城市空氣污染氣象學(xué)第二章大氣溫度3-第三章水分

城市空氣污染氣象學(xué)

第二章大氣溫度3華東師范大學(xué)資環(huán)學(xué)院樂群回顧個別變化與局地變化大氣穩(wěn)定度的判別與空氣污染之間的關(guān)系：大氣穩(wěn)定度是影響污染物在大氣中擴(kuò)散的極重要因素。當(dāng)大氣層結(jié)不穩(wěn)定，熱力湍流發(fā)展旺盛，對流強(qiáng)烈，污染物易擴(kuò)散，但是全層不穩(wěn)定時，污染不易擴(kuò)散遠(yuǎn)處。當(dāng)大氣層結(jié)穩(wěn)定時，湍流受到抑制，污染物不易擴(kuò)散稀釋，特別當(dāng)逆溫層出現(xiàn)時，通常風(fēng)力弱或無風(fēng)，使煙塵聚集地表，造成嚴(yán)重污染。2013-10-3122013-10-313大氣穩(wěn)定度對大氣污染的影響大氣穩(wěn)定度對煙流擴(kuò)散有很大的影響，不同穩(wěn)定度導(dǎo)致從煙囪排出的煙羽形狀不同。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)）2013-10-3142013-10-315例：判定下列條件下大氣穩(wěn)定度狀況。1）地面溫度為25度，2000m高空的溫度為5度；2）地面溫度為30度，500m高空溫度為20度。（已知干絕熱直減率=0.009760C）解：中性穩(wěn)定不穩(wěn)定在大氣環(huán)境中常用的大氣穩(wěn)定度分類方法有帕斯奎爾(Pasquill)法和國標(biāo)原子能機(jī)構(gòu)IAEA推薦的方法。中國現(xiàn)有法規(guī)中推薦的修訂帕斯奎爾分類法(簡記P·S)，又稱為帕斯奎爾—特納大氣穩(wěn)定度分類方法P-T（Pasquill-Turnerstabilitycl-assification），利用常規(guī)氣象觀測資料將大氣穩(wěn)定度劃分為A～F6個級別的分類法。強(qiáng)不穩(wěn)定A（常見于夏季午后湍流發(fā)展旺盛時），不穩(wěn)定B，弱不穩(wěn)定C，中性D（多見于陰天或大風(fēng)天氣），較穩(wěn)定E和穩(wěn)定F（常見于冬季寒夜逆溫發(fā)展強(qiáng)盛之時）。確定等級時首先計算出太陽高度角按表B1查出太陽輻射等級數(shù)，再由太陽輻射等級數(shù)與地面風(fēng)速按表B2查找穩(wěn)定等級。2013-10-316一、氣溫的水平分布等溫線圖：把水平空間上，溫度相同的各點(diǎn)用平滑的曲線連接起來。影響溫度的因素有緯度、海陸、海拔高度，但是一般的等溫線圖中常把不同海拔高度處的溫度統(tǒng)一換算到海平面的溫度。這樣就在等溫線圖中突出地表現(xiàn)緯度和海陸對溫度的影響。大氣溫度的空間分布2013-10-3183000m3000m0oC訂正到海平面上T=0.0065*3000=19.58oC10oC12oC相鄰兩條曲線之間的差值相同，都等于2oC。等溫線稀疏說明氣溫變化和緩等溫線稠密說明氣溫變化劇烈2013-10-319氣溫垂直梯度：氣溫隨高度的分布，稱為溫度層結(jié)(temperaturestratification)。大氣溫度的鉛直分布一般用氣溫垂直梯度（氣溫直減率，verticaltemperaturegradient）來表示。氣溫直減率（）：實(shí)際氣層中高度每變化單位高度時氣溫的降低值。在對流層中，氣溫隨高度的升高而降低，>0。但的值是隨時、隨地改變的，不是常數(shù)！

