气象条件等因素对空气污染的影响
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
垂直风为毫米-米的量级 波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见：
重力波、惯性波 湍流：大气边界层的运动形态，剪切和不稳定特性等，
湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。 大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。
大气边界层中的风廓线
中性层结条件下风速垂直 分布（对数率风廓线）：
Uz
第二章 气象条件对空气污染的影响
大气边界层结构及其特征
1.大气垂直分层
热层
中间层
平流层 对流层
对流层
?温度随高度的增加而降低，气温递减率Γ为 6.5℃/km ?对流层中的垂直运动显著 ?集中了80%的大气质量和几乎全部水汽 ?气象要素水平分布不均匀 ?云雾降水等都发生在此层
平流层
? 自对流层顶到55km左右 ? 25km以下温度递减率接近零，25km以上温
?湍流是如何发生的？
层流失稳（剪切和热对流）
机械湍流、热力湍流
雷 诺 ：在实验室模拟湍流
雷诺数 Re = U L / v =惯性力/粘滞力=U 2 / L
1）大气边界层垂直方向的概念化分层
边界层顶 贴地层：1m，分子粘性力占主要
动量、热量、
近地层：水5分0－、物10质0交m换，湍流应力超上过部分摩子擦粘层性力 上部摩擦层：科氏力、湍流应力、气压梯度力
三力平衡
近地面层
贴地层
2）大气边界层主要特征
? 大气边界层的主要运动形态一般是湍流，大气 湍流运动的尺度非常广；
散逸层
? 随高度升高气温增加不显著 ? 大气成分可以散逸到星际空间
大气边界层
大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大约1~2公里厚度， 是大气与下垫面直接发生相互作用的层次;是人类生命和工程 活动的主要场所;是地表与大气之间物质和能量交换的通道;是 空气污染和许多气象灾害的发生地。在这一层中，湍流交换在 大气的动量、热量、水汽及其他微量气体的平衡中起重要作用。
度随高度明显增加 ? 平流层气流运动主要以水平运动为主 ? 水汽极少，颗粒物极少，能见度极好 ? 大气污染物进入平流层后能长期存在
中间层
? 从平流层顶至85km高度左右 ? 层内温度随高度增加而下降 ? 空气的垂直对流运动强,故又称之为高空对
流层或上对流层
热层
? 约至550km高度 ? 温度随高度增加而上升 ? 带电粒子运动受地球磁场的作用明显 ? 极光
平流层
对流层 边界层
~ 10 km 1~2 km
大气边界层定义：
大气边界层位于对流层的最底部，由于直接与地 面相贴而强烈受到分子粘性、湍流摩擦、辐射增 热、水汽交换、物质扩散各种交换作用和地形的 影响，致使湍流应力成为重要因子而不可忽略， 与之相联系形成ABL/PBL。即直接受地面影响 的那部分对流层，它响应地面的作用时间尺度为 1小时或者更短。
边界层
自由大气层
几乎整个高度都是无间断的 水平范围很大的浅层有零散
湍流
的晴空湍流
对地面曳力大，能量耗散大 粘滞耗散小
在水平和垂直方向湍流迅速 分子扩散少，往往由平均风
混合
在水平方向迅速输送
近地层接近对数风速廓线， 是次地转的，常有穿过等压 线的气流
接近地转风
受湍流控制
受平均风速和积云尺度控制
时空变化在100m-3km 之间， 空间变化小，8-18km；时间
边界层的发展具有明显的日变化特点：（高压区、小风、无云条件）
? 对流边界层，稳定边界层，中性边界层
? 白天：对流边界层 近地面层、混合层、夹卷层
? 夜间：稳定边界层 近地面层、稳定边界层、残留层
? 强风（>12m/s）或阴天条件：中性边界层
不同时刻，大气边界层平均虚位温廓线
FA: 自由大气层 ML: 混合层 RL: 残留层 SBL: 稳定边界层 CL: 云层 SCL: 云下层
1 风和湍流
? 风：空气相对于地面的水平运动
风速越大，单位时间污染物被输送距离越远， 混入的空气量越多，污染物浓度越低。
水平搬运 ，扩散稀释
? 污染系数
污染系数＝风向频率 /平均风速 风频低，风速小，污染系数小，空气污染程度轻。
湍流：扩散稀释
? 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：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象 湍 流（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则
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
影响大气污染物散布的主要因子
1 风和湍流 2 气温与大气稳定度 3 辐射与云 4 天气形势 5 下垫面条件 6 大气边界层结构及其特征
?
