大气污染气象学

1、1教学内容教学内容1 1大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素2 2大气的热力过程大气的热力过程3 3大气的运动和风大气的运动和风21 1、教学要求、教学要求要求了解与大气污染相关的气象学基本知识，要求了解与大气污染相关的气象学基本知识，理解和掌握大气圈的结构、主要气象要素、大理解和掌握大气圈的结构、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念。气稳定度和逆温的概念。2 2、教学重点、教学重点掌握大气层结构及大气的热力过程。掌握大气层结构及大气的热力过程。3 3、教学难点、教学难点大气的热力过程、大气稳定度和逆温大气的热力过程、大气稳定度和逆温。3源源受体受体大气扩散大气扩散酸雨越境转移酸雨越境转移

2、 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、扩散作用气象条件对污物的稀释、扩散作用污染物对气象的影响污染物对气象的影响 4一一、大气圈垂直结构大气圈垂直结构气象因素（气温）的垂直分布情况气象因素（气温）的垂直分布情况均质层：均质层：8085km以下，成分基本不变。对流层，以下，成分基本不变。对流层，平流层，中间层平流层，中间层非均质层：暖层（电离层），外层（逸散层）非均质层：暖层（电离层），外层（逸散层）大气压力总是随高度的升高而降低大气压力总是随高度的升高而降低5臭氧 吸收300平流层顶（+ ）（- ）平流层对流层对流层顶

3、散逸层（+ ）（- ）（+ ）热成层电离层中间层中间层顶200250绝对温度（K ）50030007080506020409030040020010001030高 度 （ km ）高度（k m ）高度(km)一、一、大气圈垂直结构大气圈垂直结构每升高每升高100m，气温降低气温降低0.65 N2O2ArCO2NeHeKrH2XeO O3 3越往上氧、氦等气体的原子态越多越往上氧、氦等气体的原子态越多紫外线的强烈照紫外线的强烈照射，射，N2和和O2产生产生不同程度的离解不同程度的离解6对流层对流层（10km左右）左右）集中了大气质量的集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气和全部的水蒸气主要天气现象

4、都发生在这一层主要天气现象都发生在这一层温度随高度的增加而降低温度随高度的增加而降低每升高每升高100m平均降温平均降温0.650C强烈对流作用强烈对流作用温度和湿度的水平分布不均温度和湿度的水平分布不均大气边界层对流层下层大气边界层对流层下层12km，地面阻滞和摩擦地面阻滞和摩擦 作用明显作用明显自由大气大气边界层以上，地面摩擦可以忽略自由大气大气边界层以上，地面摩擦可以忽略 近地层地面上近地层地面上50100m，热量和动量的常通量层，热量和动量的常通量层7平流层平流层（对流层顶（对流层顶5055km）同温层对流层顶同温层对流层顶3540km，气温，气温-550C左右左右同温层以上，气温随高

5、度增加而增加同温层以上，气温随高度增加而增加集中了大部分臭氧集中了大部分臭氧没有对流运动，污染物停留时间长没有对流运动，污染物停留时间长中间层中间层（平流层顶（平流层顶85km）气温随高度升高而迅速降低气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈对流运动强烈8暖层暖层（中间层顶（中间层顶800km）气温随高度升高而增高气温随高度升高而增高气体分子高度电离电离层气体分子高度电离电离层散逸层散逸层（暖层以上）（暖层以上）气温很高，空气稀薄气温很高，空气稀薄空气粒子可以摆脱地球引力而散逸空气粒子可以摆脱地球引力而散逸9气象要素（因子）：气象要素（因子）： 表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为气象要

6、素。表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为气象要素。与大气污染关系密切的气象要素主要有：与大气污染关系密切的气象要素主要有： 气温 气压 空气湿度（气湿）、 风（风向、风速） 云量云状 能见度 降水 蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。等。101气温气温 表示大气温度高低的物理量表示大气温度高低的物理量。天气预报中：距离地面天气预报中：距离地面1.5m高、百叶箱内观测的空气高、百叶箱内观测的空气温度。温度。 oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo9325FC112气压气压 任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量

