第三章 大气污染的气象过程大气环境学目录n1 大气边界层的特征大气边界层的特征n2 大气湍流扩散的理论基础大气湍流扩散的理论基础n3 大气污染物浓度分布的扩散模式大气污染物浓度分布的扩散模式n4 复杂地形上的大气污染复杂地形上的大气污染n5 城市和区域大气污染扩散城市和区域大气污染扩散1 大气边界层特征名词解释：n湍流切应力：湍流切应力：湍流切应力是与湍流动量输送相伴随的湍流切应力是与湍流动量输送相伴随的表现应力，是由湍流强度涨落引起的。以表现应力，是由湍流强度涨落引起的。以u，v，w分别分别表示直角坐标三个方向的湍流速度，各湍流速度分量乘积表示直角坐标三个方向的湍流速度，各湍流速度分量乘积的平均值再乘上空气密度的平均值再乘上空气密度就是对应方向的湍流动量通量。就是对应方向的湍流动量通量。 n气压梯度力：气压梯度力：由于气压分布不均匀而作用于单位质量由于气压分布不均匀而作用于单位质量空气上的力空气上的力, 其方向由高压指向低压。其方向由高压指向低压。 n科氏力（地转偏向力）：科氏力（地转偏向力）：由于地球自转运动而作由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力。用于地球上运动质点的偏向力。1.1 低层大气的温度与大气稳定度近地层大气中温度随高度分布规律受下垫面影响极大n一般说来，太阳辐射愈一般说来，太阳辐射愈强强、云量、云量愈愈少少、风速愈、风速愈小小、土壤导热性愈、土壤导热性愈差差则气温的垂直变化则气温的垂直变化愈大愈大。压力变化导致的温度变化n大气的绝热过程大气的绝热过程：干绝热直减率：n干气团绝热上升或下降单位高度干气团绝热上升或下降单位高度(通常通常100 m)的温的温度变化量称为干绝热直减率，用度变化量称为干绝热直减率，用 d 表示，单位表示，单位K/100m。 如果如果 g9.81m/s2, Cp1.005J/ (kgK)，则，则 d 0.98K/100m,通常取通常取 d 1K/100m。干空气或未饱和。干空气或未饱和湿空气每上升湿空气每上升 100m，温度下降，温度下降 1K。湿绝热直减率大气稳定度n定义：大气在垂直方向上稳定的程度；定义：大气在垂直方向上稳定的程度； （反映其是否容易对流反映其是否容易对流）n定性描述：定性描述：外力使气块上升或下降外力使气块上升或下降气块去掉外力气块去掉外力气块减速，有返回趋势，稳定气块减速，有返回趋势，稳定气块加速上升或下降，不稳定气块加速上升或下降，不稳定气块气块既不加速也不减速既不加速也不减速，中性，中性不稳定条件下有利于扩散不稳定条件下有利于扩散气温的垂直分布温度层结 d位温n干空气团绝热升高或降低到标准气压干空气团绝热升高或降低到标准气压(1000hPa)处的温度称为位温，用处的温度称为位温，用 表示，单位表示，单位K。 n绝热运动时，位温只取决于初始状态的温度和绝热运动时，位温只取决于初始状态的温度和压力，因此有：压力，因此有：空气团作绝热运动，位温不变空气团作绝热运动，位温不变。 大气的垂直稳定度可用位温梯度来表示逆温n逆温不利于扩散逆温不利于扩散辐射：辐射： 1. 辐射逆温：辐射逆温： 地面白天加热，大气自下而上变暖；地面白天加热，大气自下而上变暖； 地面夜间变冷，大气自下而上冷却地面夜间变冷，大气自下而上冷却 太阳太阳 地球地球 ：短波：短波 地球地球 大气层：长波大气层：长波 大气吸收长波强大气吸收长波强逆温n辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程逆温2.2.下沉逆温下沉逆温 （多在高空大气中，高压控制区内）（多在高空大气中，高压控制区内） 很厚的气层下沉很厚的气层下沉 压缩变扁压缩变扁 顶部增温比底部多顶部增温比底部多逆温3.3.平流逆温平流逆温 暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成4.4.湍流逆温湍流逆温 d 下下层层湍湍流流混混合合达达d 上上层层出出现现过过渡层渡层 逆温逆温 逆温5.锋面逆温锋面逆温 冷、暖气团相遇冷、暖气团相遇冷暖间逆温冷暖间逆温 暖气上爬，形成锋面暖气上爬，形成锋面1.2 风的垂直分布平均风速随高度变化平均风速随高度变化中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度1.1.