1、污染气象学全册配套最污染气象学全册配套最 完整精品课件完整精品课件1 污染气象学 课程介绍课程介绍 p研究大气环境中由自然因子及人为因研究大气环境中由自然因子及人为因 子支配构成的大气污染系统的基本特子支配构成的大气污染系统的基本特 征和变化规律征和变化规律 p运用气象学方法研究空气污染物自排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，其核放源进入大气层后的散布规律，其核 心是心是大气输送大气输送与与扩散扩散 通过本课程学习，希望能够使学生掌握空通过本课程学习，希望能够使学生掌握空 气污染扩散输送的基本概念、基本理论，为将气污染扩散输送的基本概念、基本理论，为将 来从事天气、
2、气候、空气污染、环境工程、生来从事天气、气候、空气污染、环境工程、生 态环境等研究工作打下基础。态环境等研究工作打下基础。 课程内容课程内容 第一章第一章 概述概述 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 第三章第三章 空气污染散布的基本理论处理空气污染散布的基本理论处理 第四章第四章 理想条件下空气污染物散布的处理理想条件下空气污染物散布的处理 第五章第五章 城市与区域大气扩散城市与区域大气扩散 参考书目参考书目 p蒋维楣等编著，空气污染气象学教程（第二版），气象出蒋维楣等编著，空气污染气象学教程（第二版），气象出 版社，版社，2004 2004 p蒋维楣主编，空气污
3、染气象学蒋维楣主编，空气污染气象学 南京大学出版社，南京大学出版社，20032003 p唐永銮等编著，大气环境学，中山大学出版社，唐永銮等编著，大气环境学，中山大学出版社，19881988 p程胜高程胜高 张聪辰等著，环境影响评价与环境规划，中国环张聪辰等著，环境影响评价与环境规划，中国环 境科学出版社，境科学出版社，1999 1999 pF.Pasquill et al ,Atmospheric diffusion, 3rd F.Pasquill et al ,Atmospheric diffusion, 3rd edition, 1983 edition, 1983 pS.R.Hanna
4、et al, Handbook on Atmospheric S.R.Hanna et al, Handbook on Atmospheric Diffusion,3rd Edition, 1982 Diffusion,3rd Edition, 1982 课程安排课程安排 p平时成绩（平时成绩（3030） 点名、作业（点名、作业（3-53-5次）、提问次）、提问 p考试（闭卷）（考试（闭卷）（7070） 第一章第一章 概述概述 1.1 1.1 空气污染问题空气污染问题 1.2 1.2 空气污染气象学研究空气污染气象学研究 1.1 空气污染问题空气污染问题 1.1.1 1.1.1 空气污染空气污
5、染 p什么是空气污染什么是空气污染 由于人为或者自然的因素，使大由于人为或者自然的因素，使大 气组成的成分、结构和状态发生变化，气组成的成分、结构和状态发生变化， 与原本情况相比，与原本情况相比，增加了有害物质增加了有害物质， 使使环境空气质量恶化环境空气质量恶化，扰乱并破坏了扰乱并破坏了 人类正常的生活环境和生态系统人类正常的生活环境和生态系统 p洁净大气洁净大气 氮、氧、氩、二氮、氧、氩、二 氧化碳、水汽、氧化碳、水汽、 悬浮物、微量气悬浮物、微量气 体成分等。体成分等。 组成成分及比例基本保持不变。组成成分及比例基本保持不变。 p大气环境容量大气环境容量 在自然净化能力之内所允许的污染物
6、在自然净化能力之内所允许的污染物 排放量。把满足一定环境目标的污染排放量。把满足一定环境目标的污染 物排放量定位允许排放总量。物排放量定位允许排放总量。 p 既发展生产，又保护环境既发展生产，又保护环境 1.1.2 1.1.2 空气污染物及其浓度空气污染物及其浓度 p 1.1.2.1 空气污染物（空气污染物（100多种多种） 以各种方式排放进入大气层，并以各种方式排放进入大气层，并 且有可能对人和生物、建筑材料以及且有可能对人和生物、建筑材料以及 整个大气环境构成危害或带来不利影整个大气环境构成危害或带来不利影 响的物质。响的物质。 一次污染物一次污染物: 直接污染空气直接污染空气 主要有二氧
