大氣污染控制工程_第三章_大氣污染氣象學

1、大氣污染控制工程(AIR POLLUTION CONTROL ENGINEERING)第三章 大氣污染氣象學n大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素 n大氣熱力過程 n大氣的運動和風n理解氣象學基礎知識建議學時數(shù)：2學時污染源污染源大氣中遷移、擴散大氣中遷移、擴散 受體受體氣象條件氣象條件風向、風速風向、風速大氣湍流大氣湍流氣溫垂直分布氣溫垂直分布大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度SourcesTransportsSinks人群人群其他生物體其他生物體工業(yè)工業(yè)交通交通生活生活大氣污染系統(tǒng)與途徑大氣污染系統(tǒng)與途徑問題：問題：為什么同一地區(qū)大氣污染存在季節(jié)性為什么同一地區(qū)大氣污染存在季節(jié)性(天天)差異？差異？第三章 大氣污染氣象

2、學大氣科學大氣科學大氣物理、化學大氣物理、化學大氣氣象學大氣氣象學污染氣象學污染氣象學環(huán)境科學環(huán)境科學(1)各種氣象條件對大氣污染物的傳輸與擴散作用各種氣象條件對大氣污染物的傳輸與擴散作用 (2)大氣污染物質(zhì)對天氣和氣候的影響大氣污染物質(zhì)對天氣和氣候的影響 Meteorology for Air Pollution 大氣污染氣象學大氣污染氣象學研究大氣運動與大氣中污染物相互研究大氣運動與大氣中污染物相互作用的學科作用的學科污染氣象學的發(fā)展簡史污染氣象學的發(fā)展簡史第三章 大氣污染氣象學教學內(nèi)容：第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素第二節(jié) 大氣的熱力過程第三節(jié) 大氣的運動和風第三章第三章 大氣污染氣象學大

3、氣污染氣象學 l 一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)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，每升高100m平均降溫0.650C強烈對流作用溫度和濕度的水平分布不均對流層下層12km，地面阻滯和摩擦作用明顯,氣溫日變化明顯大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略對流層（對流層（10km10km左右）左右）一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)1 大氣邊界層特征大氣邊界層特征同溫層對流層頂35-40km，氣溫-55左右同溫層同溫層以上，氣溫隨高度增加而增加，氣溫隨高度增加而增加集中了大部分臭氧集中了大部分臭氧沒有對流運動，污染物停留時間很長沒有對流運動，污染

4、物停留時間很長氣溫隨高度升高而迅速降低氣溫隨高度升高而迅速降低對流運動強烈對流運動強烈平流層（對流層頂平流層（對流層頂50-55km50-55km）中間層（平流層頂中間層（平流層頂85km85km）一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)氣溫隨高度升高而增高氣溫隨高度升高而增高氣體分子高度電離電離層氣體分子高度電離電離層氣溫很高，空氣稀薄氣溫很高，空氣稀薄空氣粒子可以擺脫地球引力而散逸空氣粒子可以擺脫地球引力而散逸暖層（中間層頂暖層（中間層頂800km800km）散逸層（暖層以上散逸層（暖層以上) ) 大氣壓力總是隨高度的升高而降低大氣壓力總是隨高度的升高而降低 均質(zhì)大氣層均質(zhì)大氣層: 80: 8

5、085km85km以下，大氣成分基本不變以下，大氣成分基本不變一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)臭氧 吸收300平流層頂（+ ）（- ）平流層對流層對流層頂散逸層（+ ）（- ）（+ ）熱成層電離層中間層中間層頂200250絕對溫度（K ）50030007080506020409030040020010001030高 度 （ km ）高度（k m ）高度(km)每升高每升高100m，氣溫降低氣溫降低0.65 N2O2ArCO2NeHeKrH2XeO3越往上氧、氦等氣體的原子態(tài)越多越往上氧、氦等氣體的原子態(tài)越多紫外線的強烈照紫外線的強烈照射，射，N2和和O2產(chǎn)生產(chǎn)生不同程度的離解不同程度的離解

6、一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)大氣氣壓場分布大氣水汽分布l 氣溫氣溫l 氣壓氣壓l 氣濕氣濕l 風向風向l 風速風速l 云況云況l 能見度能見度二、主要氣象要素二、主要氣象要素天氣預報中：天氣預報中：1.5m1.5m高、百葉箱內(nèi)氣溫。高、百葉箱內(nèi)氣溫。 oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo9325FC二、主要氣象要素二、主要氣象要素1 1、氣、氣 溫溫 單位：mb（毫巴） 大氣的壓強： 1at101326Pa1013.26mmb = 760mmHg 靜力學方程: gzP二、主要氣象要素二、主要氣象要素2 2、氣、氣 壓壓1m1m

