大氣污染氣象學(xué)解析

會(huì)計(jì)學(xué)1大氣污染氣象學(xué)解析課程要求1教學(xué)內(nèi)容：

1.1大氣圈結(jié)構(gòu)與氣象要素：大氣圈垂直結(jié)構(gòu)、主要?dú)庀笠貧鉁亍鈮?、氣濕、云、能見度?/p>

1.2大氣的熱力過程：氣溫的垂直變化、大氣穩(wěn)定度、逆溫、煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系；

1.3大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)：大氣運(yùn)動(dòng)的作用力、大氣邊界層中風(fēng)隨高度的變化、近地層中的風(fēng)速廓線模式、地方性風(fēng)場(chǎng)；2教學(xué)基本要求：通過本章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解大氣污染氣象學(xué)的基本知識(shí)，認(rèn)識(shí)到污染物對(duì)環(huán)境的貢獻(xiàn)與氣象條件有直接關(guān)系。教學(xué)重點(diǎn)：大氣穩(wěn)定度、逆溫、地方性風(fēng)場(chǎng)、煙流型與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)：氣溫直減率、溫度層結(jié)。第1頁/共58頁雨、雪、暴雨和大部分云等天氣現(xiàn)象下部的臭氧層吸收紫外線使溫度升高，且天氣現(xiàn)象少，適合高空飛行流星體大部分在這燃盡,是氣象研究的上界又稱電離層,完成遠(yuǎn)距離無線電通訊電話信息和電視圖象通過衛(wèi)星來傳送對(duì)流層平流層中間層暖層外層一、大氣的結(jié)構(gòu)第2頁/共58頁大氣圈垂直結(jié)構(gòu)對(duì)流層（～10km左右）集中了大氣質(zhì)量的3/4和全部的水蒸氣，主要天氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層溫度隨高度的增加而降低，每升高100m平均降溫0.650C強(qiáng)烈對(duì)流作用溫度和濕度的水平分布不均大氣邊界層－對(duì)流層下層1～2km，地面阻滯和摩擦作用明顯

近地層－地面上50～100m，熱量和動(dòng)量的常通量層自由大氣－大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略第3頁/共58頁大氣圈垂直結(jié)構(gòu)平流層（對(duì)流層頂～50-55km）同溫層－對(duì)流層頂35-40km，氣溫-550C左右同溫層以上，氣溫隨高度增加而增加集中了大部分臭氧沒有對(duì)流運(yùn)動(dòng)，污染物停留時(shí)間很長中間層（平流層頂～85km）氣溫隨高度升高而迅速降低對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈第4頁/共58頁大氣圈垂直結(jié)構(gòu)暖層（中間層頂～800km）氣溫隨高度升高而增高氣體分子高度電離－電離層散逸層（暖層以上）氣溫很高，空氣稀薄空氣粒子可以擺脫地球引力而散逸大氣壓力總是隨高度的升高而降低均質(zhì)大氣層－80～85km以下，成分基本不變第5頁/共58頁溫度（OC）高度0125585-100（千米）-80-600-202050大氣的溫度垂直分布圖大氣溫度隨高度增加而降低大氣溫度隨高度增加而升高大氣溫度隨高度增加而降低大氣溫度隨高度增加而升高一、大氣的結(jié)構(gòu)第6頁/共58頁主要?dú)庀笠?．氣溫

天氣預(yù)報(bào)中：1.5m高、百葉箱內(nèi)氣溫。

攝氏度與華氏度換算攝氏度與開氏度換算第7頁/共58頁請(qǐng)?jiān)谙聢D中用箭頭表示出空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律:大氣擴(kuò)散過程（垂直方向）第8頁/共58頁請(qǐng)?jiān)谙聢D中用箭頭表示出空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律:第9頁/共58頁主要?dú)庀笠?．氣壓（1）單位：mb（毫巴）

大氣的壓強(qiáng)1atm＝101325Pa＝1013.25mb=760mmHg（2）hPa（百帕）

大氣的壓強(qiáng)隨高度的變化，可用靜力學(xué)方程描述：第10頁/共58頁例.一登山運(yùn)動(dòng)員在山腳處測(cè)得氣壓為1000hPa，登山到達(dá)某高度后又測(cè)得氣壓為500hPa，試問登山運(yùn)動(dòng)員從山腳向上爬了多少米？主要?dú)庀笠氐?1頁/共58頁例.

