1、第二章第二章 氣象條件對空氣污染的影響氣象條件對空氣污染的影響1. 1.大氣垂直分層大氣垂直分層對流層對流層平流層平流層中間層中間層熱層熱層大氣邊界層結構及其特征大氣邊界層結構及其特征對流層對流層l溫度隨高度的增加而降低，氣溫遞減率溫度隨高度的增加而降低，氣溫遞減率 為為6.5/km6.5/kml對流層中的垂直運動顯著對流層中的垂直運動顯著l集中了集中了80%80%的大氣質量和幾乎全部水汽的大氣質量和幾乎全部水汽l氣象要素水平分布不均勻氣象要素水平分布不均勻l云霧降水等都發生在此層云霧降水等都發生在此層平流層平流層l自對流層頂到自對流層頂到55km55km左右左右l25km25km以下溫度遞減

2、率接近零，以下溫度遞減率接近零，25km25km以上溫以上溫度隨高度明顯增加度隨高度明顯增加l平流層氣流運動主要以水平運動為主平流層氣流運動主要以水平運動為主l水汽極少，顆粒物極少，能見度極好水汽極少，顆粒物極少，能見度極好l大氣污染物進入平流層后能長期存在大氣污染物進入平流層后能長期存在中間層中間層l從平流層頂至從平流層頂至85km85km高度左右高度左右l層內溫度隨高度增加而下降層內溫度隨高度增加而下降l空氣的垂直對流運動強空氣的垂直對流運動強, ,故又稱之為高空對故又稱之為高空對流層或上對流層流層或上對流層熱層熱層l約至約至550km550km高度高度l溫度隨高度增加而上升溫度隨高度增加

3、而上升l帶電粒子運動受地球磁場的作用明顯帶電粒子運動受地球磁場的作用明顯l極光極光散逸層散逸層l隨高度升高氣溫增加不顯著隨高度升高氣溫增加不顯著l大氣成分可以散逸到星際空間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薄層，大約大氣邊界層是指大氣層最底下的一個薄層，大約1212公里厚度，公里厚度，是大氣與下墊面直接發生相互作用的層次是大氣與下墊面直接發生相互作用的層次; ;是是人類生命和工程人類生命和工程活動的主要場所活動的主要場所; ;是是地表與大氣之間物質和能量交換的通道地表與大氣之間物質和能量交換的通道; ;是是空氣污染和許多氣象災害的發生地。空氣污染和許多氣象災害的發生地。

4、在這一層中，在這一層中，湍流交換湍流交換在大氣的動量、熱量、水汽及其他微量氣體的平衡中起重要在大氣的動量、熱量、水汽及其他微量氣體的平衡中起重要作用。作用。 10 km12 km對流層對流層平流層平流層邊界層邊界層大氣邊界層大氣邊界層大氣邊界層定義：大氣邊界層定義：大氣邊界層位于對流層的最底部，由于直接與地大氣邊界層位于對流層的最底部，由于直接與地面相貼而強烈受到面相貼而強烈受到分子粘性分子粘性、湍流摩擦湍流摩擦、輻射增輻射增熱熱、水汽交換水汽交換、物質擴散物質擴散各種交換作用和各種交換作用和地形的地形的影響影響，致使，致使湍流應力湍流應力成為重要因子而不可忽略，成為重要因子而不可忽略，與之相

5、聯系形成與之相聯系形成ABL/PBLABL/PBL。即直接受地面影響。即直接受地面影響的那部分對流層，它響應地面的作用時間尺度為的那部分對流層，它響應地面的作用時間尺度為1 1小時或者更短。小時或者更短。動量、熱量、動量、熱量、水分、物質交換水分、物質交換邊界層頂邊界層頂1 1）大氣邊界層垂直方向的概念化分層大氣邊界層垂直方向的概念化分層上部摩擦層上部摩擦層近地面層近地面層貼地層貼地層貼地層：貼地層：1m，分子粘性力占主要，分子粘性力占主要近地層：近地層：50100m，湍流應力超過分子粘性力，湍流應力超過分子粘性力上部摩擦層：科氏力、湍流應力、氣壓梯度力上部摩擦層：科氏力、湍流應力、氣壓梯度力