U1
ln Z ? ln Z0 ln Z1 ? ln Z 0
Z0：粗糙长度(cm或m)
非中性层结条件下风速垂 直分布（指数率风廓线）：
U z ? U 1(Z / Z1)m
0<m<1
2015年冬季南京大气边界层平均风速廓线
8:00
11:00
14:00
17:00
20:00
23:00
2:00
对流边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard, 1990)
? 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；
? 由于地面摩擦的存在，大气运动是非地转的； ? 大气是非均匀介质，大气密度随时间和空间变
化，特别是铅直方向上大气密度不均一； ? 水平尺度远大于垂直尺度，可视为浅层流体。
边界层和自由大气的特征比较
性质 湍流
摩擦 扩散 风速
垂直输送 厚度
S7
2015年冬季南京大气边界层平均虚位温廓线
4) 大气边界层内的流动形式
一般地，边界层内气流的流动形式有三种：平均场、湍 流场、波动场。
实际上，后两者是叠加在平均场上的。
u ? u ? u?? u??
平均风：明显的日变化 风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度
一般量级：水平风为米的量级
陆地上空有周日振荡
变化缓慢
3) 边界层结构日变化
?白天：近地面层、混合层、夹卷层；
?夜间：近地面层、稳定边界层、残 留层
边界层结构的日变化
2000
度 (m) 1000 高
云层
大涡对流 混合层
卷挟
自由大气 盖顶逆温
残余
层 稳定 (夜间)边界
卷 挟 带
混合
0
表面
表面
表面
中午
日落
午夜
日出
中午源自文库
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。
重力波、惯性波 湍流：大气边界层的运动形态，剪切和不稳定特性等，
湍流对大气边界层的发展和演变有关键作用。 大气湍流和波动叠加在平均场上，表现为风的起伏和扰动。
大气边界层中的风廓线
中性层结条件下风速垂直 分布（对数率风廓线）：
Uz
第二章 气象条件对空气污染的影响
大气边界层结构及其特征
1.大气垂直分层
热层
中间层
平流层 对流层
对流层
?温度随高度的增加而降低，气温递减率Γ为 6.5℃/km ?对流层中的垂直运动显著 ?集中了80%的大气质量和几乎全部水汽 ?气象要素水平分布不均匀 ?云雾降水等都发生在此层
平流层
? 自对流层顶到55km左右 ? 25km以下温度递减率接近零，25km以上温
?湍流是如何发生的？
层流失稳（剪切和热对流）
机械湍流、热力湍流
雷 诺 ：在实验室模拟湍流
雷诺数 Re = U L / v =惯性力/粘滞力=U 2 / L
1）大气边界层垂直方向的概念化分层
边界层顶 贴地层：1m，分子粘性力占主要
动量、热量、
近地层：水5分0－、物10质0交m换，湍流应力超上过部分摩子擦粘层性力 上部摩擦层：科氏力、湍流应力、气压梯度力
三力平衡
近地面层
贴地层
2）大气边界层主要特征
? 大气边界层的主要运动形态一般是湍流，大气 湍流运动的尺度非常广；
散逸层
? 随高度升高气温增加不显著 ? 大气成分可以散逸到星际空间
大气边界层
大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大约1~2公里厚度， 是大气与下垫面直接发生相互作用的层次;是人类生命和工程 活动的主要场所;是地表与大气之间物质和能量交换的通道;是 空气污染和许多气象灾害的发生地。在这一层中，湍流交换在 大气的动量、热量、水汽及其他微量气体的平衡中起重要作用。
度随高度明显增加 ? 平流层气流运动主要以水平运动为主 ? 水汽极少，颗粒物极少，能见度极好 ? 大气污染物进入平流层后能长期存在
中间层
? 从平流层顶至85km高度左右 ? 层内温度随高度增加而下降 ? 空气的垂直对流运动强,故又称之为高空对
流层或上对流层
热层
? 约至550km高度 ? 温度随高度增加而上升 ? 带电粒子运动受地球磁场的作用明显 ? 极光
