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城市空氣污染氣象學(xué)
第四章大氣運動2華東師范大學(xué)資環(huán)學(xué)院樂群2013-11-282
作用于空氣的力空氣的運動是在力的作用下產(chǎn)生的。作用于空氣的力除重力之外,尚有由于氣壓分布不均而產(chǎn)生的氣壓梯度力,由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)偏向力,由于空氣層之間、空氣與地面之間存在相對運動而產(chǎn)生的摩擦力,由于空氣作曲線運動時產(chǎn)生的慣性離心力。這些力在水平分量之間的不同組合,構(gòu)成了不同形式的大氣水平運動。2013-11-283(一)氣壓梯度力在氣象上討論空氣水平運動時,通常取單位質(zhì)量的空氣作為討論對象,并把在氣壓梯度存在時,單位質(zhì)量空氣所受的力稱為氣壓梯度力,通常表示為:G—
水平氣壓梯度力;ρ—空氣密度;Δp—兩條等壓線之間的氣壓差;Δn—兩條等壓線之間的垂直距離;Δp/Δn—為水平氣壓梯度;“-”負(fù)號表示方向由高壓指向低壓。2013-11-284在地球北極:地平面繞垂直軸的角速度等于地球自轉(zhuǎn)角速度,方向為逆時針,所以:A=V;在北半球:地平面垂直軸與地球自轉(zhuǎn)軸有交角,圖中:為繞地軸轉(zhuǎn)動的角速度;1為在地平面垂直軸方向的分量,應(yīng)等于sin;為北半球任一點和地心連線與赤道形成的夾角。所以:A=2V1=2Vsin,方向為V的右側(cè);在赤道:地表面垂直軸與地球自轉(zhuǎn)軸正交,=0,所以:偏向力A=0;(赤道上地平面不隨地球自轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn))在南半球:地平面繞地軸順時針轉(zhuǎn)動,所以:A=2Vsin,但方向為V左側(cè)。(二)地轉(zhuǎn)偏向力2013-11-285(三)慣性離心力
是物體在作曲線運動時所產(chǎn)生的,由運動軌跡的曲率中心沿曲率半徑向外作用在物體上的力。由于它是為保持沿慣性方向運動而產(chǎn)生的,所以叫慣性離心力。其同運動方向相垂直,自曲率中心指向外緣。單位質(zhì)量慣性離心力大小為:因為物體轉(zhuǎn)動的線速度,代入上式,得慣性離心力和地轉(zhuǎn)偏向力一樣是假想力,只改變物體運動的方向,不改變運動的速度。2013-11-286(四)摩擦力
大氣運動中所受到的摩擦力一般分為內(nèi)摩擦力和外摩擦力。
1.內(nèi)摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接觸的兩個空氣層之間產(chǎn)生的一種相互牽制的力。它主要通過分子不規(guī)則運動,層與層動量交換,使快的氣層減慢、慢的氣層加快,最終趨于一致,相當(dāng)于摩擦阻力(也稱分子粘性力或湍流摩擦力)。實驗可知,流速不同界面上,其大小與流體速度梯度成正比,方向與界面相切。(也有稱切應(yīng)力)
2.外摩擦力是空氣貼近下墊面運動時,下墊面對空氣運動的阻力。它的方向與空氣運動方向相反,大小與空氣運動的速度和摩擦系數(shù)成正比,其公式為R=-kV2013-11-287上述四個力都是在水平方向上作用于空氣的力。1.氣壓梯度力是使空氣產(chǎn)生運動的直接動力,是最基本的力。2.地轉(zhuǎn)偏向力對高緯地區(qū)或大尺度的空氣運動影響較大。3.慣性離心力是在空氣作曲線運動時起作用。4.摩擦力在摩擦層中起作用。地轉(zhuǎn)偏向力、慣性離心力和摩擦力是在空氣開始運動后產(chǎn)生和起作用的,雖然不能使空氣由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài),但卻能影響運動的方向和速度。氣壓梯度力和重力既可改變空氣運動狀態(tài),又可使空氣由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)。2013-11-288(五)大氣運動基本方程u、v、w分別為V在X、Y、Z三個方向上的分量氣壓梯度力地轉(zhuǎn)偏向力重力摩擦力2013-11-289方程也可寫成:2013-11-2810
