環(huán)境化學第二章第一節(jié)課件

第一節(jié)、污染物在大氣中的遷移一、基本氣象要素二、逆溫三、氣塊的絕熱過程和干絕熱遞減率四、大氣穩(wěn)定度五、局地環(huán)流對污染物擴散的影響遷移：污染物由于空氣的運動而使其傳輸和分散的過程。

原因：空氣運動形成風，風的形成主要是由于溫度差異引起的。所以大氣中溫度的差異是空氣運動的動力源。第一節(jié)、污染物在大氣中的遷移一、基本氣象要素遷移：污染物由于1一、基本氣象要素

氣溫、氣壓、濕度、風、云量1、氣溫一般氣象中采用的氣溫是指離地面1.5m高度處百葉箱中觀測到的空氣溫度。大氣預測模型中使用的氣溫一般也是指該溫度。氣溫在水平方向的差異導致氣流水平方向運動的動力，形成風，能夠稀釋和遷移污染物氣溫在垂直方向的差異導致氣流的上下強烈對流，有利于形成降水，能夠沖刷污染物。一、基本氣象要素氣溫、氣壓、濕度、風、云量1、氣溫22、氣壓:初始狀態(tài)：地面處高度0：壓強p1=ρgz高度增加△z,則高度△z處：壓強p2=ρg(z-△z)所以，得到：P2-P1=△p=-ρg△z轉化為微分形式則：(1)（ρ密度g/m3，空氣=1.29g/L，g重力加速度9.8m/s2）。另外，氣象學上用比氣體常數(shù)來表示狀態(tài)方程，其推導過程為：pv=nRT=>(令)=>(2)2、氣壓:轉化為微分形式則：3其中R=8.314J．mol-1．K-1,M氣體摩爾質量（空氣的摩爾體積為22.4l．mol-1，空氣密度=1.29g．l-1,所以M=22.4*1.29=28.869gmol-1）,所以R’=R/M=287J．kg-1．K-1。由（1）和（2）得到：==>=>=>=>（3）

可見只要知道溫度隨高度的分布函數(shù)形式，就可以推得氣壓隨高度的變化函數(shù)形式。其中R=8.314J．mol-1．K-1,M氣體摩爾質量（空4

風玫瑰圖（m/s）3、風

水平方向的空氣運動，垂直方向則稱為對流或升降氣流。一般用風向、風速來表示風的特征

風向一般用16個方位表示，(ESWN)風速是單位時間內(nèi)空氣在水平方向移動的距離（m/s）一般風速是地面以上10m處風速儀觀測得到的平均值風玫瑰圖（m/s）3、風54、云大氣中水汽凝結的產(chǎn)物

一般用云量、云高來確定大氣穩(wěn)定度云高：云層底部距離地面的高度，高云（>5000m）中云（2500-5000m）低云（<2500m）云量：云遮蔽天空的成數(shù)。將可見天空分為10份，被云遮擋了幾份，云量就是幾。晴空無云，云量為0，烏云遮天，云量為10.4、云6五、逆溫

由于上述，可見大氣的垂直溫度遞減率越大，則大氣就越不穩(wěn)定。一般大氣層越穩(wěn)定，則越不利于污染物的擴散而逆溫則使大氣的溫度變化逆轉，隨著高度升高，溫度也升高（r<0），這將會使大氣的狀態(tài)更為穩(wěn)定，更加明顯地不利于污染物的擴散，所以逆溫成為大氣污染氣象學中的重要研究內(nèi)容。r五、逆溫由于上述，可見大氣的垂直溫度遞減率越大，則大氣就越7幾種常見典型逆溫的形成1、輻射逆溫（最常見地面逆溫）地面輻射出大量的熱量后，溫度過度降低。晴朗無云，無風夜晚，沒有云層阻擋，地面輻射喪失大量能量，溫度降低過多，易于形成輻射逆溫（地面冷）；若風速在2-3m/s，輻射逆溫不易形成，若風速大于6m/s，則可完全阻止輻射逆溫的形成，這是由于風帶來氣流運動，使外界較暖氣團運動過來后補充了當?shù)氐孛孑椛涞臒崃繐p失。2、下沉逆溫（地面逆溫）下沉壓縮增溫效應引起，一般上升降溫，下沉增溫；

