污染氣象學課件：引言

1、污染氣象學,2015年春,教科書 蔣維楣等編: 空氣污染氣象學教程 (第二版)， 氣象出版社，2004年,主要參考書 （1） Aray S.P Air pollution meteorology and dispersion Oxford University Press Oct，1998。 （2）胡二邦、陳家宜著核電廠大氣擴散及其環(huán)境影響評價 原子能出版社，1999年 （3）蔣維楣等編，空氣污染氣象學教程氣象出版社，1993年， 2002版空氣污染氣象學，南京大學出版社 （4）李宗愷等編空氣污染氣象學原理與應用，氣象出版社，1985年,課程主要內容 引 言 第一章 大氣湍流和大氣邊界層基礎

2、第二章 湍流擴散基本理論 第三章 大氣擴散估算 期中測驗（第10周） 第四章 城市、山區(qū)和水域附近的擴散 第五章 污染氣象學試驗研究方法 第六章 污染氣象學原理的應用 期末考試（第18周）,蔣維楣等編: 空氣污染氣象學教程 (第二版),國務院辦公廳關于2015年部分節(jié)假日安排的通知國辦發(fā)明電201428號 清明節(jié)：4月5日放假， 4月6日（星期一）補休。端午節(jié)：6月20日放假， 6月22日（星期一）補休。 國務院辦公廳2014年12月16日,污染氣象學是近代大氣科學的一個重要的分支學科，它以污染物在大氣中的輸送、清除、轉化過程為研究對象，并重點研究空氣污染物散布與氣象因子的關系，預測空氣污染物

3、的濃度分布及其對環(huán)境空氣質量的影響。 污染氣象學是大氣環(huán)境研究與應用的一個重要領域，對大氣環(huán)境的保護有重大意義。,引言,四個基本問題 一、大氣、空氣 二、空氣污染和空氣污染事件 三、污染氣象學與污染氣象學研究內容 四、大氣污染物散布過程,參考教材 P1-16,一、大氣、空氣： 大氣 (atmosphere) 空氣 (air ),人為或自然 過度排入大氣 空氣污染 足夠濃度、持續(xù)足夠長時間 (air pollution) 人體（舒適、健康等） 危害 環(huán)境,廣義：全球性問題（污染物最終散到整個大氣層） 狹義：局地問題（大的中心城市和工業(yè)區(qū)）,二、空氣污染 、空氣污染事件,廣義：是全球性問題（污染最

4、終散空氣污染 到整個大氣層） 習慣上：局地問題（大的中心城市 和工業(yè)區(qū)）,全球源和匯 全球性行為： 氣象學：大尺度、中尺度、微尺度 微氣象學 （邊界層） 局地行為： 大氣擴散（湍流擴散） 空氣污染化學,排放源（污染物） 大氣輸送、擴散、化學變化 接受體,空氣污染系統(tǒng),Air Pollution System,Local Regional Global 局地 區(qū)域 全球 世界 1950s 1960-70s 1980-1990s中國 1970s 1980s 1990s SO2 Smog Acid Rain Ozone Depletion 煙霧 酸雨臭氧層破壞 Photochemical Smog

5、Climate Change 光化學煙霧 氣候變化 Aerosol(Fine Particles) 氣溶膠（細粒子）,全球大氣污染（大氣環(huán)境問題研究）發(fā)展歷程,一、1930年 馬斯河谷煙霧事件 比利時馬斯河谷工業(yè)區(qū)。在狹窄河谷里有煉油廠、金屬廠、玻璃廠等許多工廠。12月1-5日，河谷上空出現(xiàn)了很強的逆溫層，致使13個大煙囪排出的煙塵無法擴散，大量有害氣體積累在近地大氣層，對人體造成嚴重傷害。一周內有60多人喪生，其中心臟病、肺病患者死亡率最高，許多牲畜死亡。這是20世紀最早記錄的公害事件。 二、1943年 洛杉磯光化學煙霧事件 夏季，美國洛杉磯市。該市250萬輛汽車每天燃燒掉1100噸汽油。汽

6、油燃燒后產生碳氫化合物等在太陽紫外光線照射下引起化學反應，形成淺藍色煙霧，使該市大多市民患了眼紅、頭疼病。后來人們稱這種污染為光化學煙霧。 1955年和1970年洛杉磯又兩度發(fā)生光化學煙霧事件，前者有400多人因五官中毒、呼吸衰竭而死，后者使全市四分之三的人患病。 三、1948年 多諾拉煙霧事件 美國賓夕法尼亞州多諾拉城有許多大型煉鐵廠、煉鋅廠和硫酸廠。1948年10月26日清晨，大霧彌漫，受反氣旋和逆溫控制，工廠排出的有害氣體擴散不出去，全城14000人中有6000人眼痛、喉嚨痛、頭痛胸悶、嘔吐、腹瀉。17人死亡。,20世紀世界主要空氣污染事件,一、1930年 馬斯河谷煙霧事件 比利時馬斯河

