內(nèi)科大大氣污染控制工程教案第3章 大氣污染氣象學(xué)

PAGEPAGE6第三章大氣污染氣象學(xué)3.1大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素目的要求：了解大氣圈的結(jié)構(gòu)，掌握主要?dú)庀笠丶捌浔硎痉椒?；重點(diǎn)難點(diǎn)：主要?dú)庀笠氐谋硎痉椒?；授課方式：講授；一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)1、大氣圈及其垂直結(jié)構(gòu)大氣圈：自然地理學(xué)將受地心引力而隨地球旋轉(zhuǎn)的大氣層稱為大氣圈；在大氣物理學(xué)和污染氣象學(xué)研究中，常把大氣圈的上界定為1200-1400km；大氣圈的垂直結(jié)構(gòu)：是指氣象要素的垂直分布情況，如氣溫、氣壓、大氣密度和大氣成分的垂直分布。2、氣溫的垂直分布情況根據(jù)氣溫在垂直于下墊面（即地球表面情況）方向上的分布情況，可將大氣圈分為五層：對(duì)流層、平流層、中間層、暖層和散逸層；（1）對(duì)流層指大氣圈最低的一層。對(duì)流層的厚度隨緯度的增加而降低；對(duì)流層的主要特征是：a、對(duì)流層雖然很薄，但卻集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部水汽，主要的大氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層，它是天氣變化最復(fù)雜、對(duì)人類活動(dòng)影響最大的一層；b、大氣溫度隨高度增加而降低，每升高100m平均降溫約0.65℃；c、空氣具有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，主要是由于下墊面受熱不均勻及其本身特征不同造成的；d、濕度和溫度的水平分布不均勻，在熱帶海洋上空，空氣比較溫暖潮濕，在高緯度內(nèi)陸上空，空氣比較寒冷干燥，因此也經(jīng)常發(fā)生大規(guī)?？諝獾乃竭\(yùn)動(dòng)。在大氣邊界層中，由于氣流運(yùn)動(dòng)受地面摩擦的影響，故風(fēng)速隨高度的增加而增大。在這一層中，大氣上下有規(guī)則的對(duì)流和無規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)都比較盛行，加上水汽充足，直接影響著大氣污染物的傳輸、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化。（2）平流層從對(duì)流層頂?shù)?0-55km高度的一層稱為平流層。從對(duì)流層頂?shù)?5-40km左右的一層，氣溫幾乎不隨高度變化，為-55℃左右，故稱為同溫層。從這以上到平流層頂，氣溫隨高度增高而增高，至平流層頂達(dá)-3℃左右，也稱逆溫層。平流層集中了大氣中大部分臭氧，并在20-25km高度上達(dá)到最大值，形成臭氧層。平流層中，幾乎沒有大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)，大氣垂直混合微弱，極少出現(xiàn)雨雪天氣，所以進(jìn)入平流層中的大氣污染物的停留時(shí)間很長。（3）中間層從平流層頂?shù)?5km高度的一層稱為中間層。這一層的特點(diǎn)是，氣溫隨高度的升高而迅速降低，其頂部氣溫可達(dá)-83℃以下。因此大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，垂直運(yùn)動(dòng)明顯。（4）暖層從中間層頂?shù)?00km高度為暖層。