7、化硫、一氧化碳、主要有二氧化硫、一氧化碳、 氮氧化物、氮氧化物、 二二 氧化氮、颗粒物（飘尘、降尘、油烟等）、氨气、氧化氮、颗粒物（飘尘、降尘、油烟等）、氨气、 及含氧、及含氧、 氮、氯、硫有机化合物以及放射性物质氮、氯、硫有机化合物以及放射性物质 等等 二次污染物：二次污染物：经化学反应生成新的污染物经化学反应生成新的污染物 光化学烟雾等（伦敦（光化学烟雾等（伦敦（19521952）、洛杉矶）、洛杉矶） 根据污染物的物理形态和化学成分划分：根据污染物的物理形态和化学成分划分： 颗粒污染物（颗粒污染物（TSPTSP） 碳氧化物（碳氧化物（COCO2 2,CO,CO等）等） 氮氧化物（氮氧化物（
8、NO,NONO,NO2 2等）等） 硫化物（硫化物（SOSO2 2） 卤化物卤化物(HF(HF，CLCL2 2，HCL)HCL) 碳氢化合物（烷烃、烯烃及芳烃）碳氢化合物（烷烃、烯烃及芳烃） 氧化剂（氧化剂（O O3 3等）等） 放射性物质放射性物质 事件回放事件回放 19861986年年4 4月月2626日日当地时间当地时间1 1点点2424分，分，苏联苏联的的乌乌 克兰克兰共和国共和国切尔诺贝利切尔诺贝利（， ChernobylChernobyl）核能发电厂核能发电厂（原本以（原本以列宁列宁的名字来命的名字来命 名）发生严重泄漏及爆炸事故。事故导致名）发生严重泄漏及爆炸事故。事故导致313
9、1人当人当 场死亡，上万人由于场死亡，上万人由于放射性物质放射性物质远期影响而致命远期影响而致命 或重病，至今仍有被或重病，至今仍有被放射线放射线影响而导致畸形胎儿影响而导致畸形胎儿 的出生。这是有史以来最严重的核事故。的出生。这是有史以来最严重的核事故。 外泄的外泄的辐射辐射尘随着大气飘散到前苏联尘随着大气飘散到前苏联 的西部地区、的西部地区、东欧东欧地区、地区、北欧北欧的斯堪地维的斯堪地维 亚半岛。乌克兰、亚半岛。乌克兰、白俄罗斯白俄罗斯、俄罗斯俄罗斯受污受污 染最为严重，由于风向的关系，据估计约染最为严重，由于风向的关系，据估计约 有有60%60%的放射性物质落在白俄罗斯的土地。的放射性
10、物质落在白俄罗斯的土地。 此事故引起大众对于此事故引起大众对于前苏联前苏联的的核电厂核电厂安全安全 性的关注，事故间接导致了苏联的瓦解。性的关注，事故间接导致了苏联的瓦解。 2005 2005年年一份一份国际原子能机构国际原子能机构的报告认为直到的报告认为直到 当时有当时有5656人丧生人丧生4747名名核电站核电站工人及工人及9 9名名儿童儿童患上患上 甲状腺甲状腺癌癌并估计大约并估计大约40004000人最终将会因这次人最终将会因这次 意外所带来的疾病而死亡。意外所带来的疾病而死亡。绿色和平组织绿色和平组织及其他及其他 人都对研究结果作出争论。人都对研究结果作出争论。 苏联瓦解后独立的国家
11、包括俄罗斯、白俄罗苏联瓦解后独立的国家包括俄罗斯、白俄罗 斯及乌克兰等每年仍然投入经费与人力致力于灾斯及乌克兰等每年仍然投入经费与人力致力于灾 难的善后以及居民健康保健。因事故而直接或间难的善后以及居民健康保健。因事故而直接或间 接接死亡死亡的人数难以估算，且事故后的长期影响到的人数难以估算，且事故后的长期影响到 目前为止仍是个未知数。目前为止仍是个未知数。 1.1.2.2 空气污染物浓度空气污染物浓度 p 质量浓度：质量浓度：mg/m3 p 体积浓度：体积浓度：ppm 1ppm表示表示106kg中有中有1kg溶质溶质 p 大气环境质量大气环境质量 环境空气质量标准环境空气质量标准 中华人民共
12、和国大气污染防治法中华人民共和国大气污染防治法 22.4 A XY 1.1.2.3 污染源污染源 p 空气污染源：自然源与人工源（空气污染源：自然源与人工源（P3） p 按照人类活动内容分类按照人类活动内容分类 p 按照污染物排放方式分类按照污染物排放方式分类 p 按照污染物排放位置分类按照污染物排放位置分类 p 按照污染物排放高度分类按照污染物排放高度分类 p 按照污染物放口的形式分类按照污染物放口的形式分类 源分布不同，采用不同的扩散模式源分布不同，采用不同的扩散模式 1.1.3 1.1.3 空气污染物的危害与影响空气污染物的危害与影响 p对人体健康的危害对人体健康的危害 人体受害有三条途