請注意與d

、m的區(qū)別！二、氣溫的垂直分布2013-10-3110逆溫1、定義：溫度隨高度的增加而增加，此時。2、逆溫與研究污染有關(guān)的因素：①逆溫層的消失時間；②逆溫層底的高度；③逆溫層的厚度；④逆溫的強(qiáng)度（溫度隨高度的變化情況）。不同季節(jié)都應(yīng)掌握上述數(shù)據(jù)。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：①輻射逆溫（較常見）；②平流逆溫；③鋒面逆溫；④湍流逆溫；⑤下沉逆溫。2013-10-3111輻射逆溫(radiationinversion)：晴朗微風(fēng)的夜晚，地面因強(qiáng)烈的有效輻射而降溫，形成溫度上高下低的現(xiàn)象。（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）平流逆溫(advectioninversion)：暖空氣流到冷的下墊面上而形成的逆溫。2013-10-3112下沉逆溫(subsidenceinversion)：由于空氣下沉，絕熱增溫而形成的逆溫。（多在高空大氣中，高壓控制區(qū)內(nèi)）

很厚的氣層下沉

壓縮變扁

頂部增溫比底部多2013-10-3113鋒面逆溫(frontalinversion)：在冷暖空氣的過渡帶形成的逆溫。

冷、暖氣團(tuán)相遇冷暖間逆溫

暖氣上爬，形成鋒面2013-10-3114湍流逆溫

下層湍流混合達(dá)上層出現(xiàn)過渡層逆溫

2013-10-3115城市空氣污染氣象學(xué)

第三章大氣水分1第一節(jié)蒸發(fā)和凝結(jié)看不見的水蒸汽水循環(huán)第一節(jié)蒸發(fā)和凝結(jié)2013-10-31三相變化氣態(tài)－－>液態(tài)－－>固態(tài)蒸發(fā)過程－－未飽和動態(tài)平衡－－飽和凝結(jié)過程－－過飽和18182013-10-31水相變化的物理過程：從分子運(yùn)動論看，水相變化是水的各相之間分子交換的過程。在水和水汽兩相共存的系統(tǒng)中，同一時間內(nèi)，跑出水面的水分子與落回水中的水分子恰好相等，系統(tǒng)內(nèi)的水量和水汽分子含量都不再改變，即水和水汽之間達(dá)到了兩相平衡，這種平衡叫做動態(tài)平衡。動態(tài)平衡時的水汽稱為飽和水汽，當(dāng)時的水汽壓稱為飽和水汽壓。19192013-10-31水相變化的判據(jù)假設(shè)N為單位時間內(nèi)跑出水面的水分子數(shù)，n為單位時間內(nèi)落回水中的水汽分子數(shù)，則水和水汽兩相變化和平衡的分子物理學(xué)判據(jù)：

N>n蒸發(fā)(未飽和)N=n動態(tài)平衡（飽和）

N<n凝結(jié)（過飽和）但在氣象工作中不測量N和n，所以不能直接應(yīng)用以上判據(jù)。20202013-10-31

由水汽的氣體狀態(tài)方程可知，在溫度一定時，水汽與水汽密度成正比，而與n成正比，所以和n之間也成正比。對照分子物理學(xué)判據(jù)可得兩相變化和平衡的飽和水汽壓判據(jù)：

E>e蒸發(fā)(未飽和)E=e動態(tài)平衡（飽和）

E<e凝結(jié)（過飽和）

E——飽和水汽壓

e——實(shí)測水汽壓21當(dāng)在某一溫度下，水和水汽達(dá)到動態(tài)平衡時的水汽壓（E）。212013-10-31

若Es為某一溫度下對應(yīng)的冰面上的飽和水汽壓，類似可得到冰和水汽兩相變化和平衡的判據(jù)：

Es>e升華

Es=e動態(tài)平衡

Es<e凝華以上說明了水相變化是可以由實(shí)測的水汽壓值e與同溫度下的飽和水汽壓值E（或Es）之間的比較來判定的。22222013-10-31

根據(jù)大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的水的位相平衡圖

OA曲線——水與水汽共存時的狀態(tài)曲線，又稱蒸發(fā)線，線上K點(diǎn)對應(yīng)于水汽的臨界溫度和壓力，高于臨界溫度時就只有氣態(tài)存在

