1、大气湍流与大气扩散 AtmosphericAtmospheric Turbulence and Turbulence and Atmospheric DiffusionAtmospheric Diffusion 范绍佳 Tel:13600045060 2017年秋一、课程概况一、课程概况： 1、课程类别： 大气物理学与大气环境专业（必修课） 、周学时： 3学时 、总学时： 54学时 、学 分： 3学分二、教学目的及要求：二、教学目的及要求： 、了解并掌握大气湍流与大气扩散的基本理论。 、通过资料调研、计算机模拟等，掌握边界层演变及 影响大气扩散的主要因子。 三、教材和主要参考书三、教材和主要参
2、考书 教材：A.K. Blackadar，Turbulence and diffusion in the atmosphere . Springer,1997 主要参考书： S.P Arya, Air pollution meteorology and dispersion, New York,1999 刘式达等著 大气湍流，北京大学出版社，2008 F.帕斯奎尔和F.B.史密斯著，曲绍厚等译， 大气扩散， 科学出版社，1989 四、四、 教学方式教学方式 全英文教材，预习3-9学时，然后讨论3学时。采用专题讨论班的形式上课。同学除熟悉教材外，还需自己查文献，参加讨论：五、考核要求五、考核要求
3、 自选题目，通过专题资料查找、计算机模拟软件的应用等， 学期末每人撰写完成并提交一篇课程论文。教材教材: Turbulence and Diffusion in the Atmosphere: Lectures in Environmental Sciences中译名：大气中的湍流与扩散中译名：大气中的湍流与扩散作者：作者：Alfred K. Blackadar出版者：出版者：Springer，1997 美国宾州大学气象系教授A. K. Blackdar所著的“大气中的湍流与扩散”一书，是一本讲述基本理论的引论式的书，适合于高年级学生阅读。此书就是作者在德国Kiel大学讲课期间为本科高年级及研
4、究生开的课程内容。 该书作为一本引论式的书，不讲理论的应用，而着重阐明大气中湍流、边界层、扩散的基本理论，从湍流本质讲起，从N-S方程一直讲到大气中湍流性质及边界层结构，最后介绍扩散基本理论，自成一个完整体系。事先不需再读其它基础书籍。因此，作为学完基础课进入专业课之前的教材是很恰当的. 本书对理论介绍透彻,并附有习题。但缺点是未讲应用，学生必须另学有关大气湍流扩散的应用课程，使人有理论实践脱节之感。这可能与国外课程设置有关。但作为讲述基本理论的引论书，本书无疑是一本新的适合于高年级本科生阅读的好书。 教材全英文,分10章 出版/发行时间: 2008-06-01 出版社: 北京大学出版社丛书名
5、: 高等院校物理学教材作者: 刘式达 梁福明 刘式适 辛国君ISBN: 9787301112014 版次: 1开本: 32页数: 195 本书是作者多年来从事“大气湍流”研究生教学课程的结晶。 共分十章，叙述简洁，既介绍传统的统计方法，更着重介绍近代对湍流新认识的科学概念和工具，如混沌、分形和标度律、孤波、子波、螺旋度、异常扩散、Euler示性数等，以从不同的角度共同认识物理学中最复杂的湍流现象。 本书强调大气湍流应是内在随机性和有序结构两者的统一；从大气湍流方程组中既可以得到描述内在随机性混沌的方程，也可以得到描述大气三维螺旋结构的方程。 读者应侧重了解对大气湍流认识的最新概念和科学思想。通
6、过阅读本书，可起到对湍流深入研究的引导作用。 本书可作为研究生教学参考书，也可供对湍流有兴趣的读者参考。 延伸阅读延伸阅读-自己查找感兴趣的文献自己查找感兴趣的文献Turbulence and Diffusion in the Atmosphere1 The nature of the turbulence1 The nature of the turbulence ( (湍流基本特征湍流基本特征) )2 The Navier-Stokes equations2 The Navier-Stokes equations ( (纳维纳维斯托克斯方程斯托克斯方程) )3 The neutral su
7、rface boundary layer 3 The neutral surface boundary layer ( (中性表面边界层中性表面边界层) )4 The energy equations of turbulence4 The energy equations of turbulence ( (湍流能量方程湍流能量方程) )5 Diabatic surface boundary layers5 Diabatic surface boundary layers ( (非绝热表面边界层非绝热表面边界层) )6 Homogeneous stationary planetary layer
