第二章

氣象條件對(duì)空氣污染的影響第二章

氣象條件對(duì)空氣污染的影響第二章氣象條件對(duì)空氣污染的影響2.1大氣邊界層及其特征2.2風(fēng)和湍流2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度2.4輻射與云2.5天氣形勢(shì)2.6下墊面條件第二章氣象條件對(duì)空氣污染的影響2.1大氣邊界層及其特征2.1大氣邊界層及其特征2.1.1大氣邊界層的基本概念大氣邊界層（Atmosphericboundarylayer,ABL/Planetaryboundarylayer,PBL）：對(duì)流層最底層，從地面至高度約為1~1.5km之間直接受地面影響的大氣層，它響應(yīng)地面作用的時(shí)間尺度為1小時(shí)或更短。2.1大氣邊界層及其特征2.1.1大氣邊界層的基本概念2.1.2邊界層氣體的運(yùn)動(dòng)形式平均風(fēng)速：造成快速水平輸送和平流的直接原因。波動(dòng)：夜間長(zhǎng)能觀測(cè)到，主要輸送動(dòng)量和能量，輸送少量的熱量、濕度、污染物等標(biāo)量。湍流：出現(xiàn)的頻次非常高是邊界層最顯著的特征。2.1.2邊界層氣體的運(yùn)動(dòng)形式平均風(fēng)速：造成快速水平輸送和2.1.3湍流輸送（1）湍流的定義自然界中的流體運(yùn)動(dòng)存在著兩種完全不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。層流(laminarflow):平順、光滑、清晰，沒(méi)有摻混現(xiàn)象。湍流（turbulence）：雜亂無(wú)章、看上去毫無(wú)規(guī)則。2.1.3湍流輸送（1）湍流的定義（1）湍流的定義湍流（turbulence）：疊加在平均風(fēng)速上的陣風(fēng)，是由不規(guī)則的湍渦（eddy）組成。不同湍渦的相對(duì)強(qiáng)度構(gòu)成湍流譜（1）湍流的定義湍流（turbulence）：疊加在平均風(fēng)速（2）湍流產(chǎn)生的原因：熱力因素地面受太陽(yáng)加熱使表面空氣變暖，成熱泡上升，熱泡就是大湍渦。機(jī)械因素地面對(duì)氣流的摩擦曳力，使氣流演變成湍流。水平和垂直風(fēng)切變。（2）湍流產(chǎn)生的原因：熱力因素（3）湍流產(chǎn)生的能量來(lái)源及傳遞湍流的能量傳遞湍流級(jí)串Bigwhorlshavelittlewhorls,Whichfeedontheirvelocity;Andlittlewhorlshavelesserwhorls,Andsoontoviscosity大渦用動(dòng)能哺育小渦，小渦照此把兒女養(yǎng)活。能量沿代代旋渦傳遞，但終于耗散在粘滯里。L.F.理查遜（1922）：大渦旋套小渦旋，速度有增；小渦旋套微渦旋，粘滯乃生。污染物在大氣中的擴(kuò)散取決于湍流的發(fā)展（3）湍流產(chǎn)生的能量來(lái)源及傳遞湍流的能量傳遞Bigwhor（4）湍流特征不規(guī)則性和隨機(jī)性擴(kuò)散性大雷諾數(shù)性質(zhì) 渦旋運(yùn)動(dòng)耗散性混沌特性

