《污染气象学》课件：第一周 引言－1章.ppt

1、 污染气象学污染气象学 上课时间：上课时间： 周一（周一（13节）节） 8:0010:35上课地点上课地点 B102 3学时，学时，3学分学分2016年春任课任课: :凌镇浩凌镇浩 15018732525 15018732525助教：刘建助教：刘建 18680448581 18680448581 教科书教科书蒋维楣等编蒋维楣等编:空气污染气象学教程空气污染气象学教程 (第二版第二版)， 气象出版社，气象出版社，2004年年 主要参考书主要参考书（1） Aray S.P Air pollution meteorology and dispersion Oxford University Pres

2、s Oct，1998。http:/ （2）胡二邦、陈家宜著）胡二邦、陈家宜著核电厂大气扩散及核电厂大气扩散及其环境影响评价其环境影响评价 原子能出版社，原子能出版社，1999年年 （3）蒋维楣等编，）蒋维楣等编，空气污染气象学教程空气污染气象学教程气象出版社，气象出版社，1993年，年， 2004版版空气污染气象学空气污染气象学，气象出版社，气象出版社 （4）李宗恺等编李宗恺等编空气污染气象学原理与应空气污染气象学原理与应用用，气象出版社，气象出版社，1985年年 课程主要内容课程主要内容 引引 言言 第一章第一章 大气湍流和大气边界层基础大气湍流和大气边界层基础 第二章第二章 湍流扩散基本理

3、论湍流扩散基本理论 第三章第三章 大气扩散估算大气扩散估算 期中测验（第10周）第四章第四章 城市、山区和水域附近的扩散城市、山区和水域附近的扩散 第五章第五章 污染气象学试验研究方法污染气象学试验研究方法第六章第六章 污染气象学原理的应用污染气象学原理的应用 期末考试（第18周）蒋维楣等编蒋维楣等编:空气污染气象学教程空气污染气象学教程 (第二版第二版)国务院办公厅关于国务院办公厅关于2016年年部分节假日安排的通知部分节假日安排的通知国办发明电201518号清明节：清明节：4月4日放假。劳动节：劳动节：5月2日放假， 国务院办公厅2015年12月10日考核：平时、期中（40%）+期末（60

4、%） 污染气象学污染气象学是近代大气科学的一个重要的分支学科，它以污染物在大气中的输送、清除、转化过程为研究对象，并重点研究空气污染物散布与气象因子的关系，预测空气污染物的浓度分布及其对环境空气质量的影响。 污染气象学污染气象学是大气环境研究与应用的一个重要领域，对大气环境的保护有重大意义。 引言引言 四个基本问题四个基本问题一、大气、空气一、大气、空气二、空气污染和空气污染事件二、空气污染和空气污染事件三、污染气象学与污染气象学研究内容三、污染气象学与污染气象学研究内容四、大气污染物散布过程四、大气污染物散布过程 参考教材 P1-16一、大气、空气： 大气 (atmosphere) 空气 (

5、air ) 人为或自然 过度排入大气 空气污染 足够浓度、持续足够长时间 (air pollution) 人体（舒适、健康等） 危害 环境 广义：全球性问题（污染物最终散到整个大气层）狭义：局地问题（大的中心城市和工业区）二、空气污染 、空气污染事件 广义：是全球性问题（污染最终散空气污染 到整个大气层） 习惯上：局地问题（大的中心城市 和工业区） 全球源和汇全球性行为： 气象学：大尺度、中尺度、微尺度 微气象学 （边界层）局地行为： 大气扩散（湍流扩散） 空气污染化学 排放源（污染物） 大气输送、扩散、化学变化 接受体 空气污染系统Local Regional Global 全球大气污染（大

6、气环境问题研究）发展历程 一、一、19301930年年 马斯河谷烟雾事件马斯河谷烟雾事件 比利时马斯河谷工业区。在狭窄河谷里有炼油厂、金属厂、玻比利时马斯河谷工业区。在狭窄河谷里有炼油厂、金属厂、玻璃厂等许多工厂。璃厂等许多工厂。1212月月1-51-5日，河谷上空出现了很强的逆温层，致使日，河谷上空出现了很强的逆温层，致使1313个大烟囱排出的烟尘无法扩散，大量有害气体积累在近地大气层，个大烟囱排出的烟尘无法扩散，大量有害气体积累在近地大气层，对人体造成严重伤害。一周内有对人体造成严重伤害。一周内有6060多人丧生，其中心脏病、肺病患者多人丧生，其中心脏病、肺病患者死亡率最高，许多牲畜死亡。