13、径，即吸入污染空气、表面人体受害有三条途径，即吸入污染空气、表面 皮肤接触污染皮肤接触污染 空气和食入含大气污染物的食物，空气和食入含大气污染物的食物， 除可引起呼吸道和肺部疾病外，还可对心血管系除可引起呼吸道和肺部疾病外，还可对心血管系 统、统、 肝等产生危害，严重的可夺去人的生命。肝等产生危害，严重的可夺去人的生命。 p对生物的危害对生物的危害 动物因吸入污染空气或吃含污染物食物而发病动物因吸入污染空气或吃含污染物食物而发病 或死亡，大气污染物可使植物抗病力下降、影响或死亡，大气污染物可使植物抗病力下降、影响 生长发育、叶面产生伤斑或枯萎死亡。生长发育、叶面产生伤斑或枯萎死亡。 p对物品的
14、危害对物品的危害 如对纺织衣物、皮革、金属制品、建筑如对纺织衣物、皮革、金属制品、建筑 材料、文化艺术品等，造成化学性损害和玷材料、文化艺术品等，造成化学性损害和玷 污损害。污损害。 p造成酸性降雨，对农业、林业、淡水养造成酸性降雨，对农业、林业、淡水养 殖业等产生不利影响殖业等产生不利影响 p对全球气候产生影响对全球气候产生影响 大气污染的防治大气污染的防治 减少污染物排放量减少污染物排放量 控制排放和充分利用大气自净能力控制排放和充分利用大气自净能力 厂址选择、烟囱设计、城区与工业区厂址选择、烟囱设计、城区与工业区 规划等要合理规划等要合理 绿化造林，使有更多植物吸收污染物，绿化造林，使有
15、更多植物吸收污染物， 减轻大气污染程度减轻大气污染程度 1.2 影响空气污染物散布的主 要因子 大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大大气边界层是指大气层最底下的一个薄层，大 约约12公里厚度，是大气与下垫面直接发生相公里厚度，是大气与下垫面直接发生相 互作用的层次互作用的层次;是是人类生命和工程活动的主要人类生命和工程活动的主要 场所场所;是是地表与大气之间物质和能量交换的通地表与大气之间物质和能量交换的通 道道;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 10 km 12 km 对流层对流层 平流层平流层 边界层边界层 1.2.1 大气边界层大气边界层： p大气边界
16、层位于对流层顶部，由于直接与地面相大气边界层位于对流层顶部，由于直接与地面相 贴而受到分子粘性，湍流摩擦，辐射增热，水汽贴而受到分子粘性，湍流摩擦，辐射增热，水汽 交换，物质扩散各种交换作用和地形的影响，致交换，物质扩散各种交换作用和地形的影响，致 使湍流应力成为一个重要的因子而不可忽略，与使湍流应力成为一个重要的因子而不可忽略，与 之相联系形成大气边界层。也就是说，地面是大之相联系形成大气边界层。也就是说，地面是大 气的一个边界层，这个边界上的输送过程支配和气的一个边界层，这个边界上的输送过程支配和 影响了大气最底层影响了大气最底层1000-20001000-2000米，它响应地面的作米，它
17、响应地面的作 用而且时间尺度为一个小时甚至更短。用而且时间尺度为一个小时甚至更短。 整个大气的基本能源是太阳辐射，而太阳辐射的大部整个大气的基本能源是太阳辐射，而太阳辐射的大部 分是穿过大气后再被地面吸收，然后通过边界层湍流分是穿过大气后再被地面吸收，然后通过边界层湍流 输送给大气输送给大气 气团实际上就是全球不同地区与下垫面平衡的边界层气团实际上就是全球不同地区与下垫面平衡的边界层 霜、露和温度预报，实际上都是边界层预报霜、露和温度预报，实际上都是边界层预报、 雾发生在边界层中雾发生在边界层中 污染物大部分被阻挡在边界层中污染物大部分被阻挡在边界层中 动量、热量、动量、热量、 水分、物质交换
18、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 作物在边界层中生长，花粉在边界层中输送和扩散作物在边界层中生长，花粉在边界层中输送和扩散 到达自由大气的全部水汽，都是依靠边界层输送上去的到达自由大气的全部水汽，都是依靠边界层输送上去的 云中的凝结核也是通过边界层输送上去的云中的凝结核也是通过边界层输送上去的 雷暴和飓风的发展要依靠边界层输送湿的空气雷暴和飓风的发展要依靠边界层输送湿的空气 大约大约50的大气动能被耗散在边界层中的大气动能被耗散在边界层
19、中 海上大气边界层风切变是海洋的主要能源之一海上大气边界层风切变是海洋的主要能源之一 . 城城 市市 边边 界界 层层 示示 意意 图图 生生 态态 边边 界界 层层 示示 意意 图图 总之，大气边界层作为一个自由大气和地表总之，大气边界层作为一个自由大气和地表 之间的缓冲地带，是由湍流能源和能汇控制的区之间的缓冲地带，是由湍流能源和能汇控制的区 域。边界层一方面要对大尺度气压场域。边界层一方面要对大尺度气压场( (天气形势天气形势) ) 作出响应，另一方面又要对下垫面的物理状况作作出响应，另一方面又要对下垫面的物理状况作 出响应。因此，发生在边界层内的运动是非常复出响应。因此，发生在边界层内
