大氣污染控制工程(5)

1、污染物從排放到受體，中間經(jīng)歷了復(fù)雜的大氣過(guò)程：遷污染物從排放到受體，中間經(jīng)歷了復(fù)雜的大氣過(guò)程：遷移、擴(kuò)散、沉降與化學(xué)反應(yīng)等，氣象條件對(duì)這些過(guò)程有移、擴(kuò)散、沉降與化學(xué)反應(yīng)等，氣象條件對(duì)這些過(guò)程有著非常重要的影響。本章主要介紹與大氣污染相關(guān)的氣著非常重要的影響。本章主要介紹與大氣污染相關(guān)的氣象學(xué)知識(shí)象學(xué)知識(shí), ,包括：包括：大氣圈結(jié)構(gòu)；大氣圈結(jié)構(gòu)；大氣的水平與垂直運(yùn)大氣的水平與垂直運(yùn)動(dòng)；動(dòng)；風(fēng)；風(fēng)；大氣穩(wěn)定度；大氣穩(wěn)定度；逆溫與熏煙逆溫與熏煙 Emission sourcesAtmosphere Receptors pollutantsmixed and chemical transformati

2、on掌握掌握風(fēng)、大氣穩(wěn)定度、絕熱遞減率、混合層高度和風(fēng)、大氣穩(wěn)定度、絕熱遞減率、混合層高度和逆溫等氣象學(xué)逆溫等氣象學(xué)基本概念；基本概念；掌握掌握大氣穩(wěn)定度的判別方法大氣穩(wěn)定度的判別方法；掌握氣象條件對(duì)大氣污染物的傳輸和擴(kuò)散的影響；掌握氣象條件對(duì)大氣污染物的傳輸和擴(kuò)散的影響；熟悉大氣的熱力過(guò)程的基本計(jì)算。熟悉大氣的熱力過(guò)程的基本計(jì)算。 建議學(xué)時(shí)數(shù)：6學(xué)時(shí)對(duì)流層對(duì)流層平流層平流層暖暖(電離電離)層層隨地球引力而旋轉(zhuǎn)的大氣，其下邊界清晰明確隨地球引力而旋轉(zhuǎn)的大氣，其下邊界清晰明確即為地表面，上邊界很難確切劃分。一般認(rèn)為即為地表面，上邊界很難確切劃分。一般認(rèn)為1200km的氣的氣層作為大氣層的厚度層作

3、為大氣層的厚度,超出部分就是宇宙空間了。超出部分就是宇宙空間了。對(duì)流層對(duì)流層（10km左右）：厚度隨緯度和季節(jié)而變左右）：厚度隨緯度和季節(jié)而變強(qiáng)烈對(duì)流作用強(qiáng)烈對(duì)流作用集中了大氣質(zhì)量的集中了大氣質(zhì)量的3/4和全部的水蒸氣，主要天氣現(xiàn)象都和全部的水蒸氣，主要天氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層發(fā)生在這一層溫度隨高度的增加而降低，每升高溫度隨高度的增加而降低，每升高100m平均降溫平均降溫0.650C大氣邊界層大氣邊界層（行星邊界層）：對(duì)流層下層（行星邊界層）：對(duì)流層下層12km，地面阻滯和，地面阻滯和摩擦摩擦 作用明顯；作用明顯；污染物擴(kuò)散稀釋主要層，大氣污染研究區(qū)域。污染物擴(kuò)散稀釋主要層，大氣污染研究區(qū)域。最

4、下層最下層100米左右的一層大氣稱為米左右的一層大氣稱為近地層。近地層。自由大氣：大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略自由大氣：大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略平流層平流層（對(duì)流層頂（對(duì)流層頂50-55km）大氣質(zhì)量大氣質(zhì)量24.9 ，稀薄，干燥，稀薄，干燥22km為同溫層，為同溫層，H，t =C2225km臭氧層臭氧層，吸熱，吸熱， H，t 豎直混合微弱，處于平流運(yùn)動(dòng)豎直混合微弱，處于平流運(yùn)動(dòng)，飛機(jī)的理想飛行區(qū)域，飛機(jī)的理想飛行區(qū)域中間層中間層（平流層頂（平流層頂85km）氣溫隨高度升高而迅速降低氣溫隨高度升高而迅速降低對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，又稱高空對(duì)流層對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，又稱高空對(duì)流層暖層暖層（中間層頂（

