第3章 大氣污染氣象學(xué)

1、第三章 大氣污染氣象學(xué)大氣污染物傳輸和擴(kuò)散污染源本身特性氣象條件氣象條件 地面特征周圍地區(qū)建筑物分布 大氣科學(xué)大氣科學(xué) 大氣物理、化學(xué)大氣物理、化學(xué)大氣氣象學(xué)大氣氣象學(xué) 污染氣象學(xué)污染氣象學(xué) 氣象條件對(duì)污物的稀釋、氣象條件對(duì)污物的稀釋、擴(kuò)散作用擴(kuò)散作用污染物對(duì)氣象的影響污染物對(duì)氣象的影響主要主要內(nèi)容v1.大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素v2.大氣的熱力過程v3.大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)對(duì)流層平流層中間層暖層逸散層大氣圈的垂直結(jié)構(gòu)： 指氣象要素的垂直分布情況。氣溫氣壓大氣密度大氣成分氣溫集中了大氣質(zhì)量的3/4和全部的水蒸氣，主要天氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層溫度隨高度的增加而降低

2、，每升高100m平均降溫0.650C強(qiáng)烈對(duì)流作用溫度和濕度的水平分布不均對(duì)流層（對(duì)流層（10km左右左右）近地層：地面上近地層：地面上50100m，上下溫差大，上下溫差大大氣邊界層：對(duì)流層下層12km，地面阻滯和摩擦作用明顯自由大氣：大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素存在同溫層：對(duì)流層頂3540km，氣溫-550C左右同溫層以上，氣溫隨高度增加而增加，逆溫2025km：集中了大部分臭氧沒有對(duì)流運(yùn)動(dòng)，污染物停留時(shí)間很長(zhǎng)平流層（對(duì)流層頂平流層（對(duì)流層頂 50-55km ）中間層（平流層頂中間層（平流層頂85km）氣溫隨高度升高而迅速降低對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象

3、要素氣溫隨高度升高而增高氣體分子高度電離暖層（中間層頂暖層（中間層頂800km）散逸層散逸層 （暖層以上）（暖層以上）氣溫很高，空氣稀薄空氣粒子可以擺脫地球引力而散逸第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素大氣壓力的垂直分布大氣壓力的垂直分布: :u總是隨高度的升高而降低u均質(zhì)大氣層：8085km以下，成分基本不變大氣密度大氣密度: :和大氣壓強(qiáng)的變化規(guī)律幾乎相同。大氣成分的垂直分布大氣成分的垂直分布: :u主要取決于分子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散的強(qiáng)弱。u均質(zhì)層：8085km以下，湍流擴(kuò)散為主，大氣組成基本不變；u非均質(zhì)層： 分子擴(kuò)散為主。第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素二、 主要?dú)庀笠?氣溫氣溫天氣預(yù)報(bào)中：1.5m

4、高、百葉箱內(nèi)氣溫。oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo9325FC2 2氣壓氣壓?jiǎn)挝唬簡(jiǎn)挝唬簃b（毫巴）（毫巴） 大氣的壓強(qiáng)大氣的壓強(qiáng)1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素3氣濕氣濕 空氣中水汽含量的多少A、絕對(duì)濕度定義：1m3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量(kg)B、相對(duì)濕度空氣的絕對(duì)濕度與同溫度下飽和空氣的絕對(duì)濕度的百分比TRpwwwKkgJRw/4 .461計(jì)算式：由理想氣態(tài)方程可以得出：水汽的氣體常數(shù)水汽分壓空氣溫度%100VW飽和空氣的水汽分壓一定溫度下，當(dāng)空氣不可以容納更多的水汽時(shí)，

5、為飽和空氣飽和空氣 第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素C、含濕量定義：濕空氣中1kg干空氣包含的水汽質(zhì)量,比濕ddW定義式：干空氣的密度(kg干空氣/m3濕空氣)空氣的絕對(duì)濕度 (kg水汽/m3濕空氣)vvwdwwwddwwdpppRRpppRRpRpRd干空氣氣體常數(shù)：KkgJRd/0 .287622. 0wdRRvvppp622.0d工程上，空氣的含濕量定義為1標(biāo)準(zhǔn)立方米干空氣所包含的水氣質(zhì)量。單位kg水汽/m3干空氣，d0第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素（kg水汽/kg干空氣）相對(duì)量D、水汽體積分?jǐn)?shù)水汽在濕空氣中所占的體積分?jǐn)?shù)。E、露點(diǎn)在一定氣壓下，空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度。對(duì)于理想氣體，氣體體積