20、的运动是非常复 杂的。目前，人们已经对大气边界层的基本特征杂的。目前，人们已经对大气边界层的基本特征 有了一定的了解，但是还有很多问题有待于更精有了一定的了解，但是还有很多问题有待于更精 确更全面的实验研究和更深入的理论探讨。确更全面的实验研究和更深入的理论探讨。 大气边界层主要特征 p大气边界层的主要运动形态一般是湍流，大气湍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；流运动的尺度非常广； p大气边界层的另一个重要特征就是由于热力作用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而导致的强烈的日变化 p由于地面摩擦的存在，大气运动是非地转的；由于地面摩擦
21、的存在，大气运动是非地转的； p大气是非均匀介质，大气密度随时间和空间变化，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；特别是铅直方向上大气密度不均一； p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 边界层结构日变化 p白天：白天： p近地面层、混合层、夹卷层；近地面层、混合层、夹卷层； p夜间：夜间： p近地面层、稳定边界层、残留层近地面层、稳定边界层、残留层 表面 表面表面 中午日落午夜中午日出 稳定(夜间)边界 层 卷 挟 带 残余 卷挟 云层 自由大气 盖顶逆温 大涡对流 混合层 混合 图 8.2.1 陆上高压区大气边
22、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) 2000 1000 0 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) 盖帽逆温盖帽逆温 上部稳定层结中上部稳定层结中
23、 的波动及下部大的波动及下部大 对流湍涡对流湍涡 湍流层较浅湍流层较浅 层内存在显著平层内存在显著平 均梯度均梯度,风速极值风速极值 分布分布 湍涡尺度小湍涡尺度小,伴随伴随 叠加重力波叠加重力波 常用的特征尺度变量常用的特征尺度变量 长度尺度：长度尺度： z z：高度；：高度； z zi i：混合层厚度；：混合层厚度； z z0 0：地表粗糙长度；：地表粗糙长度； L L：ObukhovObukhov尺度尺度； 速度尺度：速度尺度： u u* *：摩擦速度；：摩擦速度； w w* *：对流速度尺度；：对流速度尺度； G G：地转风速；：地转风速； U U：地面风速；：地面风速； 温度尺度：温
24、度尺度： * *：温度特征尺度；：温度特征尺度； 湿度尺度：湿度尺度： q q* *：湿度特征尺度；：湿度特征尺度； 时间尺度：时间尺度： f f：无量纲频率；：无量纲频率； 参见参见STULLSTULL，P382P382 ( (一一) )平均变量梯度（风、温、湿）平均变量梯度（风、温、湿） 近地层大气中，风速、温度、湿度等气象要近地层大气中，风速、温度、湿度等气象要 素随高度迅速变化，其变化特征与大气稳定度有素随高度迅速变化，其变化特征与大气稳定度有 关。关。 一一 中性层结中性层结 p相似理论的一个重要应用就是近地层的平均风廓线相似理论的一个重要应用就是近地层的平均风廓线 p由于近地层风速
25、廓线容易在地面观测，所以人们对它已进行由于近地层风速廓线容易在地面观测，所以人们对它已进行 了广泛研究了广泛研究 p通常近地层风速随高度大致通常近地层风速随高度大致 上呈对数变化，靠近地面，上呈对数变化，靠近地面， 摩擦曳力使风速变为零摩擦曳力使风速变为零 当在半对数图纸上作图时，诸如在静力中性条件当在半对数图纸上作图时，诸如在静力中性条件 下风速廓线对数关系就表现为一条直线下风速廓线对数关系就表现为一条直线 p空气动力粗糙度长度空气动力粗糙度长度 定义为风速为零的高度定义为风速为零的高度 p尽管空气动力粗糙度长度并不等于地面上各个粗糙元的高尽管空气动力粗糙度长度并不等于地面上各个粗糙元的高