幾種常見典型逆溫的形成8hh’HH’氣團下沉過程中，由于受到壓縮，頂部下降距離大，增溫多，底部下降距離相對小，增溫少，因此形成頂部溫度高，底部溫度低的氣團。因為h>h’,所以H>H’3、湍流逆溫（高空逆溫）低層空氣湍流混合而上層空氣未混合情況下發(fā)生的高空逆溫。在下部湍流層，氣團上升過程中，溫度按干絕熱遞減率（rd）變化，上升到一定高度后，其溫度低于周圍環(huán)境溫度（這樣它才不繼續(xù)上升，而有返回趨勢，形成湍流），這樣下部湍流層的溫度會低于上部未湍流層低部的溫度，從而形成高空湍流逆溫。hh’HH’氣團下沉過程中，由于受到壓縮，頂部下降距9lnPCBEDFA下面重點介紹一下輻射逆溫下圖白天的層結曲線為ABC夜晚近地面空氣冷卻較快，層結曲線變?yōu)镕EC，其中FE為逆溫層。以后隨著地面溫度降低，逆溫層加厚，在清晨達到最厚，如DB段。日出后地面溫度上升，逆溫層近地面處首先破壞，自下而上逐漸變薄，最后消失。lnP下面重點介紹一下輻射逆溫10圖a為正常氣溫垂直分布情形:在晴朗無云或少云的夜間,地面輻射冷卻快，貼近地面的氣層也隨之降溫，離地面越近，降溫越快，因此，形成了自地面開始的逆溫（圖b）。日出前后，逆溫層最厚（圖c）；日出后，太陽輻射逐漸增溫強，地面很快增溫，逆溫便逐漸自下而上地消失（圖d、e）。輻射逆溫厚度從數(shù)十米到數(shù)百米，在大陸上常年都可出現(xiàn)，以冬季最強。冬季夜長，逆溫層厚，消失較慢。圖a為正常氣溫垂直分布情形:在晴朗無云或少云的夜間,地面輻射11三、氣塊的絕熱過程和干絕熱遞減率

1、氣團運動的絕熱過程

空氣移動,高壓區(qū)→低壓，膨脹降溫，壓縮升溫。當氣團在水平方向運動,非絕熱過程。

當氣團作垂直升降運動時，近似為絕熱過程。三、氣塊的絕熱過程和干絕熱遞減率1、氣團運動的絕熱過程12

高溫暖氣團傾向于從地表移動到低壓的高處，氣團絕熱膨脹并降溫。若沒有水汽凝結，冷卻速率為0.98℃/100m，稱為溫度的干絕熱遞減率（rd）。

然而，一般氣團中都含有水蒸氣，冷凝放潛熱，得到溫度的垂直遞減率（r）,冷卻速率為0.65℃/100m。

當污染源排放的污染剛進入大氣環(huán)境的時候，可視為一個絕熱過程。膨脹降溫20℃壓縮升溫21℃溫度垂直遞減率，干絕熱遞減率

高溫暖氣團傾向于從地表移動到低壓的高處，氣團絕熱膨脹132、氣團運動的絕熱方程根據(jù)熱力學第一定律：dq=du+dw(q—外界加于體系的熱量，u—體系內(nèi)能變化，w—體系對外做功)絕熱過程中：外界加于體系的熱量dq=0體系對外做功dw=pdv(體系膨脹或壓縮)體系內(nèi)能變化du=nCvdT(體積不變情況下，內(nèi)能變化，定容比熱Cv)2、氣團運動的絕熱方程14所以：pdv=-nCvdT（4）又由于pv=nRT,取全微分得到：pdv+vdp=nRdT（5）由（4）和（5）可得：nRdT—vdp=pdv=-nCvdT即：=>=>=>根據(jù)邁耶定律：R+Cv=Cp(定壓比熱，壓力不變情況下，體系內(nèi)能變化，Jmol-1K-1)所以：所以：pdv=-nCvdT15=>=>=>對于空氣R=287Jmol-1K-1Cp=996.5Jmol-1K-1所以：3、干絕熱遞減率氣團干絕熱升高或降低單位距離時，溫度降低或升高的數(shù)值，稱為干絕熱遞減率:推導過程：rd=-因為：（干絕熱方程）

16所以rd=-=又因為所以：rd==又由于p=ρRT故rd===0.98K/100m（1N=1kgms-2,1J=1Nm）干絕熱遞減率常數(shù)的推導所以rd=-=干絕熱遞減率常數(shù)的推導17四、大氣穩(wěn)定度