6、分?jǐn)?shù)等于其摩爾分?jǐn)?shù)，對(duì)于理想氣體，氣體體積分?jǐn)?shù)等于其摩爾分?jǐn)?shù)，則水汽的體積分?jǐn)?shù)表示為：則水汽的體積分?jǐn)?shù)表示為：dd00d804.0dd804.0dyNNvwwppppww0804.0804.0dppppppvvd0ddN3dm/kg293. 1N第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素此題中，如果空氣的相對(duì)濕度100，則此時(shí)空氣的露點(diǎn)為？第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素vvppp622.0dww0804.0dppp 4風(fēng)向和風(fēng)速風(fēng)向和風(fēng)速風(fēng)：風(fēng)：水平方向的空氣運(yùn)動(dòng)。水平方向的空氣運(yùn)動(dòng)。風(fēng)向：風(fēng)向：風(fēng)的來向。風(fēng)的來向。風(fēng)速：風(fēng)速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上運(yùn)動(dòng)距離。單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上運(yùn)動(dòng)距離。（2或或1

7、0min平均）平均）302. 3Fu F風(fēng)力級(jí)（風(fēng)力級(jí)（012級(jí)）級(jí)） (km/h)第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素風(fēng)對(duì)大氣污染的影響對(duì)污染物稀釋； 污染物排放源的下風(fēng)向地區(qū)污染較嚴(yán)重當(dāng)其他條件一樣時(shí)，下風(fēng)向任一點(diǎn)污染物濃度與風(fēng)速成反比第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素5云云大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云。天空被云遮蔽的成數(shù)（我國(guó)10分，國(guó)外8分）云量記錄：總云量作分子，低云量作分母10/7; 5/5; 7/2表示什么意思？云底距地面底高度。 低云（2500m以下） 中云（2500 5000m） 高云（5000m以上） 第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素反應(yīng)大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，預(yù)示天氣變化使氣溫隨高度變化減小云高:云量

8、:第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素低云低云2500米以下）米以下）中云中云2500-5000m高云高云5000m以上）以上）6能見度 正常視力的人，在天空背景下能看清的水平距離。 級(jí)別（09級(jí)，相應(yīng)距離為5050000米） 第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素沙塵暴發(fā)生時(shí)的能見度屬于什么樣的等級(jí)？第二節(jié) 大氣的熱力過程u太陽以紫外線、可見光、紅外線的形式輻射熱量u太陽輻射加熱地球表面u地面長(zhǎng)波輻射加熱大氣u近地層大氣溫度隨地表溫度變化：自下而上被加熱，自下而上被冷卻一、太陽、大氣和地面的熱交換二、氣溫的垂直變化1、大氣的絕熱過程與泊松方程空氣塊的溫度變化要比與外界熱交換引起的溫度變化大得多，一般可以將沒有

9、水相變化的空氣塊的垂直運(yùn)動(dòng)看作絕熱過程。大氣的絕熱過程：空氣塊作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)與周圍空氣不發(fā)生熱量交換，這樣的狀態(tài)變化過程稱大氣的絕熱過程。實(shí)際上： 空氣塊空氣塊膨脹膨脹(對(duì)外做功對(duì)外做功)內(nèi)能內(nèi)能TT空氣塊空氣塊壓縮壓縮(外氣做功外氣做功)內(nèi)能內(nèi)能定性：定性：pp第二節(jié) 大氣的熱力過程 熱力學(xué)第一定律：熱力學(xué)第一定律： 絕熱過程：絕熱過程：dQ0 則有：則有：ddpTRpTCpPdRTdCdPTpQ干空氣的定壓比熱，干空氣的定壓比熱，Cp1005J/kg. k干空氣的氣體常數(shù)干空氣的氣體常數(shù)R287.0J/kg. k 泊泊 松松 方方 程程0.288000()()pRCTPPTPP 泊泊 松松

10、方方 程程0.288000()()pRCTPPTPP升降前（升降前（T0、P0）升降后（升降后（T、P）絕熱過程中氣溫的變化完全由氣壓變化引起。絕熱過程中氣溫的變化完全由氣壓變化引起。泊松方程：泊松方程：第二節(jié) 大氣的熱力過程定量：定量：積分積分2 2、氣溫直減率、氣溫直減率定義：?jiǎn)挝桓叨龋ㄍǔ?00m）氣溫的變化值。定義式：3 3、干空氣溫度絕熱垂直遞減率（、干空氣溫度絕熱垂直遞減率（ 干絕熱直減率）干絕熱直減率） 定義：干空氣塊（包括未飽和的濕空氣塊）絕熱上升或下降單位高度（通常100m）時(shí)，溫度降低或升高的數(shù)值。 Tzddd iTz（大氣）ddpTRpTCp （空氣團(tuán)） m10098.