8、s6 Homogeneous stationary planetary layers ( (均匀定常行星边界层均匀定常行星边界层) )7 Unconstrained boundary layers7 Unconstrained boundary layers ( (非定常边界层非定常边界层) )8 8Statistical representation of turbulence Statistical representation of turbulence ( (湍流的统计描述湍流的统计描述)9 9Statistical representation of turbulence Stati
9、stical representation of turbulence ( (湍流的统计描述湍流的统计描述)1010Turbulent diffusion from discrete sourcesTurbulent diffusion from discrete sources ( (离散源的湍流扩散离散源的湍流扩散) ) 附边界层和扩散模拟软件附边界层和扩散模拟软件 上课时间上课时间周三，周三，9-11节，节， （研读3-9学时， 参与讨论3学时） 自学自学2-3周，再讨论一次周，再讨论一次地点：地点： 珠海校区珠海校区E205 大气边界层 大气边界层ABL, 也称行星边界层PBL或边界层
10、BL。指靠近地面直接受地球表面影响的低层大气。与人类活动、空气污染等的关系最密切。 边界层厚度的时空变化很大，从稳定层结下的几十米到不稳定层结下的12公里高度（Stull，1988）。大气边界层结构 Stull将边界层结构分为：表面层、混合层表面层、混合层、剩余层剩余层和稳定边界层稳定边界层。有云时进一步再分为云层云层和云下层云下层。 表面层表面层位于边界层10%的底部区域，湍流通量和应力的变化小于其自身量值的10%，因此也称为常通量层。 通常把混合层与剩余层、稳定边界层这部分统称为Ekman层层，在这层里，湍流粘性力、气压梯度力和科里奥利力具有相当的数量级。 也有将近地层和混合层统称为大气摩
11、擦层，将大气层最低的几个厘米划分出来，称为微层或界面层、粘性附层，分子输送比湍流输送还重要。大气边界层为湍流运动(a)平均风速；(b)波动；(c)湍流的理想状况。图图 7 理 想 的 表 面 层 羽 图图8强上升热泡和其间弱下降流的理想示意图大气湍流成因机械湍流热力湍流不稳定边界层热力湍流机械湍流 对流边界层对流边界层从下到上可以分为：近地层、混合层、夹卷层。 近地层内平均温度是超绝热递减的，属强不稳定。随高度上升湿度减小，风速加大迅速，垂直方向风切变很大。能够应用相似理论。约占10 混合层湍流强烈混合，充分发展，在垂直方向上性质差别不大。位温和湿度等守恒变量几乎不随高度变化，大部分范围内的风
12、向风速也是均匀的。 夹卷层是混合层顶的静力稳定空气层，这一层有自由大气层空气向下夹卷和向上的上冲热泡。约为混合层厚度的40。中性边界层机械湍流稳定边界层零星湍流机械湍流 稳定边界层 稳定边界层的温度廓线是逆温形式，不再有热力湍流产生，湍流运动的能量都来自于风切变产生。稳定边界层的湍流是分散和不规则的，间歇性比较突出。 稳定边界层的风可能十分复杂。在210m最低层风向主要是由局地地形特征决定的，风速主要是受浮力、摩擦和夹卷控制的。 稳定边界层的湿度变化很难作统一描述，因为有时夜间地面连续蒸发，而在其它位置和时间却凝结形成露和霜，显示出了较强的局地性。局地空气污染（左：晴天中午，右：风速较大时候）
13、局地空气污染（左：晴天晚上，右上：傍晚右下；上午）Effect on plume characteristics Figures illustrate temperature profile, and standard deviation of lateral v and vertical w wind components and their effect on plume shapeWhat can you tell about the atmosphere from this photo?Ground-based inversion below, unstable to neutral
14、aboveWind illustrating strong directional shearOccurs with some frequency 2nd stack appropriately designed!250500Adapted from Seinfeld original photo Turcotte, Beverly Times (MA)Urban Air Pollution Descending warm air blowing from inland create semi-permanent inversion layer trapping polluted air bl