7、3 3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量濕空氣中含有的水汽質(zhì)量空氣的絕對濕度與同溫度下飽和空氣的空氣的絕對濕度與同溫度下飽和空氣的絕對濕度的百分比絕對濕度的百分比濕空氣中濕空氣中1kg1kg干空氣包含的水汽質(zhì)量干空氣包含的水汽質(zhì)量水汽在濕空氣中所占的體積分數(shù)水汽在濕空氣中所占的體積分數(shù)一定氣壓下空氣達到飽和狀態(tài)時的溫度一定氣壓下空氣達到飽和狀態(tài)時的溫度二、主要氣象要素二、主要氣象要素3 3、氣、氣 濕濕p風：水平方向的空氣運動叫做風（垂直方向為升降氣流）風：水平方向的空氣運動叫做風（垂直方向為升降氣流）p風向：風的來向叫風向（風向：風的來向叫風向（1616個方位圓周等分）個方位圓周等分）p風速：單位時間內(nèi)

8、空氣在水平方向上運動距離（風速：單位時間內(nèi)空氣在水平方向上運動距離（2 2或或10min10min平均值）平均值） (km/h)(km/h) F F風力級（風力級（0 01212級）級） 302.3Fu 二、主要氣象要素二、主要氣象要素4 4、風向、風速、風向、風速風玫瑰圖風玫瑰圖 風玫瑰圖 風向 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW C 冬季 12.610.48.2114.93.82.72.74.99.95.52.71.10.55.56.66.6 春季 9.868.74.95.42.71.68.210.915.28.20.52

9、.23.36.54.31.6 夏季 6.58.29.810.33.34.94.39.216.310.35.42.20.51.60.51.64.9 秋季 9.99.96.68.21.61.62.24.912.19.910.43.32.22.73.81.68.8 全年 10.0 9.0 8.0 9.0 4.0 3.0 3.0 6.0 11.0 11.0 7.0 2.0 2.0 2.0 4.0 4.0 5.0 某城市年及各季風向頻率某城市年及各季風向頻率 風玫瑰圖制作方法：風玫瑰圖制作方法：做一個極坐標（做一個極坐標（16位，位，8位）；位）；將觀測的風頻按一定比例點在相對應方位的一定線段；將觀測的

10、風頻按一定比例點在相對應方位的一定線段；將各點用折線連接起來；將各點用折線連接起來；將靜風頻率記在圖的中心。將靜風頻率記在圖的中心。051015 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW 冬季靜風：6.6%主導風向：N，12.6%風玫瑰圖風玫瑰圖某城市年及各季風向頻率某城市年及各季風向頻率 風向 N NNE NE ENE E ESE SE SSE 冬季 12.610.48.2114.93.82.72.7春季 9.868.74.95.42.71.68.2夏季 6.58.29.810.33.34.94.39.2秋季 9.99.96.68

11、.21.61.62.24.9全年 10.0 9.0 8.0 9.0 4.0 3.0 3.0 6.0 風向 S SSW SW WSW W WNW NW NNW C冬季 4.99.95.52.71.10.55.56.66.6春季 10.915.28.20.52.23.36.54.31.6夏季 16.310.35.42.20.51.60.51.64.9秋季 12.19.910.43.32.22.73.81.68.8全年 11.0 11.0 7.0 2.0 2.0 2.0 4.0 4.0 5.0 課堂練習：制作風玫瑰圖課堂練習：制作風玫瑰圖風向風向 N NE E SE S SW W NW 合計合計 風

12、向頻率風向頻率 10 8 9 17 12 20 17 7 100 風速風速(m/s) 4.0 7.2 4.7 3.9 4.8 2.2 3.6 5.1 污染系數(shù)污染系數(shù) 2.5 1.1 1.9 4.4 2.5 9.1 4.7 1.4 27.6 污染系數(shù)百分率污染系數(shù)百分率 9 4 7 16 9 33 16 6 100 某城市污染系數(shù)表某城市污染系數(shù)表新建工廠應建在市區(qū)的東北新建工廠應建在市區(qū)的東北(NE)方向上，有利于大氣污染向市區(qū)外部擴散。方向上，有利于大氣污染向市區(qū)外部擴散。p云：大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云（使氣溫隨高度變化?。┰疲捍髿庵兴哪Y(jié)現(xiàn)象叫做云（使氣溫隨高度變化?。﹑云量云量:

