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说说“污染气象学”（4）---- 混合层厚度: 热度 10 Talky 2014-1-20 11:23; 说说“污染气象学”（ 4 ） ---- 混合层厚度冬季“混合层厚度”较薄，是气象部门解释秋冬季容易形成严重雾霾的重要因素之一。 “混合层(MixingLayer)”是气象专业名词，顾名思义：（ 1 ）大气层内分有子层；（ 2 ）因为描述空气污染物，混合层必定紧靠地面；（ 3 ）混合层顶那里有个“盖”，因此地面附近污染物才被限制在混合层内经历输送过程。（ 4 ）冬季混合层厚度较薄，夏季较厚。空气污染物被约束在“混合层”内输送扩散和历经各个大气过程。但在“ 说说污染气象学（ 2 ） ”中，已经介绍，混合层顶不是刚性的，会随时间和地域变化，有部分烟气会“逃逸”离开混合层，进入“自由大气”。混合层厚度变化可以导致污染物浓度发生明显变化：冬季常只有几百米的厚度，夏季可能达到 2~3 公里。也就是说不考虑别的条件时，类似数量的空气污染物，在垂直方向冬季有可能被约束在只有夏季几分之一的空间内，浓度自然要升高，何况冬季要采暖的地区会增加排放污染物呢。大气层很厚，超过 100 公里。和我们生活工作直接相关的底层称为对流层（ Troposphere ）。对流层是因为地面的存在，太阳辐射造成地面气温通常高于上层空气，导致在垂直方向有对流运动而得名。对流层厚度在赤道附近最厚，两极最簿。我们在中纬度地区，约 10 公里厚。对流层的另一个特色是包含了大气中绝大部分的水物质。水的气、液、固三相在自然条件下的转换，大量吸收和释放热量，是对流层内有气候和气象变化的根本原因之一。对流层的上方是“平流层（ Stratosphere ）”，含义就是从那里向上空气流动基本上只是水平的了，因此我们坐飞机旅行，主要时间花在在万米左右高空，遥望脚下满目白色云朵。。。因为动力学和热力学状态有所不同，对流层内还可以再分子层。按照流体力学，空气运动受到地面粘性阻力的影响，形成“行星边界层（ PBL-PlanetaryBoundaryLayer ）”。该层以上则称为“自由大气(FreeAtmosphere) ”。这里地面的影响主要指粘性，或摩擦阻力。形成的是“动力学”型的边界层，比较簿。上下风速差别大时，有湍流发生，垂直混合也会较强。更重要的是“热力学”型的边界层。那是因为太阳辐射到地面，地面温度升得很高，导致垂直方向发生对流和湍流。热力边界层较厚，直至垂直方向混合可以忽略时，到达其顶部。常见其上层有“逆温层（ Inversion ）”，即气温度下面低上面高的空气层。逆温层内空气处于强稳定状态，湍流微弱，几乎没有垂直混合。空气污染物到达那里后就犹如被“上盖”了，因此形成混合层。如前所述，混合层在冬季常只有几百米的厚度，夏季则可能达到 2~3 公里。在污染气象学中，不细分因为动力或热力学原因形成混合层的差别，只看重哪个对污染物的输送更为重要。多数情况下热力学混合层更为重要，例如常见“低空逆温”和“接地逆温”。低空逆温指底面靠近地面的逆温，可以形成一个上盖，压住下面的混合层。这种情况在冷暖气流对峙时常有发生。在“ 说说污染气象学（ 3 ） ”中说到“ 静是静了，稳吗？ ”，就指这种情况：“对峙”所以静风或微风，但此时混合层内稳定度常是“中性”，上面有低空逆温（强稳定气层）盖住，厚度只有几百米，因此造成严重污染。“热力学”混合层厚度由气温随高度的分布（温度廓线）确定。接地逆温是指地面以上即为逆温。冬日冷高压下，凌晨寒冷，冰霜遍地，地面附近气温最低。如果还静风，就会有“大漠孤烟”（烟气很少扩散或混合）。但如果有寒风，就要考虑“动力学”混合层了，厚度由风速风向随高度的变化（风廓线）确定。混合层厚度是决定空气污染物浓度高低的重要因素之一，但需要气温和风速风向随高度的变化数据来确定（探空数据），相当麻烦。