大气科学与环境监测作业指导书

大气科学与环境监测作业指导书TOC\o"1-2"\h\u26412第一章概述 2308751.1大气科学概述 2108441.2环境监测概述 220256第二章大气物理基础 3118192.1大气组成与结构 3303872.1.1大气组成 3171682.1.2大气结构 3100582.2大气运动与天气系统 3115462.2.1大气运动 363702.2.2天气系统 4245322.3大气辐射与能量平衡 498112.3.1大气辐射 446772.3.2能量平衡 47120第三章气象观测技术 4133053.1地面气象观测 4139093.1.1概述 4212933.1.2观测方法 4172953.1.3观测内容 5178213.2高空气象观测 535883.2.1概述 5124243.2.2观测方法 5244563.2.3观测内容 5127553.3遥感技术 5297583.3.1概述 5152403.3.2遥感技术种类 5191253.3.3遥感技术在气象观测中的应用 631742第四章大气化学 6250604.1大气化学成分 6164804.2大气化学反应 7153774.3大气化学污染 727774第五章环境监测方法 7301855.1水质监测 7148535.2土壤监测 8315655.3大气污染监测 817039第六章气候变化与全球变暖 9285846.1气候变化的基本概念 9131056.2全球变暖的原因与影响 9199096.2.1全球变暖的原因 9157256.2.2全球变暖的影响 990836.3气候变化应对策略 914510第七章环境影响评价 10122107.1环境影响评价概述 10165737.2环境影响评价方法 1075617.2.1预测评价方法 10165937.2.2分析评价方法 10116817.2.3审批评价方法 1161847.3环境影响评价案例分析 1126335第八章大气环境保护 12113338.1大气污染物排放控制 12292208.2大气环境质量管理 1277538.3大气环境保护政策与法规 128387第九章环境监测数据管理与分析 12174179.1环境监测数据收集与处理 12234959.2环境监测数据分析方法 13191459.3环境监测数据可视化 1327204第十章大气科学与环境监测发展趋势 132271610.1大气科学发展趋势 131210110.2环境监测技术发展 142759210.3未来大气科学与环境监测挑战与机遇 14第一章概述1.1大气科学概述大气科学，作为一门研究地球大气圈及其与地球表面和其他圈层相互作用的科学，是自然科学的重要组成部分。大气科学的研究内容广泛，包括大气物理、大气化学、大气动力学、气候学、天气学等多个分支。其主要任务是揭示大气现象的物理、化学过程，探讨大气运动规律，预测天气变化，评估气候变化及其对环境、生态系统的影响。大气科学的研究对于理解地球系统、预测天气、减轻自然灾害、保护生态环境、促进可持续发展等方面具有重要意义。在我国，大气科学的研究与应用已经取得了显著的成果，但仍需在理论创新、技术进步、人才培养等方面持续努力。1.2环境监测概述环境监测是指通过对环境中各类污染因子、生态指标、环境质量参数的监测，评估环境质量状况、预测环境发展趋势、制定环境保护政策的过程。环境监测是环境保护工作的重要基础，对于实现环境可持续发展、保障人民群众身体健康具有重要意义。环境监测的主要内容包括以下几个方面：（1）水环境监测：包括地表水、地下水、饮用水水源地、海水等各类水体的监测。（2）大气环境监测：包括城市空气质量、区域大气污染传输、大气污染源排放等监测。（3）土壤环境监测：包括农田土壤、城市土壤、工业污染场地等土壤污染监测。（4）声环境监测：包括城市噪声、交通噪声、工业噪声等监测。（5）生态监测：包括生态系统结构、功能、物种多样性等方面的监测。（6）环境风险监测：包括突发环境事件、污染、辐射等环境风险监测。环境监测技术的发展趋势是高度集成、自动化、智能化，以实现对环境质量的高效、实时、精确监测。在我国，环境监测体系已逐步完善，监测能力不断提高，但仍需在技术装备、数据处理、人才培养等方面加强创新与发展，以满足新时代环境保护工作的需求。