1、大氣湍流與大氣擴(kuò)散 Atmospheric Turbulence and Atmospheric Diffusion,一、課程概況： 1、課程類別： 大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境專業(yè)（必修課） 、周學(xué)時： 3學(xué)時 、總學(xué)時： 54學(xué)時 、學(xué) 分： 3學(xué)分 二、教學(xué)目的及要求： 、了解并掌握大氣湍流與大氣擴(kuò)散的基本理論。 、通過資料調(diào)研、計算機(jī)模擬等，掌握邊界層演變及 影響大氣擴(kuò)散的主要因子。,三、教材和主要參考書 教材：A.K. Blackadar，Turbulence and diffusion in the atmosphere . Springer,1997 主要參考書： S.P Arya, A

2、ir pollution meteorology and dispersion, New York,1999 劉式達(dá)等著 大氣湍流，北京大學(xué)出版社，2008 F.帕斯奎爾和F.B.史密斯著，曲紹厚等譯， 大氣擴(kuò)散， 科學(xué)出版社，1989 四、 教學(xué)方式 全英文教材，預(yù)習(xí)3-9學(xué)時，然后討論3學(xué)時。 采用專題討論班的形式上課。 同學(xué)除熟悉教材外，還需自己查文獻(xiàn)，參加討論： 五、考核要求 自選題目，通過專題資料查找、計算機(jī)模擬軟件的應(yīng)用等， 學(xué)期末每人撰寫完成并提交一篇課程論文。,教材: Turbulence and Diffusion in the Atmosphere: Lectures in

3、 Environmental Sciences 中譯名：大氣中的湍流與擴(kuò)散 作者：Alfred K. Blackadar 出版者：Springer，1997 美國賓州大學(xué)氣象系教授A. K. Blackdar所著的“大氣中的湍流與擴(kuò)散”一書，是一本講述基本理論的引論式的書，適合于高年級學(xué)生閱讀。此書就是作者在德國Kiel大學(xué)講課期間為本科高年級及研究生開的課程內(nèi)容。 該書作為一本引論式的書，不講理論的應(yīng)用，而著重闡明大氣中湍流、邊界層、擴(kuò)散的基本理論，從湍流本質(zhì)講起，從N-S方程一直講到大氣中湍流性質(zhì)及邊界層結(jié)構(gòu)，最后介紹擴(kuò)散基本理論，自成一個完整體系。事先不需再讀其它基礎(chǔ)書籍。因此，作為學(xué)完

4、基礎(chǔ)課進(jìn)入專業(yè)課之前的教材是很恰當(dāng)?shù)? 本書對理論介紹透徹,并附有習(xí)題。但缺點是未講應(yīng)用，學(xué)生必須另學(xué)有關(guān)大氣湍流擴(kuò)散的應(yīng)用課程，使人有理論實踐脫節(jié)之感。這可能與國外課程設(shè)置有關(guān)。但作為講述基本理論的引論書，本書無疑是一本新的適合于高年級本科生閱讀的好書。,教材全英文,分10章,出版/發(fā)行時間:2008-06-01 出版社: 北京大學(xué)出版社 叢書名: 高等院校物理學(xué)教材 作者: 劉式達(dá) 梁福明 劉式適 辛國君 ISBN: 9787301112014 版次: 1開本: 32頁數(shù): 195,本書是作者多年來從事“大氣湍流”研究生教學(xué)課程的結(jié)晶。 共分十章，敘述簡潔，既介紹傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法，更著重介紹

5、近代對湍流新認(rèn)識的科學(xué)概念和工具，如混沌、分形和標(biāo)度律、孤波、子波、螺旋度、異常擴(kuò)散、Euler示性數(shù)等，以從不同的角度共同認(rèn)識物理學(xué)中最復(fù)雜的湍流現(xiàn)象。 本書強(qiáng)調(diào)大氣湍流應(yīng)是內(nèi)在隨機(jī)性和有序結(jié)構(gòu)兩者的統(tǒng)一；從大氣湍流方程組中既可以得到描述內(nèi)在隨機(jī)性混沌的方程，也可以得到描述大氣三維螺旋結(jié)構(gòu)的方程。 讀者應(yīng)側(cè)重了解對大氣湍流認(rèn)識的最新概念和科學(xué)思想。通過閱讀本書，可起到對湍流深入研究的引導(dǎo)作用。 本書可作為研究生教學(xué)參考書，也可供對湍流有興趣的讀者參考。,延伸閱讀-自己查找感興趣的文獻(xiàn),Turbulence and Diffusion in the Atmosphere,1 The natur