15、own inland by sea breezesSeaBreezeInversion LayerDescending Warm AirMountains (Geologic Barrier)Welcome to Los AngelesUrban Air PollutionWhen cloud cover forms over city in valley, clouds block and absorb sunlight, city below gets cooler, pollution rising up is trappedRelatively Warm Air (Inversion
16、Layer)Valley with Mountains on sides (Geologic Barrier)Welcome to PhoenixRelatively Cool AirDiagram of Air Pollution Sources区域或全球性空气污染概念模型自由大气大气边界层平流层对流层中东部大范围雾霾中东部大范围雾霾 空气严重污染空气严重污染北京12日空气质量为六级严重污染；北京南二环永定门附近，达到了800多微克每立方米。截至18时，北京城区空气质量都已达严重污染级别，市区PM2.5浓度非常高，天坛、前门、东四环、朝阳农展馆、丰台等地PM2.5浓度测值都在750微克立方米
17、左右，已濒临“爆表”。环境空气质量标准，PM2.5年和24小时平均浓度限值分别定为35微克/立方米和75微克/立方米。雾霾与雾霾与“美丽中国美丽中国”随着我国工业化、城镇化的深入推进，能源资源消耗持续增加，我国大气污染形势严峻,大气污染防治压力继续加大。以可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）为特征污染物的区域性大气环境问题日益突出。2013年以来，雾霾席卷大半个中国，威胁着民众的身体健康。2008-2010年我国大多数地区的PM2.5的浓度超过世界卫生组织的参考标准值（10微克/立方米）。华北约40微克/立方米。而纽约、芝加哥和洛杉矶这些大都市的PM2.5的平均浓度为10到20微克
18、/立方米。国务院发布国务院发布大气污染防治行动计划大气污染防治行动计划2013年9月12日国务院发布大气污染防治行动计划（以下简称行动计划），是2013年6月中旬国务院常务会议通过的大气污染防治十条措施的细化版，是继2012年底环保部、发改委和财政部三部委联合发布重点区域大气污染防治“十二五”规划之后政策的再度加码。行动计划被称为“史上最严”大气治理行动计划，国务院将与各省（区、市）人民政府签订大气污染防治目标责任书，将目标任务分解落实到地方人民政府和企业，将重点区域的细颗粒物指标、非重点地区的可吸入颗粒物指标作为经济社会发展的约束性指标，构建以环境质量改善为核心的目标责任考核体系。行动计划明
19、确了大气污染防治的具体目标，即到2017年，全国地级及以上城市可吸入颗粒物浓度比2012年下降10%以上，优良天数逐年提高；京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物浓度分别下降25%、20%、15%左右，其中北京市细颗粒物年均浓度控制在60微克/立方米左右。珠三角区域到2017年后PM2.5浓度必须下降15%，达到46.75微克/立方米。行动计划提出了十个方面的防治措施，其中，“调整优化产业结构”被业内人士认为是“治污之本”。要求严格控制“两高”行业新增产能，新、改、扩建项目要实行产能等量或减量置换；进一步提高环保、能耗、安全、质量等标准，分区域明确落后产能淘汰任务，倒逼产业转型升级。能源结构调整
20、方面，行动计划提出，控制煤炭消费总量，到2017年，煤炭占能源消费总量比重降低到65%以下；加快清洁能源替代利用，加大天然气、煤制天然气、煤层气供应；推进煤炭清洁利用；提高能源使用效率。关于机动车污染控制，行动计划要求北京、上海、广州等特大城市严格限制机动车保有量。同时，国家将加快油品供应，在2017年底前，全国供应符合国家第五阶段标准的车用汽、柴油。环保部门还将与气象部门合作建立重污染天气监测预警体系，要求到2014年，京津冀、长三角、珠三角区域要完成区域、省、市级重污染天气监测预警系统建设，其它省（区、市）、副省级市、省会城市于2015年底前完成。 行动计划也被业内称为解决“雾霾”的杀手锏。国家自然科学基金委员会2015年4月30日科技部国家重点研发计划试点专项2016年度第一批项目 -大气污染成因与控制技术研究”试点专项 科技部国家重点研发计划试点专项2016年度第一批项目 -大气污染成因与控制技术研究”试点专项 课题：珠三角重污染过程大气污染物与低层气象要素垂直结构及其时空演变研究课题号：2016YFC0203305经费：经费： 502.08万元 （中大252.0万）2016年国家自然科学基金重点项目年国家自然科学基金重点项目? 污染气象 ?
