第五章大气环境影响预测与评价1and2

§5-1大气层概述一、低层大气的组成

大气：1200km——用热气球探测，上界2000～3000km（卫星探测）大气圈：低层大气：55km以下，含50％以上大气物质的质量。包括干洁空气、水汽和杂质三部分。1.干洁空气主要组分:

N2:78.09%；O2:20.95%；Ar：0.93%次要组分:CO2NeHeXeKeO3不变气体组分：N2

、O2

、Ar可变气体组分：H2O、CO2、O3等①CO2：0.03％，对太阳短波辐射吸收能力很弱，对地表的长波辐射吸收能力很强，同时能发射长波辐射。对地面和大气保持一定的温度起重要作用。“温室效应”②O3：0.000002％，12—35km臭氧层，吸收波长短于0.29μm的紫外线部分。臭氧：高空O2---→O---→O3含量10-6％，随高度分布不均匀。保护动植物免受紫外线伤害。2.水蒸气含量不稳定。变化范围0～4％之间。可导致云、雾、雨、雪、雹等天气变化。强烈吸收地面辐射，又向周围气体和地面放射长波辐射，水的相变化又能吸收和放出热量，对气温和地面温度有一定影响。例：海边日夜温差小，而干旱地区温差大。海洋性气候。3.杂质（大部分是大气污染物）大气气溶胶粒子：有自然界产生的，有人类活动产生的。自然界产生：大风扬尘、火山灰、海盐粒子、植物花粉等。人类活动产生：烟尘、工业粉尘、交通运输产生扬尘等。固态杂质：烟尘、工业粉尘、大风扬尘、火山灰、海盐粒子、植物花粉等。液态杂质：水汽凝结物（云、雾滴、水滴等）二、描述大气的物理量气象要素：对大气状态和大气物理现象给予“定量”或“定性”的描述的物理量，通过观测获得。1.气温：离地面1.5m高度的百叶箱中观测的空气温度。2.气压：大气作用在单位面积上的作用力，N/m2(Pa)、mmHg，atm等，巴bar，毫巴mbar1atm＝760mmHg＝101325Pa＝1013.25mbar3.气湿：空气湿度。绝对湿度、水蒸气分压力、相对湿度、饱和蒸汽压。4.风：空气质点的水平运动称为风，矢量（风向，风速）。空气质点的铅直运动称为升、降气流。风向：风的来向，16方位、8方位注：我国习惯：东西为基本方位（西北、东北）先说单方位再说复方位（西西北、北东北）国外习惯：北南为基本方位（NE,SE）先说单方位再说复方位（NNE,ENE）报告时用英文为Northeast而中文翻译为东北风频：吹某一风向的风的次数，占总的观测统计次数的百分比，称该风向的风频。风频最大的风向为主导风向。下风向受污染的概率最大。静风（风速小于0.5m/s)风频：有近距离污染的可能。风向玫瑰图风速：空气在水平方向上移动的距离与所需时间的比值。m/s，Km/s风向、风速：测定指安装于距地面10m高度上的测风仪所观测到的一定时间内的平均值。我国气象中指某时的风向。风速是正点前10min的平均风向、风速。风力；风级：风速≈3.02F２/3(km/h)风级（0～12级）。F为风的等级。5.云：云是大气中的水汽凝结现象。云高指云底距地面的高度。分高云（5000m以上）、中云（2500～5000m）和低云（2500m以下）三类。云状：有国际云图，由专门气象人员去观测。卷云（线）,积云（块）,层云（面）,雨层云(无定形)。我国将视野能见的天空分为10等分，其中云遮蔽了几分，云量状况是几。eg：碧空无云，云量＝0；阴天，云量＝10国外将天空分为8等分，云遮蔽几分则云量就是几。国外云量×1.25＝我国云量我国云量记录，规范为总云量/低云量，其中总云量指所有的云遮蔽天空的分数，低云量指低云遮蔽天空的分数。eg：8/3表示：10等分低云遮3份，总云8份。在大气环境影响预测中用云高、云量等确定“大气稳定度”。6.能见度：在当时的天气条件下，正常人的眼睛所能看见目标的最大水平距离。反映了大气的浑浊程度，大气中杂质的多少。级别：10级（0~9）三、大气层的结构1.大气温度的垂直分布根据大气温度在垂直于下垫面（地球表面情况）方向上的分布状况分五层：对流层；平流层；中间层；热成层；散逸层