6、e of the turbulence (湍流基本特征) 2 The Navier-Stokes equations (納維斯托克斯方程) 3 The neutral surface boundary layer (中性表面邊界層) 4 The energy equations of turbulence (湍流能量方程) 5 Diabatic surface boundary layers (非絕熱表面邊界層),6 Homogeneous stationary planetary layers (均勻定常行星邊界層) 7 Unconstrained boundary layers (非定常邊

7、界層) Statistical representation of turbulence (湍流的統(tǒng)計描述) Statistical representation of turbulence (湍流的統(tǒng)計描述) Turbulent diffusion from discrete sources (離散源的湍流擴(kuò)散) 附邊界層和擴(kuò)散模擬軟件,上課時間 周三，9-11節(jié)， （研讀3-9學(xué)時， 參與討論3學(xué)時） 自學(xué)2-3周，再討論一次,地點： 珠海校區(qū)E205,大氣邊界層 大氣邊界層ABL, 也稱行星邊界層PBL或邊界層BL。指靠近地面直接受地球表面影響的低層大氣。與人類活動、空氣污染等的關(guān)系最密

8、切。 邊界層厚度的時空變化很大，從穩(wěn)定層結(jié)下的幾十米到不穩(wěn)定層結(jié)下的12公里高度（Stull，1988）。,大氣邊界層結(jié)構(gòu),Stull將邊界層結(jié)構(gòu)分為：表面層、混合層、剩余層和穩(wěn)定邊界層。有云時進(jìn)一步再分為云層和云下層。 表面層位于邊界層10%的底部區(qū)域，湍流通量和應(yīng)力的變化小于其自身量值的10%，因此也稱為常通量層。 通常把混合層與剩余層、穩(wěn)定邊界層這部分統(tǒng)稱為Ekman層，在這層里，湍流粘性力、氣壓梯度力和科里奧利力具有相當(dāng)?shù)臄?shù)量級。 也有將近地層和混合層統(tǒng)稱為大氣摩擦層，將大氣層最低的幾個厘米劃分出來，稱為微層或界面層、粘性附層，分子輸送比湍流輸送還重要。,大氣邊界層為湍流運動,(a)平

9、均風(fēng)速； (b)波動； (c)湍流的理想狀況。,大氣湍流成因,機(jī)械湍流 熱力湍流,不穩(wěn)定邊界層,熱力湍流,機(jī)械湍流,對流邊界層 對流邊界層從下到上可以分為：近地層、混合層、夾卷層。,近地層內(nèi)平均溫度是超絕熱遞減的，屬強(qiáng)不穩(wěn)定。隨高度上升濕度減小，風(fēng)速加大迅速，垂直方向風(fēng)切變很大。能夠應(yīng)用相似理論。 約占10 混合層湍流強(qiáng)烈混合，充分發(fā)展，在垂直方向上性質(zhì)差別不大。位溫和濕度等守恒變量幾乎不隨高度變化，大部分范圍內(nèi)的風(fēng)向風(fēng)速也是均勻的。 夾卷層是混合層頂?shù)撵o力穩(wěn)定空氣層，這一層有自由大氣層空氣向下夾卷和向上的上沖熱泡。約為混合層厚度的40。,中 性邊界層,機(jī)械湍流,穩(wěn)定邊界層,零星湍流,機(jī)械湍流

10、,穩(wěn)定邊界層 穩(wěn)定邊界層的溫度廓線是逆溫形式，不再有熱力湍流產(chǎn)生，湍流運動的能量都來自于風(fēng)切變產(chǎn)生。穩(wěn)定邊界層的湍流是分散和不規(guī)則的，間歇性比較突出。,穩(wěn)定邊界層的風(fēng)可能十分復(fù)雜。在210m最低層風(fēng)向主要是由局地地形特征決定的，風(fēng)速主要是受浮力、摩擦和夾卷控制的。 穩(wěn)定邊界層的濕度變化很難作統(tǒng)一描述，因為有時夜間地面連續(xù)蒸發(fā)，而在其它位置和時間卻凝結(jié)形成露和霜，顯示出了較強(qiáng)的局地性。,局地空氣污染（左：晴天中午， 右：風(fēng)速較大時候）,局地空氣污染 （左：晴天晚上， 右上：傍晚 右下；上午）,Effect on plume characteristics,Figures illustrate t

11、emperature profile, and standard deviation of lateral v and vertical w wind components and their effect on plume shape,What can you tell about the atmosphere from this photo?,Ground-based inversion below, unstable to neutral above Wind illustrating strong directional shear Occurs with some frequency

12、 2nd stack appropriately designed!,Urban Air Pollution,Descending warm air blowing from inland create semi-permanent inversion layer trapping polluted air blown inland by sea breezes,Sea Breeze,Inversion Layer,Descending Warm Air,Mountains (Geologic Barrier),Welcome to Los Angeles,Urban Air Pollutio