平流层
对流层 边界层
~ 10 km 1~2 km
大气边界层定义：
大气边界层位于对流层的最底部，由于直接与地 面相贴而强烈受到分子粘性、湍流摩擦、辐射增 热、水汽交换、物质扩散各种交换作用和地形的 影响，致使湍流应力成为重要因子而不可忽略， 与之相联系形成ABL/PBL。即直接受地面影响 的那部分对流层，它响应地面的作用时间尺度为 1小时或者更短。
边界层
自由大气层
几乎整个高度都是无间断的 水平范围很大的浅层有零散
湍流
的晴空湍流
对地面曳力大，能量耗散大 粘滞耗散小
在水平和垂直方向湍流迅速 分子扩散少，往往由平均风
混合
在水平方向迅速输送
近地层接近对数风速廓线， 是次地转的，常有穿过等压 线的气流
接近地转风
受湍流控制
受平均风速和积云尺度控制
时空变化在100m-3km 之间， 空间变化小，8-18km；时间
边界层的发展具有明显的日变化特点：（高压区、小风、无云条件）
? 对流边界层，稳定边界层，中性边界层
? 白天：对流边界层 近地面层、混合层、夹卷层
? 夜间：稳定边界层 近地面层、稳定边界层、残留层
? 强风（>12m/s）或阴天条件：中性边界层
不同时刻，大气边界层平均虚位温廓线
FA: 自由大气层 ML: 混合层 RL: 残留层 SBL: 稳定边界层 CL: 云层 SCL: 云下层
1 风和湍流
? 风：空气相对于地面的水平运动
风速越大，单位时间污染物被输送距离越远， 混入的空气量越多，污染物浓度越低。
水平搬运 ，扩散稀释
? 污染系数
污染系数＝风向频率 /平均风速 风频低，风速小，污染系数小，空气污染程度轻。
湍流：扩散稀释
? 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：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象 湍 流（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则
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
影响大气污染物散布的主要因子
1 风和湍流 2 气温与大气稳定度 3 辐射与云 4 天气形势 5 下垫面条件 6 大气边界层结构及其特征
?
U1
ln Z ? ln Z0 ln Z1 ? ln Z 0
Z0：粗糙长度(cm或m)
非中性层结条件下风速垂 直分布（指数率风廓线）：
U z ? U 1(Z / Z1)m
0<m<1
2015年冬季南京大气边界层平均风速廓线
8:00
11:00
14:00
17:00
20:00
23:00
2:00
对流边界层结构及其流场图象。（引自Wyngaard, 1990)
? 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；
? 由于地面摩擦的存在，大气运动是非地转的； ? 大气是非均匀介质，大气密度随时间和空间变
化，特别是铅直方向上大气密度不均一； ? 水平尺度远大于垂直尺度，可视为浅层流体。
边界层和自由大气的特征比较
性质 湍流
摩擦 扩散 风速
垂直输送 厚度
S7
2015年冬季南京大气边界层平均虚位温廓线
4) 大气边界层内的流动形式
一般地，边界层内气流的流动形式有三种：平均场、湍 流场、波动场。
实际上，后两者是叠加在平均场上的。
u ? u ? u?? u??
平均风：明显的日变化 风速和风向及其相关边界层属性具有明显的垂直梯度
一般量级：水平风为米的量级
陆地上空有周日振荡
变化缓慢
3) 边界层结构日变化
?白天：近地面层、混合层、夹卷层；
?夜间：近地面层、稳定边界层、残 留层
边界层结构的日变化
2000
度 (m) 1000 高
云层
大涡对流 混合层
卷挟
自由大气 盖顶逆温
残余
层 稳定 (夜间)边界
卷 挟 带
混合
0
表面
表面
表面
中午
日落
午夜
日出
中午源自文库
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。