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边界层中的风及其随高度的变化 |
发布时间:2019-12-30 |
风速主要起水平输送作用。从烟囱排出的污染物,不断地被带向下风方,风愈大稀释愈快。如果别的条件一样,则下风向的任何一点上的浓度与风速成反比。从江苏省气象科研所和南京市卫生防疫站在南京观测到的数据中,可看出, 夏季风速最大,日平均浓度出现最低值,冬季风速小,而出现日平均浓度的最高值。 风速的这种水平输送扩散作用,从地面到任何高度都是至关重要的,因此,研究风速在边界层内的垂直分布,已成为人们所关心的问题。不仅如此,为了能够方便地利用地面常规气象观测中的风速资料,推断各高度的风速分布状况, 硏究风速的垂直分布规律也是十分重要的。 下面简单地介绍一下这方面的知识。 (1)中性层结时平均风速的垂直分布在低层大气里, 风速随高度的变化与地面粗糙度有关,贴近地面的空气质点流速很小,甚至接近于零。往上去风速随高度迅速增大,由上节讨论可看出,风速随高度的分布也与低层大气的层结伏况密切相关,层结不稳定时将促使湍流发展,层结稳定时则将抑制扰动。因此,近地面层风速廓线的公式中主要考虑的因子就是地面粗糙度和大气层结。下垫面不同,大气层结状况不同,所得出的风速廓线方程也不同。在这方面前人巳做了很多理论工作。 如果是平坦开阔地区,大气层结呈中性状态,则近地层 风速垂直分布采用对数律可得到满意的结果。 如果不是平坦地区,植物复盖高度不只是几厘米,而是 较高的植物,例如谷类作物或树木,这时风速廓线就变得复 杂了。某些情况下则很难用数学公式来表达。 近地层风速的日变化和季节变化掌握近地面层风速的日、季变化规律,对于调配燃料,减少有害物质和有毒气体的排放、控制污染是十分有益的。太阳辐射强度和太阳 髙度的变化引起近地面层温度梯度发生急剧的变化,从而引起湍流动量交换的日变化,致使近地面层风速有一定的曰变 化和季节变化。 广州电视塔上测得的春、夏、秋、冬各季 在五个不同高度上的风速日变化。 在一昼夜内风速明显地有最大和最小值,低层最大值出现在白天,最小值在清晨;30米高度上的最大值,秋、冬出现在中午前后,春、夏在下午。这种白天出现明显最大值的风速日变化特征,是近地面风速日变化的一般型式。然而愈到高处,白天出现最大风速的现象就越不 明显。到达一定高度后,风速最大值出现在夜间〈20点左:. 右〉,而中午前后风速却变成最小值。这种特征是高层风速: 日变化的一般型式。风速日变化不同型式的转变高度比较复杂,夏季发生在100米左右,而冬季要低一些,大致在50米高的气层内。出现这种风速日变化不同型式的现象决非偶 然,它直接成因于湍流交换口变化。日出后,下垫面开始迅^ 速增暖,大气中的对流和湍流发展,逆温遭到破坏,扰动作 用就发生和加强,造成了动量向下输送,中午前后达到最大强度,使得铅直方向包括风速在内的各种大气性质趋于均匀。因此,减小了高层风速而加大了低层风速,风速随高度的变化减少。日落后,扰动作用减弱,‘上下层之间的联系也. 棺应减弱,贴地面层由于地面摩擦,风速迅速减弱,而高层由于减少了动量下传,风速逐渐回升加大,从而使得风速随; 高度明显增加。 大面积水域上低层风速的日变化与陆地恰好相反。由渤 侮观测资料证实,海上最大平均风速发生在夜间,最小则在 白天。象这种海陆低层大气风速日变化相反的情况,显然是 由于下垫面辐射性质不同造成的。 近海面低层大气的风速廓线也取决于热力因子——大气 层结状态;动力因子——海面波浪的状态。 海面的粗糙度取决于不断变化运动着的波浪,而波浪的 状况又取决于海流、水深及外围风速、风向等。因此,海面粗糙度比陆地复杂得多。 |