大氣穩(wěn)定度：是指大氣中某一高度上的氣塊在垂直方向上相對穩(wěn)定的程度。根據(jù)大氣垂直遞減率（r）和干絕熱遞減率（rd）的對比關系，可以確定大氣穩(wěn)定度。穩(wěn)定：氣團離開原來位置后有回歸的趨勢（r<rd）不穩(wěn)定：氣團離開原來位置后有繼續(xù)離開的趨勢（r>rd）中性：介于上述兩種情況之間（r=rd）注意其中rd基本為不變常數(shù)0.98k/100m，r則可能變化很大。四、大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度：是指大氣中某一高度上的氣塊在垂直18解釋：當r<rd時，氣團離開原來位置上升到某一高度時，由于r<rd，所以氣團內(nèi)降溫（速率為rd）要比氣團外降溫（速率為r）幅度大，相同起始溫度情況下，氣團內(nèi)溫度會比氣團外溫度低，所以氣團有回歸趨勢。當r〉rd時，氣團離開原來位置上升到某一高度時，由于r〉rd，所以氣團內(nèi)降溫（速率為rd）要比氣團外降溫（速率為r）幅度小，相同起始溫度情況下，氣團內(nèi)溫度會比氣團外溫度高，所以氣團有繼續(xù)移動離開趨勢。r<rd穩(wěn)定r>rd不穩(wěn)定解釋：r<rd穩(wěn)定r>rd不穩(wěn)定19穩(wěn)定度判別的氣塊法通常采用“氣塊法”判斷靜力穩(wěn)定度。當一氣塊受外力作用在垂直方向上產(chǎn)生擾動后，周圍大氣有使它返回起始位置的趨勢時，這種大氣層結是穩(wěn)定的；反之，大氣有使它繼續(xù)遠離起始位置的趨勢時，這種大氣層結是不穩(wěn)定的；若氣塊隨時與周圍大氣取得平衡時，這種大氣層結是中性的。影響穩(wěn)定度變化的因子：輻射和溫度平流穩(wěn)定度判別的氣塊法通常采用“氣塊法”判斷靜力穩(wěn)20大氣穩(wěn)定度判據(jù)干絕熱過程：γ＜γd層結穩(wěn)定γ=γd中性γ＞γd層結不穩(wěn)定γ＜γm絕對穩(wěn)定大氣穩(wěn)定度判據(jù)干絕熱過程：21六、局地環(huán)流對污染物擴散的影響

海洋和大陸在白天和夜間的熱力差異，導致的白天和夜間海洋和陸地之間的風向轉換。白天：海風，夜晚：陸風對污染擴散的影響：白天海風吹向陸地，海風處于下層，溫度較低，易于形成逆溫。夜間陸風吹向海洋，陸風處于下層，溫度和海洋差別不大，不易形成逆溫易造成污染物往返，海陸風轉換期間，原隨陸風吹向海洋的污染物又會被吹會陸地。循環(huán)作用，如果污染源處于海路風交界處，并處于局地環(huán)流，則污染物很難擴散出去，并不斷累積達到很高的濃度。1、海陸風

六、局地環(huán)流對污染物擴散的影響海洋和大陸在白天和夜間的熱力222、城郊風主要動力是城市熱島效應造成的城市空氣從上層流向郊區(qū)，郊區(qū)溫度較低的空氣從下部流向城市，形成城市和郊區(qū)間的大氣局地環(huán)流。使得污染物在城區(qū)很難擴散出去，形成城市煙幕，導致市區(qū)大氣污染加劇。郊區(qū)城市郊區(qū)3、山谷風白天：山坡升溫快，山坡氣流快速上升，空氣由谷底補充山坡——谷風夜間：山坡降溫快，山坡冷空氣流向谷底——山風處于山谷地區(qū)的污染源很難擴散，早期一些大氣污染事件都發(fā)生在山區(qū)，馬斯河谷煙霧事件。如今人們認識到這一常識，山區(qū)成為旅游勝地，而不再是建造工業(yè)企業(yè)的勝地。2、城郊風郊區(qū)城市郊區(qū)3、山谷風23第一節(jié)、污染物在大氣中的遷移一、基本氣象要素二、逆溫三、氣塊的絕熱過程和干絕熱遞減率四、大氣穩(wěn)定度五、局地環(huán)流對污染物擴散的影響遷移：污染物由于空氣的運動而使其傳輸和分散的過程。

原因：空氣運動形成風，風的形成主要是由于溫度差異引起的。所以大氣中溫度的差異是空氣運動的動力源。第一節(jié)、污染物在大氣中的遷移一、基本氣象要素遷移：污染物由于24一、基本氣象要素