OB曲線——冰與水汽兩相共存時的狀態(tài)曲線，又稱升華線

OB′曲線——過冷水與水汽共存時的狀態(tài)曲線

OC——融解線，表示冰與水達(dá)到平衡時壓力與溫度的關(guān)系2323點(diǎn)1位于OA線之下，e1<E，這時水要蒸發(fā)點(diǎn)3恰位于OA線上，e3=E,這時水與水汽處于平衡狀態(tài)點(diǎn)2位于OA線之上，e2>E，此時多余的水汽產(chǎn)生凝結(jié)2013-10-31242013-10-31252013-10-31水相變化中的潛熱水相轉(zhuǎn)變過程伴隨著能量的轉(zhuǎn)換，蒸發(fā)過程中，由于具有較大動能的水分子脫出液面，使液面溫度降低。如果保持其溫度不變，必須自外界供給熱量，這部分熱量等于蒸發(fā)潛熱L，L與溫度關(guān)系如下：

L=（2500-2.4T)×103(J/㎏)

溫度變化不大時，L的變化很小，一般L為2.5×106J/㎏

同樣，在冰升華為水汽的過程中也要消耗熱量，即由冰融化為水所需消耗的融解潛熱（3.34×105J/㎏）和由水變成水汽所需要消耗的蒸發(fā)潛熱。以Ls表示升華潛熱，則

Ls=(2.5×106+3.34×105)J/㎏=2.8×106J/㎏2626要比較實(shí)測水汽壓和飽和水汽壓，就要了解飽和水汽壓。影響飽和水汽壓的因素：蒸發(fā)面的溫度性質(zhì)（水面、冰面、溶液面等）形狀（平面、凹面、凸面）2013-10-3127飽和水汽壓（一）飽和水汽壓與溫度的關(guān)系：從圖中的曲線OA、OB、和OB′可以看出，隨著溫度的升高，飽和水汽壓顯著增大。飽和水汽壓與溫度的關(guān)系可由克拉柏龍-克勞修司（Clapeyron-Clausius）方程描述

或

E——飽和水汽壓T——絕對溫度

L——凝結(jié)潛熱Rw——水汽的比氣體常數(shù)2013-10-31282013-10-3129蒸發(fā)面的溫度（上式）T－－E蒸發(fā)面的性質(zhì)（水面、冰面、溶液面）蒸發(fā)面的形狀（平面、凹面、凸面）對積分，并將L=2.5×106J/K，RW=461J/Kg·K,T0=273K,T=273+t,E0=611hPa,（t=0℃時，純水平面上的飽和水汽壓）代入，則：或2013-10-31根據(jù)上式計算結(jié)果，各種溫度下的飽和水汽壓（hPa）t(℃)-30-20-100102030計算值0.531.272.876.1112.3223.7043.60實(shí)驗(yàn)值——2.876.1112.2823.3842.43該表說明，飽和水汽壓隨溫度的升高而增大，這是由于蒸發(fā)面溫度升高時，水分子平均動能增大，單位時間內(nèi)脫出水面的分子增多的緣故。結(jié)論：1.空氣溫度的變化，對蒸發(fā)和凝結(jié)有重要影響。

2.飽和水汽壓隨溫度改變量，在高溫時要比低溫時大。3030（所以降低同樣的溫度，在高溫飽和空氣中形成的云要濃一些，這也說明了為什么暴雨總是發(fā)生在暖季。）2013-10-31（二）飽和水汽壓與蒸發(fā)面性質(zhì)的關(guān)系冰面與過冷卻水面的飽和水汽壓通常，水溫在0℃時開始結(jié)冰，但是試驗(yàn)和對云霧的直接觀測發(fā)現(xiàn)，有時水在0℃以下，甚至在-20℃—-30℃以下仍不結(jié)冰，處于這種狀態(tài)的水稱過冷卻水。而過冷卻水與同溫度下的冰面比較，飽和水汽壓并不一樣。以升華潛熱Ls=2.8×106J/㎏取代（3.4）式中的蒸發(fā)潛熱L，并積分得冰面上的飽和水汽壓EiEi=E0·10

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常采用經(jīng)驗(yàn)公式確定飽和水汽壓和溫度的關(guān)系。最常用的比較準(zhǔn)確的是馬格努斯（Magnus）經(jīng)驗(yàn)公式

Ei=E0·1031312013-10-3132Es——過冷水面飽和水汽壓Ei——冰面飽和水汽壓對于冰面和過冷卻水面，飽和水汽壓仍然是按指數(shù)規(guī)律變化，所不同的是冰是固體，冰分子要脫出水面的束縛比