一登山運(yùn)動(dòng)員在山腳處測(cè)得氣壓為1000hPa、氣溫為10℃，登山到達(dá)某高度后又測(cè)得氣壓為500hPa，試問登山運(yùn)動(dòng)員從山腳向上爬了多少米？（氣溫隨高度的變化可以忽略）將空氣視為理想氣體，即有

可寫為將（2）式帶入（1）式，并整理，得到以下方程：由于在一定高度內(nèi)溫度的變化可以忽略。對(duì)上式進(jìn)行積分得：

即則：得即登山運(yùn)動(dòng)員從山腳向上爬了約5.7km。解：由氣體靜力學(xué)方程式，大氣中氣壓隨高度的變化可用下式描述：（1）

（2）（3）第12頁/共58頁主要?dú)庀笠?．氣濕-絕對(duì)濕度（1）絕對(duì)濕度－1m3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量

ρw=Pw/RwTρw=空氣的絕對(duì)濕度，kg/m3(濕空氣)；Pw：水汽分壓，Pa；Rw:水汽的氣體常數(shù)，461.5J/（kg.K）T:空氣溫度，K第13頁/共58頁主要?dú)庀笠?．氣濕-相對(duì)濕度（2）相對(duì)濕度－空氣的絕對(duì)濕度與同溫度下飽和濕度的百分比Φ=ρw/ρv*100=Pw/PV*100Φ：空氣的相對(duì)濕度，%ρv：飽和絕對(duì)濕度，kg/m3(飽和空氣）PV：飽和空氣的水汽分壓，Pa第14頁/共58頁主要?dú)庀笠?．氣濕-含濕量（3）含濕量－濕空氣中1kg干空氣（去除水滴，水分以及固體顆粒物）包含的水汽質(zhì)量，比濕d=ρw/ρdd:空氣含濕量，kg(水汽)/kg(干空氣)Ρd：干空氣的密度，kg/m3第15頁/共58頁3．氣濕-含濕量d=0.622Pw/Pd=0.622ΦPv/P-ΦPv在工程中常將濕空氣的含濕量定義為1標(biāo)準(zhǔn)m3干空氣所包含的水汽質(zhì)量（kg），用d0表示：

d0=0.804ΦPv/P-ΦPv第16頁/共58頁主要?dú)庀笠?．氣濕-水汽體積分?jǐn)?shù)水汽體積分?jǐn)?shù)－水汽在濕空氣中所占的體積分?jǐn)?shù)

Φw=Pw/P=d0/(0.804+d0)=dρNd/(0.804+ρNd)第17頁/共58頁主要?dú)庀笠?．氣濕-露點(diǎn)露點(diǎn)－同氣壓下空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度第18頁/共58頁主要?dú)庀笠?．氣濕

第19頁/共58頁主要?dú)庀笠?/p>

4．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－升降氣流）風(fēng)的來向叫風(fēng)向（16個(gè)方位圓周等分）

風(fēng)速：單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上運(yùn)動(dòng)距離（2或10min平均）

(km/h)F－風(fēng)力級(jí)（0～12級(jí)）

第20頁/共58頁主要?dú)庀笠?/p>

4．風(fēng)向和風(fēng)速

風(fēng)是矢量，有方向和大小，即風(fēng)向和風(fēng)速。風(fēng)速(風(fēng)的大小)：單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向移動(dòng)的距離，常用單位：m/s，Km/s。風(fēng)向(風(fēng)的來向)：可用8個(gè)方位或16方位表示(地面風(fēng)),見右圖；也可用角度表示(高空風(fēng)):以北為零點(diǎn)，沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)[正北為360°(或0°);正東90°;正南180°;正西270°]。第21頁/共58頁主要?dú)庀笠?．云

大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云（使氣溫隨高度變化?。?/p>

云量:天空被云遮蔽的成數(shù)（我國10分，國外8分）

云高:云底距地面底高度

低云（2500m以下）不穩(wěn)定氣層中的低云常分散為孤立的大云塊，穩(wěn)定氣層中低云云層低而黑，結(jié)構(gòu)稀松中云（2500-5000m）過冷的微小水滴和冰晶組成，顏色為白色或者灰白色，沒有光澤，云體稠密高云（5000m以上）由冰晶組成，云體白色，白而透明

