第3章 大气污染气象学

1、第三章 大气污染气象学大气污染物传输和扩散污染源本身特性气象条件气象条件 地面特征周围地区建筑物分布 大气科学大气科学 大气物理、化学大气物理、化学大气气象学大气气象学 污染气象学污染气象学 气象条件对污物的稀释、气象条件对污物的稀释、扩散作用扩散作用污染物对气象的影响污染物对气象的影响主要主要内容v1.大气圈结构及气象要素v2.大气的热力过程v3.大气的运动和风第一节 大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直结构对流层平流层中间层暖层逸散层大气圈的垂直结构： 指气象要素的垂直分布情况。气温气压大气密度大气成分气温集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层温度随高度的增加而降低

2、，每升高100m平均降温0.650C强烈对流作用温度和湿度的水平分布不均对流层（对流层（10km左右左右）近地层：地面上近地层：地面上50100m，上下温差大，上下温差大大气边界层：对流层下层12km，地面阻滞和摩擦作用明显自由大气：大气边界层以上，地面摩擦可以忽略第一节 大气圈结构及气象要素存在同温层：对流层顶3540km，气温-550C左右同温层以上，气温随高度增加而增加，逆温2025km：集中了大部分臭氧没有对流运动，污染物停留时间很长平流层（对流层顶平流层（对流层顶 50-55km ）中间层（平流层顶中间层（平流层顶85km）气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈第一节 大气圈结构及气象

3、要素气温随高度升高而增高气体分子高度电离暖层（中间层顶暖层（中间层顶800km）散逸层散逸层 （暖层以上）（暖层以上）气温很高，空气稀薄空气粒子可以摆脱地球引力而散逸第一节 大气圈结构及气象要素大气压力的垂直分布大气压力的垂直分布: :u总是随高度的升高而降低u均质大气层：8085km以下，成分基本不变大气密度大气密度: :和大气压强的变化规律几乎相同。大气成分的垂直分布大气成分的垂直分布: :u主要取决于分子扩散和湍流扩散的强弱。u均质层：8085km以下，湍流扩散为主，大气组成基本不变；u非均质层： 分子扩散为主。第一节 大气圈结构及气象要素二、 主要气象要素1气温气温天气预报中：1.5m

4、高、百叶箱内气温。oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo9325FC2 2气压气压单位：单位：mb（毫巴）（毫巴） 大气的压强大气的压强1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg第一节 大气圈结构及气象要素3气湿气湿 空气中水汽含量的多少A、绝对湿度定义：1m3湿空气中含有的水汽质量(kg)B、相对湿度空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度的百分比TRpwwwKkgJRw/4 .461计算式：由理想气态方程可以得出：水汽的气体常数水汽分压空气温度%100VW饱和空气的水汽分压一定温度下，当空气不可以容纳更多的水汽时，

5、为饱和空气饱和空气 第一节 大气圈结构及气象要素C、含湿量定义：湿空气中1kg干空气包含的水汽质量,比湿ddW定义式：干空气的密度(kg干空气/m3湿空气)空气的绝对湿度 (kg水汽/m3湿空气)vvwdwwwddwwdpppRRpppRRpRpRd干空气气体常数：KkgJRd/0 .287622. 0wdRRvvppp622.0d工程上，空气的含湿量定义为1标准立方米干空气所包含的水气质量。单位kg水汽/m3干空气，d0第一节 大气圈结构及气象要素（kg水汽/kg干空气）相对量D、水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数。E、露点在一定气压下，空气达到饱和状态时的温度。对于理想气体，气体体积

6、分数等于其摩尔分数，对于理想气体，气体体积分数等于其摩尔分数，则水汽的体积分数表示为：则水汽的体积分数表示为：dd00d804.0dd804.0dyNNvwwppppww0804.0804.0dppppppvvd0ddN3dm/kg293. 1N第一节 大气圈结构及气象要素此题中，如果空气的相对湿度100，则此时空气的露点为？第一节 大气圈结构及气象要素vvppp622.0dww0804.0dppp 4风向和风速风向和风速风：风：水平方向的空气运动。水平方向的空气运动。风向：风向：风的来向。风的来向。风速：风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离。单位时间内空气在水平方向上运动距离。（2或或1