5、中間層頂800km）氣溫隨高度升高而增高氣溫隨高度升高而增高氣體分子高度電離電離層氣體分子高度電離電離層散逸層散逸層（暖層以上）（暖層以上）氣溫很高，空氣稀薄氣溫很高，空氣稀薄空氣粒子可以擺脫地球引力而散逸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大氣壓力總是隨高度的升高而降低均質(zhì)大氣層均質(zhì)大氣層8085km以下，成分基本不變以下，成分基本不變1、地球表面的不均勻受熱、地球表面的不均勻受熱類似房間中電爐的加熱類似房間中電爐的加熱大氣水大氣水平運(yùn)動(dòng)平運(yùn)動(dòng)的影響的影響因素因素 地球表面的冷熱不均勻（主要驅(qū)動(dòng)力，實(shí)地球表面的冷熱不均勻（主要驅(qū)動(dòng)力，實(shí)際上是水平氣壓梯度力造成）際上是

6、水平氣壓梯度力造成）地球旋轉(zhuǎn)力（又稱科里奧利力）地球旋轉(zhuǎn)力（又稱科里奧利力）地面與海洋的影響地面與海洋的影響 P4 P4 P4 P3 P3 P3 P2 P2 P2 P1 P1 P1 A B A B A B t1 t2 t1 t2 t1 t2 t1 = t2 t1 t2 t1 t2 a b c 冷熱不均勻的原因冷熱不均勻的原因: 太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射(赤道是極地的赤道是極地的2.4倍倍)w由 于 大 氣由 于 大 氣層 的 厚 度層 的 厚 度相 對(duì) 于 寬相 對(duì) 于 寬度 很 小 ，度 很 小 ，氣 流 機(jī) 械氣 流 機(jī) 械不 穩(wěn) 定 ，不 穩(wěn) 定 ，被 分 解 為被 分 解 為每半球每半球3個(gè)個(gè)

7、小環(huán)流。小環(huán)流。w全球共有全球共有7個(gè) 環(huán) 流 間個(gè) 環(huán) 流 間的邊界的邊界Rising air(forest)Subsiding air(desert)Rising airSubsiding airRising airSubsiding airSubsiding air Example 5.1 如上圖，投手在北極以如上圖，投手在北極以90mi/h (132 ft/s) 的速度投擲一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)棒球。投擲距離的速度投擲一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)棒球。投擲距離60ft。球直。球直接投向接球手。從宇宙飛船中的觀測(cè)者來(lái)看，球在飛接投向接球手。從宇宙飛船中的觀測(cè)者來(lái)看，球在飛行中接球手向左移動(dòng)的距離是多少？行中接球手向左移動(dòng)

8、的距離是多少？Solution: 地球完成自轉(zhuǎn)所需時(shí)間為地球完成自轉(zhuǎn)所需時(shí)間為1天，所以地球旋轉(zhuǎn)角速度天，所以地球旋轉(zhuǎn)角速度 所以接球手移動(dòng)的距離所以接球手移動(dòng)的距離rt = rx/ /V V = = 60ft7.2710-5S-160ft/132ft/s = 0.00198ft = 0.024in = 0.60 mm5127.27 1024 3600raddaysdays由于地球的自轉(zhuǎn)，引入科里奧利力（由于地球的自轉(zhuǎn)，引入科里奧利力（Coriolis force）,同重力與離心力的作用與物體的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)不同，同重力與離心力的作用與物體的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)不同，科里奧科里奧利力的作用力方向與物體的運(yùn)動(dòng)方向

9、垂直（在北半球朝利力的作用力方向與物體的運(yùn)動(dòng)方向垂直（在北半球朝向右側(cè)）向右側(cè)），與物體的運(yùn)動(dòng)速度成正比，其表達(dá)式為：，與物體的運(yùn)動(dòng)速度成正比，其表達(dá)式為：Coriolis force2sinMV式中，式中，V運(yùn)動(dòng)物體的速度，運(yùn)動(dòng)物體的速度，M物體的質(zhì)量物體的質(zhì)量 地球自轉(zhuǎn)角速度，地球自轉(zhuǎn)角速度，緯度緯度科里奧利加速度的表達(dá)式為：科里奧利加速度的表達(dá)式為：Coriolis acceleration=2sinV(5.1)Example 5.3 估算在北緯估算在北緯40度，以度，以10ft/s運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)的科里奧利加速度是多少？科里奧利加速度是多少？Solution: 直接代入上式直接代入上式 54

10、2425Coriolis acceleration=2sin2 10 7.27 10sin409.35 102.85 10/2.9 10Vftsm sg Remark1: 絕大多數(shù)氣象學(xué)計(jì)算模式，在考慮大氣的絕大多數(shù)氣象學(xué)計(jì)算模式，在考慮大氣的垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，都將其忽略不計(jì)，只考慮重力作用。但是，垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，都將其忽略不計(jì)，只考慮重力作用。但是，在考慮與重力垂直的水平方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)，其它加速度都在考慮與重力垂直的水平方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)，其它加速度都很小，科里奧利加速度的作用極為顯著。很小，科里奧利加速度的作用極為顯著。 Solution: 取邊長(zhǎng)為取邊長(zhǎng)為1m3，密度為標(biāo)準(zhǔn)海平面空氣密，密度為標(biāo)準(zhǔn)海平面空

