大氣污染氣象學(xué)

大氣污染氣象學(xué)第一頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.成人每次吸入的空氣量平均為500cm3，假若每分鐘呼吸15次，空氣中顆粒物的濃度為200μg/m3，試計算每小時沉積于肺泡內(nèi)的顆粒物質(zhì)量。已知該顆粒物在肺泡中的沉降系數(shù)為0.12。解：每小時沉積量200×（500×15×60×10－6）×0.12μg=10.8μg第二頁，共六十七頁，2022年，8月28日第二章污染氣象學(xué)原理與大氣擴(kuò)散1.大氣層及氣象要素2.大氣的熱力過程(重點(diǎn)、難點(diǎn))3.大氣的水平運(yùn)動4.局地氣象特征5.大氣擴(kuò)散模式(重點(diǎn)、難點(diǎn))6.污染物濃度估算(重點(diǎn)、難點(diǎn))第三頁，共六十七頁，2022年，8月28日大氣擴(kuò)散酸雨越境轉(zhuǎn)移（日本、南北朝鮮……）大氣科學(xué)大氣物理、化學(xué)……大氣氣象學(xué)污染氣象學(xué)……氣象條件對污物的稀釋、擴(kuò)散作用污染物對氣象的影響

受體大氣擴(kuò)散源第四頁，共六十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)大氣層及氣象要素大氣層的結(jié)構(gòu)。大氣層可以分為對流層（最貼近地面、密度最大的一層）、平流層（較高的、氣體組成相同但密度較小的氣層）以及電離層（由已電離的氣體組成）第五頁，共六十七頁，2022年，8月28日一、大氣層結(jié)構(gòu)對流層（～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0.65℃強(qiáng)烈對流作用溫度和濕度的水平分布不均，導(dǎo)致大氣的水平運(yùn)動。對流層較薄，厚度隨緯度增設(shè)而降低大氣邊界層——對流層下層1～2km，地面阻滯和摩擦作用明顯自由大氣——大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略近地層——地面上50～100m，熱量和動量的交換甚微，溫差大。第六頁，共六十七頁，2022年，8月28日一、大氣層結(jié)構(gòu)平流層（對流層頂?shù)?0~60km）同溫層——對流層頂35~40km，氣溫-55℃左右。同溫層以上，氣溫隨高度增加而增加，逆溫層。集中了大部分臭氧，在20~25km形成臭氧層。沒有對流運(yùn)動，污染物停留時間很長。中間層（平流層頂～85km）氣溫隨高度升高而迅速降低對流運(yùn)動強(qiáng)烈第七頁，共六十七頁，2022年，8月28日一、大氣層結(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，成分基本不變第八頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、氣象要素1．氣溫天氣預(yù)報中：1.5m高、百葉箱內(nèi)氣溫。第九頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、氣象要素2．氣壓單位：mb（毫巴）大氣的壓強(qiáng)1atm＝101325Pa＝1013.26mb=760mmHg

靜力學(xué)方程:

第十頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、氣象要素3．氣濕空氣的濕度，表示空氣中水汽含量的多少。表示方法有絕對濕度水汽壓飽和水汽壓相對濕度含濕量水汽體積分?jǐn)?shù)露點(diǎn)第十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、氣象要素

4．風(fēng)向和風(fēng)速水平方向的空氣運(yùn)動叫做風(fēng)風(fēng)的來向叫風(fēng)向（16個方位圓周等分）風(fēng)速：單位時間內(nèi)空氣在水平方向上運(yùn)動距離（2min或10min平均）

(m/s)F－風(fēng)力級（0～12級）

第十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、氣象要素

4．風(fēng)向和風(fēng)速風(fēng)玫瑰圖

風(fēng)速,m/s某地區(qū)1988年的風(fēng)玫瑰圖。同心圓表示風(fēng)的頻率，例如，吹南風(fēng)的頻率約為11％，其中風(fēng)速大于10.82m/s的頻率約為1％，風(fēng)速在3.35～5.41m/s的頻率為3.5左右。第十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、氣象要素5．云狀和云量大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云云量: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）(黑色)

中云（2500～5000m）(由冰晶及小水滴構(gòu)成，白色或灰白)

高云（5000m以上）(由冰晶構(gòu)成，白色)

云狀:卷云（線）,積云（塊）,層云（面),雨層云(無定形）第十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日云

高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）第十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、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別（0~9級，相應(yīng)距離為50～50000米）