其特點(diǎn)是，在強(qiáng)烈的太陽紫外線和宇宙射線作用下，再度出現(xiàn)氣溫隨高度升高而增高的現(xiàn)象。暖層氣體分子被高度電離，存在著大量的離子和電子，故又稱為電離層。（5）散逸層暖層以上的大氣層統(tǒng)稱為散逸層。它是大氣的外層，氣溫很高，空氣極為稀薄，空氣粒子運(yùn)行速度很高，可以擺脫地球引力而散逸到太空中。二、主要?dú)庀笠乇硎敬髿鉅顟B(tài)的物理量和物理現(xiàn)象，稱為氣象要素。氣象要素主要是：氣溫、氣壓、氣濕、風(fēng)向、風(fēng)速、云況、能見度等。1、氣溫氣象上講的地面氣溫一般指距離地面1.5m高處百葉箱中觀測到的空氣溫度。它反映了某一條件下空氣分子平均動(dòng)能的大??；表示氣溫高低常用的溫度有兩種：攝氏溫度和熱力學(xué)溫度。兩種溫度的換算關(guān)系如下：1K=1℃+273.15百葉箱：安裝溫、濕度儀器用的防護(hù)設(shè)備。它的內(nèi)外部分應(yīng)為白色。白色的，不容易吸熱。百葉箱的作用是防止太陽對(duì)儀器的直接輻射和地面對(duì)儀器的反射輻射，保護(hù)儀器免受強(qiáng)風(fēng)、雨、雪等的影響，并使儀器感應(yīng)部分有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)，能真實(shí)地感應(yīng)外界空氣溫度和濕度的變化。白天，空氣對(duì)太陽輻射的吸收能力弱于任一種溫度感應(yīng)元件；夜晚，空氣的紅外輻射能力又弱于任一種溫度感應(yīng)元件的表面。任何直接暴露在空氣中的測溫元件，其測量值在白天將系統(tǒng)偏高于氣溫，夜間則系統(tǒng)偏低。為避免這種輻射誤差，必須對(duì)測溫元件采取有效的輻射屏蔽措施。百葉箱是其中的一種，廣泛安裝在氣象臺(tái)站網(wǎng)的氣象觀測場上。百葉箱通常由木質(zhì)和玻璃鋼兩種材料制成。百葉箱里一般放四只溫度計(jì)：兩個(gè)豎著放的，即干球溫度計(jì)和濕球溫度計(jì)，干球溫度計(jì)的讀數(shù)就是當(dāng)時(shí)的氣溫。而用這兩個(gè)溫度計(jì)的讀數(shù)經(jīng)過簡單計(jì)算就可以計(jì)算出來當(dāng)時(shí)的空氣濕度另外還有兩個(gè)躺著放的溫度計(jì)，即最高溫度計(jì)和最低溫度計(jì)。用他們可以得出一天內(nèi)的最高溫度和最低溫度。2、氣壓大氣的壓強(qiáng)。靜止大氣中某觀測高度上的氣壓值等于其單位面積上所承受的大氣柱的重量；氣壓一般用水銀氣壓柱或空盒氣壓表測定；氣象上常采用百帕（hPa）作單位，1hPa=100Pa。國際上規(guī)定：溫度0℃、緯度45°的海平面上的氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。3、氣濕空氣的濕度簡稱氣濕，表示空氣中水汽含量的多少。氣濕常用的表示方法有絕對(duì)濕度、水汽壓、飽和水汽壓、相對(duì)濕度、含濕量、水汽體積分?jǐn)?shù)及露點(diǎn)等。大氣的濕度是決定云、霧、降水、蒸發(fā)等天氣狀況的重要因素。（1）絕對(duì)濕度在1m3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量（kg），稱為濕空氣的絕對(duì)濕度。（3-1）（2）相對(duì)濕度空氣的絕對(duì)濕度（）與同溫度下飽和空氣的絕對(duì)濕度（）之百分比，稱為空氣的相對(duì)濕度。