云狀:卷云（線）,積云（塊）,層云（面),雨層云(無定形）

第22頁/共58頁>5000m2500-5000m<2500m第23頁/共58頁主要?dú)庀笠?．能見度

正常視力的人，在天空背景下能看清的水平距離

級(jí)別（0~9級(jí)，相應(yīng)距離為50～50000米）

第24頁/共58頁第二節(jié)大氣的熱力過程太陽、大氣和地面的熱交換太陽以紫外線、可見光、紅外線的形式輻射熱量太陽輻射加熱地球表面地面長波輻射加熱大氣近地層大氣溫度隨地表溫度變化第25頁/共58頁一、太陽輻射波長范圍第26頁/共58頁大氣受熱過程吸收輻射能力1、大氣對(duì)太陽短波輻射吸收能力很弱；2、地面海洋植被等吸收能力很強(qiáng)；3、地面長波輻射75%-95%可以被大氣吸收大氣受熱方向：低層向高層傳遞，大氣自下而上增熱；近地層大氣溫度隨地表溫度升高而增高（自下而上地被加熱）；隨地表溫度降低而降低（自下而上被冷卻）第27頁/共58頁二、氣溫的垂直變化干空氣團(tuán)1、是否存在熱量交換？2、是否存在外力作用下的做功過程？3、與溫度之間的關(guān)系如何？4、如何進(jìn)行簡化處理？第28頁/共58頁1、氣團(tuán)的垂直運(yùn)動(dòng)過程干空氣團(tuán)近地面大氣層H0，P0干絕熱上升干空氣團(tuán)1、H1>H0，P1<P0，氣團(tuán)膨脹對(duì)外做功，內(nèi)能減少，溫度降低干空氣團(tuán)干絕熱下降干空氣團(tuán)2、H1>H0，P1<P0，氣團(tuán)壓縮，外力對(duì)大氣做功，內(nèi)能增加，溫度升高H1，P1第29頁/共58頁

一般滿足，大氣絕熱過程，系統(tǒng)與周圍環(huán)境無熱交換，即使有熱量交換，氣團(tuán)本身升降運(yùn)動(dòng)中因?yàn)榕蛎浕蛘邏嚎s被引起的溫度變化，也要比熱交換引起的溫度變化高得多。

2、處理方法處理方式：無水相變化的空氣團(tuán)的垂直運(yùn)動(dòng)近似看作絕熱過程第30頁/共58頁3、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，能量守恒定律，即封閉體系的熱量變化ΔQ等于該體系的能量變化ΔU與體系對(duì)外所做功ΔW之和:

ΔQ=ΔU+ΔW在無非膨脹功時(shí)，其微分表達(dá)式為：

dQ=nCvdT+nPdV

n為體系的物質(zhì)的量，Cv為恒容熱容，T為溫度，P為壓力，V為體積。對(duì)理想氣體有V=nRT/P(R為氣體常數(shù))，另

Cv

=Cp-R(Cp為等壓熱容)，代入上式可得：

dQ=nCpdT–nRT/PdP第31頁/共58頁4、氣溫直減率對(duì)于大氣的絕熱過程，dQ=0，則：dT/T=R/Cp·(dP/P)求解微分方程可得：T=mPR/Cp=mP0.288,m為積分常量

對(duì)氣體升降前(T0,P0)后(T,P)狀態(tài)有T/T0

=(P/P0)0.288(Poisson方程)說明氣團(tuán)在絕熱上升或下降過程中溫度變化是由氣壓變化引起的第32頁/共58頁4、氣溫的垂直變化（1）氣溫直減率

（大氣）（2）干空氣溫度絕熱垂直遞減率－

干絕熱直減率

（空氣團(tuán)）第33頁/共58頁（3）位溫位溫:一干空氣團(tuán)絕熱升降到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1013.25hPa)所具有的溫度θ=T0(1013.25/p0)R/Cp=T0(1013.25/p0)0.288各高度均把壓力換算為標(biāo)準(zhǔn)氣壓時(shí)的溫度（絕熱）由此可見：干空氣作絕熱升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然其溫度變化，但是其位溫卻是不變第34頁/共58頁根據(jù)由氣體靜力學(xué)方程及理想氣體狀態(tài)方程

可得

由定義：式中z為高度,ρ為空氣密度，M為空氣等效分子量位溫:各高度均把壓力換算為標(biāo)準(zhǔn)氣壓時(shí)的溫度（絕熱）氣溫直減率iddTdzg-=·M0.01dpdTgK/mdzg-=CM==第35頁/共58頁5、氣溫的垂直分布（溫度層結(jié)）

氣溫的垂直分布－溫度層結(jié)

>，正常分布層結(jié)

＝，

中性層結(jié)（絕熱直減率）

＝0，

等溫層結(jié)

<0，逆溫層結(jié)

