大氣污染氣象學(xué)

1、大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素 大氣熱力過程大氣熱力過程 大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)理解氣象學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)理解氣象學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)污染物進(jìn)入大氣后，隨著大氣的運(yùn)動(dòng)發(fā)生遷移、擴(kuò)散稀釋及降污染物進(jìn)入大氣后，隨著大氣的運(yùn)動(dòng)發(fā)生遷移、擴(kuò)散稀釋及降解轉(zhuǎn)化。解轉(zhuǎn)化。源源受體受體大氣擴(kuò)散大氣擴(kuò)散酸雨越境轉(zhuǎn)移（日本、韓國酸雨越境轉(zhuǎn)移（日本、韓國） 大氣科學(xué)大氣科學(xué) 大氣物理、化學(xué)大氣物理、化學(xué)大氣氣象學(xué)大氣氣象學(xué) 污染氣象學(xué)污染氣象學(xué) 氣象條件對(duì)污染物的稀釋、擴(kuò)散作用氣象條件對(duì)污染物的稀釋、擴(kuò)散作用污染物對(duì)氣象的影響污染物對(duì)氣象的影響 大氣圈垂直結(jié)構(gòu)大氣圈垂直結(jié)構(gòu) 大氣邊界層大氣邊界層對(duì)流層下對(duì)流層下層層1

2、2km，地面阻滯和摩，地面阻滯和摩擦作用明顯擦作用明顯近地層：地面上近地層：地面上50-100m左右的一層，受地面阻滯和左右的一層，受地面阻滯和摩擦的影響非常大，上下氣摩擦的影響非常大，上下氣溫差可達(dá)溫差可達(dá)1-2度。度。大氣壓力、密度總是隨高大氣壓力、密度總是隨高度的升高而降低度的升高而降低1氣溫氣溫 天氣預(yù)報(bào)中：天氣預(yù)報(bào)中：1.5m高、百葉箱內(nèi)氣溫。高、百葉箱內(nèi)氣溫。 oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo9325FC2氣壓氣壓?jiǎn)挝唬簡(jiǎn)挝唬海ò倥粒ò倥粒?大氣的壓強(qiáng)大氣的壓強(qiáng)1atm101325Pa1013.25hPa=760mm

3、Hg 靜力學(xué)方程靜力學(xué)方程: gzP3氣濕氣濕絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度1m1m3 3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量濕空氣中含有的水汽質(zhì)量(kg)(kg)相對(duì)濕度空氣的絕對(duì)濕度與同溫度下飽和空氣濕度的百分比相對(duì)濕度空氣的絕對(duì)濕度與同溫度下飽和空氣濕度的百分比含濕量濕空氣中含濕量濕空氣中1kg1kg干空氣包含的水汽質(zhì)量干空氣包含的水汽質(zhì)量(kg)(kg)水汽體積分?jǐn)?shù)水汽在濕空氣中所占的體積分?jǐn)?shù)水汽體積分?jǐn)?shù)水汽在濕空氣中所占的體積分?jǐn)?shù)露點(diǎn)同氣壓下空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度露點(diǎn)同氣壓下空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度3氣濕氣濕 Kg/kg(干空氣干空氣) 4風(fēng)向和風(fēng)速風(fēng)向和風(fēng)速 水平方向的空氣運(yùn)動(dòng)叫做風(fēng)（垂直方向水平方向的空氣

4、運(yùn)動(dòng)叫做風(fēng)（垂直方向升降氣流）升降氣流） 風(fēng)的來向叫風(fēng)向（風(fēng)的來向叫風(fēng)向（16個(gè)方位圓周等分）個(gè)方位圓周等分） 風(fēng)速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上運(yùn)動(dòng)距離（風(fēng)速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上運(yùn)動(dòng)距離（2或或10min平均）單位用：平均）單位用：m/s或或km/h (km/h) F風(fēng)力級(jí)（風(fēng)力級(jí)（012級(jí)）級(jí)） 302. 3Fu 風(fēng)速風(fēng)速,m/s 4風(fēng)向和風(fēng)速風(fēng)向和風(fēng)速 風(fēng)玫瑰圖風(fēng)玫瑰圖(Wind rose) 某地區(qū)某地區(qū)1988年的風(fēng)玫年的風(fēng)玫瑰圖。同心圓表示風(fēng)的頻瑰圖。同心圓表示風(fēng)的頻率，例如，吹南風(fēng)的頻率率，例如，吹南風(fēng)的頻率約為約為11，其中風(fēng)速大于，其中風(fēng)速大于10.82m/s的頻率約為的