7、这是死亡率最高，许多牲畜死亡。这是2020世纪最早记录的公害事件。世纪最早记录的公害事件。二、二、19431943年年 洛杉矶光化学烟雾事件洛杉矶光化学烟雾事件 夏季，美国洛杉矶市。该市夏季，美国洛杉矶市。该市250250万辆汽车每天燃烧掉万辆汽车每天燃烧掉11001100吨汽油。吨汽油。汽油燃烧后产生碳氢化合物等在太阳紫外光线照射下引起化学反应，汽油燃烧后产生碳氢化合物等在太阳紫外光线照射下引起化学反应，形成浅蓝色烟雾，使该市大多市民患了眼红、头疼病。后来人们称这形成浅蓝色烟雾，使该市大多市民患了眼红、头疼病。后来人们称这种污染为种污染为光化学烟雾光化学烟雾。 19551955年和年和197

8、01970年洛杉矶又两度发生光化学烟雾事件，前者有年洛杉矶又两度发生光化学烟雾事件，前者有400400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。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、三、19481948年年 多诺拉烟雾事件多诺拉烟雾事件 美国宾夕法尼亚州多诺拉城有许多大型炼铁厂、炼锌厂和硫酸厂。美国宾夕法尼亚州多诺拉城有许多大型炼铁厂、炼锌厂和硫酸厂。19481948年年1010月月2626日清晨，大雾弥漫，受反气旋和逆温控制，工厂排出的日清晨，大雾弥漫，受反气旋和逆温控制，工厂排出的有害气体扩散不出去，全城有害气体扩散不出去，全城1400014000人

9、中有人中有60006000人眼痛、喉咙痛、头痛人眼痛、喉咙痛、头痛胸闷、呕吐、腹泻。胸闷、呕吐、腹泻。1717人死亡。人死亡。 20世纪世界主要空气污染事件世纪世界主要空气污染事件四、四、19521952年年 伦敦烟雾事件伦敦烟雾事件 自自19521952年以来，伦敦发生过年以来，伦敦发生过1212次大的烟雾事件。次大的烟雾事件。 19521952年年1212月的烟雾事件，祸首是燃煤排放的粉尘和二氧化硫。烟雾逼月的烟雾事件，祸首是燃煤排放的粉尘和二氧化硫。烟雾逼迫所有飞机停飞，汽车白天开灯行驶，行人走路都困难。烟雾事件使呼吸迫所有飞机停飞，汽车白天开灯行驶，行人走路都困难。烟雾事件使呼吸道疾病

10、患者猛增，道疾病患者猛增，5 5天内有天内有40004000多人死亡，两个月内又有多人死亡，两个月内又有80008000多人死去。多人死去。五、五、19841984年年 印度博帕尔事件印度博帕尔事件 1212月月3 3日，美国联合碳化公司在印度博帕尔市的农药厂因管理混乱，日，美国联合碳化公司在印度博帕尔市的农药厂因管理混乱，操作不当，致使地下储罐内剧毒的甲基异氰酸脂因压力升高而爆炸外泄。操作不当，致使地下储罐内剧毒的甲基异氰酸脂因压力升高而爆炸外泄。4545吨毒气形成一股浓密的烟雾袭击了博帕尔市区。死亡近两万人，受害吨毒气形成一股浓密的烟雾袭击了博帕尔市区。死亡近两万人，受害2020多万人，多

11、万人，5 5万人失明，孕妇流产或产下死婴，受害面积万人失明，孕妇流产或产下死婴，受害面积4040平方公里，数千平方公里，数千头牲畜被毒死。头牲畜被毒死。六、六、19861986年年 切尔诺贝利核泄漏事件切尔诺贝利核泄漏事件 4 4月月2626日，位于乌克兰基辅市郊的切尔诺贝利核电站，由于管理不善日，位于乌克兰基辅市郊的切尔诺贝利核电站，由于管理不善和操作失误，和操作失误，4 4号反应堆爆炸起火，致使大量放射性物质泄漏。号反应堆爆炸起火，致使大量放射性物质泄漏。 3131人死亡，人死亡，237237人受严重放射性伤害。世界大部分地区都测到核电站人受严重放射性伤害。世界大部分地区都测到核电站泄漏出

