第3章大气污染气象学

第三章大气污染气象学大气污染物传输和扩散污染源本身特性气象条件地面特征周围地区建筑物分布大气科学大气物理、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主要内容1.大气圈结构及气象要素2.大气的热力过程3.大气的运动和风第一节大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直结构对流层平流层中间层暖层逸散层大气圈的垂直结构：指气象要素的垂直分布情况。气温气压大气密度大气成分气温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对流层（～10km左右）近地层：地面上50～100m，上下温差大大气边界层：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，地面摩擦可以忽略第一节大气圈结构及气象要素存在同温层：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，逆温20－25km：集中了大部分臭氧没有对流运动，污染物停留时间很长平流层（对流层顶～50-55km）中间层（平流层顶～85km）气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈第一节大气圈结构及气象要素气温随高度升高而增高气体分子高度电离暖层（中间层顶～800km）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第一节大气圈结构及气象要素大气压力的垂直分布:总是随高度的升高而降低均质大气层：80～85km以下，成分基本不变大气密度:和大气压强的变化规律几乎相同。大气成分的垂直分布:主要取决于分子扩散和湍流扩散的强弱。均质层：80－85km以下，湍流扩散为主，大气组成基本不变；非均质层：分子扩散为主。第一节大气圈结构及气象要素二、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2．气压单位：mb（毫巴）大气的压强1atm＝101325Pa＝1013.25mb=760mmHg第一节大气圈结构及气象要素3．气湿空气中水汽含量的多少A、绝对湿度定义：1m3湿空气中含有的水汽质量(kg)B、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TRp＝KkgJRw/4.461＝计算式：由理想气态方程可以得出：水汽的气体常数水汽分压空气温度%100VW＝饱和空气的水汽分压一定温度下，当空气不可以容纳更多的水汽时，为饱和空气第一节大气圈结构及气象要素C、含湿量定义：湿空气中1kg干空气包含的水汽质量,比湿ddW＝定义式：干空气的密度(kg干空气/m3湿空气)空气的绝对湿度(kg水汽/m3湿空气)vvwd＝d干空气气体常数：KkgJRd/0.287＝622.0wdRRvvppp622.0d＝工程上，空气的含湿量定义为1标准立方米干空气所包含的水气质量。单位kg水汽/m3干空气，d0第一节大气圈结构及气象要素（kg水汽/kg干空气）相对量D、水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数。E、露点在一定气压下，空气达到饱和状态时的温度。对于理想气体，气体体积分数等于其摩尔分数，则水汽的体积分数表示为：dd00d804.0dd804.0dyNNvwwpppp＋＝＋＝＝ww0804.0804.0dppppppvv＝d0ddN＝3dm/kg293.1＝N第一节大气圈结构及气象要素此题中，如果空气的相对湿度100％，则此时空气的露点为？第一节大气圈结构及气象要素vvppp622.0d＝ww0804.0dppp＝4．风向和风速风：水平方向的空气运动。风向：风的来向。风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离。（2或10min平均）302.3FuF－风力级（0～12级）(km/h)第一节大气圈结构及气象要素风对大气污染的影响对污染物稀释；污染物排放源的下风向地区污染较严重当其他条件一样时，下风向任一点污染物浓度与风速成反比第一节大气圈结构及气象要素5．云大气中水汽的凝结现象叫做云。天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分）云量记录：总云量作分子，低云量作分母10/7;5/5;7/2表示什么意思？云底距地面底高度。低云（2500m以下）中云（2500－5000m）高云（5000m以上）第一节大气圈结构及气象要素反应大气运动状态，预示天气变化使气温随高度变化减小云高:云量:第一节大气圈结构及气象要素低云2500米以下）中云2500-5000m高云5000m以上）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）第一节大气圈结构及气象要素沙尘暴发生时的能见度属于什么样的等级？第二节大气的热力过程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：自下而上被加热，自下而上被冷却一、太阳、大气和地面的热交换二、气温的垂直变化1、大气的绝热过程与泊松方程空气块的温度变化要比与外界热交换引起的温度变化大得多，一般可以将没有水相变化的空气块的垂直运动看作绝热过程。