第三章污染氣象學(xué)基礎(chǔ)知識

1、注：本頁為每次課教案首頁本次課題（或教材章節(jié)題目） ：第三章 污染氣象學(xué)基礎(chǔ)知識 第一節(jié) 主要氣象要素及大氣的基本物理性質(zhì) 第二節(jié) 大氣的熱力過程教學(xué)要求： 主要介紹與大氣污染相關(guān)的氣象學(xué)基本知識， 包括大氣圈的結(jié)構(gòu)、 主要氣象要素、 大氣熱力過程、大氣穩(wěn)定度和逆溫、大氣的運動和風(fēng)場等知識點，熟練運用風(fēng)速廓線模式。重 點：影響大氣污染物擴散的主要因子： 風(fēng)、溫度層結(jié)、 大氣穩(wěn)定度、 氣溫垂直直減率。難 點： 溫度層結(jié)、大氣穩(wěn)定度、氣溫垂直直減率的判斷。教學(xué)手段及教具：多媒體講授內(nèi)容及時間分配：第一節(jié) 主要氣象要素及大氣的基本物理性質(zhì) 第二節(jié) 大氣的熱力過程講課時間： 2 學(xué)時課后作業(yè)P82 3

2、.2 3.4參考資料大氣污染控制工程 林肇信 主編，高教出版社 大氣污染控制工程 郝吉明 ， 馬廣大 編著，高教出版社 大氣污染控制工程 郭靜 ， 阮宜綸 主編，化工出版社 大氣污染治理工程 蒲恩奇 主編，高教出版社 大氣污染控制工程 （影印版 ） Noel de Nevers 主編，清華大學(xué)出版社§31 主要氣象要素及大氣的基本物理性質(zhì)一、低層大氣的成分： 干潔空氣、水汽、氣溶膠粒子二、大氣的垂直結(jié)構(gòu) （第一章相關(guān)內(nèi)容 ）三、影響大氣污染的主要氣象要素氣象要素（因子）：表示大氣狀態(tài)的物理現(xiàn)象和物理量，氣象學(xué)中統(tǒng)稱主要有： 氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)（風(fēng)向、風(fēng)速） 、云況、能見度、降水、蒸

3、發(fā)、 日照時數(shù)、太陽輻射、地面輻射、大氣輻射等。1、氣溫：2、氣壓3、空氣濕度（氣濕）：4、風(fēng)（1）什么是風(fēng)？（2）形成：（3）風(fēng)的度量（風(fēng)向和風(fēng)速） 風(fēng)速（風(fēng)的大小）的表示；測定 風(fēng)向（風(fēng)的來向）表示： 8 個方位或 16 方位表示（地面風(fēng)） ，見圖 3-2； 用角度表示（高空風(fēng)） ：（4）性質(zhì)：隨時在變化：隨高度變化：隨地理位置而變：5、云6、能見度7、太陽高度角如右圖， ho 即太陽高度角，它隨時間而變化。8、降水§3-2 大氣的熱力過程一、太陽輻射 （補）太陽以紫外線 （0.4 m）、可見光（0.4 0.76m） 、紅外線（0.76 m）的 形式輻射熱量太陽輻射加熱地球表面

4、地面長波輻射 （ 主要 3120m）加熱大氣 近地層大氣溫度隨地表溫度變化二、氣溫的垂直變化1、大氣的絕熱過程（1）熱力學(xué)第一定律大氣中的熱力學(xué)過程遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。表示加于任一封閉物系（氣體）的熱量 Q等于該物系內(nèi)能的變化 U 和物系對外所做的功 W ， 即：QUW在無非膨脹功時，其微分表達式為：dQ CvdT PdV 將狀態(tài)方程 PV RT 代入上式，并取 Cp Cv R，則上式寫成 dPdQ CpdT RT pP變形為：dQ RT dPCp Cp P式中： dQ加入物系的熱量；（2）大氣絕熱過程 R氣體常數(shù)； Cp恒壓比氣塊在大氣中的運動近似認為是絕熱變化原因：空氣的導(dǎo)