(重点掌握对流层、平流层的特点)三、大气层的结构对流层平流层中间层外逸层臭氧热成层（1）对流层：

平均高度12km，上界面高度是变化的，夏季>冬季，赤道高17-18km，温带10-12km，两极8-9km。气温随高度的升高而降低，高度增加100m，气温降低0.65℃。强烈的对流运动。空气密度最大，集中了全部空气质量的3/4。气象要素水平分布不均匀，复杂天气现象。（2）平流层：对流层顶～55km分两层：对流层顶到30～35km，气温不随高度变化，同温层；同温层顶到平流层顶，气温随高度的升高而上升，逆温层（暖层）没有强烈的对流运动，气流平稳。大气透明度良好。（3）中间层：55～88km之间高度升高，气温下降，高度增加1km，则气温降低1℃。空气强烈对流运动，垂直混合明显，称高空对流层。（4）热成层：85～800km。高度升高，气温迅速上升，300km处，气温达1000℃以上。在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，处在高度的电离状态，有电离层之称，具有反射无线电波的能力。（5）散逸层：热成层顶以上的大气层。气温极高，空气稀薄，大气粒子运动速度很高。2.大气压力和密度的垂直分布对一个地点，气压总是随着高度的增加而降低，近地层，高度升高100m，气压降低1240Pa，高层小于该值。（1）大气压力的垂直分布（2）大气密度的垂直分布

5.5km以下，大气质量占1/2；30km以下，大气质量为99％。3.大气成分的垂直分布大气中任一高度上各种气体组分的比例主要取决于分子扩散和湍流扩散两种物理过程的强者。分子扩散：湍流扩散：100km湍流扩散为主，气体成分均匀（匀和层）分子扩散为主，较轻气体（非匀和层）转换高度（湍流层顶）说明：100km以下，以湍流扩散为主，匀和层100km以上，以分子扩散为主，非匀和层100km以下：N2、O2500km：O、H2、He1000km：H2、He5.2大气边界层的温度场大气边界层：受下垫面影响的低层大气，其厚度约为1～2km，称为大气边界层或行星边界层。下垫面以上100m左右的一层大气称为近地层或摩擦边界层。中间一层（近地层到大气边界层顶）的一层称为过渡区。过渡层100m近地层1-2Km大气边界层一、气温的垂直分布1.气温层结气温沿铅直高度的变化，称气温层结或层结。气温随高度变化快慢这一特征可用气温垂直递减率来表示。气温垂直递减率的数学定义式,γ＝-dT/dz；它系指单位(通常取100m)高差气温变化速率的负值。如果气温随高度增高而降低，γ为正值，如果气温随高度增高而增高，γ为负值。1243温度高度看懂此图，会解释1：正常层结2：中性层接3：逆温层结4：等温层结二、干绝热直减率a.问题的提出ｐ’，ｖ’Ｔ’ｐ’＋ｄｐ’，ｖ’＋ｄｖ’Ｔ’＋ｄＴ’气块气块ＺＺ＋ｄＺ二、干绝热直减率a.问题的提出一个质量恒定的空气块，从地面绝热上升时，将因周围气压的减小而膨胀，一部分内能用于反抗外压力膨胀，而做了功，因而它的温度将逐渐下降；上升：Q=△u＋w令Q=0→－△u＝w，△u下降内能减少，t下降，干空气的绝热温度下降其中：Q—加入热量；△u—内能；w—功反之，当一个质量恒定的空气块从高空绝热下降时，由于外界气压逐渐增大，外压力对气块做压缩功，并转化为它的内能，因而它的温度将逐渐上升。下降：Q=△u＋（－w）令Q=0→△u＝w，△u升高，t升高。这种性质可用干绝热直减率γd表示。定义：干空气在绝热升降过程中，每升降单位距离（通常取100m），气温变化速率的负值，称为干空气温度绝热垂直递减率，简称干绝热直减率（γd）。2.计算γd：数值推导前提条件：准静力条件（假设空气块的气压P’与周围大气压力相等）（P’＝P，当某气块到达某一高度时，气块本身的压力与大气压力很快就会达到平衡）气块作绝热上升，应符合绝热过程方程式（5-7）由于准静力条件P’=P，P’+dP‘=P+dP，则：（5-8）将静力学方程（5-3）（dρ＝－ρgdz）和状态方程P＝ρRT带入（5-8），并考虑T’/T接近1，得：

（5-9）干空气温度：绝热垂直递减率的定义式。取g＝9.81m/s2，Cp＝1004J/（kg·K）Cp—空气的定压比热.表示：在作绝热上升（或下降）运动时，干空气每上升（或降低）100m，气温约降低或升高1K3.对于湿空气：①未饱和湿空气在绝热升降过程中，如果终态未达到饱和状态，则遵循上述规律。