第十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)大氣的熱力過程與豎向運(yùn)動一、低層大氣的加熱與冷卻太陽以紫外線、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(75%~95%)近地層大氣溫度隨地表溫度而變化第十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日太陽輻射地表低層大氣紫外線可見光紅外線高層大氣以長波形式以長波形式地表溫度的周期性變化會引起低層大氣溫度的周期性變化第十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、氣溫的絕熱變化1泊松方程空氣塊膨脹（做功）耗內(nèi)能T定性空氣塊壓縮（外氣對它做功）T內(nèi)能（由壓力變化引起）一般滿足大氣絕熱過程，認(rèn)為系統(tǒng)與周圍環(huán)境無熱交換可以將沒有水相變化的空氣塊的垂直運(yùn)動看作絕熱過程第十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日1.泊松方程根據(jù)熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，可有大氣熱力過程的微分方程由于是絕熱過程第二十頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.干絕熱遞減率干空氣絕熱上升或下降單位高度時，溫度降低或升高的數(shù)值——干絕熱直減率

（空氣團(tuán)）

包括未飽和的濕空氣第二十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.干絕熱遞減率第二十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.干絕熱遞減率代入上式得：實(shí)際中，Ti、T相差<10K，則由定義：第二十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日干絕熱氣團(tuán)包括是未飽和狀態(tài)，但不會發(fā)生狀態(tài)的變化

濕空氣團(tuán)作絕熱升降時情況較復(fù)雜，在升降過程中若無相變化，其溫度直減率和干絕熱直減率一樣，每升降100米溫度變化1℃，若有相變化，每升高100米，溫度變化小于1℃。第二十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日三、大氣豎向溫度分布與靜力穩(wěn)定度

1.大氣豎向溫度分布－溫度層結(jié)氣溫直減率第二十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.大氣靜力穩(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，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，中性不穩(wěn)定條件下有利于擴(kuò)散第二十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.大氣靜力穩(wěn)定度及其判據(jù)定量判斷重點(diǎn)氣塊受到浮力和重力作用第二十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日

則有判據(jù)：

2.大氣靜力穩(wěn)定度及其判據(jù)假設(shè)起始溫度相同第二十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日2.大氣靜力穩(wěn)定度及其判據(jù)24℃氣塊25℃26℃300m高度200m100m環(huán)境穩(wěn)定24℃25℃26℃中性不穩(wěn)定γ＝1.2γ＝0.824.2℃25℃25.8℃23.8℃25℃26.2℃γ＝1第二十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日四、逆溫逆溫不利于擴(kuò)散輻射：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。地面冷卻快，較高氣層冷卻慢。太陽

地球

：短波

地球

大氣層：長波

大氣吸收長波第三十頁，共六十七頁，2022年，8月28日四、逆溫輻射逆溫的生消過程第三十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日四、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3500m-12℃3000m-10℃1700m6℃1500m5℃第三十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日四、逆溫3.平流逆溫暖空氣平流到冷地面上，而形成。(在盆地多發(fā))4.湍流逆溫下層湍流混合達(dá)上層出現(xiàn)過渡層逆溫

第三十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日四、逆溫5.鋒面逆溫冷、暖氣團(tuán)相遇冷暖間逆溫

暖氣上爬，形成鋒面第三十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日煙流型與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系波浪型（不穩(wěn)）(γ>γd)錐型（中性or弱穩(wěn)）(γ=γd)扇型（逆溫）(γ<γd)爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）漫煙型（上逆、下不穩(wěn)）第三十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日作業(yè)證明：第三十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)大氣的水平運(yùn)動一、水平方向的作用力

直接作用力

重力水平氣壓梯度力（垂直上與重力基本平衡）間接作用力地轉(zhuǎn)偏向力（相對運(yùn)動：方向改變）慣性離心力（大氣曲線運(yùn)動：很小）摩擦力（近地1～2km內(nèi)明顯）

第三十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日近地層風(fēng)速廓線模式平均風(fēng)速隨高度變化中性層結(jié)：對數(shù)律，粗糙度和摩擦速度第三十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日近地層風(fēng)速廓線模式平均風(fēng)速隨高度變化非中性層結(jié)：指數(shù)律，穩(wěn)定度參數(shù)第三十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)局地氣象特征1．城市熱島環(huán)流第四十頁，共六十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)局地氣象特征2．山谷風(fēng)第四十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)局地氣象特征3．海陸風(fēng)第四十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日第五節(jié)大氣擴(kuò)散模式有關(guān)假定坐標(biāo)系