7、谷工業(yè)區(qū)。在狹窄河谷里有煉油廠、金屬廠、玻璃廠等許多工廠。12月1-5日，河谷上空出現(xiàn)了很強的逆溫層，致使13個大煙囪排出的煙塵無法擴散，大量有害氣體積累在近地大氣層，對人體造成嚴重傷害。一周內有60多人喪生，其中心臟病、肺病患者死亡率最高，許多牲畜死亡。這是20世紀最早記錄的公害事件。 二、1943年 洛杉磯光化學煙霧事件 夏季，美國洛杉磯市。該市250萬輛汽車每天燃燒掉1100噸汽油。汽油燃燒后產生碳氫化合物等在太陽紫外光線照射下引起化學反應，形成淺藍色煙霧，使該市大多市民患了眼紅、頭疼病。后來人們稱這種污染為光化學煙霧。 1955年和1970年洛杉磯又兩度發(fā)生光化學煙霧事件，前者有400

8、多人因五官中毒、呼吸衰竭而死，后者使全市四分之三的人患病。 三、1948年 多諾拉煙霧事件 美國賓夕法尼亞州多諾拉城有許多大型煉鐵廠、煉鋅廠和硫酸廠。1948年10月26日清晨，大霧彌漫，受反氣旋和逆溫控制，工廠排出的有害氣體擴散不出去，全城14000人中有6000人眼痛、喉嚨痛、頭痛胸悶、嘔吐、腹瀉。17人死亡。,20世紀世界主要空氣污染事件,四、1952年 倫敦煙霧事件 自1952年以來，倫敦發(fā)生過12次大的煙霧事件。 1952年12月的煙霧事件，禍首是燃煤排放的粉塵和二氧化硫。煙霧逼迫所有飛機停飛，汽車白天開燈行駛，行人走路都困難。煙霧事件使呼吸道疾病患者猛增，5天內有4000多人死亡，

9、兩個月內又有8000多人死去。 五、1984年 印度博帕爾事件 12月3日，美國聯(lián)合碳化公司在印度博帕爾市的農藥廠因管理混亂，操作不當，致使地下儲罐內劇毒的甲基異氰酸脂因壓力升高而爆炸外泄。45噸毒氣形成一股濃密的煙霧襲擊了博帕爾市區(qū)。死亡近兩萬人，受害20多萬人，5萬人失明，孕婦流產或產下死嬰，受害面積40平方公里，數(shù)千頭牲畜被毒死。 六、1986年 切爾諾貝利核泄漏事件 4月26日，位于烏克蘭基輔市郊的切爾諾貝利核電站，由于管理不善和操作失誤，4號反應堆爆炸起火，致使大量放射性物質泄漏。 31人死亡，237人受嚴重放射性傷害。世界大部分地區(qū)都測到核電站泄漏出的放射性物質。在20年內，還將有

10、3萬人可能因此患上癌癥。距電站7公里內的樹木全部死亡，此后半個世紀內，10公里內不能耕作放牧，100公里內不能生產牛奶這次核污染飄塵給鄰國也帶來嚴重災難。,20世紀世界主要空氣污染事件,三、污染氣象學與污染氣象學研究內容,污染氣象學研究影響污染物在大氣中散布的氣象因子和過程，定量表達這些過程的規(guī)律及其對污染物遷移（擴散）轉化的影響。 污染氣象學主要目的是預告污染物的散布,污染氣象學作為一個學科領域，它既是大氣科學的一個分支，又是環(huán)境科學與環(huán)境工程學科的一個重要組成部分。 它研究大氣環(huán)境中由自然因子和人為因子支配構成的大氣污染系統(tǒng)的基本特征和變化規(guī)律，并運用氣象學方法研究空氣污染物自排放源進入大

11、氣層后的散布規(guī)律，其核心是大氣輸送與擴散。 需要研究的是一個發(fā)生在多維、多尺度，具有相互聯(lián)系與反饋作用的復雜系統(tǒng)中的包括大氣物理與化學，乃至地質、地理和生物等過程的綜合性問題。,局地空氣污染（左：晴天中午， 右：風速較大時候）,點源空氣污染,局地空氣污染 （左：晴天晚上， 右上：傍晚 右下；上午）,局地空氣污染（沿海地區(qū)白天）,風,區(qū)域或全球性空氣污染概念模型,自由大氣,大氣邊界層,平流層,對流層,四、大氣污染物的散布過程,擴散diffusion湍流擴散（狹義） 散布dispersion湍流擴散、遷移、轉化 （廣義）,污染氣象學的應用,1、環(huán)境保護：大氣污染防治、大氣環(huán)境評價、 應急措施、環(huán)境

