城市空氣污染氣象學第四章大氣運動

城市空氣污染氣象學

第四章大氣運動2華東師范大學資環(huán)學院樂群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狀態(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)，又可使空氣由靜止狀態(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。

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自由大氣中的空氣水平運動（一）地轉(zhuǎn)風（二）梯度風（三）自由大氣中風隨高度的變化——熱成風2013-11-2812地轉(zhuǎn)風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。此稱白貝羅風壓律。GeostrophicBalancePressureGradientForce2013-11-2814上表說明：地轉(zhuǎn)風速隨緯度增高而減小。地轉(zhuǎn)風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，風速越大；緯度越低，風速越大。但實際觀測到的地轉(zhuǎn)風速卻是高緯度地區(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，就可確定各層風速的大小。2013-11-2817梯度風當空氣質(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，當這三個力達到平衡時的風，稱為梯度風。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)的梯度風由于當氣壓梯度等于0時，梯度風亦為0，所以上式正負號只能取正號。在北半球：低壓系統(tǒng)中的梯度風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)的梯度風由于當氣壓梯度等于0時，梯度風亦為0，所以上式正負號只能取負號。在北半球：高壓系統(tǒng)中的梯度風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，當相等時，低壓梯度風風速小于地轉(zhuǎn)風速，高壓梯度風風速大于地轉(zhuǎn)風速。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，即被視為時的空氣運動。其運動方程為由于這種風不再考慮的影響，因而其風向既可按順時針方向吹，又可按逆時針方向吹。龍卷風具有旋衡風的性質(zhì)。旋衡風2013-11-2822

自由大氣中風隨高度的變化探空資料表明，不同高度上的風向、風速是不一致的，風速隨高度有著明顯的變化。自由大氣中：風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。由于水平溫度梯度的存在而產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)風在鉛直方向上的速度矢量差，稱為熱成風。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)風在鉛直方向上的速度矢量差，稱為熱成風。熱成風：和分別是高層與低層的地轉(zhuǎn)風。如果低層等壓面是水平的，則。

2013-11-2826熱成風風速的表達式為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。熱成風的方向與平均等溫線相平行，在北半球背熱成風而立，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)風為下層地轉(zhuǎn)風和氣層之間熱成風之和。下層地轉(zhuǎn)風由下層水平氣壓梯度決定；氣層間熱成風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)風向與熱成風風向一致，因而其風速隨高度逐漸增大，風向不改變。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)風與熱成風風向相反，起初地轉(zhuǎn)風隨高度而減小，風向不變，到某一高度，風速為0，再往上則風速隨高度增加，但風向與低層相反。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，低層風從冷區(qū)吹向暖區(qū)。北半球，風向隨高度逐漸向左轉(zhuǎn)，風速隨高度增強，而且越到高層，風向與熱成風風向越接近。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，低層風從暖區(qū)流向冷區(qū)。風向隨高度逐漸向右轉(zhuǎn)，風速隨高度增強，愈到高層風向與熱成風愈接近。32熱成風與溫度平流的關(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)風矢隨高度的改變。當下層有暖平流時，V·▽T＞0，即氣流從暖區(qū)吹向冷區(qū)，則地轉(zhuǎn)風矢量從下向上成順時針轉(zhuǎn)變；相反，當下層有冷平流時，V·▽T＜0，即氣流從冷區(qū)吹向暖區(qū)，則地轉(zhuǎn)風矢量從下向上成逆時針轉(zhuǎn)變。另外，在自由大氣中，風隨高度的增加總是趨向于熱成風。例如北半球溫度南暖北冷，等溫線走向基本呈東西向。由熱成風原理可知，這種溫度場使中緯度西風隨高度增加而增大，直到對流層頂附近出現(xiàn)西風急流。所以對流層中上層是顯著的西風帶。2013-11-2833熱成風原理小結(jié)1）熱成風的方向與氣層間的平均等溫線平行；2）背熱成風而立，高溫區(qū)在右側(cè)，低溫區(qū)在左側(cè)；3）熱成風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），熱成風就越大（?。?。

應(yīng)用：根據(jù)某站風隨高度變化的情況作溫度平流的分析當風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；當風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，不僅風速減弱、風向受到干擾，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。當三個力達到平衡時，便出現(xiàn)了穩(wěn)定的地面平衡風。2013-11-283737

由于摩擦力（主要是外摩擦力）對風的阻滯作用，使平衡風的風速比原氣壓場中相應(yīng)的地轉(zhuǎn)風的風速要減小，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，斜穿等壓線，由高壓吹向低壓。其風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

摩擦層中風場與氣壓場的關(guān)系為：在北半球背風而立，高壓在右后方，低壓在左前方，此即白貝羅風壓定律。至于風向偏離等壓線的角度（α）和風速減小的程度，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，風速比氣壓場中所應(yīng)有的梯度風風速要小，風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，風向隨高度增高不斷向右偏轉(zhuǎn)，到摩擦層頂部風速接近于地轉(zhuǎn)風，風向與等壓線相平行。圖中V1、V2、V3…代表自地面起各高度的風向、風速矢量，連接各風矢量終點的平滑曲線，稱為?？寺菥€，是風速矢端跡圖。（二）摩擦層中風隨高度的變化?？寺菥€表示北半球摩擦層中風隨高度呈螺旋式旋轉(zhuǎn)分布。由?？寺菥€可以知道，當高度很小時，風速隨高度增加很快，但風向改變不大；而在較大的高度上，風速增加緩慢，風向卻顯著向右偏轉(zhuǎn)，最終趨于地轉(zhuǎn)風。在離地面10米以下的地層中，摩擦力隨高度增加迅速減小，風速隨高度增加特別快，所以一般要求測風儀器離地面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，風速增大，方向逐漸接近地轉(zhuǎn)風。2013-11-2843近地層風速廓線模式1、對數(shù)律風速廓線模式平均風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)律風速廓線模式平均風速隨高度變化非中性層結(jié)：

指數(shù)律，穩(wěn)定度參數(shù)當氣象條件為中性穩(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的分數(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準的技術(shù)方法>>GB/T13201—91選取。一般認為在中性條件下，指數(shù)律模式不如對數(shù)律模式準確，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風的日變化

近地面層中，風存在著有規(guī)律的日變化。白天風速增大，午后增至最大，夜間風速減小，清晨減至最小。而摩擦層上層則相反，白天風速小，夜間風速大。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。風的日變化，晴天比陰天大，夏季比冬季大，陸地比海洋大。當有強烈天氣系統(tǒng)過境時，日變規(guī)律可能被干擾或被掩蓋。