大气污染气象学解析

会计学1大气污染气象学解析课程要求1教学内容：

1.1大气圈结构与气象要素：大气圈垂直结构、主要气象要素气温、气压、气湿、云、能见度；

1.2大气的热力过程：气温的垂直变化、大气稳定度、逆温、烟流形状与大气稳定度的关系；

1.3大气的运动和风：大气运动的作用力、大气边界层中风随高度的变化、近地层中的风速廓线模式、地方性风场；2教学基本要求：通过本章的学习，使学生了解大气污染气象学的基本知识，认识到污染物对环境的贡献与气象条件有直接关系。教学重点：大气稳定度、逆温、地方性风场、烟流型与大气稳定度的关系。教学难点：气温直减率、温度层结。第1页/共58页雨、雪、暴雨和大部分云等天气现象下部的臭氧层吸收紫外线使温度升高，且天气现象少，适合高空飞行流星体大部分在这燃尽,是气象研究的上界又称电离层,完成远距离无线电通讯电话信息和电视图象通过卫星来传送对流层平流层中间层暖层外层一、大气的结构第2页/共58页大气圈垂直结构对流层（～10km左右）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，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大气边界层－对流层下层1～2km，地面阻滞和摩擦作用明显

近地层－地面上50～100m，热量和动量的常通量层自由大气－大气边界层以上，地面摩擦可以忽略第3页/共58页大气圈垂直结构平流层（对流层顶～50-55km）同温层－对流层顶35-40km，气温-550C左右同温层以上，气温随高度增加而增加集中了大部分臭氧没有对流运动，污染物停留时间很长中间层（平流层顶～85km）气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈第4页/共58页大气圈垂直结构暖层（中间层顶～800km）气温随高度升高而增高气体分子高度电离－电离层散逸层（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大气压力总是随高度的升高而降低均质大气层－80～85km以下，成分基本不变第5页/共58页温度（OC）高度0125585-100（千米）-80-600-202050大气的温度垂直分布图大气温度随高度增加而降低大气温度随高度增加而升高大气温度随高度增加而降低大气温度随高度增加而升高一、大气的结构第6页/共58页主要气象要素1．气温

天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。

摄氏度与华氏度换算摄氏度与开氏度换算第7页/共58页请在下图中用箭头表示出空气对流运动的规律:大气扩散过程（垂直方向）第8页/共58页请在下图中用箭头表示出空气对流运动的规律:第9页/共58页主要气象要素2．气压（1）单位：mb（毫巴）

大气的压强1atm＝101325Pa＝1013.25mb=760mmHg（2）hPa（百帕）

大气的压强随高度的变化，可用静力学方程描述：第10页/共58页例.一登山运动员在山脚处测得气压为1000hPa，登山到达某高度后又测得气压为500hPa，试问登山运动员从山脚向上爬了多少米？主要气象要素第11页/共58页例.

一登山运动员在山脚处测得气压为1000hPa、气温为10℃，登山到达某高度后又测得气压为500hPa，试问登山运动员从山脚向上爬了多少米？（气温随高度的变化可以忽略）将空气视为理想气体，即有

可写为将（2）式带入（1）式，并整理，得到以下方程：由于在一定高度内温度的变化可以忽略。对上式进行积分得：

即则：得即登山运动员从山脚向上爬了约5.7km。解：由气体静力学方程式，大气中气压随高度的变化可用下式描述：（1）

（2）（3）第12页/共58页主要气象要素3．气湿-绝对湿度（1）绝对湿度－1m3湿空气中含有的水汽质量

ρw=Pw/RwTρw=空气的绝对湿度，kg/m3(湿空气)；Pw：水汽分压，Pa；Rw:水汽的气体常数，461.5J/（kg.K）T:空气温度，K第13页/共58页主要气象要素3．气湿-相对湿度（2）相对湿度－空气的绝对湿度与同温度下饱和湿度的百分比Φ=ρw/ρv*100=Pw/PV*100Φ：空气的相对湿度，%ρv：饱和绝对湿度，kg/m3(饱和空气）PV：饱和空气的水汽分压，Pa第14页/共58页主要气象要素3．气湿-含湿量（3）含湿量－湿空气中1kg干空气（去除水滴，水分以及固体颗粒物）包含的水汽质量，比湿d=ρw/ρdd:空气含湿量，kg(水汽)/kg(干空气)Ρd：干空气的密度，kg/m3第15页/共58页3．气湿-含湿量d=0.622Pw/Pd=0.622ΦPv/P-ΦPv在工程中常将湿空气的含湿量定义为1标准m3干空气所包含的水汽质量（kg），用d0表示：

