指距離地面15m高度`在百葉箱中觀測(cè)到的空氣溫度課件

第三章大氣污染氣象學(xué)1.大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素2.大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)3.大氣的熱力過(guò)程

第一節(jié)大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素與大氣擴(kuò)散有關(guān)的氣象要素

1．氣溫指距離地面1.5m高度、在百葉箱中觀測(cè)到的空氣溫度

與大氣擴(kuò)散有關(guān)的氣象要素2．氣壓：指單位面積上所承受的大氣柱的壓力單位：①標(biāo)準(zhǔn)大氣壓atm

②毫米汞柱mmHg

③毫巴mb或百帕hPa關(guān)系：1atm＝101325Pa=760mmHg＝1013.25mb＝1013.25hPa1mb＝1hPa＝100Pa氣壓的變化用靜力學(xué)方程描述：

與大氣擴(kuò)散有關(guān)的氣象要素4．風(fēng)風(fēng)：水平方向的空氣運(yùn)動(dòng)（垂直方向－升降氣流）風(fēng)向：風(fēng)的來(lái)向方位法：16個(gè)方位或8個(gè)方位圓周等分角度法：以N為00，順時(shí)針轉(zhuǎn)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10min平均），u—m/s或km/hF－風(fēng)力級(jí)（0～12級(jí)）與大氣擴(kuò)散有關(guān)的氣象要素5．云：大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象（使氣溫隨高度變化?。┰屏?天空被云遮蔽的成數(shù)（我國(guó)10分，國(guó)外8分）陰云密布，云量為10；碧空萬(wàn)里無(wú)云，云量為0云高:云底距地面底高度低云（2500m以下）中云（2500～5000m）高云（5000m以上）云狀:卷云（線）,積云（塊）,層云（面）,雨層云(無(wú)定形)

與大氣擴(kuò)散有關(guān)的氣象要素

6．能見(jiàn)度：正常視力的人，在天空背景下能看清的最遠(yuǎn)水平距離級(jí)別共10級(jí)：0~9級(jí)，相應(yīng)距離為50～50000米

對(duì)流層

（0～10km左右）特點(diǎn)：雖然薄，集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3/4，主要天氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層集中了幾乎全部的水蒸氣大氣的溫度隨高度的增加而降低，每升高100m平均降溫0.65℃空氣垂直氣流強(qiáng)烈，水平氣流相對(duì)較弱，由下墊面受熱不均引起溫度和濕度的水平分布不均，例如熱帶海洋溫暖潮濕，高緯度內(nèi)陸寒冷干燥污染物的擴(kuò)散均在對(duì)流層（或近地層）中進(jìn)行對(duì)流層

（0～10km左右）概念：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，地面摩擦可以忽略平流層（對(duì)流層頂～50~55km）

特點(diǎn)：同溫層－對(duì)流層頂～35~40km，溫度不隨高度變化，氣溫-550C左右逆溫層—同溫層頂～50~55km，氣溫隨高度增加而增加集中了大部分臭氧沒(méi)有空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)，大氣穩(wěn)定，污染物停留時(shí)間很長(zhǎng)特點(diǎn)：空氣溫度很高空氣稀薄空氣粒子運(yùn)動(dòng)速度很高，可以擺脫地球引力而散逸到太空中附注：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，成分基本不變散逸層（暖層以上）

第二節(jié)大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)

引起大氣運(yùn)動(dòng)的作用力1．重力2．水平氣壓梯度力G定義：由于水平方向氣壓差的存在而作用在單位質(zhì)量空氣上的力，叫水平氣壓梯度力說(shuō)明：1）實(shí)際氣體中，水平氣壓梯度力很小，約為1mb/100km2）垂直氣壓梯度力約為水平氣壓梯度力104倍，垂直氣壓梯度力雖大，但因重力與其平衡，所以大氣實(shí)際受到的垂直分力并不大3）水平氣壓梯度力雖小，但卻是大氣水平運(yùn)動(dòng)的主要作用力