第二章大气物理基础2.1大气组成与结构2.1.1大气组成大气是由多种气体、水汽、气溶胶以及微量的化学成分组成的混合物。其主要成分为氮气（约78%）、氧气（约21%）和少量的氩气、二氧化碳等。大气中还包括水汽、臭氧、氮氧化物、硫氧化物等微量气体。2.1.2大气结构大气在垂直方向上分为对流层、平流层、中间层、热层和外层空间。对流层位于地球表面至约12公里高度，是大气中最稠密的部分，也是天气现象发生的主要区域。平流层位于对流层之上，高度约在1250公里之间，其中臭氧层位于此层内，对地球生物具有保护作用。中间层、热层和外层空间分别位于平流层之上，直至大气层顶。2.2大气运动与天气系统2.2.1大气运动大气运动是大气层内空气质量和能量传输的主要方式。大气运动分为水平运动和垂直运动。水平运动主要包括风和气压梯度力，垂直运动主要包括上升和下沉气流。大气运动受到地球自转、地球表面的地形和地表加热等因素的影响。2.2.2天气系统天气系统是指在一定时间和空间范围内，具有相似特征的大气现象和过程。常见的天气系统有高压系统、低压系统、气旋和反气旋等。这些天气系统在地球表面形成各种天气现象，如晴、阴、雨、雪等。2.3大气辐射与能量平衡2.3.1大气辐射大气辐射是指大气中的气体和气溶胶对太阳辐射和地球表面辐射的吸收、散射和发射过程。大气辐射分为太阳辐射和地球辐射。太阳辐射是大气辐射的主要能量来源，地球辐射是大气辐射的主要能量消耗途径。2.3.2能量平衡能量平衡是指大气系统中吸收和辐射能量的动态平衡。在地球表面，太阳辐射能量通过大气层到达地表，地表吸收部分能量后，以长波辐射的形式向外辐射。大气中的气体和气溶胶对这部分辐射进行吸收和散射，使能量在大气层内重新分配。同时大气层内的水汽、臭氧等成分对太阳辐射进行吸收，使大气层内能量发生变化。在长期过程中，大气系统的能量收支保持相对平衡。第三章气象观测技术3.1地面气象观测3.1.1概述地面气象观测是指对地面气象要素进行实时监测和记录的过程。它是气象观测的基础，对于了解和掌握天气变化规律具有重要意义。地面气象观测主要包括气温、湿度、风向、风速、气压、降水量等要素的观测。3.1.2观测方法地面气象观测方法主要包括以下几种：（1）仪器观测：利用气象仪器，如温度计、湿度计、风速计、气压计等，对气象要素进行实时测量。（2）目测观测：通过观测者的肉眼，对天气现象、云高等进行观测。（3）自动观测：利用自动气象站，对气象要素进行自动监测和数据传输。3.1.3观测内容地面气象观测内容主要包括以下方面：（1）气温：观测不同高度的气温，了解气温的垂直分布。（2）湿度：观测相对湿度和绝对湿度，了解大气湿度的变化。（3）风向、风速：观测不同时间段的风向和风速，了解风力变化。（4）气压：观测不同高度的气压，了解气压的分布和变化。（5）降水量：观测不同时段的降水量，了解降水情况。3.2高空气象观测3.2.1概述高空气象观测是指对大气垂直分布的气象要素进行观测。高空气象观测对于了解大气结构、预测天气变化具有重要意义。高空气象观测主要包括探空气象观测、气象卫星观测等。3.2.2观测方法高空气象观测方法主要包括以下几种：（1）探空气象观测：利用气象探空气球携带气象仪器，对大气垂直分布的气象要素进行观测。（2）气象卫星观测：利用气象卫星搭载的遥感器，对大气垂直分布的气象要素进行观测。3.2.3观测内容高空气象观测内容主要包括以下方面：（1）气温、湿度：观测不同高度的气温和湿度，了解大气垂直分布特征。（2）风向、风速：观测不同高度的风向和风速，了解大气水平分布特征。（3）气压：观测不同高度的气压，了解大气压力分布。3.3遥感技术3.3.1概述遥感技术是一种通过对地球表面和大气的电磁波辐射进行观测，获取地球表面和大气的空间分布信息的技术。遥感技术在气象观测中具有重要的应用价值，可以实现对大气、海洋、陆地等不同领域的高效监测。3.3.2遥感技术种类遥感技术主要包括以下几种：（1）光学遥感：利用可见光、红外线等电磁波对地球表面进行观测。（2）雷达遥感：利用电磁波与目标物体相互作用产生的回波，对目标物体进行观测。（3）微波遥感：利用微波对地球表面进行观测，具有穿透能力强、观测范围广等特点。