12、的放射性物质。在泄漏出的放射性物质。在2020年内，还将有年内，还将有3 3万人可能因此患上癌症。距电万人可能因此患上癌症。距电站站7 7公里内的树木全部死亡，此后半个世纪内，公里内的树木全部死亡，此后半个世纪内，1010公里内不能耕作放牧，公里内不能耕作放牧，100100公里内不能生产牛奶公里内不能生产牛奶这次核污染飘尘给邻国也带来严重灾难。这次核污染飘尘给邻国也带来严重灾难。20世纪世界主要空气污染事件三、污染气象学与污染气象学研究内容 污染气象学研究影响污染物在大气中散布的气象因子和过程，定量表达这些过程的规律及其对污染物迁移（扩散）转化的影响。 污染气象学主要目的是预告污染物的散布 污

13、染气象学污染气象学作为一个学科领域，它既是大气科学的一个分支，又是环境科学与环境工程学科的一个重要组成部分。 它研究大气环境中由自然因子和人为因子支配构成的大气污染系统的基本特征和变化规律，并运用气象学方法研究空气污染物自排放源进入大气层后的散布规律，其核心是大气输送与扩散。 需要研究的是一个发生在多维、多尺度，具有相互联系与反馈作用的复杂系统中的包括大气物理与化学，乃至地质、地理和生物等过程的综合性问题。 局地空气污染（左：晴天中午， 右：风速较大时候）点源空气污染局地空气污染 （左：晴天晚上， 右上：傍晚 右下；上午）局地空气污染（沿海地区白天）风区域或全球性空气污染概念模型自由大气大气边

14、界层平流层对流层四、大气污染物的散布过程 扩散（扩散（diffusion）湍流扩散（狭义）湍流扩散（狭义） 散布（散布（dispersion）湍流扩散、迁移、转化）湍流扩散、迁移、转化 （广义）（广义）烟气抬升（初始动力，热力作用）烟气抬升（初始动力，热力作用）风的水平输送（搬运）风的水平输送（搬运）扩散（大气湍流）扩散（大气湍流）干沉积（重力作用，吸附）干沉积（重力作用，吸附）湿沉积（降水冲刷）湿沉积（降水冲刷）化学转化（光化学反应等）化学转化（光化学反应等）其他过程（过山气流，下泄等）其他过程（过山气流，下泄等）污染气象学的应用1、环境保护：大气污染防治、大气环境评价、 应急措施、环境管理

15、、规划方案的制定2、生态平衡：酸雨、O3层3、对气象、气候的影响：CO2增加、温室 效应 85年CO2 350360ppm 2050年 540ppm 全球气温升高23空气污染 能见度降低 平流层O3减少（氟里昂等增加） 地表紫外辐射增加 皮肤癌 2008-2010年我国是世界上我国是世界上PM2.5PM2.5浓度最高的地区。浓度最高的地区。 京津冀、长三角、珠三角京津冀、长三角、珠三角3城市群空气污染尤其严重。城市群空气污染尤其严重。 2013年1月我国中东部多地出现20多雾霾天。 1月30日全国灰霾面积为143万平方公里。 2013年12月全国100多城市遭遇雾霾天气。 2014年年1月月7

16、日日6时广州启动环境空气重污染二级应急响应。时广州启动环境空气重污染二级应急响应。 1月6日20时，广州10个国控点最近24小时AQI达到195-216，有8个国控点空气质量属于重度污染,空气质量指数在203-217之间。主要是PM2.5超标，超过国家标准75微克/立方米两倍以上。29个环境空气质量信息发布点有18个点AQI超过200，全城重度污染。 按照按照广州市环境空气重污染应急预案（试行）广州市环境空气重污染应急预案（试行），1月月7日日6时时广州启动二级应急响应。广州启动二级应急响应。广东广东25个市县区发布灰霾黄色预警。个市县区发布灰霾黄色预警。 为改善空气质量，国家出台一些列的政策

