第二章气象条件对空气污染的影响.pptx

▪ 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
大涡对流 混合层
自由大气
卷挟
盖顶逆温
带
残余
层 稳定(夜间)边界
层
0 中午
表面
层 日落
表面
层
午夜
日出
卷 挟 带
（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 。
混合 层 表面 层
中午
对流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
稳定边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard, 1990) 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
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。
大涡旋套小涡旋， 速度有增； 小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。
（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
)
s
空气动力学粗糙度z0
切应力τ
u*
( 0
1
)2
2.1.4 大气边界层结构
▪ 大气边界层又可分为近地边界层（surface boundary layer） 和埃克曼层（Ekman boundary layer）（摩擦层）.
▪ 近地边界层又可分为近地面层（surface layer）和贴地层。
1～1.5 km
B)
1
N
N 1
Ai' Bi'
i0
A' B'
（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ε
1
w (w'2 ) 2
i
u
（5）湍流的数学描述
产生湍流的因素
热力因素 动力因素
理查逊数Ri
垂直显热通量H
HT C p w' '
莫宁-奥布霍夫长度L L vu*3
g
(w
'
' v
直接受下垫面影响
驱动力：气压梯度力（pressure gradient force）；湍流摩擦力（turbulent friction stress ）。
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。
2.1.4 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。
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：
污染系数
风向频率 平均风速
2.2.2 湍流
▪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。
风速（m/s）
10 8 6
平均风速 4
2 0
4
风速（m/s）
2
波动
0
-2
-4
6
风速（m/s）
3
湍流
0
-3
-6
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(laminar flow):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。
50～100 m 2m
自由大气层
云层
Zi
上部摩擦层 （Ekman 层）
近地面层
大气边界层
z≤0.1 Zi
近地边界层 贴地层（冠层）
驱动力：湍流粘性力（turbulent viscosity force）；气压梯度力；科里奥利力(coriolis force，简称科氏力）。
大气运动：风速随高度明显变化
w w w'
CO2
CO2
c c c' (mg m-3)
H2O
H2O
q q q' (g m-3)
T
v v v ' T(℃)
方差
湍流变量的脉动部分： A' A A
湍流方差：
2 A
1 N
N 1
Ai'2
i0
A'2
湍流量 ： u2 v2 w2 2 r2 q2 视为方差
标准差
▪方差的平方根
A A'2
• 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。
(3)( A) A
(5)A B A B A B AB a'b'
1 N 1
雷诺平均
VAB
N
( Ai
i0
A) (Bi
（3）湍流产生的能量来源及传递
污染物在大气中的扩散取决于湍流的发展
湍流的能量传递 湍流级串 L. F. 理查逊（1922）：
Big whorls have little whorls, Which feed on their velocity; And little whorls have lesser whorls, And so on to viscosity
ABL/Planetary boundary layer, 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。
平流层
对流层 边界层
~ 10 km 1~2 km
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。
平均风速：6m/s，
平均风速：5m/s，
平均风速：5.5m/s，
风速波动在1m/s
风速波动在0.5m/s
10
风速波动在0.5m/s
风速 (m/s) 5
1200
1300 地方时
午后实测风速轨迹
1400
平均值 方差、标准差
风速
u(m s-1)
u u u'
v(m s-1)
v v v'
w(m s-1)
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（Atmospheric boundary layer,