空氣作大規(guī)模水平運動時,大氣近似于靜力平衡,垂直運動項可以略去;在自由大氣中R也可略去,這是被廣泛應(yīng)用的運動方程式。
2013-11-2811
自由大氣中的空氣水平運動(一)地轉(zhuǎn)風(fēng)(二)梯度風(fēng)(三)自由大氣中風(fēng)隨高度的變化——熱成風(fēng)2013-11-2812地轉(zhuǎn)風(fēng)指氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力相平衡時,空氣作等速、直線的水平運動2013-11-2813地轉(zhuǎn)風(fēng)方向與水平氣壓梯度力的方向垂直,即平行于等壓線。因而,若背風(fēng)而立,在北半球高壓在右,低壓在左。南半球則相反。此稱白貝羅風(fēng)壓律。GeostrophicBalancePressureGradientForce2013-11-2814上表說明:地轉(zhuǎn)風(fēng)速隨緯度增高而減小。地轉(zhuǎn)風(fēng)的大小與氣壓梯度力成正比,與空氣密度和緯度的正弦成反比。即等壓線越密集,風(fēng)速越大;緯度越低,風(fēng)速越大。但實際觀測到的地轉(zhuǎn)風(fēng)速卻是高緯度地區(qū)大于低緯度地區(qū),這是由于高緯度的氣壓梯度值遠大于低緯度的緣故。2013-11-2815
是等高面上的地轉(zhuǎn)風(fēng)公式,由于ρ隨高度有很大變化,因而在比較某地不同高度上的地轉(zhuǎn)風(fēng)時,不僅要比較上、下層氣壓梯度的大小,同時還要知道ρ值隨高度的變化,這給實際工作帶來極大不便。如果應(yīng)用等壓面圖來代替等高面圖,問題就容易解決。2013-11-2816
在等壓面圖上水平氣壓梯度力上式中:地轉(zhuǎn)風(fēng)直接與等壓面上的位勢梯度成正比,與緯度的正弦成反比。對于一地來說,緯度相同,只要比較各層等壓面圖上的等高線疏密程度,就可確定各層風(fēng)速的大小。2013-11-2817梯度風(fēng)當(dāng)空氣質(zhì)點作曲線運動時,除受氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力作用外,還受慣性離心力的作用,當(dāng)這三個力達到平衡時的風(fēng),稱為梯度風(fēng)。2013-11-2818在低壓內(nèi)氣壓梯度力G指向中心,地轉(zhuǎn)偏向力A和慣性離心力C指向外,達于平衡狀態(tài)時出現(xiàn)的梯度風(fēng)由于當(dāng)氣壓梯度等于0時,梯度風(fēng)亦為0,所以上式正負(fù)號只能取正號。在北半球:低壓系統(tǒng)中的梯度風(fēng)總是沿著等壓線逆時針方向吹,南半球相反。2013-11-2819高壓內(nèi)氣壓梯度力G和慣性離心力C指向外,而地轉(zhuǎn)偏向力A指向內(nèi),三個力達于平衡時出現(xiàn)的梯度風(fēng)由于當(dāng)氣壓梯度等于0時,梯度風(fēng)亦為0,所以上式正負(fù)號只能取負(fù)號。在北半球:高壓系統(tǒng)中的梯度風(fēng)總是沿著等壓線順時針方向吹,南半球相反。2013-11-2820
在一定緯度帶,當(dāng)相等時,低壓梯度風(fēng)風(fēng)速小于地轉(zhuǎn)風(fēng)速,高壓梯度風(fēng)風(fēng)速大于地轉(zhuǎn)風(fēng)速。即VGAA=G+CA=G-CA=G2013-11-2821另外,在低緯度地區(qū)或小尺度低壓中,如果氣壓梯度力和慣性離心力都很大,而地轉(zhuǎn)偏向力很小時,則可能出現(xiàn)旋衡風(fēng),即被視為時的空氣運動。其運動方程為由于這種風(fēng)不再考慮的影響,因而其風(fēng)向既可按順時針方向吹,又可按逆時針方向吹。龍卷風(fēng)具有旋衡風(fēng)的性質(zhì)。旋衡風(fēng)2013-11-2822