17、和行动计划。为改善空气质量，国家出台一些列的政策和行动计划。 2014年1月初，环境保护部与全国31个省（区、市）签署了大气污染防治目标责任书，明确 各地空气质量改善目标和重点工作任务。 环保部与环保部与3131个省（区、市）签署个省（区、市）签署大气污染防治目标责任书大气污染防治目标责任书 控制灰霾天气，改善区域空气质量，需找到源头，采取有针对性、有效的控制措施。 2014年1月9日报道，中共中央政治局常委、国务院副总理张高丽对2014年全国环境保护工作会议重要批示指出，防治大气污染任务繁重艰巨，希望扎实抓好各项工作，以今年取得实际成效取信于民。 减少空气污染的最佳途径是什么？ 第一章第一章

18、 大气湍流和大气边界层基础大气湍流和大气边界层基础 1.1 1.1 大气湍流大气湍流 一、大气湍流一、大气湍流( (湍流运动的判据湍流运动的判据RiRi数数) ) 二、大气湍流的数学描述二、大气湍流的数学描述 ( (方差、标准差和湍强，相关、谱和湍流尺度方差、标准差和湍强，相关、谱和湍流尺度) ) 1.2 1.2 大气边界层结构大气边界层结构 一、大气边界层一、大气边界层( (边界层高度与日变化边界层高度与日变化) ) 二、大气边界层主要特征二、大气边界层主要特征 ( (边界层内风速、温度随高度的分布与日变化边界层内风速、温度随高度的分布与日变化) )1.1 大气湍流一、大气湍流一、大气湍流湍

19、流的研究历史湍流的研究历史 1839年，年，G.汉根在实验中首次观察到由层流到湍流的转变。汉根在实验中首次观察到由层流到湍流的转变。 1883年，年，O.雷诺又在圆管水流实验中找出了层流过渡到湍流的雷诺又在圆管水流实验中找出了层流过渡到湍流的条件。在理论研究方面，条件。在理论研究方面，1895年雷诺曾把瞬时风速分解为平均年雷诺曾把瞬时风速分解为平均风速和叠加在上面的湍流脉动速度两部分，得到湍流运动方程风速和叠加在上面的湍流脉动速度两部分，得到湍流运动方程组组(雷诺方程雷诺方程)，提出湍流粘性力（雷诺应力）的概念。，提出湍流粘性力（雷诺应力）的概念。 1925年，年，L.普朗特在这基础上提出了混

20、合长度的概念，得出边普朗特在这基础上提出了混合长度的概念，得出边界层内风速随高度变化的规律：在对数坐标中呈线性增长。在界层内风速随高度变化的规律：在对数坐标中呈线性增长。在大气边界层中，此结果被许多实验所证实。大气边界层中，此结果被许多实验所证实。 1915年，年，G.I.泰勒提出了研究大气湍流微结构的统计理论。泰勒提出了研究大气湍流微结构的统计理论。1920年，年，L.F.理查逊研究了大气温度分布对湍流的影响。理查逊研究了大气温度分布对湍流的影响。1941年，年，A.H.科尔莫戈罗夫又提出了局地各向同性理论，以上这些科尔莫戈罗夫又提出了局地各向同性理论，以上这些理论，合理地解释了湍流中的微结

21、构。理论，合理地解释了湍流中的微结构。一、大气湍流一、大气湍流1 大气湍流的定义 大气湍流是气流在三度空间的不规则涨落。(时、空、脉动) 叠加在平均风之上的脉动变化，由一系列不规则的涡旋运动组成2、湍流成因 动力因子（风切变）：机械湍流热力因子（层结不稳定，对流） 稳定层结波的破碎间歇湍流稳定不稳定浮力作用WW机械作用切变大气湍流的发生需具备一定的动力学和热力学条件：其动力学条件是空气层中具有明显的风速切变；热力学条件是空气层必须具有一定的不稳定度，其中最有利的条件是上层空气温度低于下层的对流条件，在风速切变较强时，上层气温略高于下层，仍可能存在较弱的大气湍流为了便于直观理解湍流扩散的具体过程

22、，将湍流想像成由大小不同的旋涡构成的流动。这些涡旋叫做湍涡。一个大湍涡包含着许多较小的湍涡，较小的湍涡又包含着很多更小的湍涡，大湍涡套着小湍涡构成了湍流远动。最大的湍涡通常也是最强的湍涡,小的高频湍涡都是些较弱的湍涡。大湍涡运动能产生湍涡般大小的风切变区,这些风切变区能形成一些较小的湍涡。不同尺度湍涡的相对强弱就定义为湍流谱。对湍流谱特征的研究能说明哪种大小的湍涡对湍能贡献最大。 湍涡湍涡3、湍流对污染物扩散的作用、湍流对污染物扩散的作用3.1 湍流扩散示意图湍流扩散示意图 上图表示干净大气中一团携带大量气溶胶粒子的空气在湍流作用下包络范围的变化。湍流是极端大量分子所组成的流体团的整体运动。伴

