大气稳定度
定义：大气在垂直方向上稳定的程度； （反映其是否容易对流）
定性描述：
外力使气块上升或下降 气块去掉外力
气块减速，有返回趋势，稳定 气块加速上升或下降，不稳定 气块既不加速也不减速，中性
➢不稳定条件下有利于扩散
气温的垂直分布——温度层结
T
z
> 0γd，
＝ d ，
＝0 ， <0 ，
高度为Z处的风速 （m/s）
摩擦速度
ū u* ln Z
Z0
卡门常数
高度（m） 地面粗糙度
地面粗糙度越大，风速梯度越小
近地层风速廓线模式
近地层风速廓线模式
2.指数率：非中性层结： 指数律，稳定度参数
u
u1 (
z z1
)n
常数 实验确定
高度为Z处的平均风速 （m/s）
高度为Z1米处的平均风速 （ m/s ）
1.3.2 查理孙数
大气湍流运动的强弱取决于平均动能转变为湍能 的速率以及湍能消耗的速率。
以湍能消耗率和湍能补充率的比值定义一个无因 此参量Rf称为通量查理孙数：
Rf
KHz g
KMz
z
2
u z
定义查理孙数（Ri）为：
g z
Ri
2
u z
Rf
K Hz KMz
Ri
临界查理孙数(KMz/KHz)：
大气边界层风的分布
Ekman螺旋线（北半 球下视，地偏力指向运 动右方，故顺时针；南 半球则相反）
高度增高，风速增大， 方向逐渐接近地转风。
近地层风速廓线模式
1.3 大气湍流
1.3.1 湍流与雷诺数
大气湍流的形成和发展取决于两种因素：
机械湍流——垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度 热力湍流——温度垂直分布不均（不稳定）
横向湍强：
在中性和不稳定层结下σA与平均风速u成正 比，但不稳定时σA比中性时大3倍左右。
稳定时，σA随风速加大略有减小，横向湍 强向上减小
纵向湍强：
不随风速变化，随稳定度有变化，但不如σv激烈。 在中性和稳定条件下，σu随高度不变，故而纵向
湍强随高度减小。
2 大气湍流扩散的理论处理
欧拉方法：相对固定坐标系描述污染 物的输送和扩散。
正常分布层结 中性层结（绝热直减率） 等温层结 逆温层结
位温
干空气团绝热升高或降低到标准气压(1000hPa) 处的温度称为位温，用 θ 表示，单位K。
T0
(1000 P0
)0.288
绝热运动时，位温只取决于初始状态的温度和 压力，因此有：空气团作绝热运动，位温不变。
大气的垂直稳定度可用位温梯度来表示
顶部增温比底部多
逆温
3.平流逆温 暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成
4.湍流逆温
γ<γd 下层湍流混合达γd 渡层 逆温
上层出现过
5.锋面逆温
冷、暖气团相遇 暖气上爬，形成锋面
逆温
冷暖间逆温
1.2 风的垂直分布
近地层风速廓线模式 平均风速随高度变化 中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度
1.对数率
力作用只对较大尺度的湍流有影响； 不稳定层结下要比稳定层结下，某一频段所含的
总能量大； 小湍涡具有各项同性的性质。
湍强：风速标准差σ与平均风速u之比
垂直湍强：
中性层结：垂直风速标准差σw与平均风速成正比， 即垂直湍强不随风速而变。粗糙度z0越大，σw越大， 与高度无关。
不稳定层结：垂直风速标准差σw与高度的1/3次方成 正比
气压梯度力：由于气压分布不均匀而作用于单位质量
空气上的力, 其方向由压指向低压。
科氏力（地转偏向力）：由于地球自转运动而作
用于地球上运动质点的偏向力。
1.1 低层大气的温度与大气稳定度
近地层大气中温度随高度分布规律受下垫面影响极大
一般说来，太阳辐射愈强、云量 愈少、风速愈小、土壤导热性愈 差则气温的垂直变化愈大。
大气污染的气象过程
目录
1 大气边界层的特征 2 大气湍流扩散的理论基础 3 大气污染物浓度分布的扩散模式 4 复杂地形上的大气污染 5 城市和区域大气污染扩散
1 大气边界层特征
名词解释：
湍流切应力：湍流切应力是与湍流动量输送相伴随的
表现应力，是由湍流强度涨落引起的。以u’，v’，w’ 分别表示直角坐标三个方向的湍流速度，各湍流速度分量 乘积的平均值再乘上空气密度ρ就是对应方向的湍流动量 通量。
在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作 用，在中性层结情况下，动力因子起主要作用。
湍流扩散比分子扩散快105~106倍。
雷诺数：
Re UL v
U——平均流动速度 L——流动特征长度 v——运动学粘滞系数
雷诺数：
Re 惯性力/ 粘滞力
U2 vU
L L2
UL v
Re<Re*(1000~2320)——层流 Re>Re**(12000~13800)——湍流 Re*<Re<Re**——即可以是层流也可以湍流
＞0，稳定
Z
＜0，不稳定
Z
0，中性
Z
逆温
逆温不利于扩散 辐射：
太阳 地球 ：短波
地球 大气层：长波 大气吸收长波强
1. 辐射逆温： 地面白天加热，大气自下而上变暖； 地面夜间变冷，大气自下而上冷却
逆温
辐射逆温的生消过程
逆温
2.下沉逆温 （多在高空大气中，高压控制区内）
很厚的气层下沉
压缩变扁
压力变化导致的 温度变化
大气的绝热过程：
干绝热直减率：
干气团绝热上升或下降单位高度(通常100 m)的温
度变化量称为干绝热直减率，用 γd 表示，单位
K/100m。
湿绝热直减率
➢ 如果 g＝9.81m/s2, Cp＝1.005J/ (kg·K)，则 γd ＝
0.98K/100m,通常取 γd ＝1K/100m。干空气或未饱和 湿空气每上升 100m，温度下降 1K。
拉格朗日方法：跟随流体移动的粒子 描述污染物的浓度及其变化。
2.1 湍流扩散的梯度输送理论
u u u' v v v' w w w'
u' w'
K z
u z
u' q'
K z
q z
它表示湍流扩散引起的物质输送梯度取决于该物
质分布的不均匀程度（梯度大小）以及流场本身
当湍能消耗率大于湍能补充率，即Ri＞KMz/KHz 时，湍能将减弱；
当湍能消耗率小于湍能补充率，即Ri＜KMz/KHz 时，湍能将增强；
当湍能消耗率等于湍能补充率，即Ri=KMz/KHz时， 湍流将维持原状；
1.3.3 低层大气的湍流特征
高频湍流主要是由动力作用引起的； 低频部分，层结越不稳定，谱密度越大，说明热