11、氣密度的空氣塊，使用度的空氣塊，使用Newton定律，得到定律，得到Example 5.4 估算氣壓梯度為估算氣壓梯度為1mb/100km時(shí)所時(shí)所引起的空氣加速度。（引起的空氣加速度。（1mb10-3bar=100Pa）23428.3 10/FA pxppMVxxm sPressure gradient acceleration 3Coriolis accelerationRemark2:在高空，在高空，科里奧利與氣壓梯度力共同決定科里奧利與氣壓梯度力共同決定了風(fēng)速與風(fēng)向；近地層摩擦力使問(wèn)題更復(fù)雜。了風(fēng)速與風(fēng)向；近地層摩擦力使問(wèn)題更復(fù)雜。Remark3:氣壓梯度加速度與空氣密度成反比，高空氣壓

12、梯度加速度與空氣密度成反比，高空空氣密度低空氣密度低，一般高空風(fēng)速大。，一般高空風(fēng)速大。Conclusion: 氣流水平運(yùn)動(dòng)的主要作用力有：氣流水平運(yùn)動(dòng)的主要作用力有：科里奧科里奧利力、氣壓梯度力和地球表面的摩擦阻力。利力、氣壓梯度力和地球表面的摩擦阻力。n大氣邊界層中平行等壓線的風(fēng)場(chǎng)大氣邊界層中平行等壓線的風(fēng)場(chǎng)FpP1P2P1P2n地球上的風(fēng)向地球上的風(fēng)向 如果沒(méi)有科里奧利力，任意一點(diǎn)的風(fēng)向應(yīng)該使南北向的；如果沒(méi)有科里奧利力，任意一點(diǎn)的風(fēng)向應(yīng)該使南北向的；但是，由于科里奧利力的作用方向，在北半球向右偏移，但是，由于科里奧利力的作用方向，在北半球向右偏移，在南半球向左偏移，使得在赤道近地層盛行

13、東風(fēng)，中緯度在南半球向左偏移，使得在赤道近地層盛行東風(fēng)，中緯度近地層盛行西風(fēng)，極地近地層盛行東風(fēng)。近地層盛行西風(fēng)，極地近地層盛行東風(fēng)。VwindFcoriolisFfriction陸地比海洋和湖泊對(duì)加熱（冷卻）響應(yīng)速度快很多。陸地比海洋和湖泊對(duì)加熱（冷卻）響應(yīng)速度快很多。印度和東非的季風(fēng)天氣印度和東非的季風(fēng)天氣大的山脈是水平風(fēng)的天然屏障大的山脈是水平風(fēng)的天然屏障大氣的垂直運(yùn)動(dòng)大氣的垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)是相和水平運(yùn)動(dòng)是相互作用的。互作用的。絕大多數(shù)的垂直絕大多數(shù)的垂直運(yùn)動(dòng)都是由密度運(yùn)動(dòng)都是由密度的變化引起的。的變化引起的。大氣中氣體密度可由理想氣體狀態(tài)方程確定：大氣中氣體密度可由理想氣體狀態(tài)方程確

14、定：M pR TR普適氣體常數(shù), 8.314 J/(molk)M分子量密度的相對(duì)變化率（上式兩邊微分可得）：密度的相對(duì)變化率（上式兩邊微分可得）：n如果如果M和和p為常數(shù)，則為常數(shù)，則ddMdpdTMpTddTT (5.2)(5.3)Example 5.5 估算在估算在20時(shí)，溫度升高時(shí)，溫度升高1 ，和，和相對(duì)濕度增加相對(duì)濕度增加1，空氣密度的變化。，空氣密度的變化。10.003420273ddTT Solution: The average molecular weight of air is given by Mavg=ywaterMwater+(1-ywater)Mair=Mair+y

15、water(Mwater-Mair)where ywater is the mol fraction of water vapor. At 20 , ywater 0.023RHSo that Mavg 290.023RH(29-18)=29-0.253 RHand 50.2530.2530.253 0.018.7 10290.2532929avgavgdMddRHdRHMRH wRemark: 相對(duì)濕度增加相對(duì)濕度增加40與溫度升高與溫度升高1的作用效果的作用效果相同。所以說(shuō)大氣的垂直運(yùn)動(dòng)主要由密度的變化引起的。相同。所以說(shuō)大氣的垂直運(yùn)動(dòng)主要由密度的變化引起的。氣壓方程氣壓方程(Barome