由式（3-1）可知，它等于空氣的水汽分壓與同溫度下飽和空氣的水汽分壓之百分比，即（3-2）（3）含濕量濕空氣中1kg干空氣所包含的水汽質(zhì)量（kg）稱為空氣的含濕量，氣象中也稱為比濕，其定義式為（3-3）其中：為干空氣的密度，kg/m3；由理想氣體狀態(tài)方程及式3-1、3-2、3-3，可將含濕量表示成（3-4）p——濕空氣的總壓力；——干空氣分壓，因而p=+；干空氣的氣體常數(shù)=287.0J/（kgK），濕空氣=461.4J/（kgK），則/=287.0/461.4=0.622，帶入式3-4得，（3-5）在工程中常將濕空氣的含濕量定義為1標(biāo)準(zhǔn)立方米（1mN3）干空氣所含的水汽質(zhì)量（kg）其單位為kg水汽/mN3干空氣，并用d0表示，則得（3-6）為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（273.15K，101325Pa）下干空氣的密度（kg/mN3）?？紤]到Rd/Rw=0.804，則得（3-7）（4）水汽體積分?jǐn)?shù)對(duì)于理想氣體來說，混合氣體中某一氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其摩爾分?jǐn)?shù)，所以水汽的體積分?jǐn)?shù)可表示為（3-8）例3-1通過例題對(duì)氣溫、氣壓尤其是氣濕的幾種常用表示方法進(jìn)行鞏固掌握；（5）露點(diǎn)在一定氣壓下空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度，稱為空氣的露點(diǎn)。4、方向和風(fēng)速（1）風(fēng)向氣象上把空氣的水平運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)，垂直方向的空氣運(yùn)動(dòng)稱為升降氣流；風(fēng)向是指風(fēng)的來向；風(fēng)向可用8個(gè)方位或16個(gè)方位來表示；（2）風(fēng)速單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向運(yùn)行的距離，單位用m/s或km/h表示；通常氣象臺(tái)站所測定的風(fēng)向和風(fēng)速，都是指一定時(shí)間的平均值；根據(jù)自然現(xiàn)象將風(fēng)力分為13個(gè)等級(jí)（0-12級(jí)），若用F表示風(fēng)力等級(jí)，則風(fēng)速u（單位：km/h）為；由于地面對(duì)風(fēng)產(chǎn)生摩擦，起阻礙作用，所以風(fēng)速隨高度升高而增加。100m高處的風(fēng)速約為1m高處風(fēng)速的3倍；5、云云是漂浮在空氣中的水汽凝結(jié)物；這些水汽凝結(jié)物是由大量小水滴或小冰晶或兩者的混合物構(gòu)成的。云的生成與否、形成特征、量的多少、分布及演變，不僅反映了當(dāng)時(shí)大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且預(yù)示著天氣演變的趨勢(shì)；云對(duì)太陽輻射和地面輻射起反射作用，反射的強(qiáng)弱視云的厚度而定；從污染物擴(kuò)散的觀點(diǎn)看，主要關(guān)心的是云的云量及云高；（1）云高是指云底距離地面的高度；根據(jù)云底高度可將云分為：高云：云底高度一般為5000m以上；中云：云底高度一般在2500-5000m之間；低云：云底高度一般在2500m以下；（2）云量云量是指云遮蔽天空的成數(shù)；我國將天空分為10份，云遮蔽了幾份，云量就是幾；總云量：指所有云遮蔽天空的成數(shù)，不論云的層次和高度；低云量：指低云遮蔽天空的成數(shù)；云量記錄：一般總云量和低云量以分?jǐn)?shù)的形式計(jì)入觀測記錄?？傇屏孔鞣肿?