自由大氣中風(fēng)隨高度的變化探空資料表明,不同高度上的風(fēng)向、風(fēng)速是不一致的,風(fēng)速隨高度有著明顯的變化。自由大氣中:風(fēng)隨高度的變化氣壓場隨高度的變化;氣壓隨高度變化大氣柱中的平均溫度。2013-11-2823熱成風(fēng)暖氣柱中單位氣壓高度差大;冷氣柱中單位氣壓高度差小。因此,假若等壓面在低層是水平的,而由于氣柱中平均溫度在水平方向上有差別,到高層以后,等壓面就會出現(xiàn)傾斜,暖區(qū)一側(cè)等壓面抬起,冷區(qū)一側(cè)等壓面降低。等壓面傾斜的結(jié)果使高層水平面上的氣壓值不相等,出現(xiàn)了由暖區(qū)指向冷區(qū)的氣壓梯度力,從而產(chǎn)生了平行于等溫線的風(fēng)。由于水平溫度梯度的存在而產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)風(fēng)在鉛直方向上的速度矢量差,稱為熱成風(fēng)。水平溫度差異引起高空水平氣壓差異等壓面出現(xiàn)傾斜,暖區(qū)一側(cè)等壓面抬起,冷區(qū)一側(cè)等壓面降低隨著高度的增加,氣壓梯度力也在增加地轉(zhuǎn)風(fēng)也隨高度增加2013-11-28242013-11-2825氣層中平均溫度梯度愈大,高層出現(xiàn)的風(fēng)也愈大,這種由于水平溫度梯度的存在而產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)風(fēng)在鉛直方向上的速度矢量差,稱為熱成風(fēng)。熱成風(fēng):和分別是高層與低層的地轉(zhuǎn)風(fēng)。如果低層等壓面是水平的,則。
2013-11-2826熱成風(fēng)風(fēng)速的表達式為Tm為氣層平均溫度,f為地轉(zhuǎn)參數(shù),g為重力加速度,Z1、Z2為下、上層的高度。熱成風(fēng)的大小與氣層內(nèi)平均溫度梯度以及氣層的厚度成正比,與科氏參數(shù)(f)成反比。熱成風(fēng)的方向與平均等溫線相平行,在北半球背熱成風(fēng)而立,高溫在右,低溫在左,南半球則反。2013-11-2827又因為:所以,上層地轉(zhuǎn)風(fēng)為下層地轉(zhuǎn)風(fēng)和氣層之間熱成風(fēng)之和。下層地轉(zhuǎn)風(fēng)由下層水平氣壓梯度決定;氣層間熱成風(fēng)由氣層平均水平溫度梯度決定;即,可以由溫壓配置來討論垂直變化。2013-11-2828
1.低層水平氣壓梯度與水平平均溫度梯度方向一致,低層等壓線與等溫線平行。此溫壓場配置下,低層地轉(zhuǎn)風(fēng)向與熱成風(fēng)風(fēng)向一致,因而其風(fēng)速隨高度逐漸增大,風(fēng)向不改變。無冷、暖平流。2013-11-2829
2.低層水平氣壓梯度與水平平均溫度梯度方向相反,低層等壓線與等溫線亦平行。此溫壓場配置下,低層地轉(zhuǎn)風(fēng)與熱成風(fēng)風(fēng)向相反,起初地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度而減小,風(fēng)向不變,到某一高度,風(fēng)速為0,再往上則風(fēng)速隨高度增加,但風(fēng)向與低層相反。2013-11-28303.低層水平氣壓梯度與氣層水平平均溫度梯度相垂直并在右面,此時低層等壓線與等溫線相垂直。此溫壓配置下,低層風(fēng)從冷區(qū)吹向暖區(qū)。北半球,風(fēng)向隨高度逐漸向左轉(zhuǎn),風(fēng)速隨高度增強,而且越到高層,風(fēng)向與熱成風(fēng)風(fēng)向越接近。2013-11-28314.低層水平氣壓梯度與氣層水平平均溫度梯度相垂直并在左面,此時低層等壓線與等溫線也相垂直。此溫壓配置下,低層風(fēng)從暖區(qū)流向冷區(qū)。