16、tric equation)：氣壓與高度關(guān)系：氣壓與高度關(guān)系dpgMpdpgMgordzdzRTpRT 大氣絕熱過(guò)程大氣絕熱過(guò)程(adiabatic process)：所研究的大氣所研究的大氣系統(tǒng)與周圍空氣沒(méi)有熱量交換，則稱為大氣絕熱過(guò)程。系統(tǒng)與周圍空氣沒(méi)有熱量交換，則稱為大氣絕熱過(guò)程。由由熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律, ,可得出可得出大氣絕熱過(guò)程方程大氣絕熱過(guò)程方程pdTRdpTCp(5.6-5.7)(5.8)ncp-空氣的定壓比熱容空氣的定壓比熱容n多數(shù)情況下，大氣過(guò)程都可看作絕熱過(guò)程，氣溫變化完全由外界壓力變化引起。上式便是干絕熱遞減率的定義式，它表示干空氣在絕上式便是干絕熱遞減率的定義

17、式，它表示干空氣在絕熱升降過(guò)程中，每升降單位距離（通常取熱升降過(guò)程中，每升降單位距離（通常取1km）的溫）的溫度變化，負(fù)號(hào)表示溫度隨高度的升高而減小，通常用度變化，負(fù)號(hào)表示溫度隨高度的升高而減小，通常用符號(hào)符號(hào)d表示，單位：表示，單位： /km對(duì)于地球重力作用下的空氣，計(jì)算得對(duì)于地球重力作用下的空氣，計(jì)算得239.81/29/10003.5 8.314/0.009789.7810/dpdTgMmsgmolkgdzcgmPamol kKCCkmmkm,()adiabaticperfectgaspdTgMdzC 根據(jù)方程根據(jù)方程(5.7)與與 (5.8)，將，將dp/p消去，可得消去，可得 (5.

18、9)它表示干空氣在作干絕熱上升（或下降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，每升它表示干空氣在作干絕熱上升（或下降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，每升高（或下降）高（或下降）100m，溫度降低（或升高）溫度降低（或升高）1。濕空氣的絕熱變化 濕空氣團(tuán)作絕熱升降時(shí)情況較復(fù)雜，在升降過(guò)程中濕空氣團(tuán)作絕熱升降時(shí)情況較復(fù)雜，在升降過(guò)程中若若無(wú)相變化無(wú)相變化，其溫度直減率和干絕熱直減率一樣，其溫度直減率和干絕熱直減率一樣，每升降每升降100m，溫度變化溫度變化1 ；若有相變化若有相變化，每升高每升高100m，溫溫度變化小于度變化小于1。濕空氣上升達(dá)到飽和狀態(tài)并開(kāi)始凝結(jié)的濕空氣上升達(dá)到飽和狀態(tài)并開(kāi)始凝結(jié)的高度稱為高度稱為凝結(jié)高度，在凝結(jié)高度以下，其溫度變

19、化同干空，在凝結(jié)高度以下，其溫度變化同干空氣一樣；在凝結(jié)高度以上，溫度變化小于干空氣的變化值，氣一樣；在凝結(jié)高度以上，溫度變化小于干空氣的變化值，飽和空氣每上升（或下降）單位距離空氣的溫度變化，稱飽和空氣每上升（或下降）單位距離空氣的溫度變化，稱為為濕絕熱遞減率濕絕熱遞減率m，約為約為0.5/100m。超超絕熱遞減率絕熱遞減率(superadiabatic lapse rate)： d亞亞絕熱遞減率絕熱遞減率(subadiabatic lapse rate) ： d標(biāo)準(zhǔn)大氣的溫度遞減率標(biāo)準(zhǔn)大氣的溫度遞減率 6.496.49/km, 反映整個(gè)美國(guó)白天、黑夜，反映整個(gè)美國(guó)白天、黑夜，冬季和夏季的大

20、氣近似情況。冬季和夏季的大氣近似情況。 定義：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，大氣在垂直方向上穩(wěn)定的程度；反映其是否容易對(duì)流，對(duì)污染物的擴(kuò)散有決定性的影響。對(duì)污染物的擴(kuò)散有決定性的影響。 外力使氣塊上升或下降外力使氣塊上升或下降氣塊去掉外力氣塊去掉外力氣塊減速，有返回趨勢(shì)，穩(wěn)定氣塊減速，有返回趨勢(shì)，穩(wěn)定氣塊加速上升或下降，不穩(wěn)定氣塊加速上升或下降，不穩(wěn)定氣塊停在外力去掉處，中性氣塊停在外力去掉處，中性定性描述定性描述：大氣穩(wěn)定度的含義可以這樣理解，如果一空氣大氣穩(wěn)定度的含義可以這樣理解，如果一空氣塊由于某種原因受到外力的作用，產(chǎn)生上升或下降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)塊由于某種原因受到外力的