7、任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量. 气压总是随高度的增加而降低的。气压随高度递减关系式可用气压总是随高度的增加而降低的。气压随高度递减关系式可用气体静力学方程式描述，即气体静力学方程式描述，即P=-gZ，其积分式其积分式压高公压高公式：式： 据实测近地层高度每升高据实测近地层高度每升高100米，气压平均降低约米，气压平均降低约12.4毫巴毫巴（1mb=100Pa) 。单位：单位：mb（毫巴）（毫巴） 大气的压强大气的压强1atm101326Pa1013.26mb=760mmHg 静力学方程静力学方程: gzP1212lnlnZZRTgPPm123气湿气湿 反映空气中水汽含量和空气潮

8、湿程度的一个物理量。反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量。 常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。湿量、相对湿度、露点等。 绝对湿度绝对湿度1m1m3 3湿空气中含有的水汽质量湿空气中含有的水汽质量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百分比含湿量湿空气中含湿量湿空气中1kg1kg干空气包含的水汽质量干空气包含的水汽质量水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数露点同气压下空气达到饱和

9、状态时的温度露点同气压下空气达到饱和状态时的温度13露点：空气相对湿度露点：空气相对湿度100%100%，大气压为，大气压为1atm1atm，露点即为，露点即为2828度度14 4风向和风速风向和风速 风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不均是由温度分布不均造成。压的水平分布不均是由温度分布不均造成。 水平方向的空气运动称为风。水平方向的空气运动称为风。 （水平方向的空气运动称为水平方向的空气运动称为升降气流，升降气流，对应大气稳定度对应大气稳定度。 ） 风的来向叫风向（风的来向叫风向（16个方位圆周等分）个方位圆周等分）风速：单

10、位时间内空气在水平方向上运动距离（风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2或或10min平均）平均）(m/s， km/h) F风力级（风力级（012级）级） 302. 3Fu 1516 4风向和风速风向和风速 风玫瑰图风玫瑰图 风速风速,m/s 某地区1988年的风玫瑰图。同心圆表示风的频率吹南风的频率约为11，其中风速大于10.82m/s的频率约为1，风速在3.355.41m/s的频率为3.5左右。175 5、云、云：是发生在高空的水汽凝结现象。是发生在高空的水汽凝结现象。 形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境云量：云量：指

11、云遮蔽天空的成数。指云遮蔽天空的成数。我国我国：将天空分为将天空分为1010等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的。如：云占天空的1/101/10，云量记为，云量记为1 1；在云层中有少量空隙（空；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的隙总量不到天空的1/201/20）记为）记为1010；当天空无云或云量不到；当天空无云或云量不到1/201/20时，云量为时，云量为0 0。国外国外：将天空分为将天空分为8 8等份。国外云量等份。国外云量1.25=1.25=我国云量我国云量总云量：总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。指所有云遮蔽天

12、空的成数，不论云的层次和高度。低云量：低云量：低云的云掩盖天空的成数。低云的云掩盖天空的成数。 云量的记录：一般总云量云量的记录：一般总云量/ /低云量的形式记录，如低云量的形式记录，如10/710/7。云状：云状：多种多样，多种多样，19321932年国际云学委员会出版的国际云图将云年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属。状分为四族十属。18 高云（高云（5000m以上）：白丝透明状以上）：白丝透明状中云（中云（2500-5000m）白色无光泽白色无光泽低云（低云（2500米以下）低黑大云块米以下）低黑大云块5 5、云、云云高：云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。指云底距地面

13、的垂直距离，以米为单位。测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法 196能见度能见度：在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到或辨认出目标物的最大距离级别（级别（09级，相应距离级，相应距离为为5050000米）米） ，单位：m。能见度的大小反应了大气的混浊现象，反映出大气中杂质的多少。大气中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。 20一、太阳、大气和地面的热交换一、太阳、大气和地面的热交换1 1、什么是辐射？、什么是辐射？ 自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能

14、量，这种传递能量的方式称为辐射，以辐射的方式向四周输送的量，这种传递能量的方式称为辐射，以辐射的方式向四周输送的能量称辐射能，有时简称辐射。能量称辐射能，有时简称辐射。 2 2、大气对太阳辐射的减弱及影响因素、大气对太阳辐射的减弱及影响因素 （1 1）吸收辐射）吸收辐射; ;（2 2）散射作用）散射作用; ;（3 3）反射）反射; ;（4 4）透过大气层）透过大气层. . 3 3、大气温度依地面温度的变化关系、大气温度依地面温度的变化关系 地面温度（土壤温度）的日变化是周期性的，具有一最高值和地面温度（土壤温度）的日变化是周期性的，具有一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在最低值，在一天里