3.3.3遥感技术在气象观测中的应用遥感技术在气象观测中的应用主要包括以下方面：（1）云和天气现象观测：利用遥感技术，可以实时监测云的发展和变化，为天气预报提供依据。（2）气温、湿度观测：遥感技术可以获取大气垂直分布的气温和湿度信息，为天气预报提供数据支持。（3）风向、风速观测：遥感技术可以获取大气水平分布的风向和风速信息，为气象分析和预报提供参考。（4）降水观测：遥感技术可以实时监测降水情况，为降水预报提供数据来源。（5）灾害监测：遥感技术可以快速获取灾害性天气的分布和变化，为防灾减灾提供决策依据。第四章大气化学4.1大气化学成分大气化学成分的研究是大气科学领域中的重要组成部分。大气化学成分主要包括气态污染物、颗粒物和气溶胶等。气态污染物主要包括二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、臭氧等有害气体；颗粒物主要包括PM2.5、PM10等细微颗粒物；气溶胶则是由液体或固体微粒组成的悬浮在空气中的胶体体系。气态污染物的来源主要包括工业排放、交通排放、生活燃烧等。颗粒物的来源则包括自然源和人为源，自然源主要有土壤扬尘、海盐、火山灰等，人为源主要有工业排放、交通排放、建筑扬尘等。气溶胶的来源也较为复杂，包括自然源和人为源，其中自然源有花粉、微生物等，人为源则主要包括工业排放、交通排放等。4.2大气化学反应大气化学反应是指在大气中发生的化学反应。大气化学反应可以分为气态反应、液态反应和固态反应。气态反应主要发生在气态污染物之间，如臭氧和氮氧化物的反应；液态反应主要发生在云、雾、雨等液态介质中，如酸雨的形成；固态反应主要发生在颗粒物表面，如颗粒物的光催化反应。大气化学反应的机理复杂多样，主要包括光化学反应、氧化还原反应、水解反应、缩合反应等。光化学反应是指大气中发生的受光辐射影响的化学反应，如臭氧的光解；氧化还原反应是指大气中发生的电子转移过程，如氮氧化物的氧化；水解反应是指大气中发生的水分解反应，如酸雨的形成；缩合反应是指大气中发生的分子间的结合反应，如颗粒物的。4.3大气化学污染大气化学污染是指大气中化学物质含量超过环境容纳能力，对人类和生态系统产生不良影响的现象。大气化学污染的主要表现为气态污染物、颗粒物和气溶胶的污染。气态污染物污染主要表现为对人体健康的危害，如二氧化硫、氮氧化物等有害气体对呼吸系统的刺激和损害。颗粒物污染主要表现为对人体健康和生态环境的影响，如PM2.5等细微颗粒物可进入人体肺部，引发呼吸道疾病。气溶胶污染主要表现为对空气质量的影响，如降低能见度、影响太阳辐射等。大气化学污染的来源多样，包括工业排放、交通排放、生活燃烧等。为了减轻大气化学污染，我国采取了一系列措施，如加强污染源治理、推广清洁能源、提高环保意识等。但是大气化学污染问题依然严重，需要全社会共同努力，持续改善大气环境质量。第五章环境监测方法环境监测是大气科学与环境监测领域的重要组成部分，旨在通过对环境介质（如水、土壤和大气）的监测，获取环境污染状况的数据，为环境保护和污染治理提供科学依据。本章主要介绍水质监测、土壤监测和大气污染监测的方法。5.1水质监测水质监测是对水体中的物理、化学和生物指标进行定期或不定期的监测，以评估水质状况。水质监测方法主要包括以下几种：（1）化学分析法：通过分析水中各种化学成分的浓度，评估水质的化学指标。常用的化学分析方法有滴定法、光谱法、色谱法等。（2）生物监测法：利用水生生物对污染物的敏感性，评估水质状况。生物监测法包括生物指数法、生物累积法等。（3）遥感监测法：利用卫星遥感技术，获取水体表面信息，评估水质状况。遥感监测法具有快速、实时、大范围监测等优点。5.2土壤监测土壤监测是对土壤中的物理、化学和生物指标进行监测，以评估土壤污染状况。土壤监测方法主要包括以下几种：（1）化学分析法：通过分析土壤中的重金属、有机污染物等化学成分，评估土壤污染程度。常用的化学分析方法有原子吸收法、原子荧光法、电感耦合等离子体发射光谱法等。（2）生物监测法：利用土壤生物对污染物的敏感性，评估土壤污染状况。生物监测法包括微生物群落分析法、植物生长试验法等。（3）遥感监测法：利用卫星遥感技术，获取土壤表面信息，评估土壤污染状况。