引起大氣運(yùn)動(dòng)的作用力3．地轉(zhuǎn)偏向力（地球自轉(zhuǎn)偏向力）DN定義：由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的使運(yùn)動(dòng)著的空氣偏離氣壓梯度力方向的力，即DN=2vωsinФv—風(fēng)速ω—地球自轉(zhuǎn)角速度Ф—當(dāng)?shù)鼐暥日f(shuō)明：1）DN是伴隨風(fēng)速的產(chǎn)生而產(chǎn)生的2）北半球垂直指向運(yùn)動(dòng)方向的右方3）由于與運(yùn)動(dòng)方向垂直，所以只改變風(fēng)向，不改變風(fēng)速4）正比于，隨緯度的增大而增加，赤道為零，兩極最大，DNmax=2vω

引起大氣運(yùn)動(dòng)的作用力小結(jié)：以上除重力以外的四個(gè)水平力中，水平氣壓梯度力是引起大氣水平運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力，而其他三個(gè)力是在空氣開(kāi)始運(yùn)動(dòng)之后才產(chǎn)生并起作用的；所起作用視具體情況而不同，如①在近地層或低緯度地區(qū)，地轉(zhuǎn)偏向力可忽略；②近于直線的空氣運(yùn)動(dòng)，慣性離心力可忽略；③對(duì)自由大氣，摩擦力可忽略。所以對(duì)大氣的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律：mdv/dt=mg+G+DN+C+R大氣邊界層中風(fēng)隨高度的變化規(guī)律

—Ekman螺旋線

結(jié)論：高度增高，風(fēng)速增大；當(dāng)?shù)搅舜髿膺吔鐚禹敃r(shí)，風(fēng)速和風(fēng)向完全接近了地轉(zhuǎn)風(fēng)

自由大氣中的風(fēng)常常和地轉(zhuǎn)風(fēng)接近

地轉(zhuǎn)風(fēng)：指氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力達(dá)平衡時(shí)的風(fēng)，此時(shí)空氣團(tuán)沿等壓線（直線）作等速直線運(yùn)動(dòng)

近地層中風(fēng)隨高度的變化規(guī)律

1．對(duì)數(shù)規(guī)律（中性層結(jié)）式中：—高度Z處的平均風(fēng)速，m/s；u*—摩擦速度，m/s；k—卡門(mén)常數(shù)，大氣中k=0.40（0.35～0.44）；Z0—地面粗糙度，m近地層中風(fēng)隨高度的變化規(guī)律式中：ū—

高度Z處的平均風(fēng)速，m/s；ū1

—

高度Z1處的平均風(fēng)速，m/s；m—

穩(wěn)定度參數(shù)注意：1）參數(shù)m的變化取決于溫度層結(jié)和地面粗糙度2）層結(jié)越不穩(wěn)定，m越小，表3-3給出了六種穩(wěn)定度時(shí)的m值

2．指數(shù)規(guī)律（非中性層結(jié)）近地層中風(fēng)隨高度的變化規(guī)律求解穩(wěn)定度參數(shù)m，將上式變形為：在氣象上測(cè)得的風(fēng)速常為10m高度的風(fēng)速，所以上式可寫(xiě)為：例題

已知一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，試計(jì)算該地區(qū)高度分別為25m、250m處的平均風(fēng)速。（假設(shè)為非中性層結(jié)）

高度Z（m）1020304050平均風(fēng)速ū（m/s）33.53.94.24.5例題解；（2）用指數(shù)規(guī)律求解ū250

Z1020304050lnZ2.3025852.9957323.4011973.6888793.912023ū33.53.94.24.5lnū1.0986121.2527631.3609771.4350851.504077lnū-lnū1

0.1541510.1082140.0741080.068993lnZ-lnZ1

0.6931470.4054650.2876820.223144mi

0.2223920.2668880.2576040.309186m0.264017ūi7.0178036.8182196.8261596.8135776.882599ū250(m/s)6.87地方性風(fēng)—局地風(fēng)

1．海陸風(fēng)