21、作用，產(chǎn)生上升或下降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外力去除后，發(fā)生三種情況：外力去除后，發(fā)生三種情況：定量判據(jù)定量判據(jù) 0 0： d d，a a0 0，氣團(tuán)加速，不穩(wěn)定；，氣團(tuán)加速，不穩(wěn)定； d d，a a0 0，中性；，中性； d d，a a0 0，氣團(tuán)減速，弱穩(wěn)定，氣團(tuán)減速，弱穩(wěn)定 0 0：等溫、逆溫，強(qiáng)穩(wěn)定等溫、逆溫，強(qiáng)穩(wěn)定 與與 d的比較的比較帕斯奎爾（ Pasquill ）在1961年首先提出應(yīng)用觀測(cè)到的風(fēng)速、云量和日照等天氣資料，將大氣穩(wěn)定度分為6個(gè)等級(jí)：A 極不穩(wěn)定，極不穩(wěn)定，B 不穩(wěn)定，不穩(wěn)定，C 弱不穩(wěn)定，弱不穩(wěn)定，D 中性，中性， E 弱穩(wěn)定，弱穩(wěn)定，F(xiàn) 穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定度分級(jí)穩(wěn)定度分級(jí) 中性或不穩(wěn)

22、定時(shí)，由于動(dòng)力或熱力湍流的作用，邊中性或不穩(wěn)定時(shí)，由于動(dòng)力或熱力湍流的作用，邊界層內(nèi)上下層之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)量或熱量交換。通界層內(nèi)上下層之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)量或熱量交換。通常把出現(xiàn)這一現(xiàn)象的層稱為常把出現(xiàn)這一現(xiàn)象的層稱為混合層混合層。 混合層高度之上，垂直混合作用可忽略不計(jì)。因此，混合層高度之上，垂直混合作用可忽略不計(jì)。因此，混合層高度決定了大氣污染物擴(kuò)散的上限混合層高度決定了大氣污染物擴(kuò)散的上限。早晨混合層高早晨混合層高度較小，白天度較小，白天不斷增加。夏不斷增加。夏天大于冬季天大于冬季(101頁(yè)表頁(yè)表5.1)。氣象上，把空氣的水平運(yùn)動(dòng)叫做風(fēng)；空氣的垂直運(yùn)動(dòng)氣象上，把空氣的水平運(yùn)動(dòng)叫做風(fēng)；空氣的垂

23、直運(yùn)動(dòng)稱作升、降氣流。風(fēng)是一個(gè)矢量，即有大小，又有方稱作升、降氣流。風(fēng)是一個(gè)矢量，即有大小，又有方向，用風(fēng)速和風(fēng)向描述。向，用風(fēng)速和風(fēng)向描述。1、Wind Speedn單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上運(yùn)動(dòng)距離。單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上運(yùn)動(dòng)距離。 用用m/s，Km/s或風(fēng)力級(jí)數(shù)（012級(jí)）表示。302. 3Fu (km/h) F風(fēng)力級(jí)(012級(jí))平均風(fēng)速隨高度變化平均風(fēng)速隨高度變化: 對(duì)流層絕大部分情況下，風(fēng)隨高度的增大而增大。風(fēng)速隨高度變化的曲線叫風(fēng)速廓線風(fēng)速廓線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式叫風(fēng)速廓線模式。在近地層下的兩個(gè)表達(dá)式分別為：中性層結(jié)情況中性層結(jié)情況U*-摩擦速度，摩擦速度，k卡門常數(shù)卡門常數(shù)0.35

24、-0.4，z0-地面粗糙度地面粗糙度*0lnuZukZ(對(duì)數(shù)律對(duì)數(shù)律風(fēng)速廓線模式風(fēng)速廓線模式)非中性層結(jié)情況非中性層結(jié)情況11()pZuuZ(指數(shù)律指數(shù)律風(fēng)速廓線模式風(fēng)速廓線模式)風(fēng)向指風(fēng)的來(lái)向，比如風(fēng)向指風(fēng)的來(lái)向，比如風(fēng)從南方吹來(lái)叫為南風(fēng)。風(fēng)從南方吹來(lái)叫為南風(fēng)。可用8個(gè)方位或16方位表示；也可用角度表示(高空風(fēng)):以北為零點(diǎn)，沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)正北為360(或0) ;正東90;正南180;正西270。風(fēng)玫瑰圖：氣象風(fēng)玫瑰圖：氣象部門為總結(jié)某一部門為總結(jié)某一地區(qū)各種風(fēng)速和地區(qū)各種風(fēng)速和風(fēng)向出現(xiàn)的頻率風(fēng)向出現(xiàn)的頻率而繪制的圖表。而繪制的圖表。海陸風(fēng)海陸風(fēng) ：陸地和海洋差異產(chǎn)生的熱力效應(yīng)，日變化。陸