对数率对数率近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式高度为高度为Z处的风速处的风速（m/s）摩擦速度摩擦速度卡门常数卡门常数高度（高度（m）地面粗糙度地面粗糙度地面粗糙度越大，风速梯度越小地面粗糙度越大，风速梯度越小近地层风速廓线模式 2.2.指数率：指数率：非中性层结：非中性层结： 指数律，稳定度参数指数律，稳定度参数近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式高度为高度为Z处的平均风速处的平均风速（m/s）高度为高度为Z1米处的平均风速米处的平均风速（ m/s ）常数常数实验确定实验确定大气边界层风的分布 nEkman螺螺旋旋线线（北北半半球球下下视视，地地偏偏力力指指向向运运动动右右方方，故故顺顺时时针针；南南半球则相反）半球则相反） 高高度度增增高高，风风速速增增大大，方向逐渐接近地转风。方向逐渐接近地转风。 近地层风速廓线模式 1.3 大气湍流1.3.1 湍流与雷诺数湍流与雷诺数n大气湍流的形成和发展取决于两种因素：大气湍流的形成和发展取决于两种因素：n机械湍流机械湍流垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度n热力湍流热力湍流温度垂直分布不均（不稳定）温度垂直分布不均（不稳定）n在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作用，在中性层结情况下，动力因子起主要作用。用，在中性层结情况下，动力因子起主要作用。n湍流扩散比分子扩散快湍流扩散比分子扩散快105106倍。倍。雷诺数：nU U平均流平均流动速度速度nL L流流动特征特征长度度nv v运运动学粘滞系数学粘滞系数雷诺数：nReRe*(1200013800)湍流湍流nRe*ReRe*即可以是层流也可以湍流即可以是层流也可以湍流1.3.2 查理孙数n大气湍流运动的强弱取决于大气湍流运动的强弱取决于平均动能转变为湍能平均动能转变为湍能的速率的速率以及以及湍能消耗的速率湍能消耗的速率。n以以湍能消耗率湍能消耗率和和湍能补充率湍能补充率的比值定义一个无因的比值定义一个无因此参量此参量Rf称为通量查理孙数：称为通量查理孙数：定义查理孙数（Ri）为：临界查理孙数(KMz/KHz)：n当湍能消耗率大于湍能当湍能消耗率大于湍能补充率，即充率，即RiRiK KMzMz/K/KHzHz时，湍能将减弱；湍能将减弱；n当湍能消耗率小于湍能当湍能消耗率小于湍能补充率，即充率，即RiRiK KMzMz/K/KHzHz时，湍能将增湍能将增强；n当湍能消耗率等于湍能当湍能消耗率等于湍能补充率，即充率，即Ri=Ri=K KMzMz/K/KHzHz时，湍流将湍流将维持原状；持原状；1.3.3 低层大气的湍流特征n高频湍流主要是由动力作用引起的；高频湍流主要是由动力作用引起的；n低频部分，层结越不稳定，谱密度越大，说明热低频部分，层结越不稳定，谱密度越大，说明热力作用只对较大尺度的湍流有影响；力作用只对较大尺度的湍流有影响；n不稳定层结下要比稳定层结下，某一频段所含的不稳定层结下要比稳定层结下，某一频段所含的总能量大；总能量大；n小湍涡具有各项同性的性质。小湍涡具有各项同性的性质。湍强：风速标准差与平均风速u之比n垂直湍强：垂直湍强：n中性层结：中性层结：垂直风速标准差垂直风速标准差w与平均风速成正比，与平均风速成正比，即垂直湍强不随风速而变。粗糙度即垂直湍强不随风速而变。粗糙度z0越大，越大，w越大，越大，与高度无关。与高度无关。n不稳定层结：不稳定层结：垂直风速标准差垂直风速标准差w与高度的与高度的1/3次方成次方成正比正比横向湍强：n在中性和不稳定层结下在中性和不稳定层结下A与平均风速与平均风速u成正成正比，但不稳定时比，但不稳定时A比中性时大比中性时大3倍左右。倍左右。n稳定时，稳定时，A随风速加大略有减小，横向湍随风速加大略有减小，横向湍强向上减小强向上减小纵向湍强：n不随风速变化，随稳定度有变化，但不如不随风速变化，随稳定度有变化，但不如v激烈。激烈。n在中性和稳定条件下，在中性和稳定条件下，u随高度不变，故而纵向随高度不变，故而纵向湍强随高度减小。湍强随高度减小。