第36頁/共58頁（1）氣溫的垂直分布（溫度層結(jié)）

氣溫的垂直分布－溫度層結(jié)

>，（圖中曲線1）正常分布層結(jié)，t隨著高度增加而下降

＝，（圖中曲線2）

中性層結(jié)（與絕熱直減率變化同）

＝0，（圖中曲線3）等溫層結(jié)（氣溫不隨高度變化）

<0，（圖中曲線4）逆溫層結(jié)（氣溫隨高度增加而增加）請(qǐng)大家思考：以上的4種大氣層結(jié)狀態(tài)哪一種更容易運(yùn)動(dòng)？運(yùn)動(dòng)方向？為什么？第37頁/共58頁大氣穩(wěn)定度及其判據(jù)定義：大氣在垂直方向上穩(wěn)定的程度；反映其是否容易對(duì)流

定性描述：外力使氣塊上升或下降

氣塊減速，有返回趨勢(shì)，穩(wěn)定

氣塊去掉外力

氣塊加速上升或下降，不穩(wěn)定

氣塊停在外力去掉處，中性

不穩(wěn)定條件下有利于擴(kuò)散第38頁/共58頁大氣氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)H0，P0H1，P1近地面大氣干氣團(tuán)外加作用力干氣團(tuán)撤去外力穩(wěn)定干氣團(tuán)外加作用力干氣團(tuán)撤去外力大氣不穩(wěn)定干氣團(tuán)外加作用力干氣團(tuán)撤去外力大氣中性第39頁/共58頁大氣穩(wěn)定度及其判據(jù)定量判斷：氣塊：環(huán)境：氣塊受浮力rVg和重力riVg作用，加速度為：，利用準(zhǔn)靜力條件，可得

氣塊：

環(huán)境：=Pi=MRTiri在絕熱條件下，氣塊由第40頁/共58頁大氣穩(wěn)定度及其判據(jù)

則有判據(jù)：

>0,a>0不穩(wěn)定

<0,a<0穩(wěn)定

=0，a=0中性

T根據(jù)位溫判斷大氣穩(wěn)定度時(shí)，大氣不穩(wěn)定；時(shí)大氣穩(wěn)定；時(shí)，大氣中性。第41頁/共58頁測(cè)定編號(hào)123456地面溫度/。C21.121.115.625.030.025.0高度/m4587635802000500700相應(yīng)溫度/。C26.715.68.95.020.028.0例.已知各測(cè)點(diǎn)的地面氣溫和一定高度的氣溫?cái)?shù)據(jù)，分別根據(jù)氣溫直減率和位溫梯度判斷各點(diǎn)的大氣穩(wěn)定度。大氣穩(wěn)定度及其判據(jù)第42頁/共58頁解（1）根據(jù)氣溫直減率判斷，故，逆溫；，故，穩(wěn)定；，故，不穩(wěn)定；，故，不穩(wěn)定；，故，不穩(wěn)定；，故，逆溫。第43頁/共58頁解（2）根據(jù)位溫梯度判斷以測(cè)點(diǎn)1為例，假設(shè)地面大氣壓強(qiáng)為1013hPa，由公式代入已知數(shù)據(jù)(溫度T取兩高度處的平均值)即分別計(jì)算地面處位溫和給定高度處位溫：故位溫梯度=同理可計(jì)算得到其他數(shù)據(jù)的位溫梯度，結(jié)果列表如下：測(cè)定編號(hào)123456地面溫度/。C21.121.115.625.030.025.0高度/m4587635802000500700相應(yīng)溫度/。C26.715.68.95.020.028.0位溫梯度/K/100m2.220.27－0.17－0.02－1.021.42由此解得P2=961hPa。第44頁/共58頁逆溫逆溫不利于擴(kuò)散輻射：

太陽

地球

：

短波

大氣吸收長波強(qiáng)

地球

大氣層：長波

1.輻射逆溫：

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

第45頁/共58頁逆溫輻射逆溫的生消過程上午10：00后日落前1h黎明前逆溫最強(qiáng)日出后太陽輻射日出后上午10：00后第46頁/共58頁逆溫2.下沉逆溫（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

頂部增溫比底部多第47頁/共58頁逆溫3.平流逆溫暖空氣平流到冷地面上而下部降溫而形成4.湍流逆溫下層湍流混合達(dá)上層出現(xiàn)過渡逆溫

第48頁/共58頁逆溫5.鋒面逆溫

冷、暖氣團(tuán)相遇

暖氣上爬，斜成鋒面

冷暖間逆溫