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澄清有关逆温层和混合层的两张图

已有 731 次阅读 2020-3-5 12:32 |个人分类:灰霾|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 混合层, 逆温层, 科普

在我2017122日博文中,有两张有关逆温层和混合层的图,发现前天被毛小平老师博文借用http://blog.sciencenet.cn/blog-2367565-1221489.html  。没有征求我同意,没有注明原图的出处,还擅自切除了第一张图的一条横坐标轴,遗漏了原图展示的部分重要信息。并且在对图中显示的逆温层/混合层的解释有错,说明他并不懂得逆温层和混合层是什么,怎样发生的。 

这两张图直观形象地展示了逆温层和混合层的概念和位置,对媒体、政府人员和专业人士理解、分析和解释重霾污染时的不利气象条件有重要参考价值。下面就把这两张图再展示一下,详细介绍一下,供各位网友参考。 

我原博文是评论今天科学网新闻谜雾追踪 http://blog.sciencenet.cn/blog-609047-1087905.html。当时有新闻说会在位于北京市马甸北的300米高铁塔上开展空气污染和气象参数的垂直观测。我用这两张图说明垂直观测能做什么,支持这一好消息。按惯例我注明了图片来自原版书:“John H. Seinfeld, Air Pollution: Physical and Chemical Fundamentals, McGraw-Hill, 1975”以示感谢。引用的两张图在该书第122页和123页,除在原图上加注中文词和几个彩色图标外,没做其他改动。第一张图是:

这张图是196639日美国东部时间早上7:38纽约市炮台公园的测量结果。垂直坐标是高度,下面是两个横坐标:气温以摄氏温度表示,SO2单位用ppmppm是空气污染物的一种体积浓度单位,指百万分之一,和质量浓度单位μg/m3的换算方法是:

浓度(μg/m3= 分子量 x 浓度(ppm/0.0245

SO2的分子量是64.0638,因此1 ppm 相当于2614.8μg/m3,或2.6148mg/m3。再下面是图题:196639日美国东部时间7:38在纽约市炮台公园(Battery Park)观测的气温和SO2浓度的垂直分布。(毛小平介绍电池公园就错了) 

左侧弯曲的粗实线是SO2浓度,延伸到右侧该曲线被截断。是浓度在400米高度附近太高,超过了设定的极限(Off scale)。从横坐标看,峰值SO2浓度超过1 ppm相当多了。由此可见当日纽约市曾遭受相当严重的SO2污染。即使在地面附近,也将近1000μg/m3了。查纽约空气污染,196611月曾遭受严重烟雾污染事件,致死168(Derek M. Elsom, Atmospheric Pollution–A Global Problem, Table 2.1, p26,Blackwell Publishers,2nd edition, 1992)。可见上图测得的情况可信。同时,图中也展示了因为逆温层比较低,混合层比较薄,SO2污染受到压制,在混合层内形成高浓度。写到这里,请想想:这是50多年前的事啊,美国纽约已经进行这样的垂直观测了。面对近代的重霾污染,我们的专业队伍为什么不做做类似研究工作? 

毛小平随意地切除了图下面的SO2横坐标和英文图题,就损失了当时纽约烟雾污染状况的信息。 

图中气温垂直分布是中间的虚线,右侧较长的直斜点划线表示干绝热直减率Г~Dry adiabatic lapse rate),即干空气绝热上升时,随高度增加1公里(km),正常情况下计算得到应降温9.8度,即:

画这条斜线是用来和实测气温垂直分布曲线做比较,确认从热力学角度看的大气稳定状态(动力学角度的影响主要指风速垂直“梯度”,但通常热力学影响更大)。如果实际气温随高度下降率超过Г,空气就处于不稳定状态;相同,是中性状态;下降较少(包括气温不变,或气温反而升高~逆温)为稳定状态。逆温则指气温随高度上升不变或反而上升的情况,即处于强稳定状态。图中间实际气温曲线(虚线)大致分成三个区,相应于左侧纵坐标轴上的400m500m的分界。从地面到400m之间,虚曲线中间那条细的虚实线,代表400m以下实际气温以这条虚实线的斜率随高度升高降温。但和右侧代表干绝热直减率斜直线比较,降温程度较低,似乎处于弱稳定状态。但实际情况不能那样判定,因为应当同时考虑湿度情况。在发生图中天气状况时,往往湿度比较高。应当比较湿绝热直减率,当相对湿度在90%左右时,可以算得这个数值是6.5 度。所以图中展示的混合层(地面起到400米)内,空气处于中性弱不稳定状态。气温曲线的第二段即图示高度400m500m之间的薄层。这段实测虚曲线是随高度增加气温上升,因此是逆温层,是强稳定状态。再上面气温变化接近正常情况了。此外,逆温层可以在地面以上各个高度发生,也可以存在几个逆温层。如果从地面起就逆温了,就是接地逆温,常见于冬季降温时晴好早晨。如果如上图,逆温发生在400m500m之间,就是低空逆温混合层永远起自地面,因为指的是污染物输送的物质边界层

