第二章氣象條件等因素對(duì)空氣污染的影響

第二章氣象條件對(duì)空氣污染的影響1.大氣垂直分層對(duì)流層平流層中間層熱層大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其特征對(duì)流層溫度隨高度的增加而降低，氣溫遞減率Γ為6.5℃/km對(duì)流層中的垂直運(yùn)動(dòng)顯著集中了80%的大氣質(zhì)量和幾乎全部水汽氣象要素水平分布不均勻云霧降水等都發(fā)生在此層平流層自對(duì)流層頂?shù)?5km左右25km以下溫度遞減率接近零，25km以上溫度隨高度明顯增加平流層氣流運(yùn)動(dòng)主要以水平運(yùn)動(dòng)為主水汽極少，顆粒物極少，能見(jiàn)度極好大氣污染物進(jìn)入平流層后能長(zhǎng)期存在中間層從平流層頂至85km高度左右層內(nèi)溫度隨高度增加而下降空氣的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng),故又稱之為高空對(duì)流層或上對(duì)流層熱層約至550km高度溫度隨高度增加而上升帶電粒子運(yùn)動(dòng)受地球磁場(chǎng)的作用明顯極光散逸層隨高度升高氣溫增加不顯著大氣成分可以散逸到星際空間大氣邊界層是指大氣層最底下的一個(gè)薄層，大約1~2公里厚度，是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次;是人類生命和工程活動(dòng)的主要場(chǎng)所;是地表與大氣之間物質(zhì)和能量交換的通道;是空氣污染和許多氣象災(zāi)害的發(fā)生地。在這一層中，湍流交換在大氣的動(dòng)量、熱量、水汽及其他微量氣體的平衡中起重要作用。~10km1~2km對(duì)流層平流層邊界層大氣邊界層大氣邊界層定義：大氣邊界層位于對(duì)流層的最底部，由于直接與地面相貼而強(qiáng)烈受到分子粘性、湍流摩擦、輻射增熱、水汽交換、物質(zhì)擴(kuò)散各種交換作用和地形的影響，致使湍流應(yīng)力成為重要因子而不可忽略，與之相聯(lián)系形成ABL/PBL。即直接受地面影響的那部分對(duì)流層，它響應(yīng)地面的作用時(shí)間尺度為1小時(shí)或者更短。動(dòng)量、熱量、水分、物質(zhì)交換邊界層頂1）大氣邊界層垂直方向的概念化分層上部摩擦層近地面層貼地層貼地層：1m，分子粘性力占主要近地層：50－100m，湍流應(yīng)力超過(guò)分子粘性力上部摩擦層：科氏力、湍流應(yīng)力、氣壓梯度力三力平衡2）大氣邊界層主要特征大氣邊界層的主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)一般是湍流，大氣湍流運(yùn)動(dòng)的尺度非常廣；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；由于地面摩擦的存在，大氣運(yùn)動(dòng)是非地轉(zhuǎn)的；大氣是非均勻介質(zhì)，大氣密度隨時(shí)間和空間變化，特別是鉛直方向上大氣密度不均一；水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，可視為淺層流體。邊界層和自由大氣的特征比較性質(zhì)邊界層自由大氣層湍流摩擦擴(kuò)散風(fēng)速垂直輸送厚度幾乎整個(gè)高度都是無(wú)間斷的湍流對(duì)地面曳力大，能量耗散大在水平和垂直方向湍流迅速混合近地層接近對(duì)數(shù)風(fēng)速廓線，是次地轉(zhuǎn)的，常有穿過(guò)等壓線的氣流受湍流控制時(shí)空變化在100m-3km之間，陸地上空有周日振蕩水平范圍很大的淺層有零散的晴空湍流粘滯耗散小分子擴(kuò)散少，往往由平均風(fēng)在水平方向迅速輸送接近地轉(zhuǎn)風(fēng)受平均風(fēng)速和積云尺度控制空間變化小，8-18km；時(shí)間變化緩慢3)邊界層結(jié)構(gòu)日變化白天：近地面層、混合層、夾卷層；夜間：近地面層、穩(wěn)定邊界層、殘留層邊界層的發(fā)展具有明顯的日變化特點(diǎn)：（高壓區(qū)、小風(fēng)、無(wú)云條件）邊界層結(jié)構(gòu)的日變化對(duì)流邊界層，穩(wěn)定邊界層，中性邊界層白天：對(duì)流邊界層近地面層、混合層、夾卷層