，低云量作分母，如10/7，5/5等；任何情況下，低云量不得大于總云量；6、能見度能見度是指視力正常的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，能夠從天空背景中看到或辨認(rèn)出目標(biāo)物（黑色，大小適度）的最大水平距離，單位用m或km；能見度表示了大氣清潔、透明的程度，觀測值通常分為10級(jí)，如表3-1所示；7、降水降水是指從大氣中降落至地面的液態(tài)或固態(tài)水的通稱。如雨、雪等。降水量是指從大氣中降落至地面未經(jīng)蒸發(fā)、滲透和流失而在水平面上積聚的水層厚度，以毫米為單位。降水是清除大氣污染物的重要機(jī)制之一。3.2大氣的熱力過程目的要求：了解大氣熱力過程、逆溫，掌握大氣穩(wěn)定度及其判別；重點(diǎn)：大氣穩(wěn)定度的判別，逆溫的類型；授課方式：講授一、太陽、大氣和地面的熱交換太陽是地球和大氣的主要熱源，低層大氣的增熱和冷卻，是太陽、大氣和地面之間進(jìn)行熱量交換的結(jié)果。太陽、大氣和地面之間的熱量交換過程，首先是太陽短波輻射加熱了地球表面，然后是地面長波輻射加熱大氣。因此，近地層大氣溫度隨地表溫度的升高而增加（自下而上地被加熱）；隨地表溫度的降低而降低（自下而上地被冷卻）；地表溫度的周期性變化引起低層大氣溫度隨之周期性的變化；二、氣溫的垂直變化氣溫的垂直分布與空氣污染有密切關(guān)系，這是因?yàn)闅鉁氐拇怪狈植紱Q定大氣穩(wěn)定度，而大氣穩(wěn)定度影響空氣運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響污染物的擴(kuò)散稀釋。大氣的絕熱過程與泊松方程如果大氣中某一空氣塊作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)與周圍空氣不發(fā)生熱量交換，則將這樣的狀態(tài)變化過程稱為大氣的絕熱過程。絕熱上升時(shí)，氣塊內(nèi)能減少，溫度降低；絕熱下降時(shí)，內(nèi)能增加，溫度升高；空氣塊的升降過程中因膨脹或被壓縮引起的溫度變化，要比它與外界進(jìn)行熱交換引起的溫度變化大得多，所以一般可將沒有水相變化的空氣塊的垂直運(yùn)動(dòng)近似地看作為絕熱過程。根據(jù)熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，可以推導(dǎo)出描述大氣熱力過程的微分方程：（3-10）其中：Q—加入體系的熱量；Cp-干空氣的定壓比熱，Cp=1005J/（kg·K）；R—干空氣的氣體常數(shù)，R=287.0J/（kg·K）；【輻射能的吸收和轉(zhuǎn)換，空氣的增熱與冷卻，蒸發(fā)與凝結(jié)等，實(shí)質(zhì)上是一種熱能的轉(zhuǎn)換，它服從熱力學(xué)系統(tǒng)的能量守恒定律，即熱力學(xué)第一定律，其表達(dá)式為dQ=CvdT+PdV，它表示加入任一熱力學(xué)系統(tǒng)的熱量dQ，應(yīng)等于系統(tǒng)本身內(nèi)能的增加值CvdT，以及系統(tǒng)對(duì)外力做的功PdV。其中Cv為比定容熱容，V、T分別為系統(tǒng)的容積和溫度，P為外界壓力。將狀態(tài)方程PV=RT代入上式，并取Cp-Cv=R，則上式改寫為，該式為氣象上常用的熱力學(xué)第一定律形式，將此式改寫為；可以看出，影響氣溫變化的原因有兩個(gè)：一是由于空氣與外界有熱量交換；一是由于外界壓力的變化使空氣膨脹或壓縮；當(dāng)空氣團(tuán)作鉛直運(yùn)動(dòng)時(shí)，外界的氣壓變化很大，且氣壓變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氣團(tuán)與周圍熱交換的影響時(shí)，可以認(rèn)為空氣團(tuán)的溫度變化主要受氣壓變化的影響，而不考慮熱交換的影響，及過程視為絕熱的；】對(duì)于大氣的絕熱過程，dQ=0，上式變?yōu)椋?