大气污染控制工程_气污染气象学

1第3章大气污染气象学教学内容§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2第3章大气污染气象学1、教学要求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、大气稳定度和逆温的概念。2、教学重点掌握大气层结构及大气的热力过程。3、教学难点大气的热力过程、大气稳定度和逆温。建议学时数：2学时3（）45大气扩散源受体大气扩散酸雨越境转移（日本、南朝鲜……）大气科学大气物理、化学……大气气象学……污染气象学……气象条件对污物的稀释、扩散作用污染物对气象的影响第3章大气污染气象学67§1大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直结构第3章大气污染气象学8臭氧吸收300平流层顶（+）（-）平流层对流层对流层顶散逸层（+）（-）（+）热成层电离层中间层中间层顶200250绝对温度（K）50030007080506020409030040020010001030高高高km高高度（km）高度(km)一、大气圈垂直结构每升高100m，气温降低0.65℃N2O2ArCO2NeHeKrH2XeO3越往上氧、氦等气体的原子态越多紫外线的强烈照射，N2和O2产生不同程度的离解9一、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）10图行星边界示意图在对流层内，从动力学的观点可把大气层次划分为:自由大气层、边界层(摩擦层)和近地面层11一、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12一、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13一、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14大气气压场分布15大气水汽分布16二、主要气象要素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～。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。17二、主要气象要素1．气温表示大气温度高低的物理量。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18二、主要气象要素2．气压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体静力学方程式描述，即ΔP=-ρgΔZ，其积分式—压高公式：据实测近地层高度每升高100米，气压平均降低约12.4毫巴（1mb=100Pa)，在高层小于此值。单位：mb（毫巴）大气的压强1atm＝101326Pa＝1013.26mb=760mmHg静力学方程:gzP1212lnlnZZRTgPPm19二、主要气象要素3．气湿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、含湿量、相对湿度、露点等。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20二、主要气象要素3．气湿21二、主要气象要素4.风向和风速（windspeedanddirection)什么是风？空气的流动就形成风。风的形成：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。P4P4P4P3P3P3P2P2P2P1P1P1ABABABt1t2t1t2t1t2t1=t2t1＞t2t1＞t2abc风的形成除热力原因外，还有动力原因，自然界的风是由于这两种原因综合作用的结果，但只要有温差存在，空气就不会停止运动。22二、主要气象要素4．风向和风速水平(horizontal)方向的空气运动称为风。（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2324二、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。25二、主要气象要素5、云云：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云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为10等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的1/10，云量记为1；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的1/20）记为10；当天空无云或云量不到1/20时，云量为0。国外，将天空分为8等份。国外云量与我国云量间的关系，国外云量×1.25=我国云量总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。低云量：低云的云掩盖天空的成数。云量的记录：一般总云量/低云量的形式记录，如10/7。云状：多种多样，1932年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属。云高：指云底距地面的垂直距离，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26云高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）27二、主要气象要素6．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（0~9级，相应距离为50～50000米），单位：m，Km。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。28二、主要气象要素7、太阳高度角太阳高度角为太阳光线与地平线间的夹角，是影响太阳辐射强弱的最主要的因子之一。ho即太阳高度角，它随时间而变化。8、降水降水是指大气中降落至地面的液态或固态水的通称。如雨、雪等。降水是清除大气污染物的重要机制之一。hoho太阳光线地面29§2大气的热力过程一、太阳、大气和地面的热交换1、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。2、大气对太阳辐射的减弱及影响因素（1）吸收辐射;（2）散射作用;（3）反射;（4）透过大气层.3、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，具有一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在13点左右，最低温度在日出前后。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。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30太阳能太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW（1012W），也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换31太阳常数地球在日地平均距离处时，和太阳光垂直的大气上界单位面积每单位时间所接收的所有波长的太阳辐射总能量它常以S表示，其值为：1.96卡／（厘米2·分）1367瓦／米2多数文献上：1370瓦／米2一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4％32太阳辐射光谱太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区可见光区占太阳辐射总量的50％红外区占43％紫外区只占能量的7％在波长0.48微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值，数值约为3.0卡/cm2.分以上333435辐射的规律(1)所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。高温的太阳和地球都在不停地向外辐射能量(2)温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。如太阳表面温度为6000°K，而地球表面的平均温度为288°K，因而，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大几百万倍(3)物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。例如，太阳放射的最大辐射波长0.5微米，而地球放射的最大辐射波长为10微米。(4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，放射能力也最强。地球和太阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和放射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地球大气则是选择性的吸收和辐射体。对于某种确定波长的辐射可让其透过(即不吸收)；对于另外波长的辐射，则近乎不透明的(即吸收很强)36太阳辐射在大气中的减弱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假设大气层顶的太阳辐射是100％。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和反射(反射云量反射表示)，向上散射占4％，大气吸收占21％,云量吸收占3％,云量反射占23％30％反射和散射回宇宙20％被大气吸收50％被地面吸收37大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的是云。不同的云量，不同的云状，云的不同厚度所发生的反射是不同的。高云：平均反射25％中云：平均反射50％低云：平均反射65％稀薄云：10-20%很厚的云层：反射可达90％云量反射平均：达50～55大气对太阳辐射的反射38二、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391.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pkCk401.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411.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