26、度，但是这些粗糙元和空气动力粗糙度长度之间却存在一度，但是这些粗糙元和空气动力粗糙度长度之间却存在一 一对应的关系一对应的关系 p换句话说，对特定的地表而言，空气动力粗糙度长度一旦换句话说，对特定的地表而言，空气动力粗糙度长度一旦 被确定，它就不会再随风速，稳定度或应力而发生变化被确定，它就不会再随风速，稳定度或应力而发生变化 p如果地面粗糙原因诸如植被的高度和范围，围墙兴建，房如果地面粗糙原因诸如植被的高度和范围，围墙兴建，房 屋建造，森林砍伐等等而发生变化的话，那么空气动力粗屋建造，森林砍伐等等而发生变化的话，那么空气动力粗 糙度也会随之发生变化糙度也会随之发生变化 0 z 空气动力粗糙度
27、空气动力粗糙度Z0Z0（重要）（重要） 不同地表粗不同地表粗 糙度取值糙度取值 p在陆地上，如果各个粗糙元被组合得非常紧密，在陆地上，如果各个粗糙元被组合得非常紧密， 那么这些粗糙元顶部的作用就好是一个位移了的那么这些粗糙元顶部的作用就好是一个位移了的 地面地面 p例如在一些林冠中，树木密集，从空中俯视，树例如在一些林冠中，树木密集，从空中俯视，树 木密实得就像个固体木密实得就像个固体 p在有些城市中，房屋极其密集，也有类似的效应，在有些城市中，房屋极其密集，也有类似的效应， 也就是说，平均屋顶的水平面对气流起的作用就也就是说，平均屋顶的水平面对气流起的作用就 像一个位移了的地面一样像一个位移
28、了的地面一样 零平面位移距离零平面位移距离d d （重要）（重要） 零平面位移距离零平面位移距离 p气流越过林冠层时风速为高度的函数，稠密林冠层的作用就像在实际气流越过林冠层时风速为高度的函数，稠密林冠层的作用就像在实际 地面以上位移了某一距离的地面那样。地面以上位移了某一距离的地面那样。 p林冠顶部以上，风速廓线随高度是对数增大林冠顶部以上，风速廓线随高度是对数增大 p对静力中性条件来说，我们能确定位移距离对静力中性条件来说，我们能确定位移距离d d和粗糙度长度和粗糙度长度 ，所以：，所以： p我们已规定在我们已规定在 时时 p已知在静力中性条件下三个或三个以上高度上的风速观测结果，利用已知
29、在静力中性条件下三个或三个以上高度上的风速观测结果，利用 计算机处理的诸如马夸特算法或高斯计算机处理的诸如马夸特算法或高斯- -牛顿一类的非线性回归算法，很牛顿一类的非线性回归算法，很 容易求出容易求出 三个参数，参见书三个参数，参见书P144P144 0 z * 0 ln zdu U kz 0 zdz 0U *0 ,uzd 参考参考 近地层相似性应用近地层相似性应用-地表粗糙长度和零值位移的计算地表粗糙长度和零值位移的计算 *0 1 ln uz uz *0 1 ln m uz uz 中性层结近地层风廓线中性层结近地层风廓线： 近地层风廓线积分形式近地层风廓线积分形式 均匀下垫表面类型的粗糙度
30、z0值（引自Wieringa，1993） 下垫表面类型粗糙度长度(米)引用文献数 海面、散砂、雪面0.000217 三合土、平坦沙漠、潮汐表面0.0002-0.00055 平坦雪地0.0001-0.00074 粗糙冰面0.001-0.0124 未开垦土地0.001-0.0042 低矮草地、沼泽0.008-0.034 高杆草地、西南属植物0.02-0.065 低矮成熟农作物0.04-0.094 高杆成熟作物(谷物)0.12-0.184 连续灌木0.35-0.452 成熟松林0.8-1.65 热带森林1.7-2.32 密集低矮建筑物(市郊)0.4-0.73 规则建筑物的城镇0.7-1.54 1.2
31、.2 风和湍流风和湍流 p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 p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 达芬奇达芬奇 ： 用画笔描述湍流用画笔描述湍流 （1717世纪）世纪） “乌云被狂风卷散撕裂，沙粒从乌云被狂风卷散撕裂，沙粒从 海滩上扬起，树木弯下了腰海滩上扬起，树木弯下了腰” 乌云的运动是随机的，不规则的，湍流涡旋的尺度在不断乌云的运动是随机的，不规则的，湍流涡旋的尺度在不断 地降级，海滩上沙粒被夹带着运动，树木受到地面附近强大的地降级，海滩上沙粒被夹带着运动，树木受到地面附近强大的 湍流剪切而弯折。湍流剪切而弯折。 湍流现象 自然界中