13、 : 天空被云遮蔽的成數(shù)（我國天空被云遮蔽的成數(shù)（我國1010分，國外分，國外8 8分）分）p云高云高: : 云底距地面底高度云底距地面底高度p云量的記錄：以總云量云量的記錄：以總云量/低云量的形式記錄，如低云量的形式記錄，如10/7 l低云（低云（2500m2500m以下）以下）l中云（中云（250025005000m5000m）l高云（高云（5000m5000m以上）以上）二、主要氣象要素二、主要氣象要素5 5、云、云云 高云（高云（5000m5000m以上）以上）中云（中云（2500-5000m2500-5000m）低云（低云（25002500米以下）米以下）p正常視力的人，在天空背景下

14、能看清的最大水平距離正常視力的人，在天空背景下能看清的最大水平距離p 級別（級別（0-90-9級，相應距離為級，相應距離為50505000050000米）米） 二、主要氣象要素二、主要氣象要素5 5、能見度、能見度第三章 大氣污染氣象學教學內(nèi)容：第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素第二節(jié) 大氣的熱力過程第三節(jié) 大氣的運動和風第三章第三章 大氣污染氣象學大氣污染氣象學一、太陽、大氣和地面的熱變換一、太陽、大氣和地面的熱變換溫室效應溫室效應一、太陽、大氣和地面的熱變換一、太陽、大氣和地面的熱變換（1）熱力學第一定律大氣中的熱力學過程遵循熱力學第一定律，即能量守恒定律。表示加于任一封閉物系（氣體）的熱量等于

15、該物系內(nèi)能的變化和物系對外所做的功，即：在無非膨脹功時，其微分表達式為：將狀態(tài)方程 代入上式，并取 ， 則上式寫成 變形為： 式中：dQ加入物系的熱量； R氣體常數(shù)； Cp恒壓比第三章第三章 大氣污染氣象學大氣污染氣象學二、氣溫的垂直變化二、氣溫的垂直變化1 1、大氣的絕熱過程與泊松方程、大氣的絕熱過程與泊松方程WUQPdVdTCdQvPdPRTdTCdQpPdPCRTCdQdTppRTPV RCCvp第三章第三章 大氣污染氣象學大氣污染氣象學二、氣溫的垂直變化二、氣溫的垂直變化1 1、大氣的絕熱過程與泊松方程、大氣的絕熱過程與泊松方程（2）大氣絕熱過程氣塊在大氣中的運動近似認為是絕熱變化。原

16、因：空氣的導熱率較小，變化慢； 氣塊大氣中運動很快； 氣壓變化很大。大氣的絕熱方程： 絕熱： PdPCRTCdQdTpp0QPdPCRTdTP將 變?yōu)閮蛇叿e分，得即有：因CP - CV = R 又 CP/CV = K，對于空氣K=1.404于是得大氣絕熱方程：這就是絕熱方程，亦稱泊松（Poisson）方程。1212lnlnPPCRTTPPCRPPTT1212288. 01211212PPPPTTKK定義：干空氣塊（包括未飽和的濕空氣塊）上升或下降單位高度（通常取100m）時，溫度降低或升高的數(shù)值，稱為干空氣溫度絕熱垂直遞減率，簡稱干絕熱直減率。表示方法：定義式：第三章第三章 大氣污染氣象學大氣

17、污染氣象學二、氣溫的垂直變化二、氣溫的垂直變化2 2、干絕熱直減率、干絕熱直減率dPdCgdZdTdZdT推導：根據(jù)熱力第一定律，導出絕熱過程方程式為： 又氣壓隨高度變化規(guī)律： 又理想氣體狀態(tài)方程： 第三章第三章 大氣污染氣象學大氣污染氣象學二、氣溫的垂直變化二、氣溫的垂直變化2 2、干絕熱直減率、干絕熱直減率PdPCRTdTPgdZdPgdZdPRTPRTPV將代入，則得：整理得：PdPCRTdTPPCdZdTgRTgdZCRP定義：氣溫隨高度的變化特征可以用氣溫垂直遞減率來表示，簡稱氣溫直減率，指單位（通常取100m）高差氣溫變化率的負值。表示方法：定義式：第三章第三章 大氣污染氣象學大氣