d0=0.804ΦPv/P-ΦPv第16页/共58页主要气象要素3．气湿-水汽体积分数水汽体积分数－水汽在湿空气中所占的体积分数

Φw=Pw/P=d0/(0.804+d0)=dρNd/(0.804+ρNd)第17页/共58页主要气象要素3．气湿-露点露点－同气压下空气达到饱和状态时的温度第18页/共58页主要气象要素3．气湿

第19页/共58页主要气象要素

4．风向和风速

水平方向的空气运动叫做风（垂直方向－升降气流）风的来向叫风向（16个方位圆周等分）

风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2或10min平均）

(km/h)F－风力级（0～12级）

第20页/共58页主要气象要素

4．风向和风速

风是矢量，有方向和大小，即风向和风速。风速(风的大小)：单位时间内空气在水平方向移动的距离，常用单位：m/s，Km/s。风向(风的来向)：可用8个方位或16方位表示(地面风),见右图；也可用角度表示(高空风):以北为零点，沿顺时针方向旋转[正北为360°(或0°);正东90°;正南180°;正西270°]。第21页/共58页主要气象要素5．云

大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小）

云量:天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分）

云高:云底距地面底高度

低云（2500m以下）不稳定气层中的低云常分散为孤立的大云块，稳定气层中低云云层低而黑，结构稀松中云（2500-5000m）过冷的微小水滴和冰晶组成，颜色为白色或者灰白色，没有光泽，云体稠密高云（5000m以上）由冰晶组成，云体白色，白而透明

云状:卷云（线）,积云（块）,层云（面),雨层云(无定形）

第22页/共58页>5000m2500-5000m<2500m第23页/共58页主要气象要素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（0~9级，相应距离为50～50000米）

第24页/共58页第二节大气的热力过程太阳、大气和地面的热交换太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量太阳辐射加热地球表面地面长波辐射加热大气近地层大气温度随地表温度变化第25页/共58页一、太阳辐射波长范围第26页/共58页大气受热过程吸收辐射能力1、大气对太阳短波辐射吸收能力很弱；2、地面海洋植被等吸收能力很强；3、地面长波辐射75%-95%可以被大气吸收大气受热方向：低层向高层传递，大气自下而上增热；近地层大气温度随地表温度升高而增高（自下而上地被加热）；随地表温度降低而降低（自下而上被冷却）第27页/共58页二、气温的垂直变化干空气团1、是否存在热量交换？2、是否存在外力作用下的做功过程？3、与温度之间的关系如何？4、如何进行简化处理？第28页/共58页1、气团的垂直运动过程干空气团近地面大气层H0，P0干绝热上升干空气团1、H1>H0，P1<P0，气团膨胀对外做功，内能减少，温度降低干空气团干绝热下降干空气团2、H1>H0，P1<P0，气团压缩，外力对大气做功，内能增加，温度升高H1，P1第29页/共58页

一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换，即使有热量交换，气团本身升降运动中因为膨胀或者压缩被引起的温度变化，也要比热交换引起的温度变化高得多。

2、处理方法处理方式：无水相变化的空气团的垂直运动近似看作绝热过程第30页/共58页3、热力学第一定律大气中的热力学过程遵循热力学第一定律，能量守恒定律，即封闭体系的热量变化ΔQ等于该体系的能量变化ΔU与体系对外所做功ΔW之和:

ΔQ=ΔU+ΔW在无非膨胀功时，其微分表达式为：

dQ=nCvdT+nPdV

n为体系的物质的量，Cv为恒容热容，T为温度，P为压力，V为体积。对理想气体有V=nRT/P(R为气体常数)，另

Cv

=Cp-R(Cp为等压热容)，代入上式可得：

dQ=nCpdT–nRT/PdP第31页/共58页4、气温直减率对于大气的绝热过程，dQ=0，则：dT/T=R/Cp·(dP/P)求解微分方程可得：T=mPR/Cp=mP0.288,m为积分常量