常用估算方法包括 Holzworth 最大混合层厚度法、爱克曼螺线法（我国环保部推荐）、英国图形法和含湿度影响的 Nozaki 法等。 ----------------------------------------------------------------------------------- 请留意我2017年1月1日博文：增补有关混合层厚度变化的想法请查阅我2017年12月2日博文：评论今天科学网新闻“‘谜雾’追踪”（ http://blog.sciencenet.cn/blog-609047-1087905.html ）里面引用了一本英文书上的两张图，实测混合层和逆温层一目了然。; 个人分类: 科普|16327 次阅读|29 个评论

说说“污染气象学”（1）---- 风: 热度 4 Talky 2013-12-16 17:24; 说说“污染气象学”（ 1 ） ---- 风都说雾霾污染内因是污染物的排放，诱因是不利的气象条件：“静稳”、“扩散”条件差、“湿度”高、“混合层厚度”薄。。。“城市热岛”有影响，减轻雾霾要靠“风”吹。。。等。这些都是“污染气象学”或“空气污染气象学”的词汇和概念。因为工作需要，学习了污染气象学基础知识，谨此做适当介绍。为了便于阅读，博文用两部分写出。前一部分用较通俗的语言来说明上述概念。第二部分较详细介绍相关基础知识。一、“风”。空气是易于流动的流体；但通常 “风”描述的是空气的水平运动。听到气象台站报告的是地面（实际是离地面 10 米高处）的风速和风向。风速分级，数值可以查表，风向指的是来向，度数是从正北起算，顺时针转到风的来向的角度。但报告时又把 360 度分成 16 个风向角（北、东东北、东北。。。西北西、北北西），如果风速很小，就报告为“静风”。 1.1 风随高度的变化风在不同高度不同，因为地面、地球自转、气压、高度不同而不同。一般情况下，因为粘性，地面风速为零，越朝上风速越高。因此，高烟囱口排出的烟气更容易被风吹走。但是，地面有起伏，哪里风速为零？污染气象学中定义“ 地面粗糙度 ”，即一个区域内风速为零的平均高度，主要决定于当地地表特征。例如，冰面和草原，地面粗糙度很小，可能是 10~20 厘米；城区地面粗糙度就比较大，例如可以是 1~3 米。开始从地面向上时，风速增大比较快。这时风速大小由当地和附近的气压差（气压梯度）、地球自转影响和地面磨檫影响共同确定。而且在北半球，风向会沿高度向右手转动（顺时针）。达到“ 边界层 ”或“ 混合层 ”顶部时，地面磨檫作用可以忽略了，风速由气压梯度和地球自转影响确定。因为地面摩擦影响可以不计了，那里的空气又被称为“ 自由大气 ”。 1.2 风的水平变化风的水平分布和变化是气象学的核心研究问题之一。（三句两句说不明了）因为地球转动、太阳辐射、空气中能量的被吸收和释放（水汽、云雨、冰雪之间相变）等原因，风在水平方向应当注意有不同尺度。大到全球范围的“环流”，中到大型的天气系统，小到中小型天气系统和因为局地地形和昼夜造成的气流，微到大气湍流。气象学中的“尺度”是指某个气象要素（如风）在某个距离（尺度）上显现了明显的变化（如风速风向）。中国在北半球的西风带。高空看，风都是由西向东的。卫星图片上大片云系都自西向东运动（水汽来自印度洋）。因此 2011 年日本核电站事故排放沾染的云团，主要是向太平洋输送的。但是如果有热带风暴或台风，云系的发展和运动，又另有特点（水汽来自太平洋）。（气象学的一个难题）大型天气系统下，有“ 盛行风 ”，例如寒潮来了，中国大地盛行北风。内蒙过来的北风又干净又干燥，因此北京雾霾消散“靠北风吹”。但是，风是风，污染物是污染物，上海遇到北风，就要先经受北方地区污染物输送的影响，等北方干净之后，才能干净。也因此原本干净的海南，此后也经受了几天灰霾。在盛行风下，有局地特点的“局地风”就显示不出来了。局地风主要指“山谷风”、“海陆风”和“城市热岛风” 山谷风是因为山顶和谷底每日受到太阳照射和向天空散热过程有时间差造成，一般情况下上午 8-9 点谷风，从谷底向山上吹风；晚上 8 点前后转山风，由山顶向谷底吹风。