7、0min平均）平均）302. 3Fu F风力级（风力级（012级）级） (km/h)第一节 大气圈结构及气象要素风对大气污染的影响对污染物稀释； 污染物排放源的下风向地区污染较严重当其他条件一样时，下风向任一点污染物浓度与风速成反比第一节 大气圈结构及气象要素5云云大气中水汽的凝结现象叫做云。天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分）云量记录：总云量作分子，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） 第一节 大气圈结构及气象要素反应大气运动状态，预示天气变化使气温随高度变化减小云高:云量

8、:第一节 大气圈结构及气象要素低云低云2500米以下）米以下）中云中云2500-5000m高云高云5000m以上）以上）6能见度 正常视力的人，在天空背景下能看清的水平距离。 级别（09级，相应距离为5050000米） 第一节 大气圈结构及气象要素沙尘暴发生时的能见度属于什么样的等级？第二节 大气的热力过程u太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量u太阳辐射加热地球表面u地面长波辐射加热大气u近地层大气温度随地表温度变化：自下而上被加热，自下而上被冷却一、太阳、大气和地面的热交换二、气温的垂直变化1、大气的绝热过程与泊松方程空气块的温度变化要比与外界热交换引起的温度变化大得多，一般可以将没有

9、水相变化的空气块的垂直运动看作绝热过程。大气的绝热过程：空气块作垂直运动时与周围空气不发生热量交换，这样的状态变化过程称大气的绝热过程。实际上： 空气块空气块膨胀膨胀(对外做功对外做功)内能内能TT空气块空气块压缩压缩(外气做功外气做功)内能内能定性：定性：pp第二节 大气的热力过程 热力学第一定律：热力学第一定律： 绝热过程：绝热过程：dQ0 则有：则有：ddpTRpTCpPdRTdCdPTpQ干空气的定压比热，干空气的定压比热，Cp1005J/kg. k干空气的气体常数干空气的气体常数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）绝热过程中气温的变化完全由气压变化引起。绝热过程中气温的变化完全由气压变化引起。泊松方程：泊松方程：第二节 大气的热力过程定量：定量：积分积分2 2、气温直减率、气温直减率定义：单位高度（通常100m）气温的变化值。定义式：3 3、干空气温度绝热垂直递减率（、干空气温度绝热垂直递减率（ 干绝热直减率）干绝热直减率） 定义：干空气块（包括未饱和的湿空气块）绝热上升或下降单位高度（通常100m）时，温度降低或升高的数值。 Tzddd iTz（大气）ddpTRpTCp （空气团） m10098.

11、0100581. 9gddpZidKCT通常取通常取d1K/100m意义意义？第二节 大气的热力过程nRTpVgzp, 04 4、 位温位温定义：干空气绝热升降到标准气压（1000hPa）处所具有的温度称它的位温。泊泊松松方方程程0.288000()()pRCTPPTPP泊泊松松方方程程0.288000()()pRCTPPTPPpp/00/0010001000CRCRPTPT第二节 大气的热力过程5 5、气温的垂直分布温度层结、气温的垂直分布温度层结Tz d0，正正常常分分布布层层结结，中中性性层层结结（绝绝热热直直减减率率）0，等等温温层层结结0，正正常常分分布布层层结结，中中性性层层结结（

12、绝绝热热直直减减率率）0，等等温温层层结结0,a0不不稳稳定定0,a0稳稳定定中中性性层层0，a=0中中性性稳稳定定层层0， a0,a0不不稳稳定定0,a0稳稳定定中中性性层层0，a=0中中性性稳稳定定层层0， a0逆逆温温，非非常常稳稳定定大气稳定度判据：第二节 大气的热力过程ttitit四、逆温u具有逆温的大气层是具有逆温的大气层是强稳定强稳定的大气层。的大气层。u属于稳定层，属于稳定层，不利于扩散不利于扩散，可能造成严重污染。，可能造成严重污染。u也叫阻挡层，阻碍气流的垂直运动。也叫阻挡层，阻碍气流的垂直运动。u分类：辐射逆温，下沉逆温分类：辐射逆温，下沉逆温 ，平流逆温，湍流逆温，平流