5、熱率較小，變化慢；氣塊大氣中運動很快；氣壓變化很大。 大氣的絕熱方程： 絕熱： Q 0 ，式變?yōu)椋?兩邊積分，得dT R dPT CP PT2P2R RCP即有：T1P1因 CP - CV = R 又 CP/CV = K ，對于空氣 K=1.404于是得大氣絕熱方程：2、干絕熱遞減率 ：絕熱垂直遞減率（絕熱直減率） ：氣塊在絕熱過程中，垂直方向上每升降單 位距離時的溫度變化值。 （通常取 100m），單位： /100m。（1）準靜力條件 絕熱過程若進行的十分緩慢， 可使外界氣壓變化與系統(tǒng)內(nèi)部氣壓變化充分平 衡，每一瞬間外部氣壓與內(nèi)部氣壓看成是相等的，即 P=P 環(huán)，這個條件稱為準靜 力條件。（

6、 2）干絕熱直減率 d定義： ddT'dTgdZdZ CP實際中， T（氣塊溫度 ）、T （環(huán)境溫度）相差 <10K， T/ T1推導(dǎo)過程如下：根據(jù)熱力第一定律，導(dǎo)出絕熱過程方程式為：dT R dP T CP P又氣壓隨高度變化規(guī)律：dPdZg dP gdZ又理想氣體狀態(tài)方程： PV RT P RT將代入，則得： dT gdZC pddTgddZC P若不計高度、緯度影響，取 g=9.18m/s2，CP=1004.8J/（Kg·K） 干絕熱垂直遞減率 d（干絕熱直減率） : 干氣塊（包括未飽和濕空氣）在絕 熱過程中，垂直方向上每升降單位距離的溫度變化值。 （通常取 10

7、0 米），根據(jù)計 算，得到 d 約為 0.98/100m，近似 1/100m。（3）濕空氣的絕熱變化 凝結(jié)高度：濕空氣上升達到飽和狀態(tài)并開始凝結(jié)的高度。凝結(jié)高度以下， 其溫度變化同干空氣一樣； 凝結(jié)高度以上， 溫度變化小于干空氣的變化值，飽和空氣每上升（或下降）單位距離空氣的溫度變化，稱為濕絕熱 遞減率 m，約為 0.5 /100m。三、大氣的靜力穩(wěn)定度定義：1、氣溫的垂直分布 （1）溫度層結(jié)：溫度隨高度的分布情況。（2）溫度層結(jié)類型 溫度隨高度的增加而降低（ Zt），正常分布，或遞減層結(jié)。 溫度梯度等于或近似于 1/100m，稱中性層結(jié)。 溫度隨高度增加而升高（ Zt），稱為逆溫層結(jié)。 溫度

8、不隨高度變化，稱為等溫層結(jié)。見下圖所示：夜里H早上4）溫度變化的實質(zhì)5）環(huán)境溫度直減率：環(huán)境溫度的變化。ddTZ不是一常數(shù)，隨太陽輻射、氣候等而變化，對流層中環(huán)境溫度直減率的平均值為0.65/100m。（ 6）位溫（ ） 定義：T 1000 R CTP其中： T、P 分別為氣塊最初的溫度和壓力。 重要性質(zhì)：任何一氣塊的位溫是不變的（干絕熱情況） ； 位溫是變化的（非絕熱情況） 。位溫比氣溫更能代表氣塊的熱力學(xué)性質(zhì)。321 標準大氣壓力 =1013.32mb（毫巴） 1mb=103達因 /cm22、大氣穩(wěn)定度（1）什么是大氣穩(wěn)定度？（2）大氣穩(wěn)定度的分類（ 3 類）如果一空氣塊由于某種原因受到外

9、力的作用，產(chǎn)生了上升或者下降的運動， 當(dāng)外力消除后，可能發(fā)生三種情況： 氣塊逐漸減速并有返回原來高度的趨勢，此時大氣是穩(wěn)定的。 氣塊仍然加速上升或下降，此時大氣是不穩(wěn)定的。氣塊停留在外力消失時所處的位置，或者做等速運動，這時大氣是中性（3）如何判別大氣的穩(wěn)定度？ 判斷大氣是否穩(wěn)定：對于未飽和空氣、干空氣 ，可利用 d 0 來判斷；而對飽和空氣 而言，用 m 0 來判別，用位溫梯度判別0，Z0， Z0， Zd時，氣層穩(wěn)定 d時，氣層不穩(wěn)定 d時，氣層中性用層結(jié)曲線（大氣溫度隨高度變化曲線） 和狀態(tài)曲線 （即上升空氣塊的 溫度隨高度的變化曲線）的分布來判斷大氣穩(wěn)定度。四、逆溫1、定義： 溫度隨高度

