污染氣象學(xué)-第二章 氣象條件等因素對空氣污染的影響ppt課件

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l大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其特征大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其特征l1 1 大氣邊界層大氣邊界層l 2.1 2.1 大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其特征大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其特征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(fā)生相互作用的層次是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次; ;是人類生命和工程是人類生命和工程活動的主要場所活動的主要場所; ;是地表與大氣之間物質(zhì)和能量交換的通道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)生地是空氣污染和許多氣象災(zāi)害的發(fā)生地

2、 10 km12 km對流層對流層平流層平流層邊界層邊界層2 湍流現(xiàn)象湍流現(xiàn)象 自然界中的流體運(yùn)動存在著兩種完全不同的運(yùn)動狀態(tài)自然界中的流體運(yùn)動存在著兩種完全不同的運(yùn)動狀態(tài) 層層 流：平順、光滑、明晰，沒有摻混現(xiàn)象流：平順、光滑、明晰，沒有摻混現(xiàn)象 湍湍 流紊流、亂流）：雜亂無章、看上去毫無規(guī)則流紊流、亂流）：雜亂無章、看上去毫無規(guī)則湍流是如何發(fā)生的？湍流是如何發(fā)生的？ 層流失穩(wěn)剪切和熱對流）層流失穩(wěn)剪切和熱對流） 雷雷 諾諾 ：在實(shí)驗(yàn)室模擬湍流：在實(shí)驗(yàn)室模擬湍流 雷諾數(shù)雷諾數(shù) Re = U L / vRe = U L / v 雷諾數(shù)小，意味著流體流動時雷諾數(shù)小，意味著流體流動時各質(zhì)點(diǎn)間的粘性

3、力占主要地位，流體各質(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，各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動，呈層流流動狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著呈層流流動狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動慣性力占主要地位，流體呈紊流流動狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)ReRe20002000為層為層流狀態(tài)，流狀態(tài)，ReRe40004000為紊流狀態(tài)，為紊流狀態(tài)，ReRe2000200040004000為過渡狀態(tài)。在不同的流為過渡狀態(tài)。在不同的流動狀態(tài)下，流體的運(yùn)動規(guī)律流速的動狀態(tài)下，流體的運(yùn)動規(guī)律流速的分布等都是不同的，因而管道內(nèi)流體分布等都是不同的，因而管道內(nèi)流體的平均流速

4、的平均流速與最大流速與最大流速maxmax的比的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動特性。定了粘性流體的流動特性。 湍流至今沒有嚴(yán)格的科學(xué)定義。但目前已知它有如下 11 個主要特點(diǎn)： 1、不規(guī)則性和隨機(jī)性 2、擴(kuò)散性 3、大雷諾數(shù)性質(zhì) 4、渦旋運(yùn)動 5、耗散性 6、連續(xù)性 7、流動屬性 8、記憶特性 9、間歇性 10、猝發(fā)與擬序結(jié)構(gòu) 11、混沌特性 湍流理論四個基本概念：隨機(jī)性、渦粘性、級串、標(biāo)度律湍流理論四個基本概念：隨機(jī)性、渦粘性、級串、標(biāo)度律3 湍流穩(wěn)定度參數(shù)理查孫數(shù)湍流穩(wěn)定度參數(shù)理查孫數(shù) ( )fgwRuvu wv wzz 浮力項(xiàng)雷諾應(yīng)力

5、項(xiàng)Rf 0Rf 0Rf 0：穩(wěn)定，湍流能量呈減弱的趨勢。：穩(wěn)定，湍流能量呈減弱的趨勢。4 湍流相關(guān)概念湍流相關(guān)概念l機(jī)械湍流：機(jī)械湍流：l熱力湍流：熱力湍流：l平穩(wěn)湍流定常湍流）平穩(wěn)湍流定常湍流）l均勻湍流均勻湍流:l各向同性湍流各向同性湍流 ：l能量耗散能量耗散 5.1 垂直結(jié)構(gòu)垂直結(jié)構(gòu)貼地層：貼地層：1m，分子粘性力占主要，湍，分子粘性力占主要，湍流應(yīng)力流應(yīng)力近地層：近地層：50100m，湍流應(yīng)力超過分，湍流應(yīng)力超過分子粘性力子粘性力上部摩擦層：柯氏力、湍流應(yīng)力、氣上部摩擦層：柯氏力、湍流應(yīng)力、氣壓梯度力三力平衡壓梯度力三力平衡5 5 大氣邊界層結(jié)構(gòu)大氣邊界層結(jié)構(gòu)動量、熱量、動量、熱量、水