12、管理、規(guī)劃方案的制定 2、生態(tài)平衡：酸雨、O3層 3、對氣象、氣候的影響：CO2增加、溫室 效應 85年CO2 350360ppm 2050年 540ppm 全球氣溫升高23 空氣污染 能見度降低 平流層O3減少（氟里昂等增加） 地表紫外輻射增加 皮膚癌,2008-2010年,我國是世界上PM2.5濃度最高的地區(qū)。,京津冀、長三角、珠三角3城市群空氣污染尤其嚴重。,2013年1月我國中東部多地出現(xiàn)20多霧霾天。 1月30日全國灰霾面積為143萬平方公里。 2013年12月全國100多城市遭遇霧霾天氣。,2014年1月7日6時廣州啟動環(huán)境空氣重污染二級應急響應。,1月6日20時，廣州10個國控點

13、最近24小時AQI達到195-216，有8個國控點空氣質量屬于重度污染,空氣質量指數(shù)在203-217之間。主要是PM2.5超標，超過國家標準75微克/立方米兩倍以上。29個環(huán)境空氣質量信息發(fā)布點有18個點AQI超過200，全城重度污染。,按照廣州市環(huán)境空氣重污染應急預案（試行），1月7日6時廣州啟動二級應急響應。廣東25個市縣區(qū)發(fā)布灰霾黃色預警。,為改善空氣質量，國家出臺一些列的政策和行動計劃。,2014年1月初，環(huán)境保護部與全國31個?。▍^(qū)、市）簽署了大氣污染防治目標責任書，明確 各地空氣質量改善目標和重點工作任務。,環(huán)保部與31個省（區(qū)、市）簽署大氣污染防治目標責任書,控制灰霾天氣，改善區(qū)

14、域空氣質量，需找到源頭，采取有針對性、有效的控制措施。,2014年1月9日報道，中共中央政治局常委、國務院副總理張高麗對2014年全國環(huán)境保護工作會議重要批示指出，防治大氣污染任務繁重艱巨，希望扎實抓好各項工作，以今年取得實際成效取信于民。,減少空氣污染的最佳途徑是什么？,？,第一章 大氣湍流和大氣邊界層基礎 1.1 大氣湍流 一、大氣湍流(湍流運動的判據Ri數(shù)) 二、大氣湍流的數(shù)學描述 (方差、標準差和湍強，相關、譜和湍流尺度) 1.2 大氣邊界層結構 一、大氣邊界層(邊界層高度與日變化) 二、大氣邊界層主要特征 (邊界層內風速、溫度隨高度的分布與日變化),1.1 大氣湍流,一、大氣湍流,一

15、、大氣湍流 1 大氣湍流的定義 大氣湍流是氣流在三度空間的不規(guī)則漲落。(時、空、脈動),2、湍流成因 動力因子（風切變）：機械湍流 熱力因子（層結不穩(wěn)定，對流） 穩(wěn)定層結波的破碎間歇湍流,機械作用,切變,為了便于直觀理解湍流擴散的具體過程，將湍流想像成由大小不同的旋渦構成的流動。這些渦旋叫做湍渦。 一個大湍渦包含著許多較小的湍渦，較小的湍渦又包含著很多更小的湍渦，大湍渦套著小湍渦構成了湍流遠動。 最大的湍渦通常也是最強的湍渦,小的高頻湍渦都是些較弱的湍渦。大湍渦運動能產生湍渦般大小的風切變區(qū),這些風切變區(qū)能形成一些較小的湍渦。 不同尺度湍渦的相對強弱就定義為湍流譜。對湍流譜特征的研究能說明哪種

16、大小的湍渦對湍能貢獻最大。,湍渦,3、湍流對污染物擴散的作用,3.1 湍流擴散示意圖,上圖表示干凈大氣中一團攜帶大量氣溶膠粒子的空氣在湍流作用下包絡范圍的變化。,湍流是極端大量分子所組成的流體團的整體運動。伴隨著速度的時空漲落，流體團所攜帶的物理屬性將很快地在空間散布開逐漸與周圍的流體混合而實現(xiàn)湍流擴散。湍流的混合(擴散)能力遠遠強于沒有湍流的流動(層流)。在大氣湍流擴散問題中通常只考慮湍流擴散而忽略分子擴散的作用。,煙云或煙團的擴散稀釋就是由湍渦來完成的。,3.2 湍渦擴散作用,一個煙團在大小不同的湍渦中的擴散狀態(tài)。 圖a表示煙團處于比它尺度小的湍渦中。煙團隨風向下風向移動的同時受到小尺度湍

