《大气环境学》风和湍流ppt课件.ppt

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1、第二节 风和湍流,（二）风速（wind speed),1、表述方法 单位时间内空气（水平）流动的距离。m/s。风速与风级的转换关系：u3.02F 3/2（km/h）式中：F为风力等级，012级 风级歌：0级烟柱直冲天，1级轻烟随风偏；2级清风吹脸面，3级叶动红旗展；4级风吹飞纸片，5级带叶小树摇；6级举伞步行艰，7级迎风走不便；8级风吹树枝断，9级屋顶飞瓦片；10级拔树又倒屋，11、12陆上很少见。,2、风速随高度的变化 地表附近的气流运动受下垫面（地表面的树林、田野、建筑物等）摩擦力的阻滞，使气流在垂直方向上产生的风速梯度。表示风速随高度变化的曲线，称为“风速廓线”。,风速随高度的增加而增加

2、。风速大小直接决定了该地区的大气污染稀释能力（环境容量）。,u高度为z处的风速，m/s；u*摩擦速度，m/s；k Karman常数，一般取0.4；z0 地面粗糙度，m.z0定义为离地面高度z0处，平均风速u0.,对数律,对数律较适用于描述近地层中性层结时的风廓线。,气象台站的观测风速是在距地面10m高度10min内的平均风速。,指数律（幂律）,注意：=,u高度为z处的平均风速，m/s；u1010m处的平均风速，m/s；m风廓线指数，也称风速高度指数。与大气稳定度和地面粗糙度有关。,风速的两种平均方式：平均风速是最常用的风参数。通常有两种平均方式：时间平均风速：任意高度处的时间平均风速。计算方法

3、如前所述。空间平均风速：由地面起算的任一高度内的竖向平均风速。,竖向平均风速的计算：若计算范围是由高度Z1高度Z2，则,若由地面积分到某一高度Z，则Z1=0，Z2=Z,u0为某参考高度Z0处的风速,3、污染系数,综合考虑风向和风速的影响，引入污染系数：,fi、ui和Pi第i方位的风向频率、平均风速和污染系数；f0静风频率；u0静风取u0=0.75m/s。Pi越小，污染源对该风向下风向的空气污染程度越轻；反之，对该风向下风向的空气污染程度越重。,（i=1，2，16）,相对污染系数：,风向频率玫瑰图和污染系数玫瑰图，可直观地反映一个地区的风向，或风向与风速联合作用对空气污染物的输送、稀释影响。讨论

4、：某地区的风向和污染系数资料如下表。若分别以风向频率和污染系数为依据，则应如何布置居民区和工业区的位置？,利用污染系数指导城市规划及工业布局：工业排污区应设置在最大污染系数的下风向，或最小污染系数的上风向；休息疗养地、公园、文教、行政区等需要特别保护的区域应设置在最小污染系数的下风向，或最大污染系数上风向区域；商业及一些混合区应设置在二者的过渡带上。,二、湍流,1、定义 湍流指一种不规则的空气运动，俗称乱流。研究湍流时，把它作为一种叠加在平均运动之上的脉动变化，由一系列不规则的涡旋运动组成。,湍流运动的定义,2、特征 空气的运动随时间和空间而随机变化。（1）机械湍流 由机械或动力作用生成。如地

5、表非均一性和粗糙程度。（2）热力湍流 由各种热力因子诱生热力作用，也称为对流。如太阳加热地表导致热对流泡向上运动，地表受热不均匀，气层不稳定等。3、尺度 湍流是由大大小小的湍涡组成。最大的湍涡尺度约和边界层厚度相当，100010000km，生命周期为半天到几天；最小的湍涡仅几个mm，生命周期仅百分之几秒。,4、非湍流和湍流情况下气团的扩散 若没有湍流运动，烟团仅仅靠分子扩散使烟团长大，速度非常缓慢。实际大气中存在着剧烈的湍流运动，使烟团与空气之间强烈地混合和交换。湍流扩散比分子扩散的速率快105106倍，极为重要。当风速不太小时，在平均运动方向上仍以风的平流输送作用为主导。,5、不同尺度湍涡对

6、扩散的影响,实际大气中存在着各种尺度的湍涡，三种作用同时存在并相互作用。,本章要点,1、熟悉大气的结构和组成2、掌握风向的十六方位划分法3、掌握风向频率玫瑰图和污染系数玫瑰图的绘制方法及其应用4、掌握风速随高度的变化关系5、掌握湍流的特征及其分类,第三章 大气动力学基本特征,一、大气的状态变量与大气热力学,1、气体状态方程 对于实际大气，也近似视为理想气体，满足理想气体状态方程。式中：n摩尔数；R*气体常数，取8.314 J/(mol.K)。单位质量干空气的状态方程：式中：Rd干空气的气体常数，287 J/(kg.K)。,或,2、大气热力学,（1）大气热流量方程 大气热力学的基础是热力学第一定