6、三力平衡三力平衡2 2）大氣邊界層主要特征）大氣邊界層主要特征l大氣邊界層的主要運動形態一般是大氣邊界層的主要運動形態一般是湍流湍流，大氣，大氣湍流運動的尺度非常廣；湍流運動的尺度非常廣；l大氣邊界層的另一個重要特征就是由于大氣邊界層的另一個重要特征就是由于熱力作熱力作用用而導致的強烈的而導致的強烈的日變化；日變化；l由于地面摩擦的存在，大氣運動是由于地面摩擦的存在，大氣運動是非地轉非地轉的；的；l大氣是大氣是非均勻非均勻介質，大氣密度隨時間和空間變介質，大氣密度隨時間和空間變化，特別是鉛直方向上大氣密度不均一；化，特別是鉛直方向上大氣密度不均一；l水平尺度遠大于垂直尺度，可視為水平尺度遠大于

7、垂直尺度，可視為淺層流體。淺層流體。邊界層和自由大氣的特征比較邊界層和自由大氣的特征比較性質性質邊界層邊界層自由大氣層自由大氣層湍流湍流摩擦摩擦擴散擴散風速風速垂直輸送垂直輸送厚度厚度幾乎整個高度都是無間斷的幾乎整個高度都是無間斷的湍流湍流對地面曳力大，能量耗散大對地面曳力大，能量耗散大在水平和垂直方向湍流迅速在水平和垂直方向湍流迅速混合混合近地層接近對數風速廓線，近地層接近對數風速廓線，是次地轉的，常有穿過等壓是次地轉的，常有穿過等壓線的氣流線的氣流受湍流控制受湍流控制時空變化在時空變化在100m-3km之間，之間，陸地上空有周日振蕩陸地上空有周日振蕩水平范圍很大的淺層有零散水平范圍很大的淺

8、層有零散的晴空湍流的晴空湍流粘滯耗散小粘滯耗散小分子擴散少，往往由平均風分子擴散少，往往由平均風在水平方向迅速輸送在水平方向迅速輸送接近地轉風接近地轉風受平均風速和積云尺度控制受平均風速和積云尺度控制空間變化小，空間變化小，8-18km；時間；時間變化緩慢變化緩慢3) 3) 邊界層結構日變化邊界層結構日變化l白天：近地面層、混合層、夾卷層；白天：近地面層、混合層、夾卷層；l夜間：近地面層、穩定邊界層、殘夜間：近地面層、穩定邊界層、殘留層留層表面表面表面中午日落午夜中午日出穩定(夜間)邊界層卷挾帶殘余卷挾云層自由大氣蓋頂逆溫大渦對流混合層混合圖 8.2.1 陸上高壓區大氣邊界層由三部分組成：大渦

9、對流混合層；含有原先混合層空氣的殘余層；具有間隙性湍流的夜間穩定邊界層。高度(m)200010000邊界層的發展具有明顯的日變化特點：（高壓區、小風、無云條件）邊界層的發展具有明顯的日變化特點：（高壓區、小風、無云條件）邊界層結構的日變化邊界層結構的日變化對流邊界層，穩定邊界層，中性邊界層對流邊界層，穩定邊界層，中性邊界層白天：對流邊界層白天：對流邊界層 近地面層、混合層、夾卷層近地面層、混合層、夾卷層 夜間：穩定邊界層夜間：穩定邊界層 近地面層、穩定邊界層、殘留層近地面層、穩定邊界層、殘留層強風（強風（12m/s12m/s）或陰天條件：中性邊界層）或陰天條件：中性邊界層不同時刻，大氣邊界層平

10、均虛位溫廓線不同時刻，大氣邊界層平均虛位溫廓線FA: FA: 自由大氣層自由大氣層ML: ML: 混合層混合層RL: RL: 殘留層殘留層SBL: SBL: 穩定邊界層穩定邊界層CL: CL: 云層云層SCL: SCL: 云下層云下層S720152015年冬季南京大氣邊界層平均虛位溫廓線年冬季南京大氣邊界層平均虛位溫廓線4) 4) 大氣邊界層內的流動形式大氣邊界層內的流動形式一般地，邊界層內氣流的流動形式有三種：平均場、湍一般地，邊界層內氣流的流動形式有三種：平均場、湍流場、波動場。流場、波動場。實際上，后兩者是疊加在平均場上的。實際上，后兩者是疊加在平均場上的。平均風：明顯的日變化平均風：明

11、顯的日變化 風速和風向及其相關邊界層屬性具有明顯的垂直梯度風速和風向及其相關邊界層屬性具有明顯的垂直梯度 一般量級：水平風為米的量級一般量級：水平風為米的量級 垂直風為毫米垂直風為毫米- -米的量級米的量級波動：有規則和一定的周期變化，形式多樣，常見：波動：有規則和一定的周期變化，形式多樣，常見： 重力波、慣性波重力波、慣性波湍流：大氣邊界層的運動形態，剪切和不穩定特性等，湍流：大氣邊界層的運動形態，剪切和不穩定特性等， 湍流對大氣邊界層的發展和演變有關鍵作用。湍流對大氣邊界層的發展和演變有關鍵作用。大氣湍流和波動疊加在平均場上，表現為風的起伏和擾動。大氣湍流和波動疊加在平均場上，表現為風的起

