1、 第二章 第二章 气象条件对空气污染的影响气象条件对空气污染的影响 壹壹大气边界层结构及其特征大气边界层结构及其特征1 1 大气边界层大气边界层 2.1 2.1 大气边界层结构及其特征大气边界层结构及其特征大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大约大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大约 1212 公里厚公里厚度，是大气与下垫面直接发生相互作用的层次度，是大气与下垫面直接发生相互作用的层次;是是人类生命人类生命和工程活动的主要场所和工程活动的主要场所;是是地表与大气之间物质和能量交换的地表与大气之间物质和能量交换的通道通道;是空气污染和许多气象灾害的发生地是空气污染和许多气象灾害的发生地 1
2、0 km12 km对流层对流层平流层平流层边界层边界层2 湍流现象湍流现象 自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态自然界中的流体运动存在着两种完全不同的运动状态 层 流层 流：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象 湍 流湍 流（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则（紊流、乱流）：杂乱无章、看上去毫无规则湍流是如何发生的？湍流是如何发生的？层流失稳（剪切和热对流）层流失稳（剪切和热对流）雷 诺雷 诺：在实验室模拟湍流：在实验室模拟湍流 雷诺数雷诺数 Re=U L/v 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，流体雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的
3、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 ReRe 20002000为层流状态，为层流状态，ReRe 40004000 为紊流状态，为紊流状态，ReRe 20002000 40004000 为过渡状态。在为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律流速的分布等都是不同的，因而管不同的流动状态下，流体的运动规律流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速道内流体的平均流速 与
4、最大流速与最大流速 maxmax 的比值也是不同的。因此雷诺的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。数的大小决定了粘性流体的流动特性。湍流至今没有严格的科学定义。但目前已湍流至今没有严格的科学定义。但目前已知知它有如下 它有如下 11 11 个主要特点：个主要特点：1 1、不规则性和随机性 、不规则性和随机性 2 2、扩散性、扩散性 3 3、大雷诺数性质、大雷诺数性质 4 4、涡旋运动、涡旋运动 5 5、耗散性、耗散性 6 6、连续性、连续性 7 7、流动属性、流动属性 8 8、记忆特性、记忆特性 9 9、间歇性、间歇性 1010、猝发与拟序结构、猝发与拟序结构 1111、
5、混沌特性、混沌特性 湍流理论四个基本概念湍流理论四个基本概念：随机性、涡粘性、级串、标度律：随机性、涡粘性、级串、标度律 3 湍流稳定度参数理查孙数湍流稳定度参数理查孙数 ()fgwRuvu wv wzzqq=-抖-+抖浮力项雷诺应力项R Rf f 0 0 0：稳定，湍流能量呈减弱的趋势。：稳定，湍流能量呈减弱的趋势。4 湍流相关概念湍流相关概念机械湍流：机械湍流：热力湍流：热力湍流：平稳湍流（定常湍流）平稳湍流（定常湍流）均匀湍流均匀湍流:各向同性湍流：各向同性湍流：能量耗散 能量耗散 5.1 垂直结构垂直结构贴地层：贴地层：1m，分子粘性力占主要，湍流应力，分子粘性力占主要，湍流应力近地层
6、：近地层：50 100m，湍流应力超过分子粘性，湍流应力超过分子粘性力力上部摩擦层：柯氏力、湍流应力、气压梯度力上部摩擦层：柯氏力、湍流应力、气压梯度力三力平衡三力平衡5 5 大气边界层结构大气边界层结构 动量、热量、动量、热量、水分、物质交换水分、物质交换过渡层过渡层局地自由对流层局地自由对流层边界层顶边界层顶大气边界层的概念化分层冠层冠层或粘性次层或粘性次层上部摩擦层上部摩擦层近地面层近地面层 5.2 大气边界层主要特征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；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
7、由于热力作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；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；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，可视为浅层流体水平尺度远大于垂直尺度，可视为浅层流体 5.3 5.3 边界层结构日变化边界层结构日变化白天：近地面层、混合层、夹卷层白天：近地面层、混合层、夹卷层；夜间：近地面层、稳定边界层、残夜间：近地面层、稳定边界层、残留层留层 表面层表面层表面
8、层中午日落午夜中午日出稳定(夜间)边界层卷挟带残余层卷挟带云层自由大气盖顶逆温大涡对流混合层混合层图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。高 度(m)200010000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边界层结构的日变化 对流边界层结构及其流场图象。（引自对流边界层结构及其流场图象。（引自 Wyngaard,1990)Wyngaard,1990)稳定边界层结构及其流场图象。（引自稳定边界层结构及其流场图象。（引自 Wyngaard,1990)Wyngaard,1990)
9、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5.4 5.4 大气边界层内的流动形式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。uuuu
10、 2.2 风和湍流风和湍流风：空气相对于地面的水平运动风：空气相对于地面的水平运动污染系数污染系数 污染系数风向频率污染系数风向频率/平均风速平均风速 分子扩散分子扩散 湍流扩散湍流扩散 实际情况中，三实际情况中，三种作用都存在，种作用都存在，并相互作用。并相互作用。Slade，1968 2.3 气温和大气稳定度气温和大气稳定度温度递减率温度递减率理查孙数理查孙数湍流热通量湍流热通量莫宁奥布霍夫长度莫宁奥布霍夫长度稳定度参数稳定度参数zLz=2.1 辐射与云辐射与云不同的辐射条件及云况不同的辐射条件及云况,稳定度情况不稳定度情况不同同.2.5 天气形势天气形势天气形势天气形势 高压：不利于扩散高压：不利于扩散 低压：有利于扩散低压：有利于扩散降水、积雪、雾等降水、积雪、雾等 2.6 下垫面条件下垫面条件热岛环流热岛环流山谷风山谷风海陆风环流海陆风环流背风波背风波建筑物尾流建筑物尾流 海陆风环流海陆风环流环流深度：100 1000m穿透范围：50 300km海风环流的概要图 本章重点本章重点风、湍流及稳定度的作用风、湍流及稳定度的作用