17、渦的來回攪動，邊緣緩慢與周圍空氣混合，大小緩慢膨脹，濃度也緩慢地降低。說明比煙團小得多的湍渦對擴散稀釋作用不大。 圖b表示一個比煙團大得多的旋渦或流場擾動對擴散的作用，這時煙團主要被湍渦運動夾帶，表現(xiàn)為位置的擺動，本身分散也不大。 圖c表示尺度大小與煙團相仿的湍渦的作用。這時煙團被湍渦拉開，撕碎且產生變形。具有較強的擴散。,對應于大氣湍流的強弱，污染物在大氣中的擴散也呈現(xiàn)三種基本狀態(tài)。它們的名稱分別是環(huán)鏈形擴散錐形擴散和扇形擴散。,環(huán)鏈形擴散。煙流外形起伏很大。這種擴散狀態(tài)煙云上下、左右及前后的湍流擴散都很快、稀釋能力強。表明大氣很不穩(wěn)定，湍流很強。出現(xiàn)在風小，天氣晴朗太陽輻射強的白天或是起伏

18、地形的上空。 當大氣層結為中性的時候，煙流外形常呈錐形外表，擴散能力中等，稱為錐形擴散。出現(xiàn)條件是平坦郊野上空風大的多 云天或陰天。 扇形擴散。出現(xiàn)在晴朗風小的夜間，大氣處于很穩(wěn)定的狀態(tài)。這時候湍流很弱，尤其是垂直方向的湍流漲落受到更強烈的抑制。垂直方向的擴散非常弱而水平方向隨著風向擺動仍保持一定程度的擴散，煙流外形如同一面張開的扇子。,1883年英國科學家雷諾首先系統(tǒng)地研究了流體中湍流的產生條件。他發(fā)現(xiàn):要使流體從層流轉變?yōu)橥牧?必須增加流動速度或增加與流動有關的特征長度或減少流體的粘性,這三方面的因素可以組成一個無量綱數(shù)稱雷諾數(shù)。 大氣中一般的速度量級為100厘米/秒,粘性大約為0.15平

19、方厘米/秒, 而流動的特征長度一般取離地面的高度,因此大氣運動的雷諾數(shù)很大,大氣的流動通常是湍流的。 大氣湍流是動力和熱力共同作用的結果,雷諾數(shù)只表示動力作用。,4.1雷諾數(shù)Reynolds,4、湍流運動的判據,4.2 理查遜數(shù),考慮湍流的能量來源于機械運動做功和浮力做功兩方面。 i 穩(wěn)定湍流弱,1920年英國科學家Richardson 發(fā)現(xiàn)大氣湍流是在風切變產生的湍流能量大到足以抵消浮力做功所消耗的能量時發(fā)生的, 即大氣湍流是熱力和動力共同作用的結果。他提出利用理查遜數(shù)來判斷大氣湍流的強弱。,其他判據,位溫梯度 溫度梯度 湍流熱通量 莫寧-奧布霍夫長度,ATMOSPHERIC LAPSE R

20、ATE AND STABILITY,T,z,G = 9.8 K km-1,Consider an air parcel at z lifted to z+dz and released. It cools upon lifting (expansion). Assuming lifting to be adiabatic, the cooling follows the adiabatic lapse rate G :,z,“Lapse rate” = -dT/dz,ATM (observed),What happens following release depends on the loc

21、al lapse rate dTATM/dz: -dTATM/dz G e upward buoyancy amplifies initial perturbation: atmosphere is unstable -dTATM/dz = G e zero buoyancy does not alter perturbation: atmosphere is neutral -dTATM/dz 0 (“inversion”): very stable,unstable,inversion,unstable,stable,The stability of the atmosphere agai

22、nst vertical mixing is solely determined by its lapse rate,1.瞬時值、平均值、脈動值 雷諾 瞬平脈 時間平均：,二、大氣湍流的數(shù)學描述,T為平均時間或采樣時間,2. 方差、標準差、湍流強度,方差分散程度（衡量隨機變量在其平均值附近的分散程度） 標準差（均方差）,有偏方差： 協(xié)方差： 相關系數(shù)： 湍強： 在湍流統(tǒng)計理論中，用方差或標準差來表示湍流運動的 強弱，定義標準差與平均風速的比為湍強,不穩(wěn)定 中性穩(wěn)定 Ix 0.29 0.21 0.18 Iy 0.19 0.09 0.10 Iz 0.14 0.07 0.08,例：測量u和w風分量，