12、伏和擾動。uuuu 大氣邊界層中的風廓線大氣邊界層中的風廓線中性層結條件下風速垂直中性層結條件下風速垂直分布（對數率風廓線）：分布（對數率風廓線）：0101lnlnlnlnZZZZUUzmzZZUU)/(11非中性層結條件下風速垂非中性層結條件下風速垂直分布（指數率風廓線）：直分布（指數率風廓線）：Z0：粗糙長度：粗糙長度(cm或或m)0m120152015年冬季南京大氣邊界層平均風速廓線年冬季南京大氣邊界層平均風速廓線8:0011:0014:0017:0020:0023:002:00 對流邊界層結構及其流場圖象。（引自對流邊界層結構及其流場圖象。（引自Wyngaard, 1990)Wynga

13、ard, 1990) 穩定邊界層結構及其流場圖象。（引自穩定邊界層結構及其流場圖象。（引自Wyngaard, 1990)Wyngaard, 1990)蓋帽逆溫蓋帽逆溫上部穩定層結中上部穩定層結中的波動及下部大的波動及下部大對流湍渦對流湍渦湍流層較淺湍流層較淺層內存在顯著平層內存在顯著平均梯度均梯度, ,風速極值風速極值分布分布湍渦尺度小湍渦尺度小, ,伴隨伴隨疊加重力波疊加重力波1 1 風和湍流風和湍流2 2 氣溫與大氣穩定度氣溫與大氣穩定度3 3 輻射與云輻射與云4 4 天氣形勢天氣形勢5 5 下墊面條件下墊面條件6 6 大氣邊界層結構及其特征大氣邊界層結構及其特征 影響大氣污染物散布的主要

14、因子影響大氣污染物散布的主要因子1 風和湍流風和湍流l風風：空氣相對于地面的水平運動：空氣相對于地面的水平運動 風速越大，單位時間污染物被輸送距離越遠，風速越大，單位時間污染物被輸送距離越遠，混入的空氣量越多，污染物濃度越低。混入的空氣量越多，污染物濃度越低。 水平搬運水平搬運，擴散稀釋，擴散稀釋l污染系數污染系數 污染系數風向頻率污染系數風向頻率/ /平均風速平均風速風頻低，風速小，污染系數小，空氣污染程度輕。風頻低，風速小，污染系數小，空氣污染程度輕。湍流：湍流：擴散稀釋擴散稀釋 自然界中的流體運動存在著兩種完全不同的運動狀態自然界中的流體運動存在著兩種完全不同的運動狀態 層層 流流：平順

15、、光滑、清晰，沒有摻混現象：平順、光滑、清晰，沒有摻混現象 湍湍 流流（紊流、亂流）：雜亂無章、看上去毫無規則（紊流、亂流）：雜亂無章、看上去毫無規則湍流是如何發生的？湍流是如何發生的？ 層流失穩（剪切和熱對流）層流失穩（剪切和熱對流） 機械湍流、熱力湍流機械湍流、熱力湍流 雷雷 諾諾 ：在實驗室模擬湍流：在實驗室模擬湍流 雷諾數雷諾數 Re = U L / Re = U L / v v = =慣性力慣性力/ /粘滯力粘滯力= = U: U:平均流動速度；平均流動速度；L L：流動特征長度；：流動特征長度；v: v: 運動學粘滯系數運動學粘滯系數(cm(cm2 2/s)/s) 雷諾數小，意味著

16、流體流動時各質點間的雷諾數小，意味著流體流動時各質點間的粘性力粘性力占主要地位，占主要地位，流體各質點平行于管路內壁有規則地流動，呈層流流動狀態。流體各質點平行于管路內壁有規則地流動，呈層流流動狀態。雷諾數大，意味著雷諾數大，意味著慣性力慣性力占主要地位，流體呈紊流流動狀態，占主要地位，流體呈紊流流動狀態，一般管道雷諾數一般管道雷諾數ReRe20002000為層流狀態，為層流狀態，ReRe40004000為紊流狀態，為紊流狀態，ReRe2000200040004000為過渡狀態。為過渡狀態。22/LULU湍流穩定度參數梯度理查孫數湍流穩定度參數梯度理查孫數R Ri i 0 0 0：熱力因子使湍