18、污染氣象學二、氣溫的垂直變化二、氣溫的垂直變化3 3、氣溫的垂直分布、氣溫的垂直分布ZTn溫度層結(jié)：溫度層結(jié)： 氣溫沿垂直高度的分布，可用坐標圖上的曲線表示氣溫沿垂直高度的分布，可用坐標圖上的曲線表示（圖），氣溫沿高度分布曲線或溫度層結(jié)曲線，簡稱（圖），氣溫沿高度分布曲線或溫度層結(jié)曲線，簡稱溫溫度層結(jié)度層結(jié)n大氣中的溫度層結(jié)有大氣中的溫度層結(jié)有四種類型四種類型：1 1、正常分布層結(jié)（遞減）、正常分布層結(jié)（遞減）2、中性層結(jié)、中性層結(jié)3、等溫層結(jié)、等溫層結(jié)4、逆溫層結(jié)、逆溫層結(jié)00ddZT二、氣溫的垂直變化二、氣溫的垂直變化3 3、氣溫的垂直分布、氣溫的垂直分布n定義：定義： 大氣穩(wěn)定度是指垂直

19、方向上大氣的穩(wěn)定程度，即大氣穩(wěn)定度是指垂直方向上大氣的穩(wěn)定程度，即是否易于發(fā)生對流。是否易于發(fā)生對流。n定性描述：外力使氣塊上升或下降定性描述：外力使氣塊上升或下降三、大氣穩(wěn)定度三、大氣穩(wěn)定度1 1、大氣穩(wěn)定度的概念、大氣穩(wěn)定度的概念當氣塊去掉外力時當氣塊去掉外力時氣塊減速，有返回趨勢，穩(wěn)定氣塊減速，有返回趨勢，穩(wěn)定氣塊加速上升或下降，不穩(wěn)定氣塊加速上升或下降，不穩(wěn)定氣塊停在外力去掉處，中性氣塊停在外力去掉處，中性污染物在大氣中的擴散與大氣穩(wěn)定度有密切關(guān)系污染物在大氣中的擴散與大氣穩(wěn)定度有密切關(guān)系定量判斷: ipiviTpvT氣塊：氣塊： 環(huán)境：環(huán)境：()iigaiiippRTRT（單位體積塊

20、）加速度（單位體積塊）加速度 ，將將 代入上式得：代入上式得：0iidTTz0T Tz 氣塊：氣塊： 環(huán)境：環(huán)境： zzz高度高度 （一般均滿足絕熱條件）（一般均滿足絕熱條件）三、大氣穩(wěn)定度三、大氣穩(wěn)定度2 2、大氣穩(wěn)定度的判別、大氣穩(wěn)定度的判別 則得：00iTTzTgad)(TTTga)(iztgad)(判據(jù)： ddd 混合層混合層 0, a0 不穩(wěn)定不穩(wěn)定 0, a0 穩(wěn)定穩(wěn)定 中性層中性層 0，a=0 中性中性 穩(wěn)定層穩(wěn)定層 0 ， a0, ,氣塊加速度與其位移方向相同，氣塊加速度與其位移方向相同，氣塊加速運動氣塊加速運動，大氣不穩(wěn)定大氣不穩(wěn)定（2） ，a000ht10.81111111

21、212121313131113120.713.212.030010020011.312.712.01.01.2高度/米： d 不穩(wěn)定 空氣塊運動趨勢示意圖四、逆四、逆 溫溫2 2、大氣穩(wěn)定度的判別、大氣穩(wěn)定度的判別2、 大氣穩(wěn)定度分類大氣穩(wěn)定度分類（1）不穩(wěn)定類：）不穩(wěn)定類：A、B、C；（2）中性類：）中性類：D（3）穩(wěn)定類：）穩(wěn)定類：E、F A B C D E F強不穩(wěn)定強不穩(wěn)定 不穩(wěn)定不穩(wěn)定 弱不穩(wěn)定弱不穩(wěn)定 中性中性 較穩(wěn)定較穩(wěn)定 穩(wěn)定穩(wěn)定二、大氣穩(wěn)定度二、大氣穩(wěn)定度季節(jié)季節(jié)風速風速 白白 晝晝 夜夜 間間02晴晴37多云多云810 (陰陰)02(晴晴)37多云多云810陰陰夏夏春秋春秋