23、随着速度的时空涨落，流体团所携带的物理属性将很快地在空间散布开，逐渐与周围的流体混合而实现湍流扩散。湍流的混合(扩散)能力远远强于没有湍流的流动(层流)。在大气湍流扩散问题中通常只考虑湍流扩散而忽略分子扩散的作用。烟云或烟团的扩散稀释就是由湍涡来完成的。3.2 湍涡扩散作用湍涡扩散作用一个烟团在大小不同的湍涡中的扩散状态。图a表示烟团处于比它尺度小的湍涡中。烟团随风向下风向移动的同时受到小尺度湍涡的来回搅动，边缘缓慢与周围空气混合，大小缓慢膨胀，浓度也缓慢地降低。说明比烟团小得多的湍说明比烟团小得多的湍涡对扩散稀释作用不大涡对扩散稀释作用不大。图b表示一个比烟团大得多的旋涡或流场扰动对扩散的作

24、用，这时烟团主要被湍涡运动夹带，表现为位置的摆动，本身分散也不大。图c表示尺度大小与烟尺度大小与烟团相仿的湍涡的作用团相仿的湍涡的作用。这时烟团被湍涡拉开，撕碎且产生变形。具有较强的扩散。对应于大气湍流的强弱，污染物在大气中的扩散也呈现三种基本状态。它们的名称分别是环链形扩散环链形扩散、锥形扩散锥形扩散和扇形扩散扇形扩散。环链形扩散。烟流外形起伏很大。这种扩散状态烟云上下、左右及前后的湍流扩散都很快、稀释能力强。表明大气很不稳定，湍流很强。出现在风小，天气晴朗太阳辐射强的白天或是起伏地形的上空。 当大气层结为中性的时候，烟流外形常呈锥形外表，扩散能力中等，称为锥形扩散。出现条件是平坦郊野上空风

25、大的多云天或阴天。扇形扩散。出现在晴朗风小的夜间，大气处于很稳定的状态。这时候湍流很弱，尤其是垂直方向的湍流涨落受到更强烈的抑制。垂直方向的扩散非常弱而水平方向随着风向摆动仍保持一定程度的扩散，烟流外形如同一面张开的扇子。1883年英国科学家雷诺首先系统地研究了流体中湍流的产生条件。他发现:要使流体从层流转变为湍流,必须增加流动速度或增加与流动有关的特征长度或减少流体的粘性,这三方面的因素可以组成一个无量纲数称雷诺数。利用雷诺数可区分层流和湍流。雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于粘滞力

26、，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。 大气中一般的速度量级为100厘米/秒,粘性大约为0.15平方厘米/秒, 而流动的流动的特征长度一般取离地面的高度特征长度一般取离地面的高度,因此大气运动的雷诺数很大,大气的流动通常是湍流的。 雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大意味着惯性力影响越显著。大气湍流是动力和热力共同作用的结果,雷诺数只表示动力作用。4.1雷诺数雷诺数Reynolds 4、湍流运动的判据、湍流运动的判据ULLULURe22粘性力惯性力4.2 理查逊数理查逊数 机械湍能热力湍能切应力做功浮力做功22)()()(ZUZTTgZUZgRid考虑

27、湍流的能量来源于机械运动做功和浮力做功两方面。Ri 0 稳定湍流弱1920年英国科学家Richardson 发现大气湍流是在风切变产生的湍流能量大到足以抵消浮力做功所消耗的能量时发生的, 即大气湍流是热力和动力共同作用的结果。他提出利用理查逊数来判断大气湍流的强弱。 其他判据位温梯度 温度梯度湍流热通量莫宁-奥布霍夫长度 ZdkPT）1000（ZTpCHguL3*zKCHmpkd=R/Cp=(0.287 J/gK)/(1.005 J/gk)=0.286卡门常数，约为卡门常数，约为0.4u*摩擦速度Km湍流交换系数判据不稳定中性稳定Ri00 000 0 d d dL0 0H 000zZTATMO

28、SPHERIC LAPSE RATE AND STABILITYTz = 9.8 K km-1Consider 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 : z“Lapse rate” = -dT/dz-1/9.8 K kmpgdT dzC ATM(observed)What happens following rel