17、流減弱，動力因子使湍流增強，但是湍：熱力因子使湍流減弱，動力因子使湍流增強，但是湍流最終是否發展，取決于流最終是否發展，取決于 的大小。的大小。R Ri i 臨界值：臨界值：1/21/41/21/4R Ri i 1/21/4 1/21/4 1/21/4 ：湍流不易發展。：湍流不易發展。2zuzgRizul湍流即疊加在平均風速上的陣風，可以看作是湍流即疊加在平均風速上的陣風，可以看作是由稱之為湍渦的不規則渦流組成。一般來說，由稱之為湍渦的不規則渦流組成。一般來說，湍流總是包括很多大小不同、相互疊加的湍渦，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強度就定義為這些不同尺度的

18、湍渦的相對強度就定義為湍流湍流譜譜。l許多邊界層湍流是由來自地面的作用引起的，許多邊界層湍流是由來自地面的作用引起的，例如白天陽光充足，地面的例如白天陽光充足，地面的太陽加熱太陽加熱使空氣使空氣熱熱泡泡上升，這種熱泡就是大湍渦。地面對氣流的上升，這種熱泡就是大湍渦。地面對氣流的摩擦曳力摩擦曳力使使風切變風切變得到發展，常常演變成湍流。得到發展，常常演變成湍流。像樹木和建筑物那樣的像樹木和建筑物那樣的障礙物障礙物能改變氣流方向，能改變氣流方向，在障礙物附近和障礙物下風方向產生在障礙物附近和障礙物下風方向產生湍流尾流湍流尾流。湍流的定義湍流的定義l定義定義1 1 泰勒和馮泰勒和馮 卡曼：湍流是一種

19、卡曼：湍流是一種不規則的不規則的運動運動，當流體流過固體表面，或者甚至當相鄰，當流體流過固體表面，或者甚至當相鄰的同類流體相互流過或繞過時，一般會在流體的同類流體相互流過或繞過時，一般會在流體中出現這種不規則運動。中出現這種不規則運動。l定義定義2 2 欣茨：流體的湍流運動是一種不規則的欣茨：流體的湍流運動是一種不規則的流動狀態，它的各種量隨時間與空間坐標表現流動狀態，它的各種量隨時間與空間坐標表現出隨機變化，因而能辨別出不同的統計平均值。出隨機變化，因而能辨別出不同的統計平均值。 湍流至今沒有嚴格的科學定義。湍流至今沒有嚴格的科學定義。湍流的基本特征湍流的基本特征l1. 1. 隨機性。隨機性

20、。非規則的、混亂的、不可預測的。時非規則的、混亂的、不可預測的。時間和空間上的隨機現象。間和空間上的隨機現象。l2. 2.非線性非線性。湍流是高度非線性的。湍流是高度非線性的。ReRe或或RiRi數超過某數超過某臨界值，流動中的小擾動就會自發地增長，并很臨界值，流動中的小擾動就會自發地增長，并很快到一定的擾動幅度。快到一定的擾動幅度。l3. 3. 擴散性擴散性。強烈的擴散能力，大約是分子擴散能。強烈的擴散能力，大約是分子擴散能力的力的1010萬倍。萬倍。l4. 4. 耗散性耗散性。湍流的能量是由大湍渦向小湍渦傳遞，。湍流的能量是由大湍渦向小湍渦傳遞，最后通過分子粘性耗散稱為熱能。最后通過分子粘

21、性耗散稱為熱能。l5. 5. 渦旋性渦旋性。含有尺度分布極廣的大小不同的渦旋，。含有尺度分布極廣的大小不同的渦旋，這些渦旋直接有強烈的相互作用。這些渦旋直接有強烈的相互作用。分子擴散分子擴散0 形成對流、湍流發展，有利污染擴散，形成對流、湍流發展，有利污染擴散， 越大，對流越越大，對流越快，污染擴散越快；快，污染擴散越快；=0 等溫層等溫層，空氣沒有垂直運動，大氣穩定，空氣沒有垂直運動，大氣穩定0 逆溫層逆溫層，對流、湍流被抑制，污染極難擴散，對流、湍流被抑制，污染極難擴散 對流層平均對流層平均=0.65K/100ml干絕熱遞減率干絕熱遞減率（ d），），濕絕熱遞減率濕絕熱遞減率（ m） d=