5、頻率約為1，風(fēng)速在風(fēng)速在3.355.41m/s的頻的頻率為率為3.5左右。左右。一月, 靜風(fēng) 1 4 . 5 2%NNEESESSWWNW四月, 靜風(fēng) 1 0 . 1 7%NNEESESSWWNW七月, 靜風(fēng) 9 . 6 8 %NNEESESSWWNW十月, 靜風(fēng) 9 . 6 8 %NNEESESSWWNW全年, 靜風(fēng) 1 0 . 1 5%NNEESESSWWNW圖例( % )NESW6.012.018.024.05云云 大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云 云量云量: 天空被云遮蔽的成數(shù)（我國天空被云遮蔽的成數(shù)（我國10分，國外分，國外8分）分） 國外云量國外云量1.25我國

6、云量我國云量 云高云高:云底距地面底高度云底距地面底高度 低云（低云（2500m以下以下） 中云（中云（25005000m） 高云（高云（5000m以上）以上） 高云（高云（5000 米以上）米以上） 中云（中云（2500-5000 米米）低云（低云（2500米以下）米以下）6能見度能見度 正常視力的人，在天空背景下能看清的水平距離正常視力的人，在天空背景下能看清的水平距離 級(jí)別（級(jí)別（09級(jí)，相應(yīng)距離為級(jí)，相應(yīng)距離為5050000米）米） 太陽、大氣和地面的熱交換太陽、大氣和地面的熱交換太陽以紫外線、可見光、紅外線波長(zhǎng)向外輻射熱量太陽以紫外線、可見光、紅外線波長(zhǎng)向外輻射熱量太陽輻射加熱地球表

7、面太陽輻射加熱地球表面地面長(zhǎng)波輻射加熱大氣地面長(zhǎng)波輻射加熱大氣近地層大氣溫度隨地表溫度變化近地層大氣溫度隨地表溫度變化氣溫直減率氣溫直減率 （大氣）（大氣）干空氣溫度絕熱垂直遞減率干空氣溫度絕熱垂直遞減率 干絕熱直減率干絕熱直減率 （空氣團(tuán)）（空氣團(tuán)）一般滿足，大氣絕熱過程，系統(tǒng)與周圍環(huán)境無熱交換一般滿足，大氣絕熱過程，系統(tǒng)與周圍環(huán)境無熱交換 空氣塊空氣塊膨脹（做功）膨脹（做功）耗內(nèi)耗內(nèi) 能能 T定性定性空氣塊空氣塊壓縮（外氣對(duì)它做功）壓縮（外氣對(duì)它做功）T內(nèi)能內(nèi)能（由壓力變化引起）（由壓力變化引起） Tzddd iTz位溫：干空氣塊絕熱升降到標(biāo)準(zhǔn)氣壓（位溫：干空氣塊絕熱升降到標(biāo)準(zhǔn)氣壓（100

8、0hPa）處的溫度）處的溫度pR0.288C000010001000TTPP0.286泊泊松松方方程程0.288000()()pRCTPPTPP泊泊松松方方程程0.288000()()pRCTPPTPP0.286 氣溫的垂直分布?xì)鉁氐拇怪狈植紲囟葘咏Y(jié)溫度層結(jié) Tz d 0 ，正常分布層結(jié)正常分布層結(jié)，中性層結(jié)（絕熱直減率）中性層結(jié)（絕熱直減率）0 ，等溫層結(jié)等溫層結(jié) 0 ，正常分布層結(jié)正常分布層結(jié)，中性層結(jié)（絕熱直減率）中性層結(jié)（絕熱直減率）0 ，等溫層結(jié)等溫層結(jié)0, a0 不穩(wěn)定不穩(wěn)定0, a0 穩(wěn)定穩(wěn)定中性層中性層0，a=0 中性中性穩(wěn)定層穩(wěn)定層0 ， a0, a0 不穩(wěn)定不穩(wěn)定0, a0