25、地?zé)崛萘亢Ｋ?，地溫升、降快?海風(fēng)海風(fēng)：白天，陸地氣溫海洋，陸地空氣上升，低層氣壓海上。白天，陸地氣溫海洋，陸地空氣上升，低層氣壓海上。下層空氣從海面下層空氣從海面陸地，高層空間由陸地陸地，高層空間由陸地海洋，形成閉合環(huán)流；海洋，形成閉合環(huán)流；陸風(fēng)陸風(fēng)：夜間，陸地氣溫海洋，海洋空氣上升，低層氣壓陸地。下夜間，陸地氣溫海洋，海洋空氣上升，低層氣壓陸地。下層空氣從陸地層空氣從陸地海洋，高層空間由海洋海洋，高層空間由海洋陸地，形成閉合環(huán)流。陸地，形成閉合環(huán)流。山谷風(fēng)山谷風(fēng) : 山區(qū)地理差異產(chǎn)生熱力作用，日變化。谷風(fēng)谷風(fēng)：白天，山坡吸熱強(qiáng)，氣溫高，空氣上升，從谷底沿山坡向上流動(dòng)。谷底上空氣流下降，形成

26、熱力循環(huán)。（陰風(fēng)）山風(fēng)山風(fēng)：夜間，山坡冷卻快，氣溫低，空氣密度大，沿山坡向谷底流動(dòng)1、定義：在邊界層中，由于氣象和地形等條件的影響，、定義：在邊界層中，由于氣象和地形等條件的影響，出現(xiàn)的氣溫隨高度的增加而增加的現(xiàn)象，稱為逆溫。出現(xiàn)的氣溫隨高度的增加而增加的現(xiàn)象，稱為逆溫。n逆溫出現(xiàn)時(shí)，大氣是非常穩(wěn)定的，阻礙因浮力產(chǎn)生的垂直運(yùn)動(dòng)，逆溫出現(xiàn)時(shí)，大氣是非常穩(wěn)定的，阻礙因浮力產(chǎn)生的垂直運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還削弱了近地面空氣層和上層空氣的能量交換，因此，逆同時(shí)還削弱了近地面空氣層和上層空氣的能量交換，因此，逆溫不利于污染物的擴(kuò)散，可能造成嚴(yán)重的大氣污染。溫不利于污染物的擴(kuò)散，可能造成嚴(yán)重的大氣污染。2. 逆溫的形

27、成原因主要有逆溫的形成原因主要有4種種 自下而上冷卻空氣；自下而上冷卻空氣； 自上而下加熱空氣；自上而下加熱空氣；驅(qū)動(dòng)一個(gè)暖空氣層到冷空氣層之上；驅(qū)動(dòng)一個(gè)暖空氣層到冷空氣層之上；驅(qū)動(dòng)一個(gè)冷空氣層到暖空氣層之下；驅(qū)動(dòng)一個(gè)冷空氣層到暖空氣層之下； u什么是輻射：什么是輻射： 自然界中的一切物體都以電磁波的形式時(shí)刻不停的向外傳遞能量，自然界中的一切物體都以電磁波的形式時(shí)刻不停的向外傳遞能量，這種傳遞能量的方式稱為輻射，以輻射的方式向四周輸送的能量這種傳遞能量的方式稱為輻射，以輻射的方式向四周輸送的能量稱輻射能，有時(shí)簡(jiǎn)稱輻射。稱輻射能，有時(shí)簡(jiǎn)稱輻射。 太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射：太陽(yáng)輻射能波長(zhǎng)范圍：太陽(yáng)輻射能波

28、長(zhǎng)范圍：0.154 mn大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的三種作用大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的三種作用 吸收吸收; 散射散射;反射反射n大氣吸收大氣吸收14%，散射和反射，散射和反射43%，到達(dá)地面的約，到達(dá)地面的約為為43%。大氣溫度由大氣溫度由太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射和和地面輻射地面輻射的共同作用來(lái)決定的共同作用來(lái)決定太陽(yáng)太陽(yáng) 地球地球 ：短波：短波 地球地球 大氣層：長(zhǎng)波大氣層：長(zhǎng)波 大氣吸收長(zhǎng)波強(qiáng)大氣吸收長(zhǎng)波強(qiáng) 所以，大氣邊界層內(nèi)，空氣溫度的變化主要受長(zhǎng)波輻射所以，大氣邊界層內(nèi)，空氣溫度的變化主要受長(zhǎng)波輻射的影響；導(dǎo)致近地層溫度與地面溫度變化一致的影響；導(dǎo)致近地層溫度與地面溫度變化一致地面輻射地面輻射u輻 射 逆 溫輻 射

29、 逆 溫的形成：的形成：多在高空大氣中，高壓控制區(qū)內(nèi)多在高空大氣中，高壓控制區(qū)內(nèi), ,也叫高空逆溫也叫高空逆溫（Elevated inversionElevated inversion）定義：定義： ( ( ) ) ( ) 冷、暖氣團(tuán)相遇冷、暖氣團(tuán)相遇冷暖間逆溫冷暖間逆溫 暖氣上爬，形成鋒面暖氣上爬，形成鋒面熏煙過(guò)程熏煙過(guò)程：夜間輻射逆溫在日出后，受太陽(yáng)輻射，使逆溫夜間輻射逆溫在日出后，受太陽(yáng)輻射，使逆溫自下而上消失，轉(zhuǎn)變?yōu)橹行曰虿环€(wěn)定層結(jié)，消失到煙羽下界自下而上消失，轉(zhuǎn)變?yōu)橹行曰虿环€(wěn)定層結(jié)，消失到煙羽下界時(shí)，上部仍為逆溫，擴(kuò)散只能向下進(jìn)行，致使出現(xiàn)地面高濃時(shí)，上部仍為逆溫，擴(kuò)散只能向下進(jìn)行，