連續(xù)性流動(dòng)屬性記憶特性間歇性 猝發(fā)與擬序結(jié)構(gòu)（4）湍流特征不規(guī)則性和隨機(jī)性連續(xù)性（5）湍流的數(shù)學(xué)描述120013001400510地方時(shí)風(fēng)速(m/s)平均風(fēng)速：6m/s，風(fēng)速波動(dòng)在1m/s午后實(shí)測(cè)風(fēng)速軌跡平均風(fēng)速：5.5m/s，風(fēng)速波動(dòng)在0.5m/s平均風(fēng)速：5m/s，風(fēng)速波動(dòng)在0.5m/s平均值方差、標(biāo)準(zhǔn)差（5）湍流的數(shù)學(xué)描述120013001400510地方時(shí)風(fēng)速風(fēng)速CO2H2OT風(fēng)速CO2H2OT湍流變量的脈動(dòng)部分：湍流方差：湍流量：視為方差方差湍流變量的脈動(dòng)部分：湍流方差：湍流量：視為方差標(biāo)準(zhǔn)差方差的平方根標(biāo)準(zhǔn)差與方差相比，優(yōu)點(diǎn)在于具有原變量相同的量綱。湍流統(tǒng)計(jì)理論中常用標(biāo)準(zhǔn)差表示為湍流強(qiáng)度的變量。標(biāo)準(zhǔn)差方差的平方根標(biāo)準(zhǔn)差與方差相比，優(yōu)點(diǎn)在于具有原變量相同協(xié)方差協(xié)方差表示A、B兩個(gè)變量之間共同關(guān)系的程度。雷諾平均協(xié)方差協(xié)方差表示A、B兩個(gè)變量之間共同關(guān)系的程度。雷諾平均（5）湍流的數(shù)學(xué)描述湍流的強(qiáng)弱脈動(dòng)量的均方根湍流強(qiáng)度湍流耗散率ε（5）湍流的數(shù)學(xué)描述湍流的強(qiáng)弱脈動(dòng)量的均方根湍流強(qiáng)度湍流耗散（5）湍流的數(shù)學(xué)描述熱力因素動(dòng)力因素理查遜數(shù)Ri空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0切應(yīng)力τ垂直顯熱通量H莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度L產(chǎn)生湍流的因素（5）湍流的數(shù)學(xué)描述熱力因素動(dòng)力因素理查遜數(shù)Ri空氣動(dòng)力學(xué)粗2.1.4大氣邊界層結(jié)構(gòu)大氣邊界層又可分為近地邊界層（surfaceboundarylayer）和埃克曼層（Ekmanboundarylayer）（摩擦層）.近地邊界層又可分為近地面層（surfacelayer）和貼地層。云層直接受下墊面影響驅(qū)動(dòng)力：氣壓梯度力（pressuregradientforce）；湍流摩擦力（turbulentfrictionstress）。大氣運(yùn)動(dòng)：湍流運(yùn)動(dòng)，風(fēng)向隨高度幾乎不變。風(fēng)、溫度等氣象要素隨高度迅速變化。驅(qū)動(dòng)力：湍流粘性力（turbulentviscosityforce）；氣壓梯度力；科里奧利力(coriolisforce，簡(jiǎn)稱科氏力）。大氣運(yùn)動(dòng)：風(fēng)速隨高度明顯變化z≤0.1ZiZi2.1.4大氣邊界層結(jié)構(gòu)大氣邊界層又可分為近地邊界層（su2.1.4大氣邊界層結(jié)構(gòu)大氣邊界層的另一個(gè)重要特征就是由于熱力作用而導(dǎo)致的強(qiáng)烈的日變化。在陸地高壓區(qū)，邊界層具有輪廓分明、周日循環(huán)發(fā)展的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的三個(gè)主要部分是大渦對(duì)流混合層、含有原先混合層空氣的殘留層、具有間隙性湍流的穩(wěn)定邊界層。2.1.4大氣邊界層結(jié)構(gòu)大氣邊界層的另一個(gè)重要特征就是由于

對(duì)流邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象。（引自Wyngaard,1990)

穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象。（引自Wyngaard,1990)蓋帽逆溫上部穩(wěn)定層結(jié)中的波動(dòng)及下部大對(duì)流湍渦湍流層較淺層內(nèi)存在顯著平均梯度,風(fēng)速極值分布湍渦尺度小,伴隨疊加重力波對(duì)流邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象。（引自Wyngaard,192.2風(fēng)和湍流2.2.1風(fēng)風(fēng)：空氣相對(duì)于地面的水平運(yùn)動(dòng)，有方向和大小。污染系數(shù)：2.2風(fēng)和湍流2.2.1風(fēng)2.2.2湍流大氣中的污染物在湍流渦旋的作用下散布開(kāi)來(lái)。湍流運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則性與隨機(jī)性對(duì)污染物有輸送和擴(kuò)散稀釋的作用。湍流機(jī)械湍流熱力湍流2.2.2湍流大氣中的污染物在湍流渦旋的作用下散布開(kāi)來(lái)。湍2.2.2湍流無(wú)湍流有湍流分子擴(kuò)散作用湍流擴(kuò)散>>分子擴(kuò)散作用2.2.2湍流無(wú)湍流有湍流分子擴(kuò)散作用湍流擴(kuò)散>>分子擴(kuò)散2.2.2湍流abc湍渦小于煙團(tuán)湍渦大大超過(guò)煙團(tuán)湍渦尺度與煙團(tuán)相當(dāng)2.2.2湍流abc湍渦小于煙團(tuán)湍渦大大超過(guò)煙團(tuán)湍渦尺度與2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度氣溫的垂直分布可以表征大氣層結(jié)的穩(wěn)定度(Atmosphericstability)。在大氣邊界層中重要的溫度概念：虛溫（Tv,Virtualtemperature）：當(dāng)氣壓不變時(shí)，與濕空氣具有相同密度的干空氣所對(duì)應(yīng)的溫度。位溫（θ,Potentialtemperature）：氣體從原有的壓強(qiáng)與溫度出發(fā)，以干絕熱的形式膨脹或壓縮到標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)的溫度。T

