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说说“污染气象学”(4)---- 混合层厚度 精选

已有 10252 次阅读 2014-1-20 11:23 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:污染气象学,混合层,厚度| 厚度, 污染气象学, 混合层

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(Mixing Layer)”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- Planetary Boundary Layer)”。该层以上则称为“自由大气(Free Atmosphere)”。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。

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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。



http://blog.sciencenet.cn/blog-609047-760675.html

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