大气的绝热过程：空气块作垂直运动时与周围空气不发生热量交换，这样的状态变化过程称大气的绝热过程。实际上：空气块膨胀(对外做功)内能TT空气块压缩(外气做功)内能定性：pp第二节大气的热力过程热力学第一定律：绝热过程：dQ＝0则有：ddpTRpTCpPdRTdCdPTpQ干空气的定压比热，Cp＝1005J/kg.k干空气的气体常数R＝287.0J/kg.k－泊松方程0.288000()()pRCTPPTPP－泊松方程0.288000()()pRCTPPTPP升降前（T0、P0）升降后（T、P）绝热过程中气温的变化完全由气压变化引起。泊松方程：第二节大气的热力过程定量：积分2、气温直减率定义：单位高度（通常100m）气温的变化值。定义式：3、干空气温度绝热垂直递减率（干绝热直减率）定义：干空气块（包括未饱和的湿空气块）绝热上升或下降单位高度（通常100m）时，温度降低或升高的数值。TzdddiTz（大气）ddpTRpTCp（空气团）m10098.0100581.9gddpZidKCT＝＝通常取γd＝1K/100m意义？第二节大气的热力过程nRTpVgzp,04、位温定义：干空气绝热升降到标准气压（1000hPa）处所具有的温度称它的位温。－泊松方程0.288000()()pRCTPPTPP－泊松方程0.288000()()pRCTPPTPPpp/00/0010001000CRCRPTPT＝＝第二节大气的热力过程5、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1234dTZ气温沿垂直方高度的分布的曲线为温度层结曲线，简称温度层结。第二节大气的热力过程三、大气稳定度及其判据1、定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流外力使气块上升或下降去掉外力后气块减速，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，中性定性描述：不稳定条件下有利于扩散哪种条件下有利于扩散？第二节大气的热力过程2、定量判断——大气稳定度的判别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）00iTT设则：d()agzT第二节大气的热力过程gi本身重力g大气浮力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，非常稳定大气稳定度判据：第二节大气的热力过程ttitit四、逆温具有逆温的大气层是强稳定的大气层。属于稳定层，不利于扩散，可能造成严重污染。也叫阻挡层，阻碍气流的垂直运动。分类：辐射逆温，下沉逆温，平流逆温，湍流逆温，锋面逆温第二节大气的热力过程温度随高度的增加而增加的大气层为逆温层。生消过程第二节大气的热力过程地面强烈辐射冷却形成。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1、辐射逆温：形成原因下午日落前1h黎明日出10a.m.辐射逆温在陆地上常年可见，冬季最强2、下沉逆温空气下沉压缩增温形成。第二节大气的热力过程形成原因：很厚的气层下沉压缩变扁顶部增温比底部多气压增大下沉逆温不接地，多发生在高空大气中。3.平流逆温暖空气平流到冷地面上，其下部降温而形成。低层空气受地面影响大，降温多；上层空气降温少。4.湍流逆温由低层空气的湍流混合形成。形成过程：第二节大气的热力过程形成原因：形成原因：下层湍流混合达γd上层逆温5.锋面逆温冷、暖气团相遇冷暖间逆温暖气上爬，形成锋面形成原因：第二节大气的热力过程五、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）第二节大气的热力过程γ与γd关系大气稳定情况污染情况【思考】在风速大致相同，而气温垂直分布的A、B、C、D四种情况中，最有利于某工厂68米高的烟囱灰尘扩散的是:20m40m60m80m100mA16.3℃16.6℃16.8℃17.0℃17.1℃B21.0℃21.0℃20.9℃20.9℃21.0℃C20.9℃20.8℃20.6℃20.2℃20.0℃D15.2℃14.8℃14.7℃14.9℃15.2℃第三节大气的运动和风一、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）水平气压梯度力是引起大气运动的直接动力。二、近地层风速廓线模式平均风速随高度变化曲线。近地层风速廓线模式：1、对数律*0lnuZukZ0z*uu——高度Z处的平均风速——摩擦速度K——卡门常数，常取0.4——地面粗糙度适用于中性层结第三节大气的运动和风风速廓线定义：2、指数律11()mZuuZm：稳定度参数在中性层结条件下，指数律模式不如对数律模式准确。但指数律在中性条件下，能较满意地应用于300一500m的气层，而且在非中性条件下应用也较为准确和方便。第三节大气的运动和风四、地方性风场1．海陆风陆风是海风和陆风的总称。它发生在海陆交界地带。白天海风夜晚陆风第三节大气的运动和风2．山谷风它主要是由于山坡和谷地受热不均而产生。白天谷风，夜晚山风第三节大气的运动和风3．城市热岛环流城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风。城市人口密集、工业集中，使得能耗水平高；城市的覆盖物热容量大，白天吸收太阳辐射热，夜间放热缓侵，使低层空气冷却较缓；城市正空笼罩着一层烟雾和二氧化碳，使地面有效辐射减弱。夜间污染物向城市还是乡村输送？第三节大气的运动和风思考题1、大气圈垂直结构分哪几层？全部的水蒸气在