：實(shí)測(cè)的溫度e、P：當(dāng)時(shí)的水汽壓、大氣壓P0：基準(zhǔn)大氣壓（如100kPa或地面氣壓）2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度氣溫的垂直分布可以表征大氣層結(jié)的穩(wěn)定2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度虛位溫（θv,Virtualpotentialtemperature）：飽和空氣：未飽和空氣：r：非飽和氣塊的水汽混合比rsat：飽和氣塊的水汽混合比r

L：液態(tài)水混合比2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度虛位溫（θv,Virtualp2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度的判斷：氣溫垂直遞減率γ與干絕熱遞減率γd的比較、位溫隨高度的變化?θ/?z、理查遜數(shù)Ri、湍流熱通量HT、特征溫度T*、莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度L、ζ=z/L。判斷近地面層穩(wěn)定度的條件2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度的判斷：氣溫垂直遞減率γ與2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度不同虛位溫廓線下的非局部穩(wěn)定度特征Stull(1988,1999）提出了穩(wěn)定度的非局地判斷。2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度不同虛位溫廓線下的非局部穩(wěn)定度特征SFA:自由大氣層ML:混合層RL:殘留層SBL:穩(wěn)定邊界層SL:近地層SCL:云下層不同時(shí)刻，大氣邊界層平均虛位溫廓線FA:自由大氣層不同時(shí)刻，大氣邊界層平均虛位溫廓線2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度2.4輻射與云太陽(yáng)輻射是地球大氣的主要能量來(lái)源，影響地面及大氣的熱狀況，引起溫度分布變化，導(dǎo)致空氣污染物擴(kuò)散的不同。云的存在減小氣溫隨高度的變化。全球能量平衡示意圖2.4輻射與云太陽(yáng)輻射是地球大氣的主要能量來(lái)源，影響地面及2.5天氣形勢(shì)不利于污染物擴(kuò)散有利于污染物擴(kuò)散反氣旋Anti-cyclone氣旋cyclone天氣系統(tǒng)影響著日或更長(zhǎng)時(shí)間尺度污染物在底層大氣的擴(kuò)散2.5天氣形勢(shì)不利于污染物擴(kuò)散有利于污染物擴(kuò)散反氣旋An2.5天氣形勢(shì)降水、降雪、霧等。2.5天氣形勢(shì)降水、降雪、霧等。2.6下墊面條件城市熱島環(huán)流2.6下墊面條件城市熱島環(huán)流2.6下墊面條件山谷風(fēng)白天：谷風(fēng)夜間：山風(fēng)2.6下墊面條件山谷風(fēng)2.6下墊面條件海（湖）陸風(fēng)白天：海風(fēng)夜間：陸風(fēng)2.6下墊面條件海（湖）陸風(fēng)本章重點(diǎn)大氣邊界層的定義、結(jié)構(gòu)及其日變化特征湍流的定義、特征、產(chǎn)生湍流的主要機(jī)制大氣穩(wěn)定度的判斷風(fēng)、湍流及穩(wěn)定度對(duì)污染物輸送及擴(kuò)散的作用本章重點(diǎn)大氣邊界層的定義、結(jié)構(gòu)及其日變化特征演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！第二章