氣溫、氣壓、濕度、風、云量1、氣溫一般氣象中采用的氣溫是指離地面1.5m高度處百葉箱中觀測到的空氣溫度。大氣預測模型中使用的氣溫一般也是指該溫度。氣溫在水平方向的差異導致氣流水平方向運動的動力，形成風，能夠稀釋和遷移污染物氣溫在垂直方向的差異導致氣流的上下強烈對流，有利于形成降水，能夠沖刷污染物。一、基本氣象要素氣溫、氣壓、濕度、風、云量1、氣溫252、氣壓:初始狀態(tài)：地面處高度0：壓強p1=ρgz高度增加△z,則高度△z處：壓強p2=ρg(z-△z)所以，得到：P2-P1=△p=-ρg△z轉化為微分形式則：(1)（ρ密度g/m3，空氣=1.29g/L，g重力加速度9.8m/s2）。另外，氣象學上用比氣體常數(shù)來表示狀態(tài)方程，其推導過程為：pv=nRT=>(令)=>(2)2、氣壓:轉化為微分形式則：26其中R=8.314J．mol-1．K-1,M氣體摩爾質量（空氣的摩爾體積為22.4l．mol-1，空氣密度=1.29g．l-1,所以M=22.4*1.29=28.869gmol-1）,所以R’=R/M=287J．kg-1．K-1。由（1）和（2）得到：==>=>=>=>（3）

可見只要知道溫度隨高度的分布函數(shù)形式，就可以推得氣壓隨高度的變化函數(shù)形式。其中R=8.314J．mol-1．K-1,M氣體摩爾質量（空27

風玫瑰圖（m/s）3、風

水平方向的空氣運動，垂直方向則稱為對流或升降氣流。一般用風向、風速來表示風的特征

風向一般用16個方位表示，(ESWN)風速是單位時間內(nèi)空氣在水平方向移動的距離（m/s）一般風速是地面以上10m處風速儀觀測得到的平均值風玫瑰圖（m/s）3、風284、云大氣中水汽凝結的產(chǎn)物

一般用云量、云高來確定大氣穩(wěn)定度云高：云層底部距離地面的高度，高云（>5000m）中云（2500-5000m）低云（<2500m）云量：云遮蔽天空的成數(shù)。將可見天空分為10份，被云遮擋了幾份，云量就是幾。晴空無云，云量為0，烏云遮天，云量為10.4、云29五、逆溫

由于上述，可見大氣的垂直溫度遞減率越大，則大氣就越不穩(wěn)定。一般大氣層越穩(wěn)定，則越不利于污染物的擴散而逆溫則使大氣的溫度變化逆轉，隨著高度升高，溫度也升高（r<0），這將會使大氣的狀態(tài)更為穩(wěn)定，更加明顯地不利于污染物的擴散，所以逆溫成為大氣污染氣象學中的重要研究內(nèi)容。r五、逆溫由于上述，可見大氣的垂直溫度遞減率越大，則大氣就越30幾種常見典型逆溫的形成1、輻射逆溫（最常見地面逆溫）地面輻射出大量的熱量后，溫度過度降低。晴朗無云，無風夜晚，沒有云層阻擋，地面輻射喪失大量能量，溫度降低過多，易于形成輻射逆溫（地面冷）；若風速在2-3m/s，輻射逆溫不易形成，若風速大于6m/s，則可完全阻止輻射逆溫的形成，這是由于風帶來氣流運動，使外界較暖氣團運動過來后補充了當?shù)氐孛孑椛涞臒崃繐p失。2、下沉逆溫（地面逆溫）下沉壓縮增溫效應引起，一般上升降溫，下沉增溫；

