第二章气象条件对空气污染的影响

第二章气象条件对空气污染的影响第二章气象条件对空气污染的影响2.1大气边界层及其特征2.2风和湍流2.3气温与大气稳定度2.4辐射与云2.5天气形势2.6下垫面条件2.1大气边界层及其特征2.1.1大气边界层的基本概念大气边界层（Atmosphericboundarylayer,ABL/Planetaryboundarylayer,PBL）：对流层最底层，从地面至高度约为1~1.5km之间直接受地面影响的大气层，它响应地面作用的时间尺度为1小时或更短。~10km1~2km对流层平流层边界层~10km1~2km对流层平流层边界层2.1.2边界层气体的运动形式平均风速：造成快速水平输送和平流的直接原因。波动：夜间长能观测到，主要输送动量和能量，输送少量的热量、湿度、污染物等标量。湍流：出现的频次非常高是边界层最显著的特征。0246810风速（m/s）平均风速-4-2024风速（m/s）波动-6-3036风速（m/s）湍流0246810风速（m/s）平均风速-4-2024风速（m/s）波动-6-3036风速（m/s）湍流2.1.3湍流输送（1）湍流的定义自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态。层流(laminarflow):平顺、光滑、清晰，没有掺混现象。湍流（turbulence）：杂乱无章、看上去毫无规则。（1）湍流的定义湍流（turbulence）：叠加在平均风速上的阵风，是由不规则的湍涡（eddy）组成。不同湍涡的相对强度构成湍流谱（2）湍流产生的原因：热力因素地面受太阳加热使表面空气变暖，成热泡上升，热泡就是大湍涡。机械因素地面对气流的摩擦曳力，使气流演变成湍流。水平和垂直风切变。（3）湍流产生的能量来源及传递湍流的能量传递湍流级串Bigwhorlshavelittlewhorls,Whichfeedontheirvelocity;Andlittlewhorlshavelesserwhorls,Andsoontoviscosity大涡用动能哺育小涡，小涡照此把儿女养活。能量沿代代旋涡传递，但终于耗散在粘滞里。L.F.理查逊（1922）：大涡旋套小涡旋，速度有增；小涡旋套微涡旋，粘滞乃生。污染物在大气中的扩散取决于湍流的发展（4）湍流特征不规则性和随机性扩散性大雷诺数性质涡旋运动耗散性混沌特性连续性流动属性记忆特性间歇性猝发与拟序结构（5）湍流的数学描述120013001400510地方时风速(m/s)平均风速：6m/s，风速波动在1m/s午后实测风速轨迹平均风速：5.5m/s，风速波动在0.5m/s平均风速：5m/s，风速波动在0.5m/s平均值方差、标准差风速'uuu'''vvv'qqq'cccCO2H2OTu(ms-1)w(ms-1)v(ms-1)T(℃)H2O(gm-3)CO2(mgm-3)AAA'湍流变量的脉动部分：21022''1AANNiiA湍流方差：湍流量：2u2v2w22r2q视为方差方差标准差方差的平方根2'AA•标准差与方差相比，优点在于具有原变量相同的量纲。•湍流统计理论中常用标准差表示为湍流强度的变量。协方差协方差表示A、B两个变量之间共同关系的程度。10)()(1NiiiABBBAANV''110''BABANNiii雷诺平均''baBABABABAAA)5()()3(（5）湍流的数学描述湍流的强弱脉动量的均方根湍流强度湍流耗散率ε212)'(wwui（5）湍流的数学描述热力因素动力因素理查逊数Ri空气动力学粗糙度z0切应力τ垂直显热通量H莫宁-奥布霍夫长度L产生湍流的因素210*)(u''wCHpT22zvzuzgRvvisvvwguL)(''3*2.1.4大气边界层结构大气边界层又可分为近地边界层（surfaceboundarylayer）和埃克曼层（Ekmanboundarylayer）（摩擦层）.近地边界层又可分为近地面层（surfacelayer）和贴地层。近地面层贴地层（冠层）大气边界层上部摩擦层（Ekman层）1～1.5km50～100m2m自由大气层近地边界层云层直接受下垫面影响驱动力：气压梯度力（pressuregradientforce）；湍流摩擦力（turbulentfrictionstress）。大气运动：湍流运动，风向随高度几乎不变。风、温度等气象要素随高度迅速变化。