風(fēng)向隨高度逐漸向右轉(zhuǎn),風(fēng)速隨高度增強,愈到高層風(fēng)向與熱成風(fēng)愈接近。32熱成風(fēng)與溫度平流的關(guān)系2013-11-28在大氣中,由于有冷暖分布,這就產(chǎn)生溫度平流。一般把V·▽T稱為溫度平流。這種溫度平流將會改變地轉(zhuǎn)風(fēng)矢隨高度的改變。當(dāng)下層有暖平流時,V·▽T>0,即氣流從暖區(qū)吹向冷區(qū),則地轉(zhuǎn)風(fēng)矢量從下向上成順時針轉(zhuǎn)變;相反,當(dāng)下層有冷平流時,V·▽T<0,即氣流從冷區(qū)吹向暖區(qū),則地轉(zhuǎn)風(fēng)矢量從下向上成逆時針轉(zhuǎn)變。另外,在自由大氣中,風(fēng)隨高度的增加總是趨向于熱成風(fēng)。例如北半球溫度南暖北冷,等溫線走向基本呈東西向。由熱成風(fēng)原理可知,這種溫度場使中緯度西風(fēng)隨高度增加而增大,直到對流層頂附近出現(xiàn)西風(fēng)急流。所以對流層中上層是顯著的西風(fēng)帶。2013-11-2833熱成風(fēng)原理小結(jié)1)熱成風(fēng)的方向與氣層間的平均等溫線平行;2)背熱成風(fēng)而立,高溫區(qū)在右側(cè),低溫區(qū)在左側(cè);3)熱成風(fēng)的大小與氣層間的水平溫度梯度成正比。即等溫線越密集(疏),熱成風(fēng)就越大(?。?。
應(yīng)用:根據(jù)某站風(fēng)隨高度變化的情況作溫度平流的分析當(dāng)風(fēng)隨高度作逆時針方向旋轉(zhuǎn)時,可判斷這個氣層間有冷平流;當(dāng)風(fēng)隨高度作順時針旋轉(zhuǎn)時,則有暖平流。2013-11-28342013-11-283535
摩擦層中空氣的水平運動
在摩擦層中,空氣的水平運動因受摩擦力作用,不僅風(fēng)速減弱、風(fēng)向受到干擾,而且破壞了氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力間的平衡關(guān)系,表現(xiàn)出氣流斜穿等壓線,從高壓吹向低壓的特征。
2013-11-283636(一)地面摩擦力對風(fēng)的影響如果地面層等壓線為平行直線時,空氣質(zhì)點受到氣壓梯度力(G)、地轉(zhuǎn)偏向力(A)和地面摩擦力(R)的共同作用。當(dāng)三個力達到平衡時,便出現(xiàn)了穩(wěn)定的地面平衡風(fēng)。2013-11-283737
由于摩擦力(主要是外摩擦力)對風(fēng)的阻滯作用,使平衡風(fēng)的風(fēng)速比原氣壓場中相應(yīng)的地轉(zhuǎn)風(fēng)的風(fēng)速要減小,進而使地轉(zhuǎn)偏向力也相應(yīng)減小。結(jié)果減小后的地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力的合力與氣壓梯度力相平衡時的風(fēng),斜穿等壓線,由高壓吹向低壓。其風(fēng)速大小與氣壓梯度力成正比,而與地面摩擦系數(shù)成反比。2013-11-283838
摩擦層中風(fēng)場與氣壓場的關(guān)系為:在北半球背風(fēng)而立,高壓在右后方,低壓在左前方,此即白貝羅風(fēng)壓定律。至于風(fēng)向偏離等壓線的角度(α)和風(fēng)速減小的程度,則取決于摩擦力的大小。摩擦力愈大,交角愈大,風(fēng)速減小得愈多。2013-11-283939在等壓線彎曲的氣壓場中,例如閉合的高壓和低壓中,由于地面摩擦力的作用,風(fēng)速比氣壓場中所應(yīng)有的梯度風(fēng)風(fēng)速要小,風(fēng)斜穿等壓線吹向低壓區(qū)。所以,低壓中的空氣是一面旋轉(zhuǎn)、一面向低壓中心輻合。高壓中空氣則是一面旋轉(zhuǎn)、一面從高壓中心向外輻散。