右手坐標(biāo)系，x軸正向?yàn)槠骄L(fēng)向，y軸在水平面內(nèi)垂直于x軸，z軸為垂直于水平面。四點(diǎn)假設(shè)a．污染物濃度在y、z風(fēng)向上分布為正態(tài)分布b．全部高度風(fēng)速均勻穩(wěn)定c．源強(qiáng)是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d．?dāng)U散中污染物是守恒的（不考慮轉(zhuǎn)化）

重點(diǎn)第四十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日坐標(biāo)系第四十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日一、無限空間點(diǎn)源擴(kuò)散模式未知數(shù)：濃度c,待定函數(shù)A(x)，待定系數(shù)a,b積分，可以解出四個未知數(shù)：得到高斯模式未知數(shù)：濃度待定函數(shù)A(x)，待定系數(shù)a,b積分，可以解出四個未知數(shù)：得到高斯模式由正態(tài)分布假定，得下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布由統(tǒng)計理論得到，方差的表達(dá)式由假定d可寫出源強(qiáng)積分式（單位時間物料守恒）第四十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日同理有通過計算得到所以有第四十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日所以有所以得到要記住噢!得到高斯模式第四十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日：污染物在y方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離x的函數(shù)，m：污染物在z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離x的函數(shù)，mq：源強(qiáng)是指污染物排放速率。與空氣中污染物質(zhì)的濃度成正比，它是研究空氣污染問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，mg/s：平均風(fēng)速，m/s第四十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日煙流的形態(tài)第四十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、高架點(diǎn)源擴(kuò)散模式難點(diǎn)第五十頁，共六十七頁，2022年，8月28日鏡像全反射---->像源法實(shí)源：像源：實(shí)源的貢獻(xiàn)像源的貢獻(xiàn)實(shí)際濃度第五十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日三、地面點(diǎn)源擴(kuò)散模式地面濃度模式：取z＝0代入上式，得地面濃度模式：取z＝0代入上式，得地面軸線濃度模式：再取y=0代入上式地面軸線濃度模式：再取yyszs上式，x增大，則、增大，第一項(xiàng)減小，第二項(xiàng)增大，必然在某x處有最大值地面最大濃度模式：考慮地面軸線濃度模式第五十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日三、地面點(diǎn)源擴(kuò)散模式y(tǒng)zconstss=地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)（實(shí)際中成立）由此求得yzconstss=地面最大濃度模式（續(xù)）：設(shè)（實(shí)際中成立）由此求得相當(dāng)于無界源的2倍（鏡像垂直于地面，源強(qiáng)加倍）地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式第五十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日q

源強(qiáng)計算或?qū)崪y平均風(fēng)速多年的風(fēng)速資料H

有效煙囪高度、擴(kuò)散參數(shù)第六節(jié)污染物濃度的估算一、煙流高度計算

初始動量：速度、內(nèi)徑煙溫度－>浮力平均風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等煙氣抬升第五十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（1）Holland公式：適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時減少、不穩(wěn)時增加10％～20％）

Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強(qiáng)的情況下第五十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（2）布里格斯（Briggs）公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

第五十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日煙氣抬升高度的計算國標(biāo)法第五十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日例：某城市火電廠的煙囪高100m，出口直徑5m。出口煙氣流速為12.7m/s，溫度為140℃，流量250m3/s。煙囪出口處平均風(fēng)速為4m/s，大氣溫度為20℃，當(dāng)?shù)貧鈮簽?78.4hPa，試確定煙氣抬升高度和有效源高。解：煙氣熱釋放率：第五十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日二、擴(kuò)散參數(shù)的確定P－G曲線法P－G曲線Pasquill僅需常規(guī)氣象資料估算σy和σzGifford制成圖表幾點(diǎn)說明見P33a~f第五十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日擴(kuò)散參數(shù)的確定－P－G曲線法P－G曲線的應(yīng)用根據(jù)常規(guī)資料確定穩(wěn)定度級別第六十頁，共六十七頁，2022年，8月28日擴(kuò)散參數(shù)的確定——國標(biāo)中規(guī)定的方法穩(wěn)定度分類方法改進(jìn)的P－T法太陽高度角

（地理緯度，傾角）

輻射等級穩(wěn)定度云量（