夜間：穩(wěn)定邊界層近地面層、穩(wěn)定邊界層、殘留層強(qiáng)風(fēng)（>12m/s）或陰天條件：中性邊界層不同時(shí)刻，大氣邊界層平均虛位溫廓線FA:自由大氣層ML:混合層RL:殘留層SBL:穩(wěn)定邊界層CL:云層SCL:云下層S72015年冬季南京大氣邊界層平均虛位溫廓線4)大氣邊界層內(nèi)的流動(dòng)形式一般地，邊界層內(nèi)氣流的流動(dòng)形式有三種：平均場(chǎng)、湍流場(chǎng)、波動(dòng)場(chǎng)。實(shí)際上，后兩者是疊加在平均場(chǎng)上的。平均風(fēng)：明顯的日變化風(fēng)速和風(fēng)向及其相關(guān)邊界層屬性具有明顯的垂直梯度一般量級(jí)：水平風(fēng)為米的量級(jí)

垂直風(fēng)為毫米-米的量級(jí)波動(dòng)：有規(guī)則和一定的周期變化，形式多樣，常見(jiàn)：重力波、慣性波湍流：大氣邊界層的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，剪切和不穩(wěn)定特性等，湍流對(duì)大氣邊界層的發(fā)展和演變有關(guān)鍵作用。大氣湍流和波動(dòng)疊加在平均場(chǎng)上，表現(xiàn)為風(fēng)的起伏和擾動(dòng)。大氣邊界層中的風(fēng)廓線中性層結(jié)條件下風(fēng)速垂直分布（對(duì)數(shù)率風(fēng)廓線）：非中性層結(jié)條件下風(fēng)速垂直分布（指數(shù)率風(fēng)廓線）：Z0：粗糙長(zhǎng)度(cm或m)0<m<12015年冬季南京大氣邊界層平均風(fēng)速廓線8:0011:0014:0017:0020:0023:002:00

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1風(fēng)和湍流2氣溫與大氣穩(wěn)定度3輻射與云4天氣形勢(shì)5下墊面條件6大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其特征

影響大氣污染物散布的主要因子1風(fēng)和湍流風(fēng)：空氣相對(duì)于地面的水平運(yùn)動(dòng)

風(fēng)速越大，單位時(shí)間污染物被輸送距離越遠(yuǎn)，混入的空氣量越多，污染物濃度越低。

水平搬運(yùn)，擴(kuò)散稀釋污染系數(shù)污染系數(shù)＝風(fēng)向頻率/平均風(fēng)速風(fēng)頻低，風(fēng)速小，污染系數(shù)小，空氣污染程度輕。湍流：擴(kuò)散稀釋

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：平順、光滑、清晰，沒(méi)有摻混現(xiàn)象湍流（紊流、亂流）：雜亂無(wú)章、看上去毫無(wú)規(guī)則湍流是如何發(fā)生的？

層流失穩(wěn)（剪切和熱對(duì)流）

機(jī)械湍流、熱力湍流

雷諾：在實(shí)驗(yàn)室模擬湍流雷諾數(shù)

Re=UL/v=慣性力/粘滯力=

U:平均流動(dòng)速度；L：流動(dòng)特征長(zhǎng)度；v:運(yùn)動(dòng)學(xué)粘滯系數(shù)(cm2/s)

雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)Re＜2000為層流狀態(tài)，Re＞4000為紊流狀態(tài)，Re＝2000～4000為過(guò)渡狀態(tài)。湍流穩(wěn)定度參數(shù)－梯度理查孫數(shù)Ri<0：熱力因子和動(dòng)力因子都使湍流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng);Ri=0：熱力因子不起作用，動(dòng)力因子使湍流增強(qiáng)；Ri>0：熱力因子使湍流減弱，動(dòng)力因子使湍流增強(qiáng)，但是湍流最終是否發(fā)展，取決于的大小。Ri