30、致使出現(xiàn)地面高濃度度.隨著逆溫自下而上逐漸消退而發(fā)展至煙流上界時(shí)達(dá)高潮隨著逆溫自下而上逐漸消退而發(fā)展至煙流上界時(shí)達(dá)高潮.此后此后,煙流完全處于不穩(wěn)定層結(jié)氣層中，峰值濃度逐漸減退煙流完全處于不穩(wěn)定層結(jié)氣層中，峰值濃度逐漸減退,熏煙過(guò)程結(jié)束。持續(xù)數(shù)十分鐘，與逆溫層消散時(shí)間吻合。熏煙過(guò)程結(jié)束。持續(xù)數(shù)十分鐘，與逆溫層消散時(shí)間吻合。熏煙過(guò)程特點(diǎn)熏煙過(guò)程特點(diǎn)夜間以地面為底整層處于逆溫狀態(tài)夜間以地面為底整層處于逆溫狀態(tài)； 日出后日出后, ,逆溫層由地面向上被破壞；逆溫層由地面向上被破壞；破壞消散達(dá)煙流上緣時(shí)破壞消散達(dá)煙流上緣時(shí),上方仍為逆溫層上方仍為逆溫層,下部則已由逆溫變下部則已由逆溫變成遞減的不穩(wěn)定狀態(tài)

31、成遞減的不穩(wěn)定狀態(tài),煙流混合向地面形成短時(shí)間的熏蒸煙流混合向地面形成短時(shí)間的熏蒸.滯留現(xiàn)象滯留現(xiàn)象：在美國(guó)東部地區(qū)在美國(guó)東部地區(qū), 來(lái)自墨西哥灣的暖濕氣團(tuán)來(lái)自墨西哥灣的暖濕氣團(tuán)和加拿大的干冷氣團(tuán)周期性交替。秋天，這些氣團(tuán)在和加拿大的干冷氣團(tuán)周期性交替。秋天，這些氣團(tuán)在某一地區(qū)可能停留某一地區(qū)可能停留4d甚至更長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)這種情況出現(xiàn)甚至更長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，污染物濃度常常會(huì)升高到有害值，稱之為滯留。時(shí)，污染物濃度常常會(huì)升高到有害值，稱之為滯留。1. 風(fēng)對(duì)大氣污染物擴(kuò)散和輸送的影響風(fēng)對(duì)大氣污染物擴(kuò)散和輸送的影響 風(fēng)對(duì)污染物的作用體現(xiàn)為風(fēng)對(duì)污染物的作用體現(xiàn)為風(fēng)向風(fēng)向和和風(fēng)速風(fēng)速兩方面的影響兩方

32、面的影響。 1)風(fēng)向影響污染物的水平遷移擴(kuò)散方向。風(fēng)向影響污染物的水平遷移擴(kuò)散方向。 2)風(fēng)速的大小決定了大氣擴(kuò)散稀釋作用的強(qiáng)弱。風(fēng)速的大小決定了大氣擴(kuò)散稀釋作用的強(qiáng)弱。 某城市某城市SO2濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)：u23，SO2；u23，SO2基本不變，風(fēng)速擴(kuò)散影響甚微。湍流是一種不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。其特征是運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間和空湍流是一種不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。其特征是運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間和空間間隨機(jī)變化隨機(jī)變化，但它們的但它們的統(tǒng)計(jì)平均值統(tǒng)計(jì)平均值仍然遵循一定的仍然遵循一定的規(guī)規(guī)律律 b研究湍流時(shí)，把它作為一種疊加在平均運(yùn)動(dòng)之上的脈動(dòng)變研究湍流時(shí)，把它作為一種疊加在平均運(yùn)動(dòng)之上的脈動(dòng)變化，它由一系列不規(guī)則的渦旋組成化，它