32、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 层层 流流：平顺、光滑、清晰，没有掺混现象平顺、光滑、清晰，没有掺混现象 湍湍 流流（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 近地层层流向湍流的转变近地层层流向湍流的转变 (Oke, 1987) 按照能量学的观点，大气湍流按照能量学的观点，大气湍流 的存在和维持有三大类型：的存在和维持有三大类型： p风切变产生的湍流风切变产生的湍流 地表摩擦作用地表摩擦作用 p对流湍流对流湍流 地表加热或冷却作用地表加热或冷却作用 p波产生湍流波产生湍流 密度界面上的开尔文亥姆霍兹波密
33、度界面上的开尔文亥姆霍兹波 - - 湍流使飞行器阻力急剧增加湍流使飞行器阻力急剧增加 - - 晴空湍流使飞机失事晴空湍流使飞机失事 - - 血液湍流导致心脏杂音血液湍流导致心脏杂音 - - 消防湍流不利于灭火消防湍流不利于灭火 - - 杯中湍流有利于糖的溶解杯中湍流有利于糖的溶解 - - 化工湍流有利于化学反应化工湍流有利于化学反应 - - 有利于污染扩散有利于污染扩散 - - 云中湍流有利于云滴增长云中湍流有利于云滴增长 湍流与我们的生活密切相关湍流与我们的生活密切相关 湍流至今没有严格的科学定义。但目前已知湍流至今没有严格的科学定义。但目前已知 它有如下它有如下 11 11 个主要特点：个
34、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、混沌特性、混沌特性 湍流理论四湍流理论四个基本个基本概念概念：随机性、涡粘性、级串、标度律随机性、涡粘性、级串、标度律 Big whorls have little whorls, Which feed on their velocity; And little whorls
35、 have lesser whorls, And so on to viscosity 大涡用动能哺育小涡，大涡用动能哺育小涡， 小涡照此把儿女养活。小涡照此把儿女养活。 能量沿代代旋涡传递，能量沿代代旋涡传递， 但终于耗散在粘滞里。但终于耗散在粘滞里。 L. F. 理查森：理查森： 湍流级串湍流级串： 大涡旋套小涡旋，大涡旋套小涡旋， 速度有增；速度有增； 小涡旋套微涡旋，小涡旋套微涡旋， 粘滞乃生。粘滞乃生。 流的平均部分和湍流部分流的平均部分和湍流部分 p将大尺度变化与湍流分开的方法将大尺度变化与湍流分开的方法: : 将风速实测资料在将风速实测资料在3030 分钟到分钟到1 1小时的时间
36、内取平均，消除湍流相对于平均值小时的时间内取平均，消除湍流相对于平均值 的正的或负的偏离的正的或负的偏离 UUu 瞬时风速瞬时风速平均风速平均风速湍流部分湍流部分 谱隙的存在，使我们能用此种方法将流场进行分离谱隙的存在，使我们能用此种方法将流场进行分离 实际瞬时风速实际瞬时风速 湍湍 流流 部部 分分 平均风速平均风速 风速记录的局部放大。风速记录的局部放大。u u 表示阵风或实际瞬时风表示阵风或实际瞬时风 速速U U相对于平均风速相对于平均风速 的偏离的偏离 U 大气边界层内的流动形式大气边界层内的流动形式 流动形式有三种：流动形式有三种：平均场、湍流场、波动场。平均场、湍流场、波动场。 实
37、际上，后两者是叠加在平均场上的。实际上，后两者是叠加在平均场上的。 平均风：明显的日变化平均风：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：水平风为米的量级一般量级：水平风为米的量级 垂直风为毫米垂直风为毫米- -米的量级米的量级 波动：有规则和一定的周期变化，形式多样，常见：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：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。湍流对大气边界层的发展和演变有关
38、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。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 分子扩散分子扩散湍流扩散湍流扩散 实际情况中，实际情况中， 三种作用都三种作用都 存在，并相存在，并相 互作用。互作用。 Slade，1968 湍流运动仍然是一种宏观的流体运动，每湍流运动仍然是一种宏观的流体运动，每 个立体单元包含有大量的流体分子，其运动特个立体单元包含有大量的流体分子，其运动特 征是分子运动在宏观尺度上的平均结果。因此征是分子运动在宏观尺度上的平均结果。因此 一般假设湍流运动满足一般假设湍流运动满足 N-S 方程。但由于这是方程。但由于这是 一个缺乏