臨界值：1/2~1/4Ri<1/2~1/4：湍流容易發(fā)展；Ri>1/2~1/4：湍流不易發(fā)展。湍流即疊加在平均風(fēng)速上的陣風(fēng)，可以看作是由稱之為湍渦的不規(guī)則渦流組成。一般來(lái)說(shuō)，湍流總是包括很多大小不同、相互疊加的湍渦，這些不同尺度的湍渦的相對(duì)強(qiáng)度就定義為湍流譜。許多邊界層湍流是由來(lái)自地面的作用引起的，例如白天陽(yáng)光充足，地面的太陽(yáng)加熱使空氣熱泡上升，這種熱泡就是大湍渦。地面對(duì)氣流的摩擦曳力使風(fēng)切變得到發(fā)展，常常演變成湍流。像樹(shù)木和建筑物那樣的障礙物能改變氣流方向，在障礙物附近和障礙物下風(fēng)方向產(chǎn)生湍流尾流。湍流的定義定義1泰勒和馮卡曼：湍流是一種不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)流體流過(guò)固體表面，或者甚至當(dāng)相鄰的同類流體相互流過(guò)或繞過(guò)時(shí)，一般會(huì)在流體中出現(xiàn)這種不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。定義2欣茨：流體的湍流運(yùn)動(dòng)是一種不規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)，它的各種量隨時(shí)間與空間坐標(biāo)表現(xiàn)出隨機(jī)變化，因而能辨別出不同的統(tǒng)計(jì)平均值。

湍流至今沒(méi)有嚴(yán)格的科學(xué)定義。湍流的基本特征1.隨機(jī)性。非規(guī)則的、混亂的、不可預(yù)測(cè)的。時(shí)間和空間上的隨機(jī)現(xiàn)象。2.非線性。湍流是高度非線性的。Re或Ri數(shù)超過(guò)某臨界值，流動(dòng)中的小擾動(dòng)就會(huì)自發(fā)地增長(zhǎng)，并很快到一定的擾動(dòng)幅度。3.擴(kuò)散性。強(qiáng)烈的擴(kuò)散能力，大約是分子擴(kuò)散能力的10萬(wàn)倍。4.耗散性。湍流的能量是由大湍渦向小湍渦傳遞，最后通過(guò)分子粘性耗散稱為熱能。5.渦旋性。含有尺度分布極廣的大小不同的渦旋，這些渦旋直接有強(qiáng)烈的相互作用。分子擴(kuò)散<<<湍流擴(kuò)散105~106倍Slade，1968(a)湍渦小于煙團(tuán)(b)湍渦遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)煙團(tuán)(c)湍渦尺度與煙團(tuán)相當(dāng)實(shí)際情況中，三種作用都存在，并相互作用。2氣溫和大氣穩(wěn)定度溫度層結(jié)大氣溫度隨高度變化情況，即大氣溫度垂直分布。它決定著大氣的穩(wěn)定度，而大氣的穩(wěn)定度又影響湍流強(qiáng)度，因而溫度層結(jié)與大氣污染狀況密切相關(guān)。溫度遞減率（Г）Г>0形成對(duì)流、湍流發(fā)展，有利污染擴(kuò)散，Г越大，對(duì)流越快，污染擴(kuò)散越快；Г=0等溫層，空氣沒(méi)有垂直運(yùn)動(dòng)，大氣穩(wěn)定Г<0逆溫層，對(duì)流、湍流被抑制，污染極難擴(kuò)散

