内蒙科大大气污染控制工程课件第03章 大气污染气象学

第三章大气污染气象学1.大气圈结构及气象要素2.大气的热力过程3.大气的运动和风3.1大气圈结构及气象要素一.大气圈垂直结构大气圈垂直结构Ozonelayer大气层的结构。大气层可以分为对流层（最贴近地面、密度最大的一层）、平流层（较高的、气体组成相同但密度较小的气层）以及电离层（由已电离的气体组成）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50～100m，热量和动量的常通量层大气圈垂直结构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，成分基本不变大气气压场分布大气水汽分布二.主要气象要素1．气温天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo9325FC主要气象要素2．气压单位：mb（毫巴）大气的压强1atm＝101326Pa＝1013.26mb=760mmHg静力学方程:gzP主要气象要素3．气湿绝对湿度－1m3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百分比含湿量－湿空气中1kg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露点－同气压下空气达到饱和状态时的温度主要气象要素3．气湿主要气象要素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）302.3Fu主要气象要素4．风向和风速风玫瑰图风速,m/s某地区1988年的风玫瑰图。同心圆表示风的频率，例如，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3.35～5.41m/s的频率为3.5左右。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）中云（2500～5000m）高云（5000m以上）云状:卷云（线）,积云（块）,层云（面),雨层云(无定形）云高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）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）3.2大气的热力过程一.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二.气温的垂直变化气温直减率（大气）干空气绝热绘制温度递减率－干绝热直减率（空气团）一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换空气块膨胀（做功）耗内能T定性空气块压缩（外气对它做功）T内能（由压力变化引起）TzdddiTz气温直减率定量：热力学第一定律（第一定律＋状态方程）其中ddpTRpTCpdd1dpTRpkpTCpkpvpCCRv1.4pkCk气温直减率dzzzdiippdiivvdiiTTdppdvvdTTiviTpvT气块：环境：ip（大气）（气块）（高度）dzzzdiippdiivvdiiTTdppdvvdTTiviTpvT气块：环境：ip（大气）（气块）（高度）ddiiipiTRpTCpippddiippppddpgz对气团：流体准静力学条件：，由代入式(1)可得：(1)ddiipTRgzTCpddiiipiTRpTCpippddiippppddpgz对气团：流体准静力学条件：，由代入式(1)可得：(1)ddiipTRgzTCp气温直减率代入上式得：实际中，Ti、T相差10K，则1iTT（空气）(8.314)287RRMmpRTRTv11JkgK（空气）(8.314)287RRMmpRTRTv11JkgKddipTRgzTCRT由定义：（）dd0.98K/100mdipTgzC111004JkgKpC由定义：（）dd0.98K/100mdipTgzC111004JkgKpC－泊松方程0.288000()()pRCTPPTPP－泊松方程0.288000()()pRCTPPTPP0.28810001000()()pRCTTPP位温:各高度均把压力换算为1000mb(10kPa)时的温度（绝热）0.28810001000()()pRCTTPP位温:各高度均把压力换算为1000mb(10kPa)时的温度（绝热）气温的垂直分布（温度层结）气温的垂直分布－温度层结Tzd0，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Tzd0，正常分布层结＝，中性层结（绝热直减率）＝0，等温层结0，逆温层结三.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去掉外力气块减速，有返回趋势，稳定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大气稳定度及其判据定量判断ipiiTpT气块：环境：ipiiTpT气块：环境：()(1)iigTTTagTT()iigaiiippRTRT（单位体积块）加速度，将代入上式得：()(1)iigTTTagTT()iigaiiippRTRT（单位体积块）加速度，将代入上式得：()iigaiiippRTRT（单位体积块）加速度，将代入上式得：0diiTTz0TTz气块：环境：zzz高度（一般均满足绝热条件）0diiTTz0TTz气块：环境：zzz高度（一般均满足绝热条件）zzz高度（一般均满足绝热条件）则有判据：大气稳定度及其判据00iTTd()agzTddd混合层0,a0不稳定0,a0稳定中性层＝0，a=0中性稳定层0，a0逆温，非常稳定ddd混合层0,a0不稳定0,a0稳定中性层＝0，a=0中性稳定层0，a0逆温，非常稳定四.逆温逆温不利于扩散辐射：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，大气自下而上冷却太阳地球：短波地球大气层：长波大气吸收长波强逆温辐射逆温的生消过程逆温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dd4.湍流逆温下层湍流混合达上层出现过渡层逆温逆温5.锋面逆温冷、暖气团相遇冷暖间逆温暖气上爬，形成锋面五.烟流型与大气稳定度的关系波浪型（不稳）锥型（中性or弱稳）扇型（逆温）爬升型（下稳，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳）3.3大气的运动和风一.引起大气运动的作用力直接作用力重力水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡）间接作用力地转偏向力（相对运动：方向改变）惯性离心力（大气曲线运动：很小）摩擦力（近地1～2km内明显）大气边界层中风随高度变化Ekman螺旋线（北半球下视，地偏力指向运动右方，故顺时针；南半球则相反）高度增高，风速增大，方向逐渐接近地转风。近地层风速廓线模式平均风速随高度变化中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度*0lnuZukZ近地层风速廓线模式平均风速随高度变化非中性层结：指数律，稳定度参数11()mZuuZ地方性风场1．海陆风地方性风场2．山谷风地方性风场3．城市热岛环流