6、分、物質(zhì)交換水分、物質(zhì)交換過渡層過渡層局地自由對流層局地自由對流層邊界層頂邊界層頂大氣邊界層的概念化分層冠層冠層或粘性次層或粘性次層上部摩擦層上部摩擦層近地面層近地面層5.2 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(yùn)動形態(tài)一般是湍流，大氣大氣邊界層的主要運(yùn)動形態(tài)一般是湍流，大氣湍流運(yùn)動的尺度非常廣；湍流運(yùn)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熱力作大氣邊界層的另一個重要特征就是由于熱力作用而導(dǎo)致的強(qiáng)烈的日變化用而導(dǎo)致的強(qiáng)烈的日變化l由于地面摩擦的存在，大氣運(yùn)動是非地轉(zhuǎn)的；由于地面摩擦的存在，大氣運(yùn)動是非地轉(zhuǎn)的；l大氣是非均勻介質(zhì)，大氣密度隨時間和空間變大氣是非均勻

7、介質(zhì)，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(yuǎn)大于垂直尺度，可視為淺層流體水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，可視為淺層流體5.3 5.3 邊界層結(jié)構(gòu)日變化邊界層結(jié)構(gòu)日變化白天：近地面層、混合層、夾卷層；白天：近地面層、混合層、夾卷層；夜間：近地面層、穩(wěn)定邊界層、殘留夜間：近地面層、穩(wěn)定邊界層、殘留層層表面表面表面中午日落午夜中午日出穩(wěn)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(qū)大氣邊界層由三部分組成：大渦對流混合層；含有原先混合層空氣的殘余層；具有間隙性湍流的夜間穩(wěn)定邊界層。高度(m)20

8、0010000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)、無云條件）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)、無云條件）邊界層結(jié)構(gòu)的日變化邊界層結(jié)構(gòu)的日變化 對流邊界層結(jié)構(gòu)及其流場圖象。（引自Wyngaard, 1990) 穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場圖象。（引自Wyngaard, 1990)蓋帽逆溫蓋帽逆溫上部穩(wěn)定層結(jié)中上部穩(wěn)定層結(jié)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(nèi)存在顯著平層內(nèi)存在顯著平均梯度均梯度,風(fēng)速極值風(fēng)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5.4 5.4 大氣邊界層內(nèi)的流動形式大氣邊界層內(nèi)的流動形式 一般地，邊界

9、層內(nèi)氣流的流動形式有三種：平均場、湍流場、波動場。 實(shí)際上，后兩者是疊加在平均場上的。平均風(fēng)：明顯的日變化平均風(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：水平風(fēng)為米的量級一般量級：水平風(fēng)為米的量級 垂直風(fēng)為毫米垂直風(fēng)為毫米- -米的量級米的量級動搖：有規(guī)則和一定的周期變化，形式多樣，常見：動搖：有規(guī)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(yùn)動形態(tài)，剪切和不穩(wěn)定特性等，湍流：大氣邊界層的運(yùn)動形態(tài)，剪切和不穩(wěn)定特性等， 湍流對大氣邊界層的發(fā)展和演變有關(guān)鍵作用。湍流對大氣邊界層的

10、發(fā)展和演變有關(guān)鍵作用。大氣湍流和波動疊加在平均場上，表現(xiàn)為風(fēng)的起伏和擾動。大氣湍流和波動疊加在平均場上，表現(xiàn)為風(fēng)的起伏和擾動。uuuu 2.2 風(fēng)和湍流l風(fēng)：空氣相對于地面的水平運(yùn)動風(fēng)：空氣相對于地面的水平運(yùn)動l污染系數(shù)污染系數(shù)l 污染系數(shù)風(fēng)向頻率污染系數(shù)風(fēng)向頻率/平均風(fēng)速平均風(fēng)速分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散湍流擴(kuò)湍流擴(kuò)散散實(shí)際情況中，三實(shí)際情況中，三種作用都存在，種作用都存在，并相互作用。并相互作用。Slade，19682.3 氣溫和大氣穩(wěn)定度溫度遞減率溫度遞減率理查孫數(shù)理查孫數(shù)湍流熱通量湍流熱通量莫寧奧布霍夫長度莫寧奧布霍夫長度穩(wěn)定度參數(shù)穩(wěn)定度參數(shù)zL2.1 輻射與云不同的輻射條件及云況不同的輻射條件及云況, ,穩(wěn)定度情況不穩(wěn)定度情況不同同. .2.5 天氣形勢l天氣形勢天氣形勢l 高壓：不利于擴(kuò)散高壓：不利于擴(kuò)散l 低壓：有利于擴(kuò)散低壓：有利于擴(kuò)散l降水、積雪、霧等降水、積雪、霧等2