漏了一点:图中右上角标了个平均风速,2-3m/s。没有其他说明,但风速在垂直方向变化很大的,因此只可能是地面(10米高处)测得的风速。 

有意思的是,我们当前重霾污染遇到的天气情况常和上图相似,常听说不利的静穏扩散条件。其实是对的,因为平均风速小,常是1~2级风。但却错了:扩散是空气的混乱运动造成,混乱程度由稳定状态决定。例如上图中,逆温层内才是强稳定,空气难以在垂直方向波动,因此SO2的扩散被限制在逆温层底部以下,逆温层犹如混合层的上盖。所以在地面附近的混合层内,是静而中性静而弱不稳定的扩散条件。参阅我20161217日博文北京第一高楼中国尊楼上拍雾霾~看混合层 http://blog.sciencenet.cn/blog-609047-1021286.html 其中记者探出身体的地方,才是稳定的逆温层内。下面雾霾层里,昏乎乎的,混合(扩散)得不错啊,哪来的稳定 

空气污染物的传输主要分平流输送湍流扩散两个过程(不讨论重力沉降、湿沉降、干沉积和其他物理化学过程)。平流指平均风的输送,如气象台站测定的风速风向。但这种平均风沿高度是变化的(梯度)。按照粘性流体力学假设,地面平均风永远为零,平时说的地面风指的是地面气象台在10米(规定)高处测定的。平均风会随高度增大和转向(发生风的梯度)。湍流则指相对于平均风,空气活动的杂乱无章部分,导致污染物相对于平均位置扩散,扩散能力则由稳定状态决定,对应前面说到参照气温上升情况的稳定/中性/不稳定状态。 

毛小平老师借用了这张图,但除了介绍我的意见时文字里出现过两处混合层,全文只有逆温层,及其顶界底界,没拿混合层当回事(说只是逆温层上升了)。可见他并不了解混合层的发生原因和过程。

 

第二张图是美国俄亥俄州辛辛那提市市区及其郊野1967613日日出时分,上空气温(华氏温度)的分布和逆温层、混合层位置。


前图是关于一个地点气温和SO2浓度垂直分布随时间的变化。这第二张图的要点则揭示了一个地区气温垂直变化在一个复杂地形地区上空的分布,以及因此得到的逆温层和混合层高度随地点的变化。图中辛辛那提市区在一个谷底,风从右侧过来,因此城市热烟流被吹向右侧。原版书上关于此图的说明在另一页上,是:Figure 3.9 shows a cross section of Cincinnati, Ohio, based on special temperature measurements made near sunrise following a nearly cloudless summer night. The cross section is oriented along the wind direction, roughly from west- southwest on the left to east-northeast on the right. Thin lines are isotherms (F), and the heavy lines denote the base of a temperature inversion. On the left side of the figure, in rural Kentucky, the inversion is ground based, with the temperature increasing from 67 F near the ground to 77 F at the top of the inversion, 400 ft above the surface. Moving down the hill to the urbanized area, the ground- based inversion is replaced by an unstable superadiabatic layer about 200 ft deep. A weak inversion develops again downwind of Cincinnati. We can see what might be called “urban heat plume.” Over downtown Cincinnati, pollutants emitted at ground level would be trapped below the main inversion. 

这张图十分形象生动地展示了当地当日逆温层和混合层发生过程的复杂情况。从图示和文字说明可见,辛辛那提市区在一个谷底,郊区是丘陵地区,风从左侧来。前一日是晴好天气,晚上地面向空中发散热量,造成地面温度偏低,风速也较小,夜晚居民活动较少,城市热岛效应较弱,因此发生比较深厚的接地逆温(大范围,地面到1200米左右)。早晨起来,阳光开始普照,但居民活动增强很多,因此城区逆温层底部升温较快,那里逆温被破坏,底部抬高。出现混合层,而且混合层增厚(如图所示约200英尺多些,大概厚100米)。这一结构在左侧“盛行风”的带动下,向下风向(图右侧)发展,即“城市热烟流”,那里另有一个弱接地逆温。 

毛小平老师借用此图后,文字中并没有具体应用。只看到一句一般逆温层底界在0-1200可能与此相关。毛老师在博文中还借用了我上一篇博文中,以西城官园春节几天严重雾霾时PM2.5小时浓度曲线图,目的只是说24日深夜有PM2.5浓度在一小时里突然上升的现象。然后再借用李峰等人2012年在北京延庆观测风场垂直分布随时间变化的风矢量图,旨在说明污染不能在一小时内突然上升。不说其他问题,毛老师没有注意到这张风矢量图指是在雾霾消失时段,借用我的图指的是在雾霾加重时段,怎样比较?文中又说“毕竟同一片天空,气象条件差不多,显然不重视污染气象形势的地域变化。 

对毛老师说,引用他人图表应当看目的,征求同意,引用时注意尊重原作者。

希望本博文能起到关于逆温层和混合层的科普作用。




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2 赵建民 刘炜

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