第三章-大氣污染氣象學(xué)資料教學(xué)課件

第三章大氣污染氣象學(xué)

Airpollutionmeteorology

從污染源排到大氣中的污染物的傳輸和擴散過程，與污染源本身特性、氣象條件、地面特征和周圍地區(qū)建筑物分布等因素有密切關(guān)系。特別是與氣象條件的關(guān)系更為密切，隨著風(fēng)向、風(fēng)速、大氣湍流運動、氣溫垂直分布及大氣穩(wěn)定度等氣象因素的變化，污染物在大氣中的擴散稀釋情況千差萬別，所造成的污染程度有很大不同。因此，為了有效地控制大氣污染，除應(yīng)采取各種綜合防治措施外，還應(yīng)充分利用大氣對污染物的擴散和稀釋能力。大氣擴散源受體大氣擴散酸雨越境轉(zhuǎn)移（日本、南朝鮮……）

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、擴散作用污染物對氣象的影響

第一節(jié)大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素

structureofatmosphereandmeteorologicalelements

一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)Verticalstructureofatmosphere

大氣圈指地面到大約1400km高度處的大氣層。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等。

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,可將大氣圈分為五層：對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。大氣圈垂直結(jié)構(gòu)Ozonelayer大氣圈垂直結(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0.650C強烈對流作用溫度和濕度的水平分布不均大氣邊界層－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，熱量和動量的常通量層大氣圈垂直結(jié)構(gòu)平流層（對流層頂～50-55km）同溫層－對流層頂35-40km，氣溫-550C左右同溫層以上，氣溫隨高度增加而增加集中了大部分臭氧沒有對流運動，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動強烈大氣圈垂直結(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，成分基本不變二、主要氣象要素

main

meteorologicalelements

表示大氣狀態(tài)的物理量和物理現(xiàn)象，稱為氣象要素。氣象要素主要有：氣溫、氣壓、氣濕、風(fēng)向、風(fēng)速、云況、能見度等。

1、氣溫----地面氣溫:指距地面1.5m高處的百葉箱中的空氣溫度。用攝氏溫度℃，或用熱力學(xué)溫度K。

2、氣壓----氣壓單位用帕（Pa），1Pa=1N/m2。氣象上采用百帕（hPa）作單位，1hPa＝100Pa。國際上規(guī)定：溫度0℃、緯度450海平面上的氣壓為一個標準大氣壓，即

1個標準大氣壓P0=101325Pa＝1013.25hPa3、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濕度、水汽壓、飽和水汽壓、相對濕度、含濕量、水汽體積分數(shù)及露點等。

(1)絕對濕度：在lm3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量（kg），稱為濕空氣的絕對濕度。由理想氣體狀態(tài)方程可得到：

式中：ρw——空氣的絕對濕度kg/m3(濕空氣)

Pw——水汽分壓,Pa

Rw——水汽的氣體常數(shù)Rw=461.4J/(kg﹒K)

T——空氣溫度,K。(2)相對濕度：

空氣的絕對濕度ρw與同溫度下飽和空氣的絕對濕度ρv之百分比，稱為空氣的相對濕度。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pv之百分比，即

式中：φ

——空氣的相對濕度

ρw——空氣的絕對濕度

ρv——飽和空氣的絕對濕度

pv——飽和空氣的水汽分壓(3)含濕量：濕空氣中l(wèi)kg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

式中：d——空氣的含濕量

ρd——干空氣的密度

由理想狀態(tài)方程及式（3-1）、（3-2）、（3-3），可將含濕量表示成：

式中：P——濕空氣的總壓力

Pd——干空氣分壓

干空氣的氣體常數(shù)Rd=287.0J/(kg.K)，則Rd/Rw=287.0/461.4=0.622，代入式（3-4）得

在工程中常將濕空氣的含濕量定義為1標準立方米(1mN3)干空氣所包含的水汽質(zhì)量（kg），其單位是kg水汽/mN3干空氣，并用d0表示，則得

式中：ρNd為標準狀態(tài)（273.15K，101325Pa）下干空氣的密度（Kg/mN3）?？紤]到Rd/Rw=0.804/ρNd，則得

（4）水汽體積分數(shù)：對于理想氣體來說，混合氣體中某一氣體的體積分數(shù)等于摩爾分數(shù)，所以水汽的體積分數(shù)可表示成：

（5）露點；在一定氣壓下空氣達到飽和狀態(tài)時的溫度，稱為空氣的露點。如上例中，若空氣相對濕度δ=100%，即Pw=Pv=3746.5Pa，則此時的空氣露點即為28℃。例題：