-11）將此式從氣塊升降前的狀態(tài)（T0，P0）積分到氣塊升降后的狀態(tài)（T，P），則得到：（3-12）上式稱為泊松方程（Poisson），他描述了氣塊在絕熱升降過程中，氣塊的初始狀態(tài)與終態(tài)之間的關(guān)系，說明絕熱過程中氣溫的變化完全是由氣壓變化引起的。2、干絕熱直減率干空氣塊（包括未飽和的濕空氣塊）絕熱上升或下降單位高度（通常取100m）時(shí)，溫度降低或升高的數(shù)值，稱為干空氣溫度絕熱垂直遞減率，簡稱干絕熱直減率，以γd表示，其定義式為：（3-13）式中：下標(biāo)i—表示空氣塊；下標(biāo)d—表示干空氣；利用式（3-11）和（3-13）及氣壓隨高度變化的氣體靜力學(xué)方程等關(guān)系式，可以得出：（3-14）式中重力加速度g=9.81m/s2，干空氣定壓比熱Cp=1005J/（kg·K），則γd≈0.98K/100m。通常取γd≈1K/100m，它表示干空氣塊（或未飽和的濕空氣塊）每升高（或下降）100m時(shí)，溫度降低（或升高）約1K。3、位溫為了比較不同高度上兩氣塊的熱狀態(tài)，單純比較它們的溫度是不行的，因?yàn)闅鈮簩?duì)熱狀態(tài)也有影響，只有將兩氣塊沿干絕熱過程訂正到一個(gè)相同的氣壓后才能比較；一干空氣塊絕熱升降到標(biāo)準(zhǔn)氣壓（1000hPa）處所具有的溫度稱為它的位溫，以θ表示。由式（3-12）得（3-15）對(duì)上式兩端取對(duì)數(shù)后微分，代入絕熱方程（3-11）可得到，則dθ=0，θ=常數(shù)。這表明干空氣塊作絕熱升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然其溫度Ti是變化的，但其位溫確是不變的。所以θ比Ti更能代表氣塊的熱力學(xué)狀態(tài)。4、氣溫的垂直分布?xì)鉁仉S高度的變化可以用氣溫垂直遞減率來表示，簡稱氣溫直減率。它指單位高度（通常取100m）氣溫的變化值。在大氣污染中經(jīng)常用到氣溫垂直遞減率γ和干絕熱垂直遞減率γd，二者意義不同。γd表示干空氣在絕熱升降過程中每變化單位高度干空氣自身的溫度變化，是一個(gè)物理常數(shù)，表示干空氣的某種熱力學(xué)性質(zhì)。而γ表示實(shí)際環(huán)境大氣溫度隨高度的分布，它是一個(gè)變量。若氣溫隨高度增加是遞減的，γ為正值，反之為負(fù)值；氣溫隨垂直高度的分布，可用坐標(biāo)圖上的曲線表示，如圖3.3所示。這種曲線稱為氣溫沿高度分布曲線或溫度層結(jié)曲線，簡稱溫度層結(jié)。大氣中的溫度層結(jié)有四種類型：a、氣溫隨高度增加而遞減，且γ＞γd，稱為正常分布層結(jié)或遞減層結(jié)；b、氣溫直減率接近等于1k/100m，即γ=γd，稱為中性層結(jié)；c、氣溫不隨高度變化，即γ=0，稱為等溫層結(jié)；d、氣溫隨高度增加而增加，即γ＜0，稱為氣溫逆轉(zhuǎn)，簡稱逆溫。一般來說，在對(duì)流層中，氣溫隨高度的增加而降低，形成了氣溫下高上低狀況，即γ＞0；邊界層大氣中溫度隨高度的分布規(guī)律受下墊面影響很大，溫度變化情況復(fù)雜。三、大氣穩(wěn)定度1、大氣穩(wěn)定度的概念污染物在大氣中的擴(kuò)散與大氣穩(wěn)定度有密切關(guān)系。大氣穩(wěn)定度是指在垂直方向上大氣穩(wěn)定的程度，即是否易于發(fā)生對(duì)流。對(duì)于大氣穩(wěn)定度可以作這樣的理解，如果一空氣塊受到外力的作用，產(chǎn)生了上升或下降的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外力去除后，可能發(fā)生三種情況：a、氣塊減速并有返回原來高度的趨勢(shì)，則稱這種大氣是穩(wěn)定的；b、氣塊加速上升或下降，稱這種大氣是不穩(wěn)定的；c、氣塊被外力推導(dǎo)某一高度后，既不加速也不減速，保持不動(dòng)，稱這種大氣是中性的；2、大氣穩(wěn)定度的判別判別大氣是否穩(wěn)定，可用氣塊法來說明。