29、ease depends on the local lapse rate dTATM/dz: -dTATM/dz e e upward buoyancy amplifies initial perturbation: atmosphere is unstable -dTATM/dz = e e zero buoyancy does not alter perturbation: atmosphere is neutral -dTATM/dz 0 (“inversion”): very stableunstableinversionunstablestableThe stability of t

30、he atmosphere against vertical mixing is solely determined by its lapse rate1.瞬时值、平均值、脉动值雷诺 瞬平脉 时间平均： 22/1001;,1TtTtniiundttzyxuTuwwwvvvuuu二、大气湍流的数学描述T为平均时间或采样时间2. 方差、标准差、湍流强度 方差分散程度（衡量随机变量在其平均值附近的分散程度） 标准差（均方差）niiwniivniiuwwwnvvvnuuun122212221222111 2122uuu有偏方差：协方差：相关系数：湍强： 在湍流统计理论中，用方差或标准差来表示湍流运动的

31、强弱，定义标准差与平均风速的比为湍强定义标准差与平均风速的比为湍强101NiiiBBAANbaBAABbaruiuiuiwzvyux10221NiiAAAN例：测量u和w风分量，6秒测量一次1分钟内的瞬时风速，得到下列10组观测结果：u(m/s) 5 6 5 4 7 5 3 5 4 6w(m/s) 0 -1 1 0 -2 1 2 -1 1 -1求平均值、方差和标准差、协方差、湍强和相关系数。85. 0,/10. 124. 0518. 1,/18. 1,/40. 1,/022. 0510. 1,/10. 1,/20. 1,/522222222uwwwwuuursmwuismsmsmwismsms

32、mu解：应用中，用风向方位角的方差或标准差（ ）及风向高度角的方差或标准差（ ）表示湍强 和湍强的关系： 或 2zwyvviuiuuuvuuuvuuvuuv同理：很小，222222222221tantan,tan 或 2593. 相关、谱和湍流尺度（一）相关 Lagrange法个别流体质点运动（移动坐标） Euler法在固定点观测流体的流动（固定坐标）1、Lagrange相关系数：若湍流场定常，则有：表示，同一流体质点在不同时刻脉动速度的相关。 tvtvtvtvRL22)()()(2)()()(vtvtvRL2、Euler时间相关系数： 同一空间点处，不同时刻脉动速度的相关3、Euler空间相

33、关系数： 同一时间，空间两点脉动速度的相关纵向相关：横向相关：4、相关系数的性质及物理意义：（与湍涡寿命相关）1) 0， 12) ， 03) ，为偶函数4)1 1 在原点： 足够大， RR() RR R R211)()()(vxxvxvxRv211)()()(uxxuxuxRu200)()()(uttututRu 1R R22)()()()(ututuututuR取t-=t1，则有 RututuR211)()( R()为的偶函数， R()相对于纵坐标轴是对称的。 拉格朗日相关系数RL() 反映湍涡的平均寿命，大涡寿命长。 涡寿命 ，则经后仍处于同一涡，故相关大。 欧拉相关系数R(x)： 两点间

34、距x小，处于同一涡的机会高，则相关大。（二）谱大涡形成低频振荡 脉动量统计平均值由不同频率的 谐波叠加而成小涡形成高频振荡 引进谱概念，称大气湍流谱F(n)为湍流函数:S(n)为谱密度:频谱分析了解那种频率的湍涡对湍流场的贡献最大 1ln100ndnnFdnnF或 nFunS2 0022dnnSdnnFuu 相关与谱的关系 用傅里叶变换得：Taylor导出02cos)()(ntdnnFtR02cos)(4)(ntdttRnF（三）湍流尺度 时间尺度： 空间尺度： L为扩散因子 大气湍流铅直尺度受地面限制，与高度有相同数量级。 较小尺度的涡团在近地层（或边界层）空气特性量的铅直混合中起重要作用，

35、而大尺度涡团对大规模的输送过程有决定性影响。 水平尺度十分宽广，大到上千公里（气旋、反气旋），小到几厘米，相应时间尺度十分宽广。 0总体湍涡平均大小dxxRLux 0湍涡平均寿命dRLL 泰勒冰冻湍流假设：当湍流强度很小时，某定点处脉动量随时间的变化完全是由于结构不变的湍流场以平均速度u通过该点所引起。根据泰勒冰冻湍流假设， LuduRLRuxRuxx0,1.2大气边界层的结构一、大气边界层定义 受地球表面影响最剧烈的气层，气象要素有明显 的日变化 湍流输送不可忽略的气层对流层 10km边界层 12km近地层 100m12km10km100m平流层对流层边界层近地层Ekman层二、边界层高度日