7、律：将热力学第一定律运用到大气中得到大气热流量方程：对于单位质量的空气：dq单位质量空气的热量变化，J/kg。cp定压比热，J/(kg.K)。,（2）不饱和湿空气绝热变化方程 绝热过程，dq0，故单位质量空气的热流量方程：定积分后可以得到：式中：T0、T分别为初始和最终状态下空气的温度；P0、P分别为初始和最终状态下空气的压强。此式表示不饱和湿空气块在垂直运动过程中的状态变化，称为Poisson方程（泊松方程）。,（3）干绝热温度垂直递减率 空气温度 表征大气热力状况。单位为摄氏温度（）或绝对温度（K）。T(K)=t()+273 空气温度取决于地面辐射和大气辐射的共同作用。（主要是大气逆辐射对

8、地面的保温作用）低层大气主要从地面长波有效辐射中获取能量，用以加热地面以上50m以下的空间大气。热量的传递方式：太阳加热地面，地面长波辐射加热低层大气，低层大气再以辐射、对流等方式将热量传给更上层次的大气。即：大气自下而上地被逐步加热或冷却。,气温的垂直递减率 气温的垂直递减率是指气温随高度的增加而降低的速率。,对流层实际大气中，为0.65/100m，或记作0.65K/100m。,实际计算中，取,对区域大气层：,对运动小气团：,（局地变化）,（个别变化）,干绝热温度垂直递减率 d 干空气或不饱和湿空气块绝热上升单位高度，温度降低的数值。,应用大气静力学基本方程及准静态条件：,不定积分,对Z求导

9、,一般取 d0.98 K/100m1 K/100m。d表明：气块在作干绝热垂直运动时，每上升100m，温度约降低1度；每下降100m，约升温1度。,二、大气层结与稳定度,1、大气层结 静大气的温度、密度和湿度等随高度的垂直分布，称为大气层结。（1）温度层结 温度随高度的分布情况。直接影响大气在垂直方向的稳定度。（2）温度层结类型 Z，T 正常分布，或递减层结 温度梯度等于或近似于1/100m中性层结 Z，T 逆温层结 温度不随高度变化等温层结,a：正常（递减）层结 1b：中性层结=1c：等温层结=0d：逆温层结0,温度层结曲线,（3）温度层结日变化（晴朗天气下的典型昼夜变化）,2、大气稳定度及

10、其判别,（1）大气稳定度概念 指气层的稳定程度，即大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。在大气中，某一小气块当受到垂直方向的扰动后：若具有返回原来平衡位置的趋势，则称大气是稳定的；若具有进一步远离平衡位置的趋势，则称大气是不稳定的；若气块既不远离也不返回原来的位置，则称之为中性的。注意：稳定度概念是指大气层结而言，并非受扰动的气块。,（2）稳定度的判别 以下对某一运动气块的运动过程进行研究。,（取向上为正方向）,此式表明：干空气块的静力稳定度决定于d与周围大气的之差。讨论：d时，dw/dt与w同号，为不稳定层结；d时，dw/dt与w异号，为稳定层结；d时，dw/dt0，为中性层结。

11、,图例：设有3块未饱和空气A、B、C，都位于200m高度上作升降运动，而其周围空气的垂直递减率分别为A=0.8，B=1.0，C=1.2。,（3）不同 下的烟流形式,扇型（稳定层结）湍流活动弱，扇形烟流内部污染物的浓度很高，其上下两侧，浓度很快降低。多出现于晴朗夜晚。锥型（近中性层结）烟体外形清晰，烟流离开排放口一定距离之后主轴基本上保持水平，而烟云的轮廓如同一个椭圆锥体。多出现于阴天（或多云）、大风天气。波浪型（不稳定层结）湍流活动强烈，烟流曲折呈环链状，烟流各部分的运动速度和方向皆不规则，消散迅速。多出现于中午前后。,T,熏烟型（上层逆温，下层不稳定）空气污染物向上扩散受抑制，全部向下扩散，

12、使地面浓度剧增，造成局地严重污染。多出现于晴夜日出后。屋脊型（下部逆温，上层不稳定）烟流下边缘浓密清晰，上部稀松或有碎块。多出现于日落前后，对高架源排放较为有利。多出现于日落前后。,三、大气动力学与守恒定律,质量连续性方程：其中：空气密度；u、v、w 分别为x、y、z方向上的风速分量。若近似认为大气密度是常数，则简化为不可压缩的连续性方程：此方程常用于研究大气边界层内的物理过程，包括污染物输送扩散问题。,四、粘性流与非粘性流,小尺度范围内，尤其在大气边界层内，由于大气受到地面的影响，垂直范围不大，流动速度较小，所以粘性的作用相对来说较大。因此可认为，小尺度或局地尺度的运动是粘性运动，称为粘性流。边界层以上大气，几乎不受到地面的制约，流速很快，水平运动的范围较大。在这种条件下，大气可看作是没有分子粘性的，称为非粘性流。,本章要点,1、气温的垂直递减率2、干绝热温度垂直递减率 d3、温度层结的类型及其日变化4、大气稳定度的判别5、几种典型的烟流形式,