大氣污染氣象學

1、1教學內容教學內容1 1大氣圈結構及氣象要素大氣圈結構及氣象要素2 2大氣的熱力過程大氣的熱力過程3 3大氣的運動和風大氣的運動和風21 1、教學要求、教學要求要求了解與大氣污染相關的氣象學基本知識，要求了解與大氣污染相關的氣象學基本知識，理解和掌握大氣圈的結構、主要氣象要素、大理解和掌握大氣圈的結構、主要氣象要素、大氣穩(wěn)定度和逆溫的概念。氣穩(wěn)定度和逆溫的概念。2 2、教學重點、教學重點掌握大氣層結構及大氣的熱力過程。掌握大氣層結構及大氣的熱力過程。3 3、教學難點、教學難點大氣的熱力過程、大氣穩(wěn)定度和逆溫大氣的熱力過程、大氣穩(wěn)定度和逆溫。3源源受體受體大氣擴散大氣擴散酸雨越境轉移酸雨越境轉移

2、 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 氣象條件對污物的稀釋、擴散作用氣象條件對污物的稀釋、擴散作用污染物對氣象的影響污染物對氣象的影響 4一一、大氣圈垂直結構大氣圈垂直結構氣象因素（氣溫）的垂直分布情況氣象因素（氣溫）的垂直分布情況均質層：均質層：8085km以下，成分基本不變。對流層，以下，成分基本不變。對流層，平流層，中間層平流層，中間層非均質層：暖層（電離層），外層（逸散層）非均質層：暖層（電離層），外層（逸散層）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5臭氧 吸收300平流層頂（+ ）（- ）平流層對流層對流層頂

3、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)一、一、大氣圈垂直結構大氣圈垂直結構每升高每升高100m，氣溫降低氣溫降低0.65 N2O2ArCO2NeHeKrH2XeO O3 3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產生產生不同程度的離解不同程度的離解6對流層對流層（10km左右）左右）集中了大氣質量的集中了大氣質量的3/4和全部的水蒸氣和全部的水蒸氣主要天氣現象

4、都發(fā)生在這一層主要天氣現象都發(fā)生在這一層溫度隨高度的增加而降低溫度隨高度的增加而降低每升高每升高100m平均降溫平均降溫0.650C強烈對流作用強烈對流作用溫度和濕度的水平分布不均溫度和濕度的水平分布不均大氣邊界層對流層下層大氣邊界層對流層下層12km，地面阻滯和摩擦地面阻滯和摩擦 作用明顯作用明顯自由大氣大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略自由大氣大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略 近地層地面上近地層地面上50100m，熱量和動量的常通量層，熱量和動量的常通量層7平流層平流層（對流層頂（對流層頂5055km）同溫層對流層頂同溫層對流層頂3540km，氣溫，氣溫-550C左右左右同溫層以上，氣溫隨高

5、度增加而增加同溫層以上，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，污染物停留時間長沒有對流運動，污染物停留時間長中間層中間層（平流層頂（平流層頂85km）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8暖層暖層（中間層頂（中間層頂800km）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散逸層散逸層（暖層以上）（暖層以上）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9氣象要素（因子）：氣象要素（因子）： 表示大氣狀態(tài)的物理現象和物理量，氣象學中統(tǒng)稱為氣象要

6、素。表示大氣狀態(tài)的物理現象和物理量，氣象學中統(tǒng)稱為氣象要素。與大氣污染關系密切的氣象要素主要有：與大氣污染關系密切的氣象要素主要有： 氣溫 氣壓 空氣濕度（氣濕）、 風（風向、風速） 云量云狀 能見度 降水 蒸發(fā)、日照時數、太陽輻射、地面輻射、大氣輻射等。等。101氣溫氣溫 表示大氣溫度高低的物理量表示大氣溫度高低的物理量。天氣預報中：距離地面天氣預報中：距離地面1.5m高、百葉箱內觀測的空氣高、百葉箱內觀測的空氣溫度。溫度。 oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo9325FC112氣壓氣壓 任一點的氣壓值等于該地單位面積上的大氣柱重量