氣象條件對(duì)空氣污染的影響第二章

氣象條件對(duì)空氣污染的影響第二章氣象條件對(duì)空氣污染的影響2.1大氣邊界層及其特征2.2風(fēng)和湍流2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度2.4輻射與云2.5天氣形勢(shì)2.6下墊面條件第二章氣象條件對(duì)空氣污染的影響2.1大氣邊界層及其特征2.1大氣邊界層及其特征2.1.1大氣邊界層的基本概念大氣邊界層（Atmosphericboundarylayer,ABL/Planetaryboundarylayer,PBL）：對(duì)流層最底層，從地面至高度約為1~1.5km之間直接受地面影響的大氣層，它響應(yīng)地面作用的時(shí)間尺度為1小時(shí)或更短。2.1大氣邊界層及其特征2.1.1大氣邊界層的基本概念2.1.2邊界層氣體的運(yùn)動(dòng)形式平均風(fēng)速：造成快速水平輸送和平流的直接原因。波動(dòng)：夜間長(zhǎng)能觀測(cè)到，主要輸送動(dòng)量和能量，輸送少量的熱量、濕度、污染物等標(biāo)量。湍流：出現(xiàn)的頻次非常高是邊界層最顯著的特征。2.1.2邊界層氣體的運(yùn)動(dòng)形式平均風(fēng)速：造成快速水平輸送和2.1.3湍流輸送（1）湍流的定義自然界中的流體運(yùn)動(dòng)存在著兩種完全不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。層流(laminarflow):平順、光滑、清晰，沒(méi)有摻混現(xiàn)象。湍流（turbulence）：雜亂無(wú)章、看上去毫無(wú)規(guī)則。2.1.3湍流輸送（1）湍流的定義（1）湍流的定義湍流（turbulence）：疊加在平均風(fēng)速上的陣風(fēng)，是由不規(guī)則的湍渦（eddy）組成。不同湍渦的相對(duì)強(qiáng)度構(gòu)成湍流譜（1）湍流的定義湍流（turbulence）：疊加在平均風(fēng)速（2）湍流產(chǎn)生的原因：熱力因素地面受太陽(yáng)加熱使表面空氣變暖，成熱泡上升，熱泡就是大湍渦。機(jī)械因素地面對(duì)氣流的摩擦曳力，使氣流演變成湍流。水平和垂直風(fēng)切變。（2）湍流產(chǎn)生的原因：熱力因素（3）湍流產(chǎn)生的能量來(lái)源及傳遞湍流的能量傳遞湍流級(jí)串Bigwhorlshavelittlewhorls,Whichfeedontheirvelocity;Andlittlewhorlshavelesserwhorls,Andsoontoviscosity大渦用動(dòng)能哺育小渦，小渦照此把兒女養(yǎng)活。能量沿代代旋渦傳遞，但終于耗散在粘滯里。L.F.理查遜（1922）：大渦旋套小渦旋，速度有增；小渦旋套微渦旋，粘滯乃生。污染物在大氣中的擴(kuò)散取決于湍流的發(fā)展（3）湍流產(chǎn)生的能量來(lái)源及傳遞湍流的能量傳遞Bigwhor（4）湍流特征不規(guī)則性和隨機(jī)性擴(kuò)散性大雷諾數(shù)性質(zhì) 渦旋運(yùn)動(dòng)耗散性混沌特性

連續(xù)性流動(dòng)屬性記憶特性間歇性 猝發(fā)與擬序結(jié)構(gòu)（4）湍流特征不規(guī)則性和隨機(jī)性連續(xù)性（5）湍流的數(shù)學(xué)描述120013001400510地方時(shí)風(fēng)速(m/s)平均風(fēng)速：6m/s，風(fēng)速波動(dòng)在1m/s午后實(shí)測(cè)風(fēng)速軌跡平均風(fēng)速：5.5m/s，風(fēng)速波動(dòng)在0.5m/s平均風(fēng)速：5m/s，風(fēng)速波動(dòng)在0.5m/s平均值方差、標(biāo)準(zhǔn)差（5）湍流的數(shù)學(xué)描述120013001400510地方時(shí)風(fēng)速風(fēng)速CO2H2OT風(fēng)速CO2H2OT湍流變量的脈動(dòng)部分：湍流方差：湍流量：視為方差方差湍流變量的脈動(dòng)部分：湍流方差：湍流量：視為方差標(biāo)準(zhǔn)差方差的平方根標(biāo)準(zhǔn)差與方差相比，優(yōu)點(diǎn)在于具有原變量相同的量綱。湍流統(tǒng)計(jì)理論中常用標(biāo)準(zhǔn)差表示為湍流強(qiáng)度的變量。標(biāo)準(zhǔn)差方差的平方根標(biāo)準(zhǔn)差與方差相比，優(yōu)點(diǎn)在于具有原變量相同協(xié)方差協(xié)方差表示A、B兩個(gè)變量之間共同關(guān)系的程度。雷諾平均協(xié)方差協(xié)方差表示A、B兩個(gè)變量之間共同關(guān)系的程度。雷諾平均（5）湍流的數(shù)學(xué)描述湍流的強(qiáng)弱脈動(dòng)量的均方根湍流強(qiáng)度湍流耗散率ε（5）湍流的數(shù)學(xué)描述湍流的強(qiáng)弱脈動(dòng)量的均方根湍流強(qiáng)度湍流耗散（5）湍流的數(shù)學(xué)描述熱力因素動(dòng)力因素理查遜數(shù)Ri空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度z0切應(yīng)力τ垂直顯熱通量H莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度L產(chǎn)生湍流的因素（5）湍流的數(shù)學(xué)描述熱力因素動(dòng)力因素理查遜數(shù)Ri空氣動(dòng)力學(xué)粗2.1.4大氣邊界層結(jié)構(gòu)大氣邊界層又可分為近地邊界層（surfaceboundarylayer）和埃克曼層（Ekmanboundarylayer）（摩擦層）.近地邊界層又可分為近地面層（surfacelayer）和貼地層。云層直接受下墊面影響驅(qū)動(dòng)力：氣壓梯度力（pressuregradientforce）；湍流摩擦力（turbulentfrictionstress）。大氣運(yùn)動(dòng)：湍流運(yùn)動(dòng)，風(fēng)向隨高度幾乎不變。風(fēng)、溫度等氣象要素隨高度迅速變化。驅(qū)動(dòng)力：湍流粘性力（turbulentviscosityforce）；氣壓梯度力；科里奧利力(coriolisforce，簡(jiǎn)稱科氏力）。大氣運(yùn)動(dòng)：風(fēng)速隨高度明顯變化z≤0.1ZiZi2.1.4大氣邊界層結(jié)構(gòu)大氣邊界層又可分為近地邊界層（su2.1.4大氣邊界層結(jié)構(gòu)大氣邊界層的另一個(gè)重要特征就是由于熱力作用而導(dǎo)致的強(qiáng)烈的日變化。在陸地高壓區(qū)，邊界層具有輪廓分明、周日循環(huán)發(fā)展的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的三個(gè)主要部分是大渦對(duì)流混合層、含有原先混合層空氣的殘留層、具有間隙性湍流的穩(wěn)定邊界層。2.1.4大氣邊界層結(jié)構(gòu)大氣邊界層的另一個(gè)重要特征就是由于

