd——干空气的气体常数，287J/(kg.K)。TRPV*nTRPVdTRPd或2、大气热力学（1）大气热流量方程大气热力学的基础是热力学第一定律：将热力学第一定律运用到大气中得到大气热流量方程：对于单位质量的空气：dq——单位质量空气的热量变化，J/kg。cp——定压比热，J/(kg.K)。WUQdPPTRdTcdqdp（2）不饱和湿空气绝热变化方程绝热过程，dq＝0，故单位质量空气的热流量方程：定积分后可以得到：式中：T0、T——分别为初始和最终状态下空气的温度；P0、P——分别为初始和最终状态下空气的压强。此式表示不饱和湿空气块在垂直运动过程中的状态变化，称为Poisson方程（泊松方程）。0dPPTRdTcdppdcRPPTT/00（3）干绝热温度垂直递减率①空气温度表征大气热力状况。单位为摄氏温度（℃）或绝对温度（K）。T(K)=t(℃)+273空气温度取决于地面辐射和大气辐射的共同作用。（主要是大气逆辐射对地面的保温作用）低层大气主要从地面长波有效辐射中获取能量，用以加热地面以上50m以下的空间大气。热量的传递方式：太阳加热地面，地面长波辐射加热低层大气，低层大气再以辐射、对流等方式将热量传给更上层次的大气。即：大气自下而上地被逐步加热或冷却。②气温的垂直递减率γ气温的垂直递减率是指气温随高度的增加而降低的速率。对流层实际大气中，γ为0.65℃/100m，或记作0.65K/100m。ZT实际计算中，取对区域大气层：ZT对运动小气团：dZdT（局地变化）（个别变化）③干绝热温度垂直递减率γd干空气或不饱和湿空气块绝热上升单位高度，温度降低的数值。dZdTd0dPPTRdTcdpCPCRTpdlnlndZdPPCRdZdTTpd11gZPdZdPTRPPdTCTgdZdTpTRggTRdZdPPdd)(11应用大气静力学基本方程及准静态条件：1TTpdcgdZdT不定积分对Z求导一般取γd＝0.98K/100m≈1K/100m。γd表明：气块在作干绝热垂直运动时，每上升100m，温度约降低1度；每下降100m，约升温1度。pdcgdZdT二、大气层结与稳定度1、大气层结静大气的温度、密度和湿度等随高度的垂直分布，称为大气层结。（1）温度层结温度随高度的分布情况。直接影响大气在垂直方向的稳定度。（2）温度层结类型①Z↑，T↓——正常分布，或递减层结②温度梯度等于或近似于1℃/100m——中性层结③Z↑，T↑——逆温层结④温度不随高度变化——等温层结a：正常（递减）层结γ1b：中性层结γ=1c：等温层结γ=0d：逆温层结γ0温度层结曲线高度Z(m)温度T（℃）abdc（3）温度层结日变化（晴朗天气下的典型昼夜变化）夜间TZ早晨TZ上午TZ中午TZ下午TZ夜间TZ2、大气稳定度及其判别（1）大气稳定度概念指气层的稳定程度，即大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。在大气中，某一小气块当受到垂直方向的扰动后：若具有返回原来平衡位置的趋势，则称大气是稳定的；若具有进一步远离平衡位置的趋势，则称大气是不稳定的；若气块既不远离也不返回原来的位置，则称之为中性的。注意：稳定度概念是指大气层结而言，并非受扰动的气块。（2）稳定度的判别以下对某一运动气块的运动过程进行研究。dtdwmgv)(气块受力g)(gmvdtdw加速度引入状态方程：TRPdTRPd气块空气gTTTdtdwTT准静态PPdZTTdZTdTTTd000当垂直方向上位移距离dZ之后，有：气块空气gwdtTgdZTdtdwdd（取向上为正方向）层结内力P,ρ,TP0,ρ0,T0P0,ρ0,T0T,,P周围大气dZ此式表明：干空气块的静力稳定度决定于γd与周围大气的γ之差。讨论：γ＞γd时，dw/dt与w同号，为不稳定层结；γ＜γd时，dw/dt与w异号，为稳定层结；γ＝γd时，dw/dt＝0，为中性层结。gwdtTgdZTdtdwdd图例：设有3块未饱和空气A、B、C，都位于200m高度上作升降运动，而其周围空气的垂直递减率γ分别为γA=0.8，γB=1.0，γC=1.2。（3）不同γ下的烟流形式①扇型（稳定层结）湍流活动弱，扇形烟流内部污染物的浓度很高，其上下两侧，浓度很快降低。多出现于晴朗夜晚。②锥型（近中性层结）烟体外形清晰，烟流离开排放口一定距离之后主轴基本上保持水平，而烟云的轮廓如同一个椭圆锥体。多出现于阴天（或多云）、大风天气。③波浪型（不稳定层结）湍流活动强烈，烟流曲折呈环链状，烟流各部分的运动速度和方向皆不规则，消散迅速。多出现于中午前后。中性（圆锥型）不稳定（波浪型）稳定（扇型）ZTγrdTZγrdZTrdγ上部稳定，下部中性或不稳定（熏烟型）④熏烟型（上层逆温，下层不稳定）空气污染物向上扩散受抑制，全部向下扩散，使地面浓度剧增，造成局地严重污染。多出现于晴夜日出后。⑤屋脊型（下部逆温，上层不稳定）烟流下边缘浓密清晰，上部稀松或有碎块。多出现于日落前后，对高架源排放较为有利。多出现于日落前后。ZTγrdZTrdγ上部中性，下部稳定（屋脊型）三、大气动力学与守恒定律质量连续性方程：其中：ρ——空气密度；u、v、w——分别为x、y、z方向上的风速分量。若近似认为大气密度是常数，则简化为不可压缩的连续性方程：此方程常用于研究大气边界层内的物理过程，包括污染物输送扩散问题。zwyvxut)()()(0zwyv