7、任一點的氣壓值等于該地單位面積上的大氣柱重量. 氣壓總是隨高度的增加而降低的。氣壓隨高度遞減關系式可用氣壓總是隨高度的增加而降低的。氣壓隨高度遞減關系式可用氣體靜力學方程式描述，即氣體靜力學方程式描述，即P=-gZ，其積分式其積分式壓高公壓高公式：式： 據實測近地層高度每升高據實測近地層高度每升高100米，氣壓平均降低約米，氣壓平均降低約12.4毫巴毫巴（1mb=100Pa) 。單位：單位：mb（毫巴）（毫巴） 大氣的壓強大氣的壓強1atm101326Pa1013.26mb=760mmHg 靜力學方程靜力學方程: gzP1212lnlnZZRTgPPm123氣濕氣濕 反映空氣中水汽含量和空氣潮

8、濕程度的一個物理量。反映空氣中水汽含量和空氣潮濕程度的一個物理量。 常用的表示方法有：絕對濕度、水蒸氣壓力、體積百分比、含常用的表示方法有：絕對濕度、水蒸氣壓力、體積百分比、含濕量、相對濕度、露點等。濕量、相對濕度、露點等。 絕對濕度絕對濕度1m1m3 3濕空氣中含有的水汽質量濕空氣中含有的水汽質量相對濕度空氣的絕對濕度與同溫度下飽和空氣的絕對濕度的相對濕度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百分比含濕量濕空氣中含濕量濕空氣中1kg1kg干空氣包含的水汽質量干空氣包含的水汽質量水汽體積分數水汽在濕空氣中所占的體積分數水汽體積分數水汽在濕空氣中所占的體積分數露點同氣壓下空氣達到飽和

9、狀態(tài)時的溫度露點同氣壓下空氣達到飽和狀態(tài)時的溫度13露點：空氣相對濕度露點：空氣相對濕度100%100%，大氣壓為，大氣壓為1atm1atm，露點即為，露點即為2828度度14 4風向和風速風向和風速 風主要由于氣壓的水平分布不均勻而引起的，而氣風主要由于氣壓的水平分布不均勻而引起的，而氣壓的水平分布不均是由溫度分布不均造成。壓的水平分布不均是由溫度分布不均造成。 水平方向的空氣運動稱為風。水平方向的空氣運動稱為風。 （水平方向的空氣運動稱為水平方向的空氣運動稱為升降氣流，升降氣流，對應大氣穩(wěn)定度對應大氣穩(wěn)定度。 ） 風的來向叫風向（風的來向叫風向（16個方位圓周等分）個方位圓周等分）風速：單

10、位時間內空氣在水平方向上運動距離（風速：單位時間內空氣在水平方向上運動距離（2或或10min平均）平均）(m/s， km/h) F風力級（風力級（012級）級） 302. 3Fu 1516 4風向和風速風向和風速 風玫瑰圖風玫瑰圖 風速風速,m/s 某地區(qū)1988年的風玫瑰圖。同心圓表示風的頻率吹南風的頻率約為11，其中風速大于10.82m/s的頻率約為1，風速在3.355.41m/s的頻率為3.5左右。175 5、云、云：是發(fā)生在高空的水汽凝結現象。是發(fā)生在高空的水汽凝結現象。 形成的基本條件：水蒸汽和使水蒸汽達到飽和凝結的環(huán)境形成的基本條件：水蒸汽和使水蒸汽達到飽和凝結的環(huán)境云量：云量：指

11、云遮蔽天空的成數。指云遮蔽天空的成數。我國我國：將天空分為將天空分為1010等份，有幾分天空被云遮蓋，云量就是幾等份，有幾分天空被云遮蓋，云量就是幾。如：云占天空的。如：云占天空的1/101/10，云量記為，云量記為1 1；在云層中有少量空隙（空；在云層中有少量空隙（空隙總量不到天空的隙總量不到天空的1/201/20）記為）記為1010；當天空無云或云量不到；當天空無云或云量不到1/201/20時，云量為時，云量為0 0。國外國外：將天空分為將天空分為8 8等份。國外云量等份。國外云量1.25=1.25=我國云量我國云量總云量：總云量：指所有云遮蔽天空的成數，不論云的層次和高度。指所有云遮蔽天