10、的增加而增加，此時 dT 0 。dZ2、跟我們研究污染有關(guān)的因素：逆溫層的消失時間； 逆溫層底的高度； 逆溫層的厚度； 逆溫的強度（溫度隨高度的變化情況） 。 逆溫的最危險狀況是逆溫層正好處于煙囪排放口。3、逆溫形成的過程 形成逆溫的過程多種多樣，最主要有以下幾種： 輻射逆溫（較常見） ； 平流逆溫； 鋒面逆溫；湍流逆溫； 下沉逆溫。要求掌握輻射逆溫的形成機理，了解其它輻射逆溫的形成機理第 6 次課 2 學(xué)時注：本頁為每次課教案首頁上次課復(fù)習(xí)：1、影響大氣污染的幾個主要氣象要素； 2、干絕熱直減率的定義； 3、逆溫的定義與類型； 4、大氣穩(wěn)定度類型及判定方法。本次課題（或教材章節(jié)題目） ：第三

11、章 污染氣象學(xué)基礎(chǔ)知識第三節(jié) 大氣污染與氣象的關(guān)系教學(xué)要求： 掌握大氣熱力過程、 大氣穩(wěn)定度和逆溫、大氣的運動和風(fēng)場等知識點。 判斷大氣穩(wěn)定度、理解逆溫對大氣污染的影響、煙流形狀與大氣氣象的關(guān)系，重 點：判斷大氣穩(wěn)定度、理解逆溫對大氣污染的影響、煙流形狀與大氣氣象的關(guān)系。難 點：判斷大氣穩(wěn)定度、混合層高度、逆溫對大氣污染的影響。教學(xué)手段及教具：多媒體講授內(nèi)容及時間分配：第三節(jié) 大氣污染與氣象的關(guān)系 講授時間： 2 學(xué)時課后作業(yè)P82 3.6 3.10參考資料§3-3 大氣污染與氣象的關(guān)系、邊界層的風(fēng)和湍流對大氣污染的影響風(fēng)、湍流是決定污染物在大氣中稀釋擴散的最直接最本質(zhì)的因素（一）風(fēng)

12、對大氣污染物擴散和輸送的影響 風(fēng)對污染物的作用體現(xiàn)為風(fēng)向和風(fēng)速兩方面的影響。1、風(fēng)向影響污染物的水平遷移擴散方向。2、風(fēng)速的大小決定了大氣擴散稀釋作用的強弱。（1）風(fēng)速隨高度的分布：對數(shù)律；指數(shù)律。2）風(fēng)向頻率和污染系數(shù)風(fēng)向頻率某風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)100 %各風(fēng)向的總次數(shù) 100 %污染系數(shù)風(fēng)向頻率P該風(fēng)向的平均風(fēng)速P越大，某下風(fēng)向污染越嚴重（二）湍流1、什么是湍流？2、湍流與擴散的關(guān)系3、形成： 近地層大氣湍流有兩種：熱力湍流；機械湍流。歸納而言 ：風(fēng)速越大，湍流越強，污染物擴散速度越快，污染物濃度越低。（三）地方性風(fēng)場 （ 自學(xué)） 如海陸風(fēng)、山谷風(fēng)及城市熱島環(huán)流等。二、大氣穩(wěn)定度對大氣污染的影響

13、 以一個高架源連續(xù)排放煙云為例進行說明。 下面是與穩(wěn)定度有關(guān)的五種典型 煙流，（參見書 P61，圖 3-15）。煙流型與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系波浪型 不穩(wěn)； 錐型 中性 or 弱穩(wěn)； 扇型（平展型 ）逆溫； 爬升型 （屋脊型） 下穩(wěn)，上不穩(wěn)； 漫煙型 （熏煙型） 上逆、下不穩(wěn)三、降水對大氣污染的影響四、云量與輻射的晝夜變化五、天氣形勢的影響六、大氣污染指數(shù) 污染指數(shù) Id：IdSPuh式中： Idd方向上的污染指數(shù)，無量綱； P降水； S大氣穩(wěn)定度； u風(fēng)速； h混合層高度。Id越大，d 方向下側(cè)的污染較重。實踐證明， Id0.8時，為清潔型大氣上次課復(fù)習(xí)：1、大氣污染與氣象的關(guān)系2、邊界層的風(fēng)和湍流對的影響3、煙流型與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系本次課題（或教材章節(jié)題目） ：第三章 污染氣象學(xué)基礎(chǔ)知識 第四節(jié) 大氣擴散模式教學(xué)要求： 1