驱动力：湍流粘性力（turbulentviscosityforce）；气压梯度力；科里奥利力(coriolisforce，简称科氏力）。大气运动：风速随高度明显变化z≤0.1ZiZi2.1.4大气边界层结构大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作用而导致的强烈的日变化。在陆地高压区，边界层具有轮廓分明、周日循环发展的结构。这种结构的三个主要部分是大涡对流混合层、含有原先混合层空气的残留层、具有间隙性湍流的稳定边界层。表面层表面层表面层中午日落午夜中午日出稳定(夜间)边界层卷挟带残余层卷挟带云层自由大气盖顶逆温大涡对流混合层混合层图8.2.1陆上高压区大气边界层由三部分组成：大涡对流混合层；含有原先混合层空气的残余层；具有间隙性湍流的夜间稳定边界层。高度(m)200010000表面层表面层表面层中午日落午夜中午日出稳定(夜间)边界层卷挟带残余层卷挟带云层自由大气盖顶逆温大涡对流混合层混合层图8.2.1陆上高压区大气边界层由三部分组成：大涡对流混合层；含有原先混合层空气的残余层；具有间隙性湍流的夜间稳定边界层。高度(m)200010000对流边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard,1990)稳定边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard,1990)盖帽逆温上部稳定层结中的波动及下部大对流湍涡湍流层较浅层内存在显著平均梯度,风速极值分布湍涡尺度小,伴随叠加重力波2.2风和湍流2.2.1风风：空气相对于地面的水平运动，有方向和大小。污染系数：平均风速风向频率污染系数2.2.2湍流大气中的污染物在湍流涡旋的作用下散布开来。湍流运动的不规则性与随机性对污染物有输送和扩散稀释的作用。湍流机械湍流热力湍流2.2.2湍流无湍流有湍流分子扩散作用湍流扩散分子扩散作用2.2.2湍流abc湍涡小于烟团湍涡大大超过烟团湍涡尺度与烟团相当2.3气温与大气稳定度气温的垂直分布可以表征大气层结的稳定度(Atmosphericstability)。在大气边界层中重要的温度概念：虚温（Tv,Virtualtemperature）：当气压不变时，与湿空气具有相同密度的干空气所对应的温度。位温（θ,Potentialtemperature）：气体从原有的压强与温度出发，以干绝热的形式膨胀或压缩到标准压强的温度。PeTTv378.01T：实测的温度e、P：当时的水汽压、大气压286.00PPTP0：基准大气压（如100kPa或地面气压）2.3气温与大气稳定度虚位温（θv,Virtualpotentialtemperature）：Lsat61.01rrvrv61.01饱和空气：未饱和空气：r：非饱和气块的水汽混合比rsat：饱和气块的水汽混合比rL：液态水混合比286.0)1000(PTvv2.3气温与大气稳定度大气稳定度的判断：气温垂直递减率γ与干绝热递减率γd的比较、位温随高度的变化əθ/əz、理查逊数Ri、湍流热通量HT、特征温度T*、莫宁-奥布霍夫长度L、ζ=z/L。稳定γγdəθ/əz0Ri0HT0T*0L0ζ0中性γ=γdəθ/əz=0Ri=0HT=0T*=0L→∞ζ=0不稳定γγdəθ/əz0Ri0HT0T*0L0ζ0判断近地面层稳定度的条件2.3气温与大气稳定度不同虚位温廓线下的非局部稳定度特征Stull(1988,1999）提出了稳定度的非局地判断。FA:自由大气层ML:混合层RL:残留层SBL:稳定边界层SL:近地层SCL:云下层不同时刻，大气边界层平均虚位温廓线S7S7S7S72.3气温与大气稳定度2.3气温与大气稳定度2.4辐射与云太阳辐射是地球大气的主要能量来源，影响地面及大气的热状况，引起温度分布变化，导致空气污染物扩散的不同。云的存在减小气温随高度的变化。全球能量平衡示意图2.5天气形势不利于污染物扩散有利于污染物扩散反气旋Anti-cyclone气旋cyclone天气系统影响着日或更长时间尺度污染物在底层大气的扩散2.5天气形势降水、降雪、雾等。2.6下垫面条件城市热岛环流城市郊区郊区城市郊区郊区2.6下垫面条件山谷风白天：谷风夜间：山风2.6下垫面条件海（湖）陆风白天：海风夜间：陆风本章重点大气边界层的定义、结构及其日变化特征湍流的定义、特征、产生湍流的主要机制大气稳定度的判断风、湍流及稳定度对污染物输送及扩散的作用