假設(shè)一氣塊的狀態(tài)參數(shù)為Ti，Pi和ρi，周圍大氣狀態(tài)參數(shù)為T、P和ρ，則單位體積氣塊所受四周大氣的浮力為ρg，本身重力為ρig，在此二力作用下產(chǎn)生的向上加速度為（3-16）利用準(zhǔn)靜力條件（絕熱過程中氣溫,氣壓都是指大氣中氣塊本身的特性,但是對(duì)于氣壓而言,一般情況P≠P環(huán),若過程進(jìn)行的十分緩慢,可使外界氣壓變化與系統(tǒng)內(nèi)部氣壓變化充分平衡,每一瞬間外部氣壓與內(nèi)部氣壓看成是相等的,即P=P環(huán)，這個(gè)條件稱為準(zhǔn)靜力條件.討論的大多數(shù)過程我們認(rèn)為滿足準(zhǔn)靜力條件,即P=P’.）和理想氣體狀態(tài)方程，則有（3-17）若在氣塊運(yùn)動(dòng)過程中滿足絕熱條件，則氣塊運(yùn)動(dòng)△Z高度時(shí)，其溫度Ti=Ti0-γd△Z；而同樣高度的周圍空氣溫度T=T0-γ△Z。假設(shè)起始溫度相等，即T0=Ti0，則有則有（3-18）從式（3-18）可見，的符號(hào)決定了氣塊加速度a與其位移△Z的方向是否一致，也就決定了大氣是否穩(wěn)定。若△Z＞0，則有三種情況：（1）γ＞γd，a＞0，氣塊加速度與其位移方向相同，氣塊加速運(yùn)動(dòng)，大氣不穩(wěn)定；（2）γ＜γd，a＜0，氣塊加速度與其位移方向相反，氣塊減速運(yùn)動(dòng)，大氣穩(wěn)定；（3）γ=γd，a=0，大氣是中性的；大氣穩(wěn)定度還可以通過圖3-4來進(jìn)一步說明；大氣穩(wěn)定度還可以用位溫梯度進(jìn)行判別。對(duì)式（3-15）兩邊取對(duì)數(shù)，在對(duì)高度Z求偏微分，可以得到：（3-19）可見，即γ＞γd時(shí)，大氣不穩(wěn)定；時(shí)，即γ＜γd時(shí)，大氣穩(wěn)定；時(shí)，大氣是中性的；四、逆溫在邊界層中，由于氣象和地形等條件的影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣溫隨高度增加而升高的現(xiàn)象，稱為逆溫。出現(xiàn)逆溫的氣層，稱為逆溫層。逆溫出現(xiàn)時(shí)γ＜0，大氣處于非常穩(wěn)定狀態(tài)，大氣的垂直運(yùn)動(dòng)很難發(fā)展，污染物質(zhì)的輸送和擴(kuò)散受到抑制，因此可能造成嚴(yán)重的大氣污染。所以逆溫層又稱為阻擋層。根據(jù)逆溫形成原因可將其分為5種。1、輻射逆溫由于地面強(qiáng)烈輻射冷卻而形成的逆溫，稱為輻射逆溫。2、下沉逆溫由于空氣下沉受到壓縮增溫而形成的逆溫稱為下沉逆溫。圖3-6下沉逆溫形成示意圖3、平流逆溫由暖空氣平流到冷地面上而形成的逆溫稱為平流逆溫。4、湍流逆溫低層空氣因湍流混合形成的逆溫，稱為湍流逆溫。5、鋒面逆溫鋒面逆溫是由大氣中冷暖空氣團(tuán)相遇形成的一個(gè)傾斜過度層（稱為鋒面），較暖的空氣總是位于較冷空氣之上而形成的逆溫。五、煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系大氣污染狀況與大氣穩(wěn)定度有密切關(guān)系。大氣穩(wěn)定度不同，高架點(diǎn)源排放的煙流擴(kuò)散形狀和特點(diǎn)不同，造成的污染狀況差別很大。典型的煙流形狀有五種：1、波浪型煙流呈波浪狀，污染物擴(kuò)散良好，發(fā)生在全層不穩(wěn)定大氣中。