海陆风是因为水体有更大的热容量，阳光下水面温度低于地面，晚间又反过来。因此白天吹海风，晚上吹陆风。城市热岛风是因为城区和城郊（农村）地面温度差别造成。城区一般温度偏高，气压低于附近地区，因此风从郊区来。昼夜差别是城市热岛风在夜间更强，更明显。大气湍流是微尺度的空气运动，三维的，一般不再称为是风了。特点是杂乱无章，研究难度很大。大气湍流的强度主要由两个因素决定：机械或力学因素，和热力学因素。例如，狂风大作时，力学因素造成强湍流；夏日大太阳又小风时，有时甚至可以在水泥地上看见垂直的乱流，强热力湍流。大气湍流的强弱标志大气扩散能力的强弱。 1.3 空气的垂直运动对于污染物的输送混合而言，空气的垂直运动十分重要。特别是在高温的夏日，炎炎烈日下，空气有相当强烈的垂直运动：对流。这时边界层又称为“对流边界层”，边界层厚度大，垂直混合又充分，是夏天能看到湛蓝天空的重要原因。垂直方向的湍流混合非常重要，雾霾天中的“静稳”问题也指垂直方向难以混合。但是，空气的垂直运动需要专门仪器观测，气象部门一般也不进行常规观测。在需要时，可以应用模式来计算。 1.4 风对污染物的输送作用。风主要以两种形式输送污染物：平流输送和湍流扩散。平流输送是指风的尺度大大于污染物团，例如某位烟民吐出一个烟圈，一阵风就地被吹倒了窗外。即污染云团被 “整体”地从一个地点输送到另一个地点。湍流扩散是指风的尺度小于污染物团，而且这样小尺度的空气运动常常是杂乱无章的（湍流），造成污染物团的分散（或弥散 ~dispersion ），习惯上也称为“扩散” ~diffusion 。烟民吐出的烟圈会增大直径，就是湍流扩散的功劳。扩散能力决定于湍流强度。问题：中国的空气污染，是否因此会输送到日本，影响日本的空气质量？ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 下面是一些基础知识，污染气象学概况（一） “污染气象学”是气象学的一个小分支，主要研究气象条件对空气污染物的形成、传输、沉降和分布的影响。空气污染物在空气中发生化学反应的研究，属于大气化学的范畴，但和空气污染气象学密切相关。空气污染气象学涉及的空间范围比较小，可以比较的气象学分支有“微气象学”和“边界层气象学”。微气象学明显指研究从气象意义上“微观”的现象和变化。例如大气湍流。这种湍流比较管道里、河流中、海水中的湍流尺度要大得多，可能大到几百米。但在空气运动中比较，微小了。又例如空气的垂直运动。我们日常知道的风，都是“水平”方向的，垂直方向风速小得多，气象台站不做例行观察和报告。边界层气象学其实也是微气象学，但专指地面向上“行星边界层”内的气象问题。行星即地球，边界层是流体力学中的一个重要概念：因为固体表面的存在和粘性影响，流体在固体壁面附近有特殊的流动区域，称为“边界层”。大气层的厚度在100公里以上，但“边界层”冬天几百米，夏天可达到2-3公里。比较而言，边界层是“微”小的。空气污染问题主要发生在地面附近，又会因为空气运动和大气湍流而被输送扩散，因此和微气象学及边界层气象学关系密切。空气污染气象学逐步发展，主要研究空气污染物被排放进入大气后，会经历哪些气象过程，被输送、扩散、转化、云雾、干湿沉降，因此形成各种空间分布等问题。目前污染气象学并不考虑污染物的存在对气象状态的反作用。例如，排放二氧化碳会引起全球气候变暖和气候变化，还不属于空气污染气象学的研究范围。和雾霾相关的污染气象学概念主要涉及以下问题： 1、气象要素（气象学基础知识） 2、行星边界层 3、大气稳定度（大气湍流） 4、重要天气系统 5、空气污染物在大气中经历的主要过程 6、空气质量模型 7、空气质量预测; 个人分类: 科普|7759 次阅读|24 个评论

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