對(duì)流層平均Г=0.65K/100m干絕熱遞減率（Гd），濕絕熱遞減率（Гm）Гd=0.98K/100m干絕熱線濕絕熱線TlnPO大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度是指整層空氣的穩(wěn)定程度。它是用來(lái)描述環(huán)境大氣層結(jié)對(duì)于在其中作垂直運(yùn)動(dòng)的氣團(tuán)起什么影響的一種熱力性質(zhì)。環(huán)境大氣溫度直減率（Г）與上升氣塊絕熱減溫率（Гd或Гm）對(duì)比：（1）Г<Гd時(shí)，大氣層結(jié)穩(wěn)定；（2）Г=Гd時(shí)，大氣層結(jié)中性；（3）Г>Гd時(shí)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。TzzГГdTzzГdTzzГdГГГ<ГdГ=ГdГ>Гd逆溫輻射逆溫：地表輻射冷卻，形成逆溫下沉逆溫：空氣下沉壓縮增溫形成逆溫平流逆溫：暖空氣平流到冷地面形成逆溫逆溫的類型TzTzTzTzTzAA’BCDC’D’B’h2h1h2>h1地形逆溫：局部地區(qū)地形造成的逆溫鋒面逆溫：鋒面上形成的逆溫湍流逆溫：低層空氣湍流混合形成逆溫Tzz1Гd原層結(jié)曲線z2逆溫層混合層混合后層結(jié)曲線逆溫逆溫扇形熏煙形環(huán)形圓錐形屋脊形不同溫度層結(jié)下煙流形狀3輻射與云不同的輻射條件及云況,穩(wěn)定度情況不同.輻射強(qiáng)：大氣不穩(wěn)定，有利于污染物擴(kuò)散；輻射弱：大氣穩(wěn)定，形成逆溫；不利于污染物擴(kuò)散；云：反射太陽(yáng)輻射，減小氣溫隨高度變化，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定。4天氣形勢(shì)高壓低壓輻合輻散抬升、降水下沉、晴好天氣系統(tǒng)、降水、霧高壓：輻散、反氣旋、脊；低壓：輻合、氣旋、槽等均壓場(chǎng)、鞍型場(chǎng)；鋒面、切變線等；雷暴、臺(tái)風(fēng)、熱帶云團(tuán)等例：2015年1月南京的一次空氣污染過(guò)程清潔天：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下墊面條件熱島環(huán)流山谷風(fēng)環(huán)流海陸風(fēng)環(huán)流熱島環(huán)流

是由城鄉(xiāng)溫度差異而引起的局地風(fēng)。由于城市人類活動(dòng)影響以及城鄉(xiāng)太陽(yáng)輻射的差異等，使得城市溫度經(jīng)常比鄉(xiāng)村高，城區(qū)暖而輕的空氣要上升，而四周小區(qū)冷空氣要向城區(qū)輻合補(bǔ)充，形成所謂“城鄉(xiāng)熱島環(huán)流”或稱“城市風(fēng)”。5.1熱島環(huán)流城市熱島與空氣質(zhì)量問(wèn)題CO2、N2O、CH4、CFC排放長(zhǎng)波輻射散射吸收O3、NOX、VOCs、SO2氣溶膠云長(zhǎng)波輻射實(shí)例：上海城市熱島效應(yīng)模擬URB-NSH實(shí)例：上海城市熱島效應(yīng)模擬城市熱島垂直結(jié)構(gòu)實(shí)例：上海城市熱島效應(yīng)對(duì)PM2.5的影響5.2山谷風(fēng)環(huán)流山谷風(fēng)白天，山坡接受太陽(yáng)光較多，空氣增溫較快；而山谷上空，同高度上的空氣因離地較遠(yuǎn)，增溫較慢。山坡上的暖空氣不斷上升，并在上層從山坡流向谷地，谷底的空氣則沿山坡向山頂補(bǔ)充，這樣便在山坡與山谷之間形成一個(gè)熱力環(huán)流。下層風(fēng)由谷底吹向山坡，稱為谷風(fēng)。夜間正好相反，下層風(fēng)由山坡吹向谷底，稱之為山風(fēng)。

實(shí)例分析：北京山谷風(fēng)（Chen,2009,JGR)5.3海陸風(fēng)環(huán)流環(huán)流深度：100－1000m穿透范圍：50－300km海風(fēng)環(huán)流的概要圖海陸風(fēng)----海洋和陸地的物理性質(zhì)差別很大，海水的比熱和熱容量遠(yuǎn)大于陸地，其導(dǎo)熱率也