9、 穩(wěn)定穩(wěn)定中性層中性層0，a=0 中性中性穩(wěn)定層穩(wěn)定層0 ， a0 逆溫，非常穩(wěn)定逆溫，非常穩(wěn)定 課堂討論課堂討論如下圖所示，分別判斷大氣處于何種狀態(tài)，穩(wěn)定還是不穩(wěn)定？如下圖所示，分別判斷大氣處于何種狀態(tài)，穩(wěn)定還是不穩(wěn)定？ d d逆溫不利于擴(kuò)散逆溫不利于擴(kuò)散輻射：輻射： 1. 輻射逆溫：輻射逆溫： 地面白天加熱，大氣自下而上變暖；地面白天加熱，大氣自下而上變暖； 地面夜間變冷，大氣自下而上冷卻地面夜間變冷，大氣自下而上冷卻 太陽太陽 地球地球 ：短波：短波 地球地球 大氣層：長(zhǎng)波大氣層：長(zhǎng)波 大氣吸收長(zhǎng)波強(qiáng)大氣吸收長(zhǎng)波強(qiáng)輻射逆溫的生消過程輻射逆溫的生消過程2.2.下沉逆溫下沉逆溫 （多在高空大

10、氣中，高壓控制區(qū)內(nèi)）（多在高空大氣中，高壓控制區(qū)內(nèi)） 很厚的氣層下沉很厚的氣層下沉 壓縮變扁壓縮變扁 頂部增溫比底部多頂部增溫比底部多3.3.平流逆溫平流逆溫 暖空氣平流到冷地面上而下部降溫而形成暖空氣平流到冷地面上而下部降溫而形成dd4.4.湍流逆溫湍流逆溫 下層湍流混合達(dá)下層湍流混合達(dá) 上層出現(xiàn)過度逆溫上層出現(xiàn)過度逆溫 5.鋒面逆溫鋒面逆溫 冷、暖氣團(tuán)相遇冷、暖氣團(tuán)相遇冷暖間逆溫冷暖間逆溫 暖氣上爬，形成鋒面暖氣上爬，形成鋒面波浪型（不穩(wěn)）波浪型（不穩(wěn)）錐型（中性）錐型（中性）扇型（逆溫）扇型（逆溫）爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）漫煙型（上逆、下不穩(wěn)）漫煙型（上逆、下不穩(wěn)）

11、引起大氣運(yùn)動(dòng)的作用力引起大氣運(yùn)動(dòng)的作用力 直接作用力直接作用力重力重力氣壓梯度力氣壓梯度力間接作用力間接作用力 地轉(zhuǎn)偏向力（相對(duì)運(yùn)動(dòng)：方向改變）地轉(zhuǎn)偏向力（相對(duì)運(yùn)動(dòng)：方向改變）慣性離心力（大氣曲線運(yùn)動(dòng)：很?。T性離心力（大氣曲線運(yùn)動(dòng)：很?。┠Σ亮Γń啬Σ亮Γń? 12km2km內(nèi)明顯）內(nèi)明顯） 水平氣壓梯度力水平氣壓梯度力大氣運(yùn)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)垂直氣壓梯度力（垂直氣壓梯度力（垂直方向上垂直方向上與重力基本平衡與重力基本平衡）Ekman螺旋線（北半球螺旋線（北半球下視，地偏力指向運(yùn)動(dòng)右下視，地偏力指向運(yùn)動(dòng)右方，故順時(shí)針；南半球則方，故順時(shí)針；南半球則相反）相反）n高度增高，風(fēng)速增大高度增高，風(fēng)速增