幾種常見典型逆溫的形成31hh’HH’氣團下沉過程中，由于受到壓縮，頂部下降距離大，增溫多，底部下降距離相對小，增溫少，因此形成頂部溫度高，底部溫度低的氣團。因為h>h’,所以H>H’3、湍流逆溫（高空逆溫）低層空氣湍流混合而上層空氣未混合情況下發(fā)生的高空逆溫。在下部湍流層，氣團上升過程中，溫度按干絕熱遞減率（rd）變化，上升到一定高度后，其溫度低于周圍環(huán)境溫度（這樣它才不繼續(xù)上升，而有返回趨勢，形成湍流），這樣下部湍流層的溫度會低于上部未湍流層低部的溫度，從而形成高空湍流逆溫。hh’HH’氣團下沉過程中，由于受到壓縮，頂部下降距32lnPCBEDFA下面重點介紹一下輻射逆溫下圖白天的層結曲線為ABC夜晚近地面空氣冷卻較快，層結曲線變?yōu)镕EC，其中FE為逆溫層。以后隨著地面溫度降低，逆溫層加厚，在清晨達到最厚，如DB段。日出后地面溫度上升，逆溫層近地面處首先破壞，自下而上逐漸變薄，最后消失。lnP下面重點介紹一下輻射逆溫33圖a為正常氣溫垂直分布情形:在晴朗無云或少云的夜間,地面輻射冷卻快，貼近地面的氣層也隨之降溫，離地面越近，降溫越快，因此，形成了自地面開始的逆溫（圖b）。日出前后，逆溫層最厚（圖c）；日出后，太陽輻射逐漸增溫強，地面很快增溫，逆溫便逐漸自下而上地消失（圖d、e）。輻射逆溫厚度從數(shù)十米到數(shù)百米，在大陸上常年都可出現(xiàn)，以冬季最強。冬季夜長，逆溫層厚，消失較慢。圖a為正常氣溫垂直分布情形:在晴朗無云或少云的夜間,地面輻射34三、氣塊的絕熱過程和干絕熱遞減率

1、氣團運動的絕熱過程

空氣移動,高壓區(qū)→低壓，膨脹降溫，壓縮升溫。當氣團在水平方向運動,非絕熱過程。

當氣團作垂直升降運動時，近似為絕熱過程。三、氣塊的絕熱過程和干絕熱遞減率1、氣團運動的絕熱過程35

高溫暖氣團傾向于從地表移動到低壓的高處，氣團絕熱膨脹并降溫。若沒有水汽凝結，冷卻速率為0.98℃/100m，稱為溫度的干絕熱遞減率（rd）。

然而，一般氣團中都含有水蒸氣，冷凝放潛熱，得到溫度的垂直遞減率（r）,冷卻速率為0.65℃/100m。

當污染源排放的污染剛進入大氣環(huán)境的時候，可視為一個絕熱過程。膨脹降溫20℃壓縮升溫21℃溫度垂直遞減率，干絕熱遞減率

高溫暖氣團傾向于從地表移動到低壓的高處，氣團絕熱膨脹362、氣團運動的絕熱方程根據(jù)熱力學第一定律：dq=du+dw(q—外界加于體系的熱量，u—體系內(nèi)能變化，w—體系對外做功)絕熱過程中：外界加于體系的熱量dq=0體系對外做功dw=pdv(體系膨脹或壓縮)體系內(nèi)能變化du=nCvdT(體積不變情況下，內(nèi)能變化，定容比熱Cv)2、氣團運動的絕熱方程37所以：pdv=-nCvdT（4）又由于pv=nRT,取全微分得到：pdv+vdp=nRdT（5）由（4）和（5）可得：nRdT—vdp=pdv=-nCvdT即：=>=>=>根據(jù)邁耶定律：R+Cv=Cp(定壓比熱，壓力不變情況下，體系內(nèi)能變化，Jmol-1K-1)所以：所以：pdv=-nCvdT38=>=>=>對于空氣R=287Jmol-1K-1Cp=996.5Jmol-1K-1所以：3、干絕熱遞減率氣團干絕熱升高或降低單位距離時，溫度降低或升高的數(shù)值，稱為干絕熱遞減率:推導過程：rd=-因為：（干絕熱方程）

39所以rd=-=又因為所以：rd==又由于p=ρRT故rd===0.98K/100m（1N=1kgms-2,1J=1Nm）干絕熱遞減率常數(shù)的推導所以rd=-=干絕熱遞減率常數(shù)的推導40四、大氣穩(wěn)定度

大氣穩(wěn)定度：是指大氣中某一高度上的氣塊在垂直方向上相對穩(wěn)定的程度。根據(jù)大氣垂直遞減率（r）和干絕熱遞減率（rd）的對比關系，可以確定大氣穩(wěn)定度。穩(wěn)定：氣團離開原來位置后有回歸的趨勢（r<rd）不穩(wěn)定：氣團離開原來位置后有繼續(xù)離開的趨勢（r>rd）中性：介于上述兩種情況之間（r=rd）注意其中rd基本為不變常數(shù)0.98k/100m，r則可能變化很大。四、大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度：是指大氣中某一高度上的氣塊在垂直41解釋：當r<rd時，氣團離開原來位置上升到某一高度時，由于r<rd，所以氣團內(nèi)降溫（速率為rd）要比氣團外降溫（速率為r）幅度大，相同起始溫度情況下，氣團內(nèi)溫