对气体升降前(T0,P0)后(T,P)状态有T/T0

=(P/P0)0.288(Poisson方程)说明气团在绝热上升或下降过程中温度变化是由气压变化引起的第32页/共58页4、气温的垂直变化（1）气温直减率

（大气）（2）干空气温度绝热垂直递减率－

干绝热直减率

（空气团）第33页/共58页（3）位温位温:一干空气团绝热升降到标准大气压（1013.25hPa)所具有的温度θ=T0(1013.25/p0)R/Cp=T0(1013.25/p0)0.288各高度均把压力换算为标准气压时的温度（绝热）由此可见：干空气作绝热升降运动时，虽然其温度变化，但是其位温却是不变第34页/共58页根据由气体静力学方程及理想气体状态方程

可得

由定义：式中z为高度,ρ为空气密度，M为空气等效分子量位温:各高度均把压力换算为标准气压时的温度（绝热）气温直减率iddTdzg-=·M0.01dpdTgK/mdzg-=CM==第35页/共58页5、气温的垂直分布（温度层结）

气温的垂直分布－温度层结

>，正常分布层结

＝，

中性层结（绝热直减率）

＝0，

等温层结

<0，逆温层结

第36页/共58页（1）气温的垂直分布（温度层结）

气温的垂直分布－温度层结

>，（图中曲线1）正常分布层结，t随着高度增加而下降

＝，（图中曲线2）

中性层结（与绝热直减率变化同）

＝0，（图中曲线3）等温层结（气温不随高度变化）

<0，（图中曲线4）逆温层结（气温随高度增加而增加）请大家思考：以上的4种大气层结状态哪一种更容易运动？运动方向？为什么？第37页/共58页大气稳定度及其判据定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流

定性描述：外力使气块上升或下降

气块减速，有返回趋势，稳定

气块去掉外力

气块加速上升或下降，不稳定

气块停在外力去掉处，中性

不稳定条件下有利于扩散第38页/共58页大气气团的运动H0，P0H1，P1近地面大气干气团外加作用力干气团撤去外力稳定干气团外加作用力干气团撤去外力大气不稳定干气团外加作用力干气团撤去外力大气中性第39页/共58页大气稳定度及其判据定量判断：气块：环境：气块受浮力rVg和重力riVg作用，加速度为：，利用准静力条件，可得

气块：

环境：=Pi=MRTiri在绝热条件下，气块由第40页/共58页大气稳定度及其判据

则有判据：

>0,a>0不稳定

<0,a<0稳定

=0，a=0中性

T根据位温判断大气稳定度时，大气不稳定；时大气稳定；时，大气中性。第41页/共58页测定编号123456地面温度/。C21.121.115.625.030.025.0高度/m4587635802000500700相应温度/。C26.715.68.95.020.028.0例.已知各测点的地面气温和一定高度的气温数据，分别根据气温直减率和位温梯度判断各点的大气稳定度。大气稳定度及其判据第42页/共58页解（1）根据气温直减率判断，故，逆温；，故，稳定；，故，不稳定；，故，不稳定；，故，不稳定；，故，逆温。第43页/共58页解（2）根据位温梯度判断以测点1为例，假设地面大气压强为1013hPa，由公式代入已知数据(温度T取两高度处的平均值)即分别计算地面处位温和给定高度处位温：故位温梯度=同理可计算得到其他数据的位温梯度，结果列表如下：测定编号123456地面温度/。C21.121.115.625.030.025.0高度/m4587635802000500700相应温度/。C26.715.68.95.020.028.0位温梯度/K/100m2.220.27－0.17－0.02－1.021.42由此解得P2=961hPa。第44页/共58页逆温逆温不利于扩散辐射：

太阳

地球

：

短波

大气吸收长波强

地球

大气层：长波

1.辐射逆温：

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

第45页/共58页逆温辐射逆温的生消过程上午10：00后日落前1h黎明前逆温最强日出后太阳辐射日出后上午10：00后第46页/共58页逆温2.下沉逆温（多在高空大气中，高压控制区内）

很厚的气层下沉

压缩变扁

顶部增温比底部多第47页/共58页逆温3.平流逆温暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成4.湍流逆温下层湍流混合达上层出现过渡逆温

第48页/共58页逆温5.锋面逆温

冷、暖气团相遇

暖气上爬，斜成锋面

冷暖间逆温