2、錐型煙流呈圓錐形，發(fā)生在中性條件下；3、扇型煙流垂直方向擴(kuò)散很小，像一條帶子飄向遠(yuǎn)方，從上面看，煙流呈扇形展開。4、爬升型煙流的下部是穩(wěn)定的大氣，上部是不穩(wěn)定的大氣。5、熏煙型對(duì)于輻射逆溫，日出后逆溫從地面向上逐漸消失，即不穩(wěn)定大氣從地面向上逐漸擴(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散到煙流的下邊緣或更高一點(diǎn)時(shí)，煙流便發(fā)生了向下的強(qiáng)烈擴(kuò)散，而上邊緣仍處于逆溫層中，熏煙型便發(fā)生了。此處只從溫度層結(jié)和大氣穩(wěn)定度的角度做了粗略分析，實(shí)際的煙流要復(fù)雜的多，影響因素也復(fù)雜的多。3.3大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)目的要求：了解引起大氣運(yùn)動(dòng)的作用力，風(fēng)場的形成機(jī)理；重點(diǎn)：水平氣壓梯度力；授課方式：講授、自學(xué)一、引起大氣運(yùn)動(dòng)的作用力作用于大氣的力有氣壓梯度力、重力、地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力和慣性離心力，這些力之間的不同結(jié)合，構(gòu)成了不同形式的大氣運(yùn)動(dòng)和風(fēng)。1、水平氣壓梯度力單位質(zhì)量的空氣在氣壓場中受到的作用力，稱為氣壓梯度力。分為垂直和水平方向兩個(gè)分量。垂直氣壓梯度力雖大，但由于有空氣重力與之平衡，所以空氣在垂直方向所受作用力不大；水平氣壓梯度力雖小，但卻是大氣運(yùn)動(dòng)的主要原因。水平氣壓梯度力G的大小，與空氣密度ρ成反比，與水平氣壓梯度成正比，即（3-20）上式表明，只要水平方向存在著氣壓梯度，就有水平氣壓梯度力作用于大氣，使大氣由高壓側(cè)向低壓側(cè)運(yùn)動(dòng)，直到有其他力與之平衡為止。盡管水平氣壓梯度力很小，但確實(shí)大氣水平運(yùn)動(dòng)的直接動(dòng)力；2、地轉(zhuǎn)偏向力由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的使運(yùn)動(dòng)著的大氣偏離氣壓梯度方向的力，稱為地轉(zhuǎn)偏向力。（3-21）其中v、、分別表示風(fēng)速、地球自轉(zhuǎn)角速度、當(dāng)?shù)鼐暥?；地球自轉(zhuǎn)偏向力具有如下性質(zhì)：a、伴隨著風(fēng)速的產(chǎn)生而產(chǎn)生；b、水平地轉(zhuǎn)偏向力的方向垂直于大氣運(yùn)動(dòng)的方向，在北半球指向運(yùn)動(dòng)方向餓右方，在南半球指向運(yùn)動(dòng)方向的左方；c、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；d、該力正比于，隨緯度增高而增大，在兩極最大（=0），在赤道為零。3、慣性離心力大氣作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，將受到慣性離心力的作用。其方向與大氣運(yùn)動(dòng)方向垂直，由曲線路徑的曲率中心指向外；其大小與大氣運(yùn)動(dòng)的線速度的平方成正比，與曲率半徑成反比；4、摩擦力運(yùn)動(dòng)速度不同的相鄰兩層大氣層之間以及貼近地面運(yùn)動(dòng)的大氣和地表之間，都會(huì)產(chǎn)生阻礙大氣運(yùn)動(dòng)的阻力，即摩擦力。前者稱為內(nèi)摩擦力，后者稱為外摩擦力。內(nèi)摩擦力和外摩擦力的向量和稱為總摩擦力。