升湿空气（未饱和）---→终态（未饱和）降②上升过程中，当达到凝结高度时（即湿空气中有凝结水产生），由于水汽凝结释放出一些热能，因此，在湿空气上升到凝结高度，继续作绝热上升运动，则每升高100m，气温下降小于1℃。③饱和湿空气下降分两种情况：A：如含有水滴，由于水滴蒸发消耗热量，故下降100m，气温升高小于1℃；B：如不含水滴则等于1℃。一空气块受到外力的作用，获得了初始运动速度后，气块可能发生三种情况：(1)当外力去除后，气块逐渐减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的；

(2)当外力去除后，气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；(3)当外力去除后，气块被外力推到哪就停到哪，或做等速直线运动，称这种大气是中性的。三、大气静力稳定度及其判据大气稳定度的判据假设：初态T’=T，P’=P，ρ’=ρ末态：T’﹥T，P’=P，ρ’﹤ρ

对气块：F-G=ma，ρgV-mg=ma对于静止气块F=G=ρ’gV=mg∴V=mg/ρ’g∴ρgm/ρ’-mg=maF=ρgVG=mg气块T’，P’，ρ‘环境T，P，ρ当γ-γd>0，气块加速运动，大气不稳定；当γ-γd<0，气块减速运动，大气稳定；当γ-γd=0，大气为中性。

因此，大气静力稳定度可以用气温直减率与干绝热直减率之差来判断，即γ-γd大于、小于和等于零为大气静力稳定度的判据。对于γ和γd的物理意义应具有较确切认识。

γd是以质量恒定的一块空气团为对象在干绝热条件下垂直上升而导出的气温垂直递减率，是一个由气态方程给定的确定值。γ则是气温的环境层结,是在太阳、地球的热量幅射和其他气象因素作用下形成的实际环境状况。干绝热直减率与大气温度直减率的区别方面类别对象运动状态温差取值对象时间地面以上大气层静止大气不同层间的气温差理论上应是同时刻不同高度的温差变数。各层、各地一天中也不同干空气绝热过程运动着的气块同一气块不同高度的温差气块本身不同时刻不同高度的温差常数。1℃/100m用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上升空气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。课堂讨论：如下图所示，分别判断大气处于何种状态，稳定还是不稳定？

四、位温

1、定义：未饱和的空气块绝热地移动到标准气压100000Pa处所具有的温度，称为这一未饱和空气的位温。记作θ。位温是一种假想的温度，为了比较不同气压情况下气块之间的温度，而定义了一种不受运动状态影响的温度，即位温。位温是一个保守量。目的：用位温梯度来判断大气静力稳定度100000Pa与变化过程无关五.气温层结与烟流形状烟流形状估计大气稳定度（气温层结）1.波浪型（翻卷型）2.锥型：3.平展型：4.爬升型（屋脊型）5.漫烟型（熏烟型）6.受限型类型发生条件发生时机烟流特点地面污染情况波浪型>0，烟流位于不稳定大气中多发生在太阳光较强、晴朗的白天，此时热力流为主，风速较小烟流上下波动地面最大浓度落地点距离烟囱较近，浓度较大锥型≈0，中性多发生在多云或阴天的白天，强风的夜晚圆锥型，烟流轴线近乎水平，扩散能力较波浪型差地面最大浓度较波浪型远，浓度较波浪型小，范围较大平展型<－1，烟流位于逆温层晴朗的夜晚和早上，（逆温没破坏以前）扇型，铅直方向厚度较小，扩散能力很差高烟囱近距离不会造成污染，远处浓度低，污染范围较大。爬升型<0多发生在日落前后（0.5～1h）烟流不向下扩散，只向上扩散，此种烟流持续时间较短对地面产生污染较小类型发生条件发生时机烟流特点地面污染情况漫烟型>0日出后，地面增温，近地层空气被加热，逆温自地面向上破坏，当破坏到烟流中时发生（8～11点）大气污染物向下方扩散，烟流持续时间短约0.5h造成短时间的地面高浓度受限型上下逆温层之间的不稳定大气中晴朗天气，微风的早上，夏天较多见。烟流被限制在狭小的空间中地面不受污染。六、逆温1.发生背景太阳辐射短波，地面在吸收太阳辐射后，也向外辐射，但主要是长波辐射。大气吸收短波辐射能力弱，而吸收长波能力极强。被太阳辐射加热的地面，靠热传导把贴近地表层加热，然而，通过湍流作用把热量向上传递。近地层气温随着地面温度的增加而增加，而且是自下而上被