39、严格证明的假设，也有不少学者对此一个缺乏严格证明的假设，也有不少学者对此 提出过怀疑。提出了不少提出过怀疑。提出了不少非非 N-S 方程方程出发的研出发的研 究途径和理论。究途径和理论。 观测资料序列观测资料序列 经典湍流统计理论认为湍流脉动是一种完全不规则的无经典湍流统计理论认为湍流脉动是一种完全不规则的无 内部结构的运动。近内部结构的运动。近3030年来，人们从实验中发现事实并非如年来，人们从实验中发现事实并非如 此。剪切湍流中发现有此。剪切湍流中发现有拟序结构拟序结构（coherent structure）存在）存在 （孤立子、相干涡、条状结构、斜坡结构等），这是近代湍（孤立子、相干涡、
40、条状结构、斜坡结构等），这是近代湍 流研究的重大发现。它表明湍流并非完全不规则的运动，而流研究的重大发现。它表明湍流并非完全不规则的运动，而 在表面上看来不规则的运动中具有可检测的有序运动。在表面上看来不规则的运动中具有可检测的有序运动。 间歇性间歇性 ( intermittency) 的发现也是近代湍流研究的重的发现也是近代湍流研究的重 大发现之一，有内间歇和外间歇大发现之一，有内间歇和外间歇之分。前者系指充分发展的之分。前者系指充分发展的 湍流中某些物理量（特别是高阶统计量）并不是在空间（或湍流中某些物理量（特别是高阶统计量）并不是在空间（或 时间）上每一点都存在的，即有奇异性；后者指湍流
41、区与非时间）上每一点都存在的，即有奇异性；后者指湍流区与非 湍流区边界的时空不确定性，例如蓝天与白云之间的分界面，湍流区边界的时空不确定性，例如蓝天与白云之间的分界面， 湍流边界层与外层之间的界面。湍流边界层与外层之间的界面。 雷诺方程雷诺方程 “不封闭问题不封闭问题”（无进展）（无进展） 湍流是如何发生的？（有进展）湍流是如何发生的？（有进展） 实验测得的许多湍流特性如何解释？（有进展）实验测得的许多湍流特性如何解释？（有进展） 湍流是流体力学乃至整个自然科学中最困难的湍流是流体力学乃至整个自然科学中最困难的 基本问题之一，湍流研究具有巨大的实用价值，基本问题之一，湍流研究具有巨大的实用价值
42、，是是 二百多年来自然科学最富挑战性的研究课题，二百多年来自然科学最富挑战性的研究课题，吸引吸引 了世界上很多优秀的科学工作者：了世界上很多优秀的科学工作者： 雷诺、鲍辛尼斯克、普朗特、泰勒、冯卡门、雷诺、鲍辛尼斯克、普朗特、泰勒、冯卡门、 海森堡、周培源、海森堡、周培源、 科尔莫歌诺夫、朗道、李政道、科尔莫歌诺夫、朗道、李政道、 钱德拉什卡，茹勒钱德拉什卡，茹勒-塔肯斯塔肯斯 . 地气之间动物质和能量交换过程的核心问地气之间动物质和能量交换过程的核心问 题就是湍流问题，绝大多数发生在题就是湍流问题，绝大多数发生在大气大气边界层边界层 中的物理过程都是通过湍流来实现的。大气边中的物理过程都是通
43、过湍流来实现的。大气边 界层几乎总是处于湍流状态，层流是极为少见界层几乎总是处于湍流状态，层流是极为少见 的。云中空气的运动也几乎都是湍流。的。云中空气的运动也几乎都是湍流。 湍流也是大气科学最为重要的基本问题之一。湍流也是大气科学最为重要的基本问题之一。 三三 研究方法研究方法 p理论研究理论研究 p观测实验观测实验 p物理模拟物理模拟 p数值模拟数值模拟 p 大气边界层的研究方法通常是采用大气边界层的研究方法通常是采用理论和实验相理论和实验相 结合，并以实验为主结合，并以实验为主，理论上有以混合长理论和相似，理论上有以混合长理论和相似 理论（量纲分析）为基础的理论（量纲分析）为基础的半经验
44、理论半经验理论及以概率论数及以概率论数 理统计为基础的理统计为基础的湍流统计理论湍流统计理论。 p 在应用中又以半经验理论为主。实验方法则是以在应用中又以半经验理论为主。实验方法则是以 野外观测及室内模型实验同时进行。野外观测及室内模型实验同时进行。 p 近几十年来，由于计算机速度的不断提高，大气近几十年来，由于计算机速度的不断提高，大气 边界层的边界层的数值模拟研究方法数值模拟研究方法成为一种常用的研究手段。成为一种常用的研究手段。 中国具有世界上最稠密的常规气象观测站网中国具有世界上最稠密的常规气象观测站网 青藏高原青藏高原 各种条件下的大气边界层专项观测实验各种条件下的大气边界层专项观测