上述作用于大氣的四種力中，水平氣壓梯度力是引起大氣運(yùn)動(dòng)的直接動(dòng)力，其他三種力的作用，視具體情況而定。二、邊界層的風(fēng)對(duì)大氣污染的影響大氣污染主要發(fā)生在大氣邊界層內(nèi)，實(shí)踐證明，邊界層的風(fēng)、湍流、大氣穩(wěn)定度、大氣溫度層結(jié)、降水和霧等是影響空氣污染的重要?dú)庀笠蛩?。污染物排到大氣后，主要在風(fēng)和湍流作用下進(jìn)行輸送和擴(kuò)散。風(fēng)速越大，湍流越強(qiáng)，污染物擴(kuò)散就越快，濃度就越低。風(fēng)和湍流是決定污染物在大氣中擴(kuò)散稀釋最直接最本質(zhì)的因素，其他一切氣象因素都是通過二者的作用來影響擴(kuò)散稀釋過程的。因此，風(fēng)和湍流是研究大氣污染物輸送擴(kuò)散和濃度變化必須考慮的氣象動(dòng)力因子。風(fēng)向?qū)Υ髿馕廴疚飻U(kuò)散和輸送的影響風(fēng)對(duì)大氣污染的影響包括風(fēng)向和風(fēng)的速率兩個(gè)方面。風(fēng)向影響污染物的水平遷移擴(kuò)散方向，總是不斷將污染物向下風(fēng)方向輸送，污染區(qū)總是分布在下風(fēng)方向上，高污染濃度常出現(xiàn)在大污染源的下風(fēng)方。但是，也應(yīng)指出，邊界層內(nèi)的風(fēng)向足隨高度增加而向右偏轉(zhuǎn)的。因此，邊界層上方污染物輸送的方位與近地面污染物輸送的方向有所不同，如圖3—10所示。但這種影響只對(duì)強(qiáng)而熱的高煙囪比較明顯，對(duì)一般高度不大的排放源，這種影響可不考慮。圖3-10艾克曼螺旋線2、風(fēng)速對(duì)大氣污染物擴(kuò)散和輸送的影響風(fēng)速的大小決定了大氣擴(kuò)散稀釋作用的強(qiáng)弱。風(fēng)速越大，單位時(shí)間內(nèi)混入煙氣中的清潔空氣愈多，大氣擴(kuò)散稀釋作用越強(qiáng)。風(fēng)速除了稀釋作用外，對(duì)污染物的輸送距離影響也很大。風(fēng)速很大時(shí)，污染物輸送的距離可能很長，但濃度將變得很小。所以，最大的污染潛勢(shì)經(jīng)常出現(xiàn)在風(fēng)力微弱的時(shí)候，因?yàn)樵谛★L(fēng)時(shí)，水平輸送能力和湍流擴(kuò)散都受到削弱，污染物可以從容積累，濃度會(huì)急劇上升。通常，污染物在大氣中的濃度與平均風(fēng)速成反比，風(fēng)速增大1倍，下風(fēng)向污染物濃度將減少一半。風(fēng)對(duì)大氣污染物的影響發(fā)生在從地面起到污染物擴(kuò)散所及的各高度。特別是高架源排放的污染物的擴(kuò)散高度很高，所以各高度上的風(fēng)都很重要。氣象觀測得到的風(fēng)速系指10m高處的風(fēng)速，為利用地面風(fēng)速資料推斷各高度風(fēng)的分布，需要了解邊界層中風(fēng)的垂直分布特征。表示風(fēng)速隨高度變化的曲線稱為風(fēng)速廓線。目前描述風(fēng)速隨高度變化的數(shù)學(xué)模式——風(fēng)速廓線模式有兩個(gè)。對(duì)數(shù)律中性層結(jié)時(shí)近地面的風(fēng)速廓線，可用對(duì)數(shù)律模式描述：（3-22）式中：——高度Z處的平均風(fēng)速，m/s；——摩擦速度，m/s；k——卡門常數(shù)，常取0.4；Z0——地面粗糙度，單位m；這是中性層結(jié)近地層風(fēng)速廓線的典型形式。上式表明，越接近地面，風(fēng)速越小，在某一高度Z0上，平均風(fēng)速為零。這與經(jīng)驗(yàn)結(jié)果相吻合，Z0與下墊面狀態(tài)有關(guān)，它反映了下墊面