第三節(jié)大氣的熱力過(guò)程干絕熱直減率

1．定義：干空氣（或未飽和的濕空氣）在絕熱上升或下降過(guò)程中，每升高或降低單位高差(通常取100m)的溫度變化率的負(fù)值，稱為干空氣溫度絕熱垂直遞減率，簡(jiǎn)稱干絕熱直減率，用γd表示，℃/100m或K/100m

Ti—干空氣塊的溫度干絕熱直減率的計(jì)算①熱力學(xué)第一定律：dQ=dE+dW②準(zhǔn)靜力條件：P=P′③氣體狀態(tài)方程：PV=nRT④絕熱過(guò)程：dQ=0⑤干絕熱直減率定義：

⑥氣體靜力學(xué)方程：

聯(lián)立以上六式得，γd=Ag/Cp′A—功熱當(dāng)量，2.39×10-8cal/ergG—重力加速度，9.8m/s2Cp′—空氣的定壓比熱，對(duì)于單位質(zhì)量的干空氣，=0.238cal/g?℃故γd=2.39×10-8×981×104/0.238=0.985℃/100m實(shí)際計(jì)算中取γd=1℃/100m，即氣塊在干絕熱升高100m，溫度遞減1℃氣溫垂直遞減率

1．定義：空氣每升高或降低單位高度（通常取100m），氣溫變化率的負(fù)值，用γ表示，單位為℃/100m或K/100m

2．溫度層結(jié)—?dú)鉁匮卮怪备叨鹊姆植记€類(lèi)型：

大氣穩(wěn)定度及其判據(jù)大氣穩(wěn)定度定義：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去掉外力氣塊減速，有返回趨勢(shì)，穩(wěn)定氣塊加速上升或下降，不穩(wěn)定氣塊停在外力去掉處，中性大氣穩(wěn)定度及其判據(jù)定量判斷：將體積為V的氣塊上抬ΔZ高度作干絕熱運(yùn)動(dòng)，此時(shí)氣塊：P′（氣壓）、T′（溫度）、ρ′（密度）環(huán)境：P（氣壓）、T（溫度）、ρ（密度）氣塊受到兩個(gè)力：重力G=m′g=ρ′Vg浮力F1=ρVg合力F：F=F1－G=ρVg－ρ′Vg=（ρ－ρ′）Vg=（ρ/ρ′－1）m′g氣塊上抬ΔZ高度后，很快和周?chē)鷼怏w達(dá)到平衡，即P=P′

大氣穩(wěn)定度及其判據(jù)由氣態(tài)方程：P=ρRTP′=ρ′RT′則ρRT=ρ′RT′即ρ/ρ′=T′/T代入上式得，F(xiàn)=（T′/T－1）m′g=（T′－T）m′g/T對(duì)干絕熱運(yùn)動(dòng)，氣塊在外力作用下上抬ΔZ高度后，氣塊的溫度：T′=T0′+ΔT′=T0′－γdΔZ周?chē)臏囟龋篢=T0+ΔT=T0－γΔZ因起始溫度相同，T0′=T0則T′－T=（γ－γd）ΔZ故大氣穩(wěn)定度及其判據(jù)討論：1）當(dāng)γ－γd>0，即γ>γd時(shí)，若ΔZ>0，則F>0，若ΔZ<0則F<0，即外力F始終與位移ΔZ保持一致，那么氣塊受外力總要離開(kāi)原來(lái)的位置，氣塊一旦開(kāi)始上升就持續(xù)上升，一旦開(kāi)始下降就持續(xù)下降，大氣湍流增加，處于不穩(wěn)定狀態(tài)；2）當(dāng)γ－γd<0，即γ<γd時(shí)，若ΔZ>0，則F<0，若ΔZ<0則F>0，即外力F與位移ΔZ方向不一致，氣塊有返回原來(lái)位置的趨勢(shì)，此時(shí)湍流減弱，大氣穩(wěn)定；3）當(dāng)γ－γd=0，即γ=γd時(shí)，則F=0，氣塊可停留在任何一個(gè)位置，或作等速直線運(yùn)動(dòng)，大氣處于中性狀態(tài)。

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？

逆溫

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