4、風(fēng)向和風(fēng)速

氣象上把水平方向的空氣運動稱為風(fēng)，垂直方向的空氣運動稱為升降氣流。風(fēng)是一個矢量，具有大小和方向。風(fēng)向是指風(fēng)的來向。風(fēng)向可用8個方位或16個方位表示。也可用角度表示，如圖3-2所示。

風(fēng)速是指單位時間內(nèi)空氣在水平方向運動的距離，單位用m/s或km/h表示。通常氣象臺站所測定的風(fēng)向、風(fēng)速，都是指一定時間（如2min或10min)的平均值。有時也需要測定瞬時風(fēng)向、風(fēng)速。蒲福在1805年根據(jù)自然現(xiàn)象將風(fēng)力分為13個等級(0-12級），若用F表示風(fēng)力等級，則風(fēng)速u（單位km/h)5．云大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云（使氣溫隨高度變化?。┰屏?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（2000m以下）中云（2000-6000m）高云（6000m以上）云狀:卷云（線）,積云（塊）,層云（面),雨層云(無定形）云

高云（6000m以上）中云（2000-6000m）低云（2000米以下）6、能見度

能見度是指視力正常的人在當時的天氣條件下，能夠從天空背景中看到或辨認出的目標物（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。能見度的觀測值通常分為10級，如表3-1所示。表3-1能見度級數(shù)與白日視程

目標物大小要適度。

近的目標物可以小一些，遠的目標物則應(yīng)適當大一些。目標物的大小以視角表示，目標物的視角以0.5°～5.0°之間為宜。三、大氣壓力和密度的垂直分布

1、大氣壓力的垂直分布任一地點的氣壓值等于該單位面積上的大氣柱質(zhì)量。對于任一點，氣壓總是隨著高度的增加而降低的。在近地層中高度每升高100米，氣壓平均降低約1240Pa，在高層則小于這個數(shù)值。可用大氣動力學(xué)方程來描述氣壓隨高度增加而降低的關(guān)系，即：dｐ=?ρg

dz

將氣體狀態(tài)方程式代入得：若設(shè)g不隨高度變化，并以氣層間的平均氣溫Tm代替真實氣溫T，將上式兩邊分別從P1至P2、z1至z2積分可得壓高公式，即靜力方程的積分形式：

2、大氣密度的垂直分布

觀測表明，大氣密度隨高度的變化幾乎和大氣壓隨高度的變化規(guī)律相同。大氣質(zhì)量的50%位于50000Pa以下，它的平均高度為海拔5.5km.大氣氣壓場分布大氣水汽分布

第二節(jié)大氣的熱力過程

thermalprocessofatmosphere

一、太陽、大氣和地面的熱交換

heatexchange

betweenthesun、airandearthsurface

太陽是地球和大氣的主要熱源，低層大氣的增熱與冷卻，是太陽、大氣和地面之間進行熱量交換的結(jié)果。

可以認為，太陽、大氣、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高（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

verticalchangeoftemperature

1．大氣的絕熱過程與泊松方程

Adiabaticprocessofatmosphereandposoequation

大氣的升降運動總是伴有不同形式的能量交換。如果大氣中某一空氣塊作垂直運動時與周圍空氣不發(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。

空氣塊在升降過程中因膨脹或被壓縮引起的溫度變化，要比它與外界進行熱交換引起的溫度變化大得多，所以一般可以將沒有水相變化的空氣塊的垂直運動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：

式中：

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)

T——氣塊溫度，K

P——氣塊壓力，hPa

大氣的絕熱過程，dQ＝0，式(3-10)變?yōu)閷⑸鲜綇纳登暗臓顟B(tài)（T0，P0）積分到氣塊升降后的狀態(tài)（T,P），則得到：

此式稱為泊松(Poisson)方程，它描述了氣塊在絕熱升降過程中，氣塊的初態(tài)（T0，P0）與終態(tài)（T,P）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，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

表示，其定義式為：

式中：下標i：——表示空氣塊；

下標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(dp=-ρgdz)，可以得出：

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，溫度降低（或升高）約1K。3、位溫

一干空氣塊絕熱升降到標準氣壓(1000hPa)處所具