12、大n風(fēng)向與等壓線的交角風(fēng)向與等壓線的交角隨高度增加而減少；隨高度增加而減少；n方向逐漸接近地轉(zhuǎn)風(fēng)方向逐漸接近地轉(zhuǎn)風(fēng)對(duì)數(shù)律風(fēng)速廓線模式對(duì)數(shù)律風(fēng)速廓線模式中性層結(jié)：粗糙度和摩擦速度中性層結(jié)：粗糙度和摩擦速度*0uzu =zkln對(duì)數(shù)律風(fēng)速廓線模式對(duì)數(shù)律風(fēng)速廓線模式中性層結(jié)：粗糙度和摩擦速度的求解中性層結(jié)：粗糙度和摩擦速度的求解 作圖作圖 lnZ是一條直線，可求得是一條直線，可求得u*和和Z00*lnlnZkuZkuuu指數(shù)律風(fēng)速廓線模式指數(shù)律風(fēng)速廓線模式非中性層結(jié)：非中性層結(jié)： m，穩(wěn)定度參數(shù)穩(wěn)定度參數(shù)11()mZuuZ指數(shù)律風(fēng)速廓線模式指數(shù)律風(fēng)速廓線模式非中性層結(jié)：非中性層結(jié)： 在氣象上測(cè)得的風(fēng)

13、速常為在氣象上測(cè)得的風(fēng)速常為10m高度的風(fēng)速高度的風(fēng)速11lnlnlnlnZZuum10lnlnlnln10Zuum1海陸風(fēng)海陸風(fēng)2山谷風(fēng)山谷風(fēng) 3城市熱島環(huán)流城市熱島環(huán)流 在氣象學(xué)和人們的生活中，常用攝氏溫標(biāo)。但是在說英語的國家，如英在氣象學(xué)和人們的生活中，常用攝氏溫標(biāo)。但是在說英語的國家，如英國、美國、加拿大等國，多采用華氏溫標(biāo)。而在科學(xué)研究中，通常使用國、美國、加拿大等國，多采用華氏溫標(biāo)。而在科學(xué)研究中，通常使用開氏溫標(biāo)開氏溫標(biāo)(絕對(duì)溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)絕對(duì)溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo))。絕對(duì)溫標(biāo)以理論上所說的分子熱運(yùn)。絕對(duì)溫標(biāo)以理論上所說的分子熱運(yùn)動(dòng)將完全停止時(shí)的溫度，即動(dòng)將完全停止時(shí)的溫度，即-27

14、3.15作為零度，用作為零度，用K表示。表示。華氏溫標(biāo)也叫華氏溫度，是由德國物理學(xué)家華倫海特在華氏溫標(biāo)也叫華氏溫度，是由德國物理學(xué)家華倫海特在1714年發(fā)明的。年發(fā)明的。他根據(jù)物體的熱脹冷縮原理，用水銀制出了溫度表，并以人的體溫和冰他根據(jù)物體的熱脹冷縮原理，用水銀制出了溫度表，并以人的體溫和冰鹽混合物為上下定點(diǎn)。具體做法是：把所制的溫度表放在冰雪和食鹽的鹽混合物為上下定點(diǎn)。具體做法是：把所制的溫度表放在冰雪和食鹽的混合物里，觀察溫度表玻璃管里的水銀柱下降到了哪里，就立即刻上一混合物里，觀察溫度表玻璃管里的水銀柱下降到了哪里，就立即刻上一條線；爾后再將溫度表放入口中，看水銀升到哪里，又刻上一條線

15、。在條線；爾后再將溫度表放入口中，看水銀升到哪里，又刻上一條線。在這兩條線之間均勻地劃分了這兩條線之間均勻地劃分了96個(gè)等份，并以此距離將上線以上與下線以個(gè)等份，并以此距離將上線以上與下線以下，繼續(xù)劃上了許多等份。華倫海特根據(jù)他的實(shí)驗(yàn)，把冰點(diǎn)定為下，繼續(xù)劃上了許多等份。華倫海特根據(jù)他的實(shí)驗(yàn)，把冰點(diǎn)定為32度，度，沸點(diǎn)定為沸點(diǎn)定為212 度，這就是華氏溫度，用度，這就是華氏溫度，用F 表示。表示。地轉(zhuǎn)風(fēng)是指自由大氣中空氣地轉(zhuǎn)風(fēng)是指自由大氣中空氣的水平等速直線運(yùn)動(dòng)，是自的水平等速直線運(yùn)動(dòng)，是自由大氣中水平氣壓梯度力和由大氣中水平氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力相平衡時(shí)的空氣地轉(zhuǎn)偏向力相平衡時(shí)的空氣的水平運(yùn)動(dòng)。的