12、空的成數，不論云的層次和高度。低云量：低云量：低云的云掩蓋天空的成數。低云的云掩蓋天空的成數。 云量的記錄：一般總云量云量的記錄：一般總云量/ /低云量的形式記錄，如低云量的形式記錄，如10/710/7。云狀：云狀：多種多樣，多種多樣，19321932年國際云學委員會出版的國際云圖將云年國際云學委員會出版的國際云圖將云狀分為四族十屬。狀分為四族十屬。18 高云（高云（5000m以上）：白絲透明狀以上）：白絲透明狀中云（中云（2500-5000m）白色無光澤白色無光澤低云（低云（2500米以下）低黑大云塊米以下）低黑大云塊5 5、云、云云高：云高：指云底距地面的垂直距離，以米為單位。指云底距地面

13、的垂直距離，以米為單位。測定方法：激光測云儀、弧光測云儀等，目力測定法測定方法：激光測云儀、弧光測云儀等，目力測定法 196能見度能見度：在當時的天氣條件下，視力正常的人能夠從天空背景中看到或辨認出目標物的最大距離級別（級別（09級，相應距離級，相應距離為為5050000米）米） ，單位：m。能見度的大小反應了大氣的混濁現象，反映出大氣中雜質的多少。大氣中的霧、水汽、煙塵等，可使能見度降低。 20一、太陽、大氣和地面的熱交換一、太陽、大氣和地面的熱交換1 1、什么是輻射？、什么是輻射？ 自然界中的一切物體都以電磁波的形式時刻不停的向外傳遞能自然界中的一切物體都以電磁波的形式時刻不停的向外傳遞能

14、量，這種傳遞能量的方式稱為輻射，以輻射的方式向四周輸送的量，這種傳遞能量的方式稱為輻射，以輻射的方式向四周輸送的能量稱輻射能，有時簡稱輻射。能量稱輻射能，有時簡稱輻射。 2 2、大氣對太陽輻射的減弱及影響因素、大氣對太陽輻射的減弱及影響因素 （1 1）吸收輻射）吸收輻射; ;（2 2）散射作用）散射作用; ;（3 3）反射）反射; ;（4 4）透過大氣層）透過大氣層. . 3 3、大氣溫度依地面溫度的變化關系、大氣溫度依地面溫度的變化關系 地面溫度（土壤溫度）的日變化是周期性的，具有一最高值和地面溫度（土壤溫度）的日變化是周期性的，具有一最高值和最低值，在一天里地表溫度最高值在最低值，在一天里

15、地表溫度最高值在1313點左右，最低溫度在日出點左右，最低溫度在日出前后。前后。 氣溫的年變化曲線與地表溫度年變化曲線平行，但振幅較小。氣溫的年變化曲線與地表溫度年變化曲線平行，但振幅較小。 太陽以紫外線、可見光、紅外線的形式輻射熱量太陽以紫外線、可見光、紅外線的形式輻射熱量太陽輻射加熱地球表面太陽輻射加熱地球表面地面長波輻射加熱大氣地面長波輻射加熱大氣近地層大氣溫度隨地表溫度變化近地層大氣溫度隨地表溫度變化21太陽輻射的能量主要分布在可見光區(qū)和太陽輻射的能量主要分布在可見光區(qū)和紅外區(qū)紅外區(qū)可見光區(qū)占太陽輻射總量的可見光區(qū)占太陽輻射總量的50紅外區(qū)占紅外區(qū)占43紫外區(qū)只占能量的紫外區(qū)只占能量的

