大氣污染氣象學(xué)

大氣污染氣象學(xué)第1頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.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(jì)算每小時(shí)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(shí)沉積量200×（500×15×60×10－6）×0.12μg=10.8μg第2頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二章污染氣象學(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(guò)程(重點(diǎn)、難點(diǎn))3.大氣的水平運(yùn)動(dòng)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3頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣擴(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(duì)污物的稀釋、擴(kuò)散作用污染物對(duì)氣象的影響

受體大氣擴(kuò)散源第4頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(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(duì)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5頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、大氣層結(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0.65℃強(qiáng)烈對(duì)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(dòng)。對(duì)流層較薄，厚度隨緯度增設(shè)而降低大氣邊界層——對(duì)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(dòng)量的交換甚微，溫差大。第6頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、大氣層結(jié)構(gòu)平流層（對(duì)流層頂?shù)?0~60km）同溫層——對(duì)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(méi)有對(duì)流運(yùn)動(dòng)，污染物停留時(shí)間很長(zhǎng)。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7頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、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8頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、氣象要素1．氣溫天氣預(yù)報(bào)中：1.5m高、百葉箱內(nèi)氣溫。第9頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、氣象要素2．氣壓?jiǎn)挝唬簃b（毫巴）大氣的壓強(qiáng)1atm＝101325Pa＝1013.26mb=760mmHg

靜力學(xué)方程:

第10頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、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(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)露點(diǎn)第11頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、氣象要素

4．風(fēng)向和風(fēng)速水平方向的空氣運(yùn)動(dòng)叫做風(fēng)風(fēng)的來(lái)向叫風(fēng)向（16個(gè)方位圓周等分）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（2min或10min平均）

(m/s)F－風(fēng)力級(jí)（0～12級(jí)）

第12頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、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13頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、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(guó)10分，國(guó)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(wú)定形）第14頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一云

高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）第15頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、主要?dú)庀笠?．能見(jiàn)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16頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)大氣的熱力過(guò)程與豎向運(yùn)動(dòng)一、低層大氣的加熱與冷卻太陽(yáng)以紫外線、可見(jiàn)光、紅外線的形式輻射熱量太陽(yáng)輻射加熱地球表面地面長(zhǎng)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17頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一太陽(yáng)輻射地表低層大氣紫外線可見(jiàn)光紅外線高層大氣以長(zhǎng)波形式以長(zhǎng)波形式地表溫度的周期性變化會(huì)引起低層大氣溫度的周期性變化第18頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、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(duì)它做功）T內(nèi)能（由壓力變化引起）一般滿足大氣絕熱過(guò)程，認(rèn)為系統(tǒng)與周圍環(huán)境無(wú)熱交換可以將沒(méi)有水相變化的空氣塊的垂直運(yùn)動(dòng)看作絕熱過(guò)程第19頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.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(guò)程的微分方程由于是絕熱過(guò)程第20頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.干絕熱遞減率干空氣絕熱上升或下降單位高度時(shí)，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21頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.干絕熱遞減率第22頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.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23頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一干絕熱氣團(tuán)包括是未飽和狀態(tài)，但不會(huì)發(fā)生狀態(tài)的變化

濕空氣團(tuán)作絕熱升降時(shí)情況較復(fù)雜，在升降過(guò)程中若無(wú)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24頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、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25頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.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(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，中性不穩(wěn)定條件下有利于擴(kuò)散第26頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.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27頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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28頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.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29頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、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(yáng)

地球

：短波

地球

大氣層：長(zhǎng)波

大氣吸收長(zhǎng)波第30頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、逆溫輻射逆溫的生消過(guò)程第31頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、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32頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、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(guò)渡層逆溫

第33頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、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34頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一煙流型與大氣穩(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35頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一作業(yè)證明：第36頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)大氣的水平運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)：方向改變）慣性離心力（大氣曲線運(yùn)動(dòng)：很?。┠Σ亮Γń?～2km內(nèi)明顯）

第37頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一近地層風(fēng)速廓線模式平均風(fēng)速隨高度變化中性層結(jié)：對(duì)數(shù)律，粗糙度和摩擦速度第38頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一近地層風(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39頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)局地氣象特征1．城市熱島環(huán)流第40頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)局地氣象特征2．山谷風(fēng)第41頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)局地氣象特征3．海陸風(fēng)第42頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第五節(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43頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一坐標(biāo)系第44頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、無(wú)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(gè)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(gè)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(jì)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(shí)間物料守恒）第45頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一同理有通過(guò)計(jì)算得到所以有第46頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一所以有所以得到要記住噢!得到高斯模式第47頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一：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(wèn)題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，mg/s：平均風(fēng)速，m/s第48頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一煙流的形態(tài)第49頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、高架點(diǎn)源擴(kuò)散模式難點(diǎn)第50頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一鏡像全反射---->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51頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、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52頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、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(wú)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53頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一q

源強(qiáng)計(jì)算或?qū)崪y(cè)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(jì)算

初始動(dòng)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54頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一煙氣抬升高度的計(jì)算抬升高度計(jì)算式

（1）Holland公式：適用于中性大氣條件（穩(wěn)定時(shí)減少、不穩(wěn)時(shí)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55頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一煙氣抬升高度的計(jì)算抬升高度計(jì)算式（2）布里格斯（Briggs）公式：適用不穩(wěn)定及中性大氣條件

第56頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一煙氣抬升高度的計(jì)算國(guó)標(biāo)法第57頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例：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58頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、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(shuō)明見(jiàn)P33a~f第59頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一擴(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(jí)別第60頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一擴(kuò)散參數(shù)的確定——國(guó)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(yáng)高度角

（地理緯度，傾角）

輻射等級(jí)穩(wěn)定度云量