36、变化24181206hr0.51.01.5h(km)稳稳定残存层不稳定边界层三、不同类型边界层的细分 按热力学性质及湍流所起作用的不同，大气边界层分为：不稳定、稳定及中性边界层三种。 同一类型区分为三部分：近地层、Ekman层和过渡层 大气混合层为很不稳定的对流边界层： 靠近地球表面的气层俗称为低层大气，有时不太严格的旧称它为大气边界层 大气边界层的基本特征表现为气象要素在这层大气中有明显的日变化，基本原因是受大气湍流作用，引起各种量的输送上日变化严格地，存在连续性湍流，湍流的输送起着重要作用并导致气象和要素日变化显著的低层大气，定义为大气边界层（ABL） 除湍流作用外，大气的气压梯度力和地转

37、偏向力对大气边界层流体的运动特性，也有不可忽略的作用，是行星低层大气或海洋流动的特点，因此大气边界层也常称为行星边界层（PBL）。 不稳定边界层 地面加热，风速切变 陆地出现在白天对流边界层或混合层 稳定出现在夜间或随地面逆温层结， 亦称夜间边界层 中性浮力很弱，风速很大，实际大气中罕见不同类型大气边界层的细分：自由大气自由大气自由大气过渡层(卷夹层)不稳定边界层混合层近地面层中性边界层近地面层近地面层间歇湍流稳定边界层ziL波动四、边界层的主要特征1、湍流运动发展高度湍流性 引起污染物扩散 近地层中风切变引起扩散Ekman螺线2、风的分布摩擦力随高度变化，使风速随高度明显增大风廓线拟合：平坦

38、开阔地形，中性层结 对数律非中性，偏离对数律，符合幂指数律为应用方便，统一用幂指数律 P由稳定度确定：ABCDEFP0.100.150.200.250.300.300*lnzzuupzzzuu01z0地面粗糙度z混合层高度zu城市城郊 农村下垫面影响3、温度的垂直分布温度日变化晴天、小风，明显；阴天、风大不明显。zt0008121820DIURNAL CYCLE OF SURFACE HEATING/COOLING:zT01 kmMIDDAYNIGHTMORNINGMixingdepthSubsidenceinversionNIGHTMORNING AFTERNOON中山大学珠三角污染气象研究

39、国家973项目观测实验 新垦基线测风及低空探新垦基线测风及低空探空空 小球基线测风低空探空 国家863项目观测实验总结1、大气湍流分热力湍流和机械湍流2、污染物的扩散是湍流作用的结果3、湍流运动的判据是Ri4、雷诺把湍流运动设想成两种运动的结合，即平均和脉动两种运动5、湍流强度为湍流运动各分量标准差与平均风速的比值uiuiuiwzvyux6、相关两脉动速度间的关系： 拉格朗日 时间相关 欧拉 空间相关（欧拉）： 欧拉时间相关的空间向量的关系：Taylor 冰冻湍流假设：当湍流强度很小时，某定点处脉动量随时间的变化完全是由于结构不变的湍流场以平均速度u通过该点所引起。 当x=ut时，有RE(t)

40、=RE(x) 通常利用这个关系，由时间相关空间相关200)()()(uxxuxuxRE200)()()(uttututRE2)()()(vtvtvRL7、湍流谱-湍涡湍能贡献 时间相关求谱： 空间相关求谱：8、湍流尺度湍流平均寿命 欧拉： 拉格朗日： 002cos2cos4ntdnnFtRntdttRnF 002cos2cos4ntdnnFxRntdtxRnF txEtuxLuLdttRLdxxRL00, 0dRLL9、大气边界层： 分近地层和摩擦层上层 边界层为110对流层，12km 近地层为110边界层，100m 近地层特征：气象要素日变化明显，且垂直梯度大10、边界层风分布 中性，近地层，对数律： 非中性（中性）幂指数律： P随稳定度和地面粗糙度而定。 0*lnzzuupzzzuu0111、温度廓线日变化zt0008121820