22、冬冬夏夏春秋春秋冬冬各季各季各各 季季6CDDDDDDD城市大氣邊界層中的大氣穩(wěn)定度分類表城市大氣邊界層中的大氣穩(wěn)定度分類表周淑貞（華東師范大學）城市氣候?qū)W三、大氣穩(wěn)定度三、大氣穩(wěn)定度定義與分類：定義與分類：n定義：定義： 近地層空氣溫度隨高度增加而上升的一種現(xiàn)象近地層空氣溫度隨高度增加而上升的一種現(xiàn)象分類：分類： 輻射逆溫輻射逆溫 下沉逆溫下沉逆溫 平流逆溫平流逆溫 湍流逆溫湍流逆溫 鋒面逆溫鋒面逆溫地面白天加熱，大氣自下而上變暖；地面白天加熱，大氣自下而上變暖； 地面夜間變冷，大氣自下而上冷卻地面夜間變冷，大氣自下而上冷卻輻射逆溫的生消過程輻射逆溫的生消過程三、大氣穩(wěn)定度三、大氣穩(wěn)定度1

23、1、輻射逆溫、輻射逆溫（多在高空大氣中，高壓控制區(qū)內(nèi)）（多在高空大氣中，高壓控制區(qū)內(nèi)） 很厚的氣層下沉很厚的氣層下沉 壓縮變扁壓縮變扁 頂部增溫比底部多頂部增溫比底部多三、大氣穩(wěn)定度三、大氣穩(wěn)定度2 2、下沉逆溫、下沉逆溫 暖空氣平流到冷地面上，由于下部降溫快而形成暖空氣平流到冷地面上，由于下部降溫快而形成三、大氣穩(wěn)定度三、大氣穩(wěn)定度3 3、平流逆溫、平流逆溫4 4、湍流逆溫、湍流逆溫dd 下層湍流混合達下層湍流混合達 上層出現(xiàn)過渡層逆溫上層出現(xiàn)過渡層逆溫 冷、暖氣團相遇冷、暖氣團相遇冷暖間逆溫冷暖間逆溫 暖氣上爬，形成鋒面暖氣上爬，形成鋒面三、大氣穩(wěn)定度三、大氣穩(wěn)定度5 5、鋒面逆溫、鋒面逆

24、溫n波浪型（不穩(wěn)）波浪型（不穩(wěn)）n錐型（中性錐型（中性or弱穩(wěn)）弱穩(wěn)）n扇型（逆溫）扇型（逆溫）n爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）n漫煙型（上逆、下不穩(wěn)）漫煙型（上逆、下不穩(wěn)） 三、大氣穩(wěn)定度三、大氣穩(wěn)定度4 4、煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系、煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系第三章 大氣污染氣象學教學內(nèi)容：第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素第二節(jié) 大氣的熱力過程第三節(jié) 大氣的運動和風第三章第三章 大氣污染氣象學大氣污染氣象學直接作用力直接作用力 重力重力水平氣壓梯度力（垂直上與重力基本平衡）水平氣壓梯度力（垂直上與重力基本平衡）間接作用力間接作用力 地轉(zhuǎn)偏向力（相對運動：方向改變）地轉(zhuǎn)偏向力（相

25、對運動：方向改變）慣性離心力（大氣曲線運動：很小）慣性離心力（大氣曲線運動：很?。┠Σ亮Γń啬Σ亮Γń? 12km2km內(nèi)明顯）內(nèi)明顯） 一、引起大氣運動的作用力一、引起大氣運動的作用力引起大氣運動的作用力引起大氣運動的作用力nE k m a nE k m a n 螺 旋 線螺 旋 線（北半球下視，（北半球下視，地偏力指向運動地偏力指向運動右方，故順時針；右方，故順時針；南半球則相反）南半球則相反） 高度增高，風高度增高，風速增大，方向逐速增大，方向逐漸接近地轉(zhuǎn)風。漸接近地轉(zhuǎn)風。 二、大氣邊界層中風隨高度變化二、大氣邊界層中風隨高度變化大氣邊界層中風隨高度變化大氣邊界層中風隨高度變化平均風速隨高度變化中性層結(jié)：對數(shù)律，粗糙度和摩擦速度0u*lnZZ高度為高度為Z處的風速處的風速（m/s）摩擦速度摩擦速度卡門常數(shù)卡門常數(shù)高度（高度（m）地面粗糙度地面粗糙度地面粗糙度越大，風速梯度越小地面粗糙度越大，風速梯度越小三、近地層中的風速廓線模式三、近地層中的風速廓線模式1 1、對數(shù)律風速廓線模式、對數(shù)律風速廓線模式三、近地層中的風速廓線模式三、近地層中的風速廓線模式1 1、對數(shù)律風速