第二章 气象条件对空气污染的影响,1.大气垂直分层,对流层,平流层,中间层,热层,大气边界层结构及其特征,对流层,温度随高度的增加而降低，气温递减率为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,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,大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大约12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。,大气边界层,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。,动量、热量、 水分、物质交换,边界层顶,1）大气边界层垂直方向的概念化分层,上部摩擦层,近地面层,贴地层,贴地层：1m，分子粘性力占主要 近地层：50100m，湍流应力超过分子粘性力 上部摩擦层：科氏力、湍流应力、气压梯度力三力平衡,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； 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,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,边界层的发展具有明显的日变化特点：（高压区、小风、无云条件）,边界层结构的日变化,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,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。,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 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）：,非中性层结条件下风速垂直分布（指数率风廓线）：,Z0：粗糙长度(cm或m),0m1,2015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),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,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,影响大气污染物散布的主要因子,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,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:平均流动速度；L：流动特征长度；v: 运动学粘滞系数(cm2/s) 雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re2000为层流状态，Re4000为紊流状态，Re20004000为过渡状态。,湍流稳定度参数梯度理查孙数,Ri 0：热力因子使湍流减弱，动力因子使湍流增强，但是湍流最终是否发展，取决于 的大小。 Ri 临界值：1/21/4 Ri 1/21/4 ：湍流不易发展。,湍流即叠加在平均风速上的阵风，可以看作是由称之为湍涡的不规则涡流组成。一般来说，湍流总是包括很多大小不同、相互叠加的湍涡，这些不同尺度的湍涡的相对强度就定义为湍流谱。 许多边界层湍流是由来自地面的作用引起的，例如白天阳光充足，地面的太阳加热使空气热泡上升，这种热泡就是大湍涡。地面对气流的摩擦曳力使风切变得到发展，常常演变成湍流。像树木和建筑物那样的障碍物能改变气流方向，在障碍物附近和障碍物下风方向产生湍流尾流。,湍流的定义,定义1 泰勒和冯卡曼：湍流是一种不规则的运动，当流体流过固体表面，或者甚至当相邻的同类流体相互流过或绕过时，一般会在流体中出现这种不规则运动。 定义2 欣茨：流体的湍流运动是一种不规则的流动状态，它的各种量随时间与空间坐标表现出随机变化，因而能辨别出不同的统计平均值。 湍流至今没有严格的科学定义。,湍流的基本特征,1. 随机性。非规则的、混乱的、不可预测的。时间和空间上的随机现象。 2.非线性。湍流是高度非线性的。Re或Ri数超过某临界值，流动中的小扰动就会自发地增长，并很快到一定的扰动幅度。 3. 扩散性。强烈的扩散能力，大约是分子扩散能力的10万倍。 4. 耗散性。湍流的能量是由大湍涡向小湍涡传递，最后通过分子粘性耗散称为热能。 5. 涡旋性。含有尺度分布极广的大小不同的涡旋，这些涡旋直接有强烈的相互作用。,分子扩散湍流扩散 105106倍,Slade，1968,(a)湍涡小于烟团 (b)湍涡远远超过烟团 (c)湍涡尺度与烟团相当 实际情况中，三种作用都存在，并相互作用。,2 气温和大气稳定度,温度层结,大气温度随高度变化情况，即大气温度垂直分布。它决定着大气的稳定度，而大气的稳定度又影响湍流强度，因而温度层结与大气污染状况密切相关。 温度递减率（ ） 0 形成对流、湍流发展，有利污染扩散， 越大，对流越快，污染扩散越快； =0 等温层，空气没有垂直运动，大气稳定 0 逆温层，对流、湍流被抑制，污染极难扩散 对流层平均=0.65K/100m 干绝热递减率（ d），湿绝热递减率（ m） d=0.98K/100m,干绝热线,湿绝热线,T,lnP,O,大气稳定度,大气稳定度是指整层空气的稳定程度。它是用来描述环境大气层结对于在其中作垂直运动的气团起什么影响的一种热力性质。 环境大气温度直减率（ ）与上升气块绝热减温率（ d或m）对比： （1） d时，大气层结不稳定。,T,z,z,d,T,z,z,d,T,z,z,d,d,=d,d,逆温,辐射逆温： 地表辐射冷却，形成逆温 下沉逆温：空气下沉压缩增温形成逆温 平流逆温：暖空气平流到冷地面形成逆温,逆温的类型,T,z,T,z,T,z,T,z,T,z,A,A,B,C,D,C,D,B,h2,h1,h2h1,地形逆温：局部地区地形造成的逆温 锋面逆温：锋面上形成的逆温 湍流逆温：低层空气湍流混合形成逆温,T,z,z1,d,原层结曲线,z2,逆温层,混合层,混合后层结曲线,不同温度层结下烟流形状,3 辐射与云,不同的辐射条件及云况,稳定度情况不同. 辐射强：大气不稳定，有利于污染物扩散； 辐射弱：大气稳定，形成逆温；不利于污染物扩散； 云：反射太阳辐射，减小气温随高度变化，大气层结趋于稳定。,4 天气形势,天气系统、降水、雾 高压：辐散、反气旋、脊； 低压：辐合、气旋、槽等 均压场、鞍型场； 锋面、切变线等； 雷暴、台风、热带云团等,例 ：2015年1月南京的一次空气污染过程,清洁天：2015年1月13日 污染天：2015年1月26日,2015年1月13日,2015年1月26日,5 下垫面条件,热岛环流 山谷风环流 海陆风环流,热岛环流 是由城乡温度差异而引起的局地风。由于城市人类活动影响以及城乡太阳辐射的差异等，使得城市温度经常比乡村高，城区暖而轻的空气要上升，而四周小区冷空气要向城区辐合补充，形成所谓“城乡热岛环流”或称“城市风”。,5.1 热岛环流,城市热岛与空气质量问题,CO2、N2O、CH4、CFC,排放,长波辐射,散射,吸收,O3、NOX、VOCs、SO2,气溶胶,云,长波辐射,实例：上海城市热岛效应模拟,URB-NSH,实例：上海城市热岛效应模拟,城市热岛垂直结构,实例：上海城市热岛效应对PM2.5的影响,5.2 山谷风环流,山谷风 白天，山坡接受太阳光较多，空气增温较快；而山谷上空，同高度上的空气因离地较远，增温较慢。山坡上的暖空气不断上升，并在上层从山坡流向谷地，谷底的空气则沿山坡向山顶补充，这样便在山坡与山谷之间形成一个热力环流。下层风由谷底吹向山坡，称为谷风。夜间正好相反，下层风由山坡吹向谷底，称之为山风。,实例分析：北京山谷风 （Chen, 2009, JGR),5.3 海陆风环流,环流深度：1001000m 穿透范围：50300km,海风环流的概要图,海陆风-海洋和陆地的物理性质差别很大，海水的比热和热容量远大于陆地，其导热率也比陆地高。这样一来，海洋表面温度日变化很小，而陆地表面温度日变化则很大；白昼陆地上气温上升比海面快，低层海洋上的冷空气流向大陆（吹海风），夜间海洋表面温度比陆地表面温度高，陆地上低层冷空气流向海洋（吹陆风）。,实例分析：珠三角海陆风（Lu, 2009, JGR),有太湖-无太湖,实例分析：太湖湖陆风,本章重点,大气边界层、湍流的定义及特征 影响大气污染物散布的主要因子 风、湍流对污染物的作用 大气稳定度 天气条件对污染的影响 城市热岛、山谷风、海陆风,实例：上海城市热岛效应对污染物的影响 O3为例,(Miao等，2015),