33、由一系列不規(guī)則的渦旋組成-湍渦湍渦。大氣湍流大氣湍流 低層大氣中的風(fēng)向是不斷地變化，上下左右出現(xiàn)擺動(dòng)；同時(shí)，風(fēng)速也是時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，形成迅速的陣風(fēng)起伏。風(fēng)的這種強(qiáng)度與方向隨時(shí)間不規(guī)則的變化形成的空氣運(yùn)動(dòng)稱為大氣湍流。 機(jī)械湍流機(jī)械湍流地面摩擦力使風(fēng)在垂直方向產(chǎn)生速度梯度，地面障礙物使風(fēng)向與風(fēng)速突然改變。 熱力湍流熱力湍流地表受熱不均勻、大氣溫度層結(jié)不穩(wěn)定，在垂直方向產(chǎn)生溫度梯度而造成的。沒(méi)有湍流運(yùn)動(dòng)，污染物的擴(kuò)散就成了問(wèn)題沒(méi)有湍流運(yùn)動(dòng)，污染物的擴(kuò)散就成了問(wèn)題。這是因?yàn)槲廴疚飭慰糠肿訑U(kuò)散，擴(kuò)散速度很??；事實(shí)上大氣存在強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)，依靠湍流擴(kuò)散，使煙團(tuán)與空氣之間強(qiáng)烈混合和交換，大大加快了擴(kuò)散速度。湍流

34、擴(kuò)散比分子擴(kuò)散的速率快幾十萬(wàn)倍。若只有風(fēng)無(wú)湍流，從煙囪中排出的廢氣像一條“煙管”一樣幾乎保持著同樣粗細(xì)，吹向下方。 波浪型（不穩(wěn)）波浪型（不穩(wěn)）錐型（中性錐型（中性or弱穩(wěn)）弱穩(wěn)）扇型（逆溫）扇型（逆溫）爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）漫煙型（上逆、下不穩(wěn)）漫煙型（上逆、下不穩(wěn)） 大氣穩(wěn)定度對(duì)煙流擴(kuò)散有很大氣穩(wěn)定度對(duì)煙流擴(kuò)散有很大的影響，不同穩(wěn)定度導(dǎo)致從煙大的影響，不同穩(wěn)定度導(dǎo)致從煙囪排出的煙羽形狀不同。下面是囪排出的煙羽形狀不同。下面是與穩(wěn)定度有關(guān)的五種典型煙流與穩(wěn)定度有關(guān)的五種典型煙流云云：大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云。大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云。云吸收或反射太陽(yáng)的輻射，它的存在

35、會(huì)減少到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射，同時(shí)又加強(qiáng)大氣逆輻射，減小地面的有效輻射，因此云層的存在可以減小氣溫隨高度的變化。低云（低云（2000米以下米以下）高云（高云（6000m以上）以上）中云（中云（2000-6000m）降水降水：大氣中降落至地面的液態(tài)或固態(tài)水的通稱。如雨、雪等。大氣中降落至地面的液態(tài)或固態(tài)水的通稱。如雨、雪等。 降水是清除大氣污染物的重要機(jī)制之一降水是清除大氣污染物的重要機(jī)制之一。這是因?yàn)橛行┪圻@是因?yàn)橛行┪廴練怏w能溶解在水中或與水起化學(xué)反應(yīng)染氣體能溶解在水中或與水起化學(xué)反應(yīng), 而顆粒物與雨滴碰撞可而顆粒物與雨滴碰撞可附者在雨滴上并降到地面。附者在雨滴上并降到地面。 降水量降水量:

36、表示降水的多少表示降水的多少(平鋪在地面上平鋪在地面上,可以積多厚可以積多厚)b霧霧：懸浮在大氣近地層的小水滴或小冰晶，它像蓋子覆蓋懸浮在大氣近地層的小水滴或小冰晶，它像蓋子覆蓋在大地上，使空氣污染狀況加劇在大地上，使空氣污染狀況加劇。這是由于霧是在近地層。這是由于霧是在近地層非常穩(wěn)定條件下產(chǎn)生的。非常穩(wěn)定條件下產(chǎn)生的。例例1 一登山運(yùn)動(dòng)員在山腳處測(cè)得氣壓為一登山運(yùn)動(dòng)員在山腳處測(cè)得氣壓為100 kPa，登山到，登山到達(dá)某高度后又測(cè)得氣壓為達(dá)某高度后又測(cè)得氣壓為50 kPa，假設(shè)山腳下氣溫為，假設(shè)山腳下氣溫為10，整個(gè)過(guò)程氣溫變化可忽略。試問(wèn)登山運(yùn)動(dòng)員從山，整個(gè)過(guò)程氣溫變化可忽略。試問(wèn)登山運(yùn)動(dòng)員從山腳向上爬了多少米？腳向上爬了多少米？dpgMpdpgMgordzdzRTpRT 解：解：大氣中氣壓隨高度的變化可用下式描述大氣中氣壓隨高度的變化可用下式描述：由題假設(shè)，氣溫的變化可以忽略。所以對(duì)上式進(jìn)行積分得由題假設(shè)，氣溫的變化可以忽略。所以對(duì)上式進(jìn)行積分得 lngMPZCRT 2211ln()PgMZZPRT 即 22118.314 28350()lnln5.79.8 0.029100PRTZZkm