15、地表温度最高值在1313点左右，最低温度在日出点左右，最低温度在日出前后。前后。 气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，但振幅较小。气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，但振幅较小。 太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量太阳辐射加热地球表面太阳辐射加热地球表面地面长波辐射加热大气地面长波辐射加热大气近地层大气温度随地表温度变化近地层大气温度随地表温度变化21太阳辐射的能量主要分布在可见光区和太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区红外区可见光区占太阳辐射总量的可见光区占太阳辐射总量的50红外区占红外区占43紫外区只占能量的紫外区只占能量的

16、7在波长在波长0.48微米的地方，太阳辐射的能微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值，数值约为力达到最高值，数值约为3.0卡卡/cm2.分以上分以上2223太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大气上界子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面的太阳辐射不能完全到达地面假设大气层顶的太阳辐射是假设大气层顶的太阳辐射是100。那么太阳辐射通过大气后。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和

17、反射发生散射、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，大气吸收占大气吸收占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被大气吸收被大气吸收50被地面吸收被地面吸收24气温直减率气温直减率 （大气）（大气）干空气绝热绘制温度递减率干空气绝热绘制温度递减率 干绝热直减率干绝热直减率 （空气团）（空气团）一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换 空气块空气块膨胀（做功）膨胀（做功）耗内耗内 能能 T定性定性空气块空气块压缩（外气对它做功）压缩（外气对它做功）T内能内

18、能（由压力变化引起）（由压力变化引起） Tzddd iTz25定量：定量： 热力学第一定律热力学第一定律 其中其中 ddpTRpTCpvpCCR26dzzzdiippdiivvdiiTTdppdvvdTTiviTpvT气块：气块：环境：环境：ip（大气）（大气） （气块）气块） （高度）（高度）dzzzdiippdiivvdiiTTdppdvvdTTiviTpvT气块：气块：环境：环境：ip（大气）（大气） （气块）气块） （高度）（高度）ddiiipiTRpTCpippddiippppdd pgz对气团对气团：流体准静力学条件：流体准静力学条件：，由由代入式代入式(1)可得：可得：(1)dd

19、iipTRg zTCpddiiipiTRpTCpippddiippppdd pgz对气团对气团：流体准静力学条件：流体准静力学条件：，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：实际中，实际中，Ti、T 相差相差 0 ，正常分布层结正常分布层结，中性层结（绝热直减率）中性层结（绝热直减率）0 ，等温层结等温层结 0 ，正常分布层结正常分布层结，中性层结（绝热直减率）中性层结（绝热直减率）0 ，等温层结等温层结0, a0 不稳定不稳定0, a0 稳定稳定中性层中性层0，a=0 中性中性稳定层稳定层0 ， a0, a0 不稳定不稳定0, a0 稳定

20、稳定中性层中性层0，a=0 中性中性稳定层稳定层0 ， a0 逆温，非常稳定逆温，非常稳定32逆温不利于扩散逆温不利于扩散辐射：辐射： 1. 辐射逆温：辐射逆温： 地面白天加热，大气自下而上变暖；地面白天加热，大气自下而上变暖； 地面夜间变冷，大气自下而上冷却地面夜间变冷，大气自下而上冷却 太阳太阳 地球地球 ：短波：短波 地球地球 大气层：长波大气层：长波 大气吸收长波强大气吸收长波强33辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程342.2.下沉逆温下沉逆温 （多在高空大气中，高压控制区内）（多在高空大气中，高压控制区内） 很厚的气层下沉很厚的气层下沉 压缩变扁压缩变扁 顶部增温比底部多顶部增温比底部多353.3.平流逆温平流逆温 暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成dd4.4.湍流逆温湍流逆温 下层湍流混合达下层湍流混合达 上层出现过渡层上层出现过渡层 逆温逆温 365.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37波浪型（不稳）波浪型（不稳）锥型（中性锥型（中性or弱稳）弱稳）扇型（逆温）扇型（