11、0100581. 9gddpZidKCT通常取通常取d1K/100m意義意義？第二節(jié) 大氣的熱力過程nRTpVgzp, 04 4、 位溫位溫定義：干空氣絕熱升降到標(biāo)準(zhǔn)氣壓（1000hPa）處所具有的溫度稱它的位溫。泊泊松松方方程程0.288000()()pRCTPPTPP泊泊松松方方程程0.288000()()pRCTPPTPPpp/00/0010001000CRCRPTPT第二節(jié) 大氣的熱力過程5 5、氣溫的垂直分布溫度層結(jié)、氣溫的垂直分布溫度層結(jié)Tz d0，正正常常分分布布層層結(jié)結(jié)，中中性性層層結(jié)結(jié)（絕絕熱熱直直減減率率）0，等等溫溫層層結(jié)結(jié)0，正正常常分分布布層層結(jié)結(jié)，中中性性層層結(jié)結(jié)（

12、絕絕熱熱直直減減率率）0，等等溫溫層層結(jié)結(jié)0,a0不不穩(wěn)穩(wěn)定定0,a0穩(wěn)穩(wěn)定定中中性性層層0，a=0中中性性穩(wěn)穩(wěn)定定層層0， a0,a0不不穩(wěn)穩(wěn)定定0,a0穩(wěn)穩(wěn)定定中中性性層層0，a=0中中性性穩(wěn)穩(wěn)定定層層0， a0逆逆溫溫，非非常常穩(wěn)穩(wěn)定定大氣穩(wěn)定度判據(jù)：第二節(jié) 大氣的熱力過程ttitit四、逆溫u具有逆溫的大氣層是具有逆溫的大氣層是強(qiáng)穩(wěn)定強(qiáng)穩(wěn)定的大氣層。的大氣層。u屬于穩(wěn)定層，屬于穩(wěn)定層，不利于擴(kuò)散不利于擴(kuò)散，可能造成嚴(yán)重污染。，可能造成嚴(yán)重污染。u也叫阻擋層，阻礙氣流的垂直運(yùn)動(dòng)。也叫阻擋層，阻礙氣流的垂直運(yùn)動(dòng)。u分類：輻射逆溫，下沉逆溫分類：輻射逆溫，下沉逆溫 ，平流逆溫，湍流逆溫，平流

13、逆溫，湍流逆溫，鋒面逆溫鋒面逆溫第二節(jié) 大氣的熱力過程溫度隨高度的增加而增加的大氣層為逆溫層。溫度隨高度的增加而增加的大氣層為逆溫層。生消過程生消過程第二節(jié) 大氣的熱力過程地面強(qiáng)烈輻射冷卻形成。 地面白天加熱，大氣自下而上變暖； 地面夜間變冷，大氣自下而上冷卻1、輻射逆溫：、輻射逆溫：形成原因形成原因下午日落前1h黎明日出10a.m.輻射逆溫在陸地上常年可見，冬季最強(qiáng)2、下沉逆溫、下沉逆溫空氣下沉壓縮增溫形成?？諝庀鲁翂嚎s增溫形成。第二節(jié) 大氣的熱力過程形成原因：形成原因： 很厚的氣很厚的氣層下沉層下沉 壓縮變扁壓縮變扁頂部增溫比底部多頂部增溫比底部多氣壓增大氣壓增大下沉逆溫不接地，多發(fā)生在高

14、空大氣中。3.平流逆溫平流逆溫暖空氣平流到冷地面上，其下部降溫而形成。暖空氣平流到冷地面上，其下部降溫而形成。低層空氣受地面影響大，降溫多；低層空氣受地面影響大，降溫多；上層空氣降溫少。上層空氣降溫少。4.湍流逆溫湍流逆溫由低層空氣的湍流混合形成。由低層空氣的湍流混合形成。形成過程：形成過程：第二節(jié) 大氣的熱力過程形成原因：形成原因：形成原因：形成原因：下層湍流混合達(dá)d上層逆溫5.鋒面逆溫鋒面逆溫 冷、暖氣團(tuán)相遇冷、暖氣團(tuán)相遇冷暖間逆溫冷暖間逆溫暖氣上爬，形成鋒面暖氣上爬，形成鋒面形成原因：形成原因：第二節(jié) 大氣的熱力過程五、煙流型與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系 v波浪型（不穩(wěn)）v錐型（中性or弱穩(wěn)）v扇