23、6秒測量一次1分鐘內的瞬時風速，得到下列10組觀測結果： u(m/s) 5 6 5 4 7 5 3 5 4 6 w(m/s) 0 -1 1 0 -2 1 2 -1 1 -1 求平均值、方差和標準差、協(xié)方差和相關系數(shù)。,應用中，用風向方位角的方差或標準差（ ）及風向高度角的方差或標準差（ ）表示湍強,和湍強的關系：,58,3. 相關、譜和湍流尺度,（一）相關 Lagrange法個別流體質點運動（移動坐標） Euler法在固定點觀測流體的流動（固定坐標） 1、Lagrange相關系數(shù)： 若湍流場定常，則有： 表示，同一流體質點在不同時刻脈動速度的相關。,2、Euler時間相關系數(shù)： 同一空間點處，

24、不同時刻脈動速度的相關 3、Euler空間相關系數(shù)： 同一時間，空間兩點脈動速度的相關 縱向相關： 橫向相關： 4、相關系數(shù)的性質及物理意義： 0， 1 ， 0 ，為偶函數(shù) 1 1,R(),拉格朗日相關系數(shù)RL() 反映湍渦的平均壽命，大渦壽命長。 渦壽命 ，則經后仍處于同一渦，故相關大。 歐拉相關系數(shù)R(x)： 兩點間距x小，處于同一渦的機會高，則相關大。,（二）譜,大渦形成低頻振蕩 脈動量統(tǒng)計平均值由不同頻率的 諧波疊加而成 小渦形成高頻振蕩 引進譜概念，稱大氣湍流譜 F(n)為湍流函數(shù): S(n)為譜密度: 頻譜分析了解那種頻率的湍渦對湍流場的貢獻最大,相關與譜的關系 用傅里葉變換得：,

25、Taylor導出,（三）湍流尺度,時間尺度： 空間尺度： 大氣湍流鉛直尺度受地面限制，與高度有相同數(shù)量級。 水平尺度十分寬廣，大到上千公里（氣旋、反氣旋），小到幾厘米，相應時間尺度十分寬廣。,泰勒冰凍湍流假設：當湍流強度很小時，某定點處脈動量隨時間的變化完全是由于結構不變的湍流場以平均速度u通過該點所引起。 根據泰勒冰凍湍流假設，,1.2大氣邊界層的結構,一、大氣邊界層定義 受地球表面影響最劇烈的氣層，氣象要素有明顯 的日變化 湍流輸送不可忽略的氣層 對流層 10km 邊界層 12km 近地層 100m,12km,10km,100m,平流層,對流層,邊界層,近地層,Ekman層,二、邊界層高度

26、日變化,24,18,12,06,hr,0.5,1.0,1.5,h(km),穩(wěn),穩(wěn)定,殘存層,不穩(wěn)定邊界層,三、不同類型邊界層的細分,按熱力學性質及湍流所起作用的不同，大氣邊界層分為：不穩(wěn)定、穩(wěn)定及中性邊界層三種。 同一類型區(qū)分為三部分：近地層、Ekman層和過渡層 大氣混合層為很不穩(wěn)定的對流邊界層：,靠近地球表面的氣層俗稱為低層大氣，有時不太嚴格的舊稱它為大氣邊界層 大氣邊界層的基本特征表現(xiàn)為氣象要素在這層大氣中有明顯的日變化，基本原因是受大氣湍流作用，引起各種量的輸送上日變化 嚴格地，存在連續(xù)性湍流，湍流的輸送起著重要作用并導致氣象和要素日變化顯著的低層大氣，定義為大氣邊界層（ABL） 除湍流作用外，大氣的氣壓梯度力和地轉偏向力對大氣邊界層流體的運動特性，也有不可忽略的作用，是行星低層大氣或海洋流動的特點，因此大氣邊界層也常稱為行星邊界層（PBL）。,不穩(wěn)定邊界層 地面加熱，風速切變 陸地出現(xiàn)在白天對流邊界層或混合層 穩(wěn)定出現(xiàn)在夜間或隨地面逆溫層結， 亦稱夜間邊界層 中性浮力很弱，風速很大，實際大氣中罕見,不同類型大氣邊界層的細分：,自由大氣,自由大氣,自由大氣,過渡層(卷夾層),不穩(wěn)定邊界層 混合層,近地面層,中性邊界層,近地面層,近地面層,間歇湍流 穩(wěn)定邊界層,zi