45、实验 南沙南沙 北极北极淮河淮河 内 蒙 高精度梯度测量系统高精度梯度测量系统近地面综合梯度观测近地面综合梯度观测 热量通量观测热量通量观测 辐射观测辐射观测 青藏高原：在珠峰进行边界层气象和化学物质测量青藏高原：在珠峰进行边界层气象和化学物质测量 北极：斯瓦尔巴德地区开展边界层观测试验北极：斯瓦尔巴德地区开展边界层观测试验 中国科学院北京325米气象塔 风风 洞洞 遥感仪器及技术指标遥感仪器及技术指标 风温廓线仪风温廓线仪 （LAP-3000LAP-3000） 美国美国RadianRadian公司公司 最高探测高度最高探测高度 最低探测高度最低探测高度 垂直空间分辨率垂直空间分辨率 测量范围
46、测量范围 精精 度度 测量平均时间测量平均时间 风：风：200020005000m5000m 温：温：100010002000m2000m 100m100m 60m 60m 风速：风速：0 040m/s40m/s 温度：温度：-30-305050 风向：风向：1010 风速：风速：1m/s1m/s 温度：温度：11 风向：风向：1010 3 360min60min 遥感仪器技术指标遥感仪器技术指标 相控阵声雷达相控阵声雷达 （PA2PA2） 法国法国RemtechRemtech公司公司 最高探测高度最高探测高度 最低探测高度最低探测高度 垂直空间分辨率垂直空间分辨率 测量范围测量范围 精精 度
47、度 测量平均时间测量平均时间 1000m1000m 60m60m 2020200m200m 水平风分量：水平风分量： 0 030m/s30m/s 垂 直 风 分 量 ：垂 直 风 分 量 ： 15m/s15m/s 水平风：水平风：0.2m/s0.2m/s 垂直风：垂直风：5cm/s5cm/s 2 260min60min 遥感仪器及技术指标遥感仪器及技术指标 无线电声雷达无线电声雷达 (RASS)(RASS) 意大利意大利IroneIrone公司公司 最高探测高度最高探测高度 最低探测高度最低探测高度 垂直空间分辨率垂直空间分辨率 测量范围测量范围 精精 度度 测量平均时间测量平均时间 1000
48、m1000m 100m100m 10m10m -30-304040 0.10.1 3 330min30min 法国法国 REMTECH 公司最先进的低公司最先进的低 层大气风速、温层大气风速、温 度廓线测量仪度廓线测量仪 汽艇 可移动小塔 湿度脉动仪 超声风速仪 湍湍 流流 通通 量量 仪仪 (FLUXMETER,REMTECH公司) 可全天候长期稳可全天候长期稳 定的测量定的测量 : 等高阶湍流统计量等高阶湍流统计量 水水 槽槽 试试 验验 危险天气条件下的边界层结构（北京）危险天气条件下的边界层结构（北京） 高高 度度 时时 间间 最大风速：最大风速：33.8m/s33.8m/s 遥感探测
49、青藏高原边界层结构遥感探测青藏高原边界层结构 北极地区的边界层结构北极地区的边界层结构 23成流冰成流冰 开阔海域开阔海域 34成冰成冰 浮冰海域浮冰海域 67成冰成冰 浮冰海域浮冰海域 当年冰当年冰 大浮冰大浮冰 多年冰多年冰 大浮冰大浮冰 中性边中性边 界层界层 卫星遥感观测结果卫星遥感观测结果 20002000年年7 7月月3030日日5 5时时3636分北京城近郊区热岛状况遥感监测图分北京城近郊区热岛状况遥感监测图 20002000年年7 7月月3131日日5 5时时3232分北京城近郊区热岛状况遥感监测图分北京城近郊区热岛状况遥感监测图 第六届大气边界层战略研讨会第六届大气边界层战略
50、研讨会 p2008.8.202008.8.27 新疆乌鲁木齐，新疆乌鲁木齐， 沙漠气象研究所主办沙漠气象研究所主办 p中国科学院，气科院，北京大学，南京大中国科学院，气科院，北京大学，南京大 学，兰州大学，南信大学，兰州大学，南信大 1.2.3 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 z L 湍流稳定度参数理查孙数 ( ) f g w R uv u wv w zz 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。 梯度理查孙数梯