15、型（逆溫）v爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）v漫煙型（上逆、下不穩(wěn)） 第二節(jié) 大氣的熱力過程與d關(guān)系大氣穩(wěn)定情況污染情況【思考】在風(fēng)速大致相同，而氣溫垂直分布的A、B、C、D四種情況中，最有利于某工廠68米高的煙囪灰塵擴(kuò)散的是 : 20m 40m 60m 80m 100m A 16.3 16.6 16.8 17.0 17.1 B 21.0 21.0 20.9 20.9 21.0 C 20.9 20.8 20.6 20.2 20.0 D 15.2 14.8 14.7 14.9 15.2 第三節(jié) 大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)一、引起大氣運(yùn)動(dòng)的作用力直接作用力直接作用力重力重力水平氣壓梯度力水平氣壓梯度力（垂直上與重力基本

16、（垂直上與重力基本平衡）平衡）間接作用力間接作用力 地轉(zhuǎn)偏向力（相對(duì)運(yùn)動(dòng)：方向改變地轉(zhuǎn)偏向力（相對(duì)運(yùn)動(dòng)：方向改變 慣性離心力（大氣曲線運(yùn)動(dòng)：很小）慣性離心力（大氣曲線運(yùn)動(dòng)：很?。┠Σ亮Γń啬Σ亮Γń? 12km2km內(nèi)明顯）內(nèi)明顯） 水平氣壓梯度力是引起大氣運(yùn)動(dòng)的直接動(dòng)力。水平氣壓梯度力是引起大氣運(yùn)動(dòng)的直接動(dòng)力。二、近地層風(fēng)速廓線模式平均風(fēng)速隨高度變化曲線。平均風(fēng)速隨高度變化曲線。近地層風(fēng)速廓線模式：1 1、對(duì)數(shù)律、對(duì)數(shù)律*0lnuZukZ0z*uu高度高度Z處的平均風(fēng)速處的平均風(fēng)速摩擦速度摩擦速度K 卡門常數(shù)，常取卡門常數(shù)，常取0.4地面粗糙度地面粗糙度適用于中性層結(jié)適用于中性層結(jié)第三節(jié)

17、 大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)風(fēng)速廓線定義：2、指數(shù)律、指數(shù)律11()mZuuZm ：穩(wěn)定度參數(shù)：穩(wěn)定度參數(shù)在中性層結(jié)條件下，指數(shù)律模式不如對(duì)數(shù)律模式準(zhǔn)確。但指數(shù)律在中性條件下，能較滿意地應(yīng)用于300一500 m的氣層，而且在非中性條件下應(yīng)用也較為準(zhǔn)確和方便。第三節(jié) 大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)四、地方性風(fēng)場(chǎng)1海陸風(fēng) u陸風(fēng)是海風(fēng)和陸風(fēng)的總稱。它發(fā)生在海陸交界地帶。u白天海風(fēng)u夜晚陸風(fēng)第三節(jié) 大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)2 2山谷風(fēng)山谷風(fēng)u它主要是由于山坡和谷地受熱不均而產(chǎn)生。u白天谷風(fēng)，夜晚山風(fēng)第三節(jié) 大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)3 3城市熱島環(huán)流城市熱島環(huán)流城市熱島環(huán)流是由城鄉(xiāng)溫度差引起的局地風(fēng)。城市人口密集、工業(yè)集中，使得能耗水平高；城市的覆蓋物熱容量大，白天吸收太陽輻射熱，夜間放 熱緩侵，使低層空氣冷卻較緩；城市正空籠罩著一層煙霧和二氧化碳，使地面有效輻射減弱。夜間污染物向城市還是鄉(xiāng)村輸送？第三節(jié) 大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng) 思考題1、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)分哪幾層？全部的水蒸氣在其中哪一層？主要天氣現(xiàn)象發(fā)生在哪一層？臭氧集中在哪層？2、絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、比濕、露點(diǎn)的概念？3、氣溫直減率和干絕熱直減率的概念？氣溫直減率和干絕熱直減率的概念？4、舍什么是大氣穩(wěn)定度？如何判斷定性和定量大氣穩(wěn)定度？、舍什么是大氣穩(wěn)定度？如何判斷定性