2013-11-2840根據(jù)理論計算和實測資料,得到北半球摩擦層中在不考慮氣壓梯度力隨高度改變時,風(fēng)向隨高度增高不斷向右偏轉(zhuǎn),到摩擦層頂部風(fēng)速接近于地轉(zhuǎn)風(fēng),風(fēng)向與等壓線相平行。圖中V1、V2、V3…代表自地面起各高度的風(fēng)向、風(fēng)速矢量,連接各風(fēng)矢量終點的平滑曲線,稱為??寺菥€,是風(fēng)速矢端跡圖。(二)摩擦層中風(fēng)隨高度的變化埃克曼螺線表示北半球摩擦層中風(fēng)隨高度呈螺旋式旋轉(zhuǎn)分布。由??寺菥€可以知道,當(dāng)高度很小時,風(fēng)速隨高度增加很快,但風(fēng)向改變不大;而在較大的高度上,風(fēng)速增加緩慢,風(fēng)向卻顯著向右偏轉(zhuǎn),最終趨于地轉(zhuǎn)風(fēng)。在離地面10米以下的地層中,摩擦力隨高度增加迅速減小,風(fēng)速隨高度增加特別快,所以一般要求測風(fēng)儀器離地面10~12米以上。2013-11-28412013-11-2842Ekman(愛克曼)螺旋線(北半球下視,地偏力指向運動右方,故順時針;南半球則相反)高度增高,風(fēng)速增大,方向逐漸接近地轉(zhuǎn)風(fēng)。2013-11-2843近地層風(fēng)速廓線模式1、對數(shù)律風(fēng)速廓線模式平均風(fēng)速隨高度變化中性層結(jié):對數(shù)律,粗糙度和摩擦速度ū—高度Z處的平均風(fēng)速,m/s;u*--摩擦速度,m/s;k—卡門(karman)常數(shù),常取0.4;Z0—地面粗糙度,m在近地層(從地面到(50-100m)左右的一層)中性層結(jié)(氣溫直減率r=rd=1K/100m,大氣是中性的)條件下應(yīng)用對數(shù)律模式的精度較高,但在非中性層結(jié)(r>rd,遞減層結(jié),即大氣不穩(wěn)定層結(jié);r<rd<0,逆溫層,即大氣穩(wěn)定層;r=0的等溫層結(jié))條件下應(yīng)用,將會產(chǎn)生較大誤差。2013-11-28442013-11-28452、指數(shù)律風(fēng)速廓線模式平均風(fēng)速隨高度變化非中性層結(jié):
指數(shù)律,穩(wěn)定度參數(shù)當(dāng)氣象條件為中性穩(wěn)定(或絕熱狀況)且地面平坦,m約為1/7,此類似流體在湍流(turbulence)狀況下所呈現(xiàn)的速度分布,稱之為“七分之一定律(1/7law)”。ū1—已知高度Z1處的平均風(fēng)速,m/s;m—穩(wěn)定度參數(shù)。M的變化取決于溫度層結(jié)和地面粗糙度,為0<m<1的分?jǐn)?shù),層結(jié)越不穩(wěn)定,m值越小,一般實測,在高度500m以下可按<<制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法>>GB/T13201—91選取。一般認(rèn)為在中性條件下,指數(shù)律模式不如對數(shù)律模式準(zhǔn)確,特別是在近地層時。但指數(shù)律在中性條件下,能較滿意地應(yīng)用于300-500m的氣層,而且在非中性條件下應(yīng)用也較為準(zhǔn)確和方便,所以在大氣污染濃度估算中應(yīng)用指數(shù)律較多。2013-11-28462013-11-2847風(fēng)的日變化
近地面層中,風(fēng)存在著有規(guī)律的日變化。白天風(fēng)速增大,午后增至最大,夜間風(fēng)速減小,清晨減至最小。而摩擦層上層則相反,白天風(fēng)速小,夜間風(fēng)速大。上層與下層的分界線隨季節(jié)而有變化,夏季湍流最強,可達300m,冬季湍流最弱,低至20m,平均約50—100m。風(fēng)的日變化,晴天比陰天大,夏季比冬季大,陸地比海洋大。當(dāng)有強烈天氣系統(tǒng)過境時,日變規(guī)律可能被干擾或被掩蓋。
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