遥感监测法具有快速、实时、大范围监测等优点。5.3大气污染监测大气污染监测是对大气中的污染物进行监测，以评估大气环境质量。大气污染监测方法主要包括以下几种：（1）化学分析法：通过分析大气中的污染物浓度，评估大气污染程度。常用的化学分析方法有气相色谱法、高效液相色谱法、原子吸收法等。（2）物理监测法：通过测量大气中的颗粒物、气态污染物等物理参数，评估大气污染状况。物理监测法包括光散射法、光吸收法、β射线法等。（3）遥感监测法：利用卫星遥感技术，获取大气污染物的分布信息，评估大气污染状况。遥感监测法具有快速、实时、大范围监测等优点。大气污染监测还需关注以下方面：（1）监测点位的选择：根据监测目的、污染物分布特征等因素，合理选择监测点位。（2）监测数据的处理与分析：对监测数据进行统计分析，评估大气污染程度和变化趋势。（3）监测设备的维护与管理：保证监测设备的正常运行，提高监测数据的准确性。第六章气候变化与全球变暖6.1气候变化的基本概念气候是指某一地区在长时间内，通常为30年以上的平均天气状况。气候变化是指气候系统在自然因素和人为因素的影响下，发生的显著波动和长期趋势。气候变化的范畴包括温度、降水、湿度、风等气象要素的时空分布及其变化。根据其变化的时间尺度，气候变化可分为短期气候变化和长期气候变化。6.2全球变暖的原因与影响6.2.1全球变暖的原因全球变暖的主要原因是人为排放的温室气体，如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等。这些温室气体的排放源包括燃烧化石燃料、农业活动、土地利用变化等。自然因素如太阳辐射、火山爆发等也对全球变暖产生一定影响。6.2.2全球变暖的影响全球变暖对环境、气候、生态系统和人类生活产生广泛影响。以下列举几个方面：（1）气温上升：全球变暖导致气温上升，使极端高温事件更加频繁，影响人类生活和农业生产。（2）降水分布不均：全球变暖导致降水分布不均，部分地区的降水增多，而另一些地区则出现干旱。（3）海平面上升：全球变暖导致极地冰川融化，海平面上升，威胁沿海地区的人类生活和生态环境。（4）生态系统改变：全球变暖导致生态系统发生变化，生物多样性受到威胁。（5）气候灾害增多：全球变暖加剧了气候灾害的发生，如台风、洪水、干旱等。6.3气候变化应对策略面对气候变化的挑战，各国和社会各界纷纷采取措施，以应对气候变化带来的影响。以下列举几种应对策略：（1）减缓和控制温室气体排放：通过优化能源结构、发展可再生能源、提高能效等措施，降低温室气体排放。（2）调整农业生产方式：推广低碳农业技术，提高农业适应气候变化的能力。（3）保护生态环境：加强森林、湿地、草原等生态系统的保护与恢复，提高生态系统碳汇功能。（4）加强国际合作：通过全球气候治理机制，推动各国共同应对气候变化。（5）提高公众意识：加强气候变化科普宣传，提高公众对气候变化的认知和应对能力。（6）完善法律法规：制定和完善气候变化相关法律法规，为应对气候变化提供法律保障。第七章环境影响评价7.1环境影响评价概述环境影响评价（EnvironmentalImpactAssessment，简称EIA）是指在规划、建设、生产、运行等过程中，对拟建项目或规划可能产生的环境影响进行预测、分析和评价，为决策提供科学依据。环境影响评价是环境管理的重要组成部分，旨在保证经济、社会和环境协调发展，实现可持续发展目标。7.2环境影响评价方法7.2.1预测评价方法预测评价方法主要包括以下几种：（1）类比法：通过对相似项目的环境影响进行类比分析，预测拟建项目可能产生的环境影响。（2）模型法：运用数学模型、物理模型等对拟建项目的环境影响进行定量分析。（3）专家评估法：邀请相关领域专家对拟建项目的环境影响进行评估。（4）情景分析法：根据不同情景设定，预测拟建项目在不同情况下的环境影响。7.2.2分析评价方法分析评价方法主要包括以下几种：（1）环境影响矩阵法：通过构建环境影响矩阵，分析拟建项目对各个环境要素的影响程度。（2）环境影响指数法：运用环境影响指数对拟建项目进行评价。（3）环境影响费用效益分析法：对拟建项目的环境影响进行货币化处理，分析其经济效益和环境效益。（4）多目标决策分析法：在多个目标之间进行权衡，选择最优方案。