13、n,When cloud cover forms over city in valley, clouds block and absorb sunlight, city below gets cooler, pollution rising up is trapped,Relatively Warm Air (Inversion Layer),Valley with Mountains on sides (Geologic Barrier),Welcome to Phoenix,Relatively Cool Air,Diagram of Air Pollution Sources,區(qū)域或全球

14、性空氣污染概念模型,自由大氣,大氣邊界層,平流層,對流層,中東部大范圍霧霾 空氣嚴(yán)重污染 北京12日空氣質(zhì)量為六級嚴(yán)重污染；北京南二環(huán)永定門附近，達(dá)到了800多微克每立方米。截至18時，北京城區(qū)空氣質(zhì)量都已達(dá)嚴(yán)重污染級別，市區(qū)PM2.5濃度非常高，天壇、前門、東四環(huán)、朝陽農(nóng)展館、豐臺等地PM2.5濃度測值都在750微克立方米左右，已瀕臨“爆表”。,環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5年和24小時平均濃度限值分別定為35微克/立方米和75微克/立方米。,霧霾與“美麗中國” 隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的深入推進(jìn)，能源資源消耗持續(xù)增加，我國大氣污染形勢嚴(yán)峻,大氣污染防治壓力繼續(xù)加大。以可吸入顆粒物（PM10）、

15、細(xì)顆粒物（PM2.5）為特征污染物的區(qū)域性大氣環(huán)境問題日益突出。 2013年以來，霧霾席卷大半個中國，威脅著民眾的身體健康。,2008-2010年,我國大多數(shù)地區(qū)的PM2.5的濃度超過世界衛(wèi)生組織的參考標(biāo)準(zhǔn)值（10微克/立方米）。華北約40微克/立方米。而紐約、芝加哥和洛杉磯這些大都市的PM2.5的平均濃度為10到20微克/立方米。,國務(wù)院發(fā)布大氣污染防治行動計劃 2013年9月12日國務(wù)院發(fā)布大氣污染防治行動計劃（以下簡稱行動計劃），是2013年6月中旬國務(wù)院常務(wù)會議通過的大氣污染防治十條措施的細(xì)化版，是繼2012年底環(huán)保部、發(fā)改委和財政部三部委聯(lián)合發(fā)布重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃之后

16、政策的再度加碼。 行動計劃被稱為“史上最嚴(yán)”大氣治理行動計劃，國務(wù)院將與各?。▍^(qū)、市）人民政府簽訂大氣污染防治目標(biāo)責(zé)任書，將目標(biāo)任務(wù)分解落實到地方人民政府和企業(yè)，將重點區(qū)域的細(xì)顆粒物指標(biāo)、非重點地區(qū)的可吸入顆粒物指標(biāo)作為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的約束性指標(biāo)，構(gòu)建以環(huán)境質(zhì)量改善為核心的目標(biāo)責(zé)任考核體系。 行動計劃明確了大氣污染防治的具體目標(biāo)，即到2017年，全國地級及以上城市可吸入顆粒物濃度比2012年下降10%以上，優(yōu)良天數(shù)逐年提高；京津冀、長三角、珠三角等區(qū)域細(xì)顆粒物濃度分別下降25%、20%、15%左右，其中北京市細(xì)顆粒物年均濃度控制在60微克/立方米左右。 珠三角區(qū)域到2017年后PM2.5濃度必須

17、下降15%，達(dá)到46.75微克/立方米。,行動計劃提出了十個方面的防治措施，其中，“調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)”被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為是“治污之本”。要求嚴(yán)格控制“兩高”行業(yè)新增產(chǎn)能，新、改、擴(kuò)建項目要實行產(chǎn)能等量或減量置換；進(jìn)一步提高環(huán)保、能耗、安全、質(zhì)量等標(biāo)準(zhǔn)，分區(qū)域明確落后產(chǎn)能淘汰任務(wù)，倒逼產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。能源結(jié)構(gòu)調(diào)整方面，行動計劃提出，控制煤炭消費總量，到2017年，煤炭占能源消費總量比重降低到65%以下；加快清潔能源替代利用，加大天然氣、煤制天然氣、煤層氣供應(yīng)；推進(jìn)煤炭清潔利用；提高能源使用效率。關(guān)于機(jī)動車污染控制，行動計劃要求北京、上海、廣州等特大城市嚴(yán)格限制機(jī)動車保有量。同時，國家將加快油品供應(yīng)，在2017年底前，全國供應(yīng)符合國家第五階段標(biāo)準(zhǔn)的車用汽、柴油。 環(huán)保部門還將與氣象部門合作建立重污染天氣監(jiān)測預(yù)警體系，要求到2014年，京津冀、長三角、珠三角區(qū)域要完成區(qū)域、省、市級重污染天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)，其