13、逆温，湍流逆温，锋面逆温锋面逆温第二节 大气的热力过程温度随高度的增加而增加的大气层为逆温层。温度随高度的增加而增加的大气层为逆温层。生消过程生消过程第二节 大气的热力过程地面强烈辐射冷却形成。 地面白天加热，大气自下而上变暖； 地面夜间变冷，大气自下而上冷却1、辐射逆温：、辐射逆温：形成原因形成原因下午日落前1h黎明日出10a.m.辐射逆温在陆地上常年可见，冬季最强2、下沉逆温、下沉逆温空气下沉压缩增温形成。空气下沉压缩增温形成。第二节 大气的热力过程形成原因：形成原因： 很厚的气很厚的气层下沉层下沉 压缩变扁压缩变扁顶部增温比底部多顶部增温比底部多气压增大气压增大下沉逆温不接地，多发生在高

14、空大气中。3.平流逆温平流逆温暖空气平流到冷地面上，其下部降温而形成。暖空气平流到冷地面上，其下部降温而形成。低层空气受地面影响大，降温多；低层空气受地面影响大，降温多；上层空气降温少。上层空气降温少。4.湍流逆温湍流逆温由低层空气的湍流混合形成。由低层空气的湍流混合形成。形成过程：形成过程：第二节 大气的热力过程形成原因：形成原因：形成原因：形成原因：下层湍流混合达d上层逆温5.锋面逆温锋面逆温 冷、暖气团相遇冷、暖气团相遇冷暖间逆温冷暖间逆温暖气上爬，形成锋面暖气上爬，形成锋面形成原因：形成原因：第二节 大气的热力过程五、烟流型与大气稳定度的关系 v波浪型（不稳）v锥型（中性or弱稳）v扇

15、型（逆温）v爬升型（下稳，上不稳）v漫烟型（上逆、下不稳） 第二节 大气的热力过程与d关系大气稳定情况污染情况【思考】在风速大致相同，而气温垂直分布的A、B、C、D四种情况中，最有利于某工厂68米高的烟囱灰尘扩散的是 : 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 第三节 大气的运动和风一、引起大气运动的作用力直接作用力直接作用力重力重力水平气压梯度力水平气压梯度力（垂直上与重力基本

16、（垂直上与重力基本平衡）平衡）间接作用力间接作用力 地转偏向力（相对运动：方向改变地转偏向力（相对运动：方向改变 惯性离心力（大气曲线运动：很小）惯性离心力（大气曲线运动：很小）摩擦力（近地摩擦力（近地1 12km2km内明显）内明显） 水平气压梯度力是引起大气运动的直接动力。水平气压梯度力是引起大气运动的直接动力。二、近地层风速廓线模式平均风速随高度变化曲线。平均风速随高度变化曲线。近地层风速廓线模式：1 1、对数律、对数律*0lnuZukZ0z*uu高度高度Z处的平均风速处的平均风速摩擦速度摩擦速度K 卡门常数，常取卡门常数，常取0.4地面粗糙度地面粗糙度适用于中性层结适用于中性层结第三节

17、 大气的运动和风风速廓线定义：2、指数律、指数律11()mZuuZm ：稳定度参数：稳定度参数在中性层结条件下，指数律模式不如对数律模式准确。但指数律在中性条件下，能较满意地应用于300一500 m的气层，而且在非中性条件下应用也较为准确和方便。第三节 大气的运动和风四、地方性风场1海陆风 u陆风是海风和陆风的总称。它发生在海陆交界地带。u白天海风u夜晚陆风第三节 大气的运动和风2 2山谷风山谷风u它主要是由于山坡和谷地受热不均而产生。u白天谷风，夜晚山风第三节 大气的运动和风3 3城市热岛环流城市热岛环流城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风。城市人口密集、工业集中，使得能耗水平高；城市的覆盖物热容量大，白天吸收太阳辐射热，夜间放 热缓侵，使低层空气冷却较缓；城市正空笼罩着一层烟雾和二氧化碳，使地面有效辐射减弱。夜间污染物向城市还是乡村输送？第三节 大气的运动和风 思考题1、大气圈垂直结构分哪几层？全部的水蒸气在其中哪一层？主要天气现象发生在哪一层？臭氧集中在哪层？2、绝对湿度、相对湿度、比湿、露点的概念？3、气温直减率和干绝热直减率的概念？气温直减率和干绝热直减率的概念？4、舍什么是大气稳定度？如何判断定性和定量大气稳定度？、舍什么是大气稳定度？如何判断定性