22、0.98K/100m干絕熱線干絕熱線濕絕熱線濕絕熱線TlnPO大氣穩定度大氣穩定度l大氣穩定度是指大氣穩定度是指整層空氣整層空氣的的穩定程度穩定程度。它是用來描述環境。它是用來描述環境大氣層結對于在其中作大氣層結對于在其中作垂直運動垂直運動的氣團起什么影響的一種的氣團起什么影響的一種熱力性質。熱力性質。環境大氣溫度直減率（環境大氣溫度直減率（ ）與上升氣塊絕熱減溫率（）與上升氣塊絕熱減溫率（ d或或m）對比：）對比：（1） d時，大氣層結不穩定。時，大氣層結不穩定。TzzdTzzdTzzdd逆溫逆溫l輻射逆溫：輻射逆溫： 地表輻射冷卻，形成逆溫地表輻射冷卻，形成逆溫l下沉逆溫：空氣下沉壓縮增溫

23、形成逆溫下沉逆溫：空氣下沉壓縮增溫形成逆溫l平流逆溫：暖空氣平流到冷地面形成逆溫平流逆溫：暖空氣平流到冷地面形成逆溫逆溫的類型逆溫的類型TzTzTzTzTzAABCDCDBh2h1h2h1l地形逆溫：局部地區地形造成的逆溫地形逆溫：局部地區地形造成的逆溫l鋒面逆溫：鋒面上形成的逆溫鋒面逆溫：鋒面上形成的逆溫l湍流逆溫：低層空氣湍流混合形成逆溫湍流逆溫：低層空氣湍流混合形成逆溫Tzz1d原層結曲線原層結曲線z2逆溫層逆溫層混合層混合層混合后層結曲線混合后層結曲線逆溫逆溫扇形扇形熏煙形熏煙形環形環形圓錐形圓錐形屋脊形屋脊形不同溫度層結下煙流形狀不同溫度層結下煙流形狀3 輻射與云輻射與云不同的輻射條

24、件及云況不同的輻射條件及云況, ,穩定度情況不同穩定度情況不同. .輻射強：大氣不穩定，有利于污染物擴輻射強：大氣不穩定，有利于污染物擴散；散；輻射弱：大氣穩定，形成逆溫；不利于輻射弱：大氣穩定，形成逆溫；不利于污染物擴散；污染物擴散；云：反射太陽輻射，減小氣溫隨高度變云：反射太陽輻射，減小氣溫隨高度變化，大氣層結趨于穩定。化，大氣層結趨于穩定。4 天氣形勢天氣形勢高壓低壓輻 合輻 散抬升、降水抬升、降水下沉、晴好下沉、晴好天氣系統、降水、霧天氣系統、降水、霧高壓：輻散、反氣旋、脊；高壓：輻散、反氣旋、脊；低壓：輻合、氣旋、槽等低壓：輻合、氣旋、槽等均壓場、鞍型場；均壓場、鞍型場；鋒面、切變線

25、等；鋒面、切變線等；雷暴、臺風、熱帶云團等雷暴、臺風、熱帶云團等例例 ：2015年年1月南京的一次空氣污染過程月南京的一次空氣污染過程 清潔天：清潔天：2015年年1月月13日日污染天：污染天：2015年年1月月26日日2015年年1月月13日日2015年年1月月26日日5 下墊面條件下墊面條件l熱島環流熱島環流l山谷風環流山谷風環流l海陸風環流海陸風環流l熱島環流熱島環流 是由城鄉溫度差異而引起的局地風。由于是由城鄉溫度差異而引起的局地風。由于城市人類活動影響以及城鄉太陽輻射的差異等，城市人類活動影響以及城鄉太陽輻射的差異等，使得城市溫度經常比鄉村高，城區暖而輕的空使得城市溫度經常比鄉村高，

26、城區暖而輕的空氣要上升，而四周小區冷空氣要向城區輻合補氣要上升，而四周小區冷空氣要向城區輻合補充，形成所謂充，形成所謂“城鄉熱島環流城鄉熱島環流”或稱或稱“城市城市風風”。 5.1 5.1 熱島環流熱島環流城市熱島與空氣質量問題城市熱島與空氣質量問題排放長波輻射散射吸收O3、NOX、VOCs、SO2氣溶膠云長波輻射實例：上海城市熱島效應模擬實例：上海城市熱島效應模擬URB-NSH實例：上海城市熱島效應模擬實例：上海城市熱島效應模擬城市熱島垂直結構城市熱島垂直結構實例：上海實例：上海城市熱島效城市熱島效應對應對PM2.5PM2.5的影響的影響5.2 5.2 山谷風環流山谷風環流l山谷風山谷風 白天，山坡接受太陽光較多，白天，山坡接受太陽光較多，空氣增溫較快；而山谷上空，空氣增溫較快；而山谷上空，同高度上的空氣因離地較遠，同高度上的空氣因離地較遠，增溫較慢。山坡上的暖空氣