16、7在波長在波長0.48微米的地方，太陽輻射的能微米的地方，太陽輻射的能力達到最高值，數值約為力達到最高值，數值約為3.0卡卡/cm2.分以上分以上2223太陽輻射通過大氣時，分別受到大氣中的水汽、二氧太陽輻射通過大氣時，分別受到大氣中的水汽、二氧化碳、微塵、氧和臭氧以及云滴、霧、冰晶、空氣分化碳、微塵、氧和臭氧以及云滴、霧、冰晶、空氣分子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大氣上界子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大氣上界的太陽輻射不能完全到達地面的太陽輻射不能完全到達地面假設大氣層頂的太陽輻射是假設大氣層頂的太陽輻射是100。那么太陽輻射通過大氣后。那么太陽輻射通過大氣后發(fā)生散射、吸收和

17、反射發(fā)生散射、吸收和反射(反射云量反射表示反射云量反射表示)，向上散射占，向上散射占4，大氣吸收占大氣吸收占21,云量吸收占云量吸收占3,云量反射占云量反射占2330反射和散射回宇宙反射和散射回宇宙20被大氣吸收被大氣吸收50被地面吸收被地面吸收24氣溫直減率氣溫直減率 （大氣）（大氣）干空氣絕熱繪制溫度遞減率干空氣絕熱繪制溫度遞減率 干絕熱直減率干絕熱直減率 （空氣團）（空氣團）一般滿足，大氣絕熱過程，系統(tǒng)與周圍環(huán)境無熱交換一般滿足，大氣絕熱過程，系統(tǒng)與周圍環(huán)境無熱交換 空氣塊空氣塊膨脹（做功）膨脹（做功）耗內耗內 能能 T定性定性空氣塊空氣塊壓縮（外氣對它做功）壓縮（外氣對它做功）T內能內

18、能（由壓力變化引起）（由壓力變化引起） Tzddd iTz25定量：定量： 熱力學第一定律熱力學第一定律 其中其中 ddpTRpTCpvpCCR26dzzzdiippdiivvdiiTTdppdvvdTTiviTpvT氣塊：氣塊：環(huán)境：環(huán)境：ip（大氣）（大氣） （氣塊）氣塊） （高度）（高度）dzzzdiippdiivvdiiTTdppdvvdTTiviTpvT氣塊：氣塊：環(huán)境：環(huán)境：ip（大氣）（大氣） （氣塊）氣塊） （高度）（高度）ddiiipiTRpTCpippddiippppdd pgz對氣團對氣團：流體準靜力學條件：流體準靜力學條件：，由由代入式代入式(1)可得：可得：(1)dd

19、iipTRg zTCpddiiipiTRpTCpippddiippppdd pgz對氣團對氣團：流體準靜力學條件：流體準靜力學條件：，由由代入式代入式(1)可得：可得：(1)ddiipTRg zTCp27代入上式得：代入上式得：實際中，實際中，Ti、T 相差相差 0 ，正常分布層結正常分布層結，中性層結（絕熱直減率）中性層結（絕熱直減率）0 ，等溫層結等溫層結 0 ，正常分布層結正常分布層結，中性層結（絕熱直減率）中性層結（絕熱直減率）0 ，等溫層結等溫層結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, a0 不穩(wěn)定不穩(wěn)定0, a0 穩(wěn)定

20、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 逆溫，非常穩(wěn)定逆溫，非常穩(wěn)定32逆溫不利于擴散逆溫不利于擴散輻射：輻射： 1. 輻射逆溫：輻射逆溫： 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 太陽太陽 地球地球 ：短波：短波 地球地球 大氣層：長波大氣層：長波 大氣吸收長波強大氣吸收長波強33輻射逆溫的生消過程輻射逆溫的生消過程342.2.下沉逆溫下沉逆溫 （多在高空大氣中，高壓控制區(qū)內）（多在高空大氣中，高壓控制區(qū)內） 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353.3.平流逆溫平流逆溫 暖空氣平流到冷地面上而下部降溫而形成暖空氣平流到冷地面上而下部降溫而形成dd4.4.湍流逆溫湍流逆溫 下層湍流混合達下層湍流混合達 上層出現過渡層上層出現過渡層 逆溫逆溫 365.鋒面逆溫鋒面逆溫 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37波浪型（不穩(wěn)）波浪型（不穩(wěn)）錐型（中性錐型（中性or弱穩(wěn)）弱穩(wěn)）扇型（逆溫）扇型（