對(duì)流邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象。（引自Wyngaard,1990)

穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象。（引自Wyngaard,1990)蓋帽逆溫上部穩(wěn)定層結(jié)中的波動(dòng)及下部大對(duì)流湍渦湍流層較淺層內(nèi)存在顯著平均梯度,風(fēng)速極值分布湍渦尺度小,伴隨疊加重力波對(duì)流邊界層結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)圖象。（引自Wyngaard,572.2風(fēng)和湍流2.2.1風(fēng)風(fēng)：空氣相對(duì)于地面的水平運(yùn)動(dòng)，有方向和大小。污染系數(shù)：2.2風(fēng)和湍流2.2.1風(fēng)2.2.2湍流大氣中的污染物在湍流渦旋的作用下散布開(kāi)來(lái)。湍流運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則性與隨機(jī)性對(duì)污染物有輸送和擴(kuò)散稀釋的作用。湍流機(jī)械湍流熱力湍流2.2.2湍流大氣中的污染物在湍流渦旋的作用下散布開(kāi)來(lái)。湍2.2.2湍流無(wú)湍流有湍流分子擴(kuò)散作用湍流擴(kuò)散>>分子擴(kuò)散作用2.2.2湍流無(wú)湍流有湍流分子擴(kuò)散作用湍流擴(kuò)散>>分子擴(kuò)散2.2.2湍流abc湍渦小于煙團(tuán)湍渦大大超過(guò)煙團(tuán)湍渦尺度與煙團(tuán)相當(dāng)2.2.2湍流abc湍渦小于煙團(tuán)湍渦大大超過(guò)煙團(tuán)湍渦尺度與2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度氣溫的垂直分布可以表征大氣層結(jié)的穩(wěn)定度(Atmosphericstability)。在大氣邊界層中重要的溫度概念：虛溫（Tv,Virtualtemperature）：當(dāng)氣壓不變時(shí)，與濕空氣具有相同密度的干空氣所對(duì)應(yīng)的溫度。位溫（θ,Potentialtemperature）：氣體從原有的壓強(qiáng)與溫度出發(fā)，以干絕熱的形式膨脹或壓縮到標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)的溫度。T

：實(shí)測(cè)的溫度e、P：當(dāng)時(shí)的水汽壓、大氣壓P0：基準(zhǔn)大氣壓（如100kPa或地面氣壓）2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度氣溫的垂直分布可以表征大氣層結(jié)的穩(wěn)定2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度虛位溫（θv,Virtualpotentialtemperature）：飽和空氣：未飽和空氣：r：非飽和氣塊的水汽混合比rsat：飽和氣塊的水汽混合比r

L：液態(tài)水混合比2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度虛位溫（θv,Virtualp2.3氣溫與大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度的判斷：氣溫垂直遞減率γ與干絕熱遞減率γd的比較、位溫隨高度的變化?θ/?z、理查遜數(shù)Ri、湍流