7.2.3审批评价方法审批评价方法主要包括以下几种：（1）专家评审法：邀请相关领域专家对环境影响评价报告进行评审。（2）公众参与法：通过公众参与，收集公众意见，提高环境影响评价的公正性。（3）环境影响评价审批制度：依据相关法律法规，对环境影响评价报告进行审批。7.3环境影响评价案例分析以下为两个环境影响评价案例分析：案例一：某城市生活垃圾焚烧发电项目该项目位于我国某城市郊区，拟建一座生活垃圾焚烧发电厂。在环境影响评价过程中，通过对项目周边环境、大气、土壤、水资源等方面进行预测分析，发觉该项目对周边环境有一定影响。评价结果显示，焚烧发电项目在采取相应环保措施后，可以满足环境要求。案例二：某高速公路项目该项目为我国某地区的高速公路建设，全长约100公里。在环境影响评价过程中，采用类比法、模型法等方法，对项目沿线的大气、噪声、生态等方面进行了分析评价。评价结果显示，该项目在采取相应环保措施后，对沿线环境的影响可控。通过以上案例分析，可以看出环境影响评价在项目决策中的重要作用。通过对拟建项目的环境影响进行预测、分析和评价，有助于保证项目在实施过程中对环境的影响降到最低，实现经济、社会和环境的协调发展。第八章大气环境保护8.1大气污染物排放控制大气污染物排放控制是大气环境保护的重要环节。应当对各类大气污染物的排放源进行严格监控，包括工业污染源、交通污染源、生活污染源等。针对不同类型的排放源，应采取相应的控制措施。对于工业污染源，应当优化生产工艺，采用清洁生产技术，减少污染物排放。同时对排放的污染物进行末端治理，如安装脱硫、脱硝、除尘等设备。在交通污染源方面，应推广新能源汽车，优化交通结构，提高公共交通出行比例。对于生活污染源，应加强城市生活垃圾、污水处理，减少污染物排放。8.2大气环境质量管理大气环境质量管理是大气环境保护的核心内容。大气环境质量管理包括对大气环境质量的监测、评估和预警。建立健全大气环境监测网络，对大气污染物浓度、分布和变化趋势进行实时监测。对监测数据进行分析，评估大气环境质量状况，为制定大气环境保护政策提供科学依据。加强大气环境预警系统建设，对可能出现的大气污染事件进行预警，及时采取应对措施。8.3大气环境保护政策与法规大气环境保护政策与法规是大气环境保护的重要保障。我国高度重视大气环境保护，制定了一系列政策与法规，以保证大气环境质量的改善。制定大气污染防治行动计划，明确大气环境保护的目标、任务和措施。完善大气环境保护法律法规体系，加强执法监管，严厉打击环境违法行为。加大大气环境保护投入，支持大气污染防治科技研发和推广应用。同时加强国际合作，参与全球大气环境保护事务，共同应对大气污染问题。第九章环境监测数据管理与分析9.1环境监测数据收集与处理环境监测数据收集与处理是环境监测工作的基础环节。需依据监测目标和监测指标，制定详细的监测方案，包括监测地点、监测时间、监测频率等。采用现代化的监测设备和技术，对环境要素进行实时监测，保证数据的准确性和可靠性。在数据收集过程中，要注重以下几点：一是保证监测设备的正常运行和定期校准，以避免设备故障或误差对数据的影响；二是加强监测现场的管理，防止人为因素的干扰；三是采用自动采集系统，减少人工操作失误。数据收集完成后，需进行数据处理。数据处理主要包括数据清洗、数据整合和数据校验。数据清洗是指对原始数据进行筛选，剔除无效、错误或异常数据；数据整合是指将不同来源、不同格式或不同时间的数据进行整合，形成统一的数据集；数据校验是指对处理后的数据进行核对，保证数据的准确性和一致性。9.2环境监测数据分析方法环境监测数据分析方法主要包括统计分析、趋势分析、空间分析和风险评估等。统计分析是对监测数据的基本统计特征进行分析，如均值、方差、标准差等，以了解环境要素的分布规律。趋势分析是对监测数据随时间变化趋势进行分析，以揭示环境要素的变化规律。空间分析是对监测数据在空间上的分布进行分析，以了解环境要素的空间特征。风险评估是对环境质量进行定量或定性的评价，包括风险识别、风险评价和风险管理。风险识别是确定环境中存在的潜在风险因素；风险评价是对风险因素进行量化分析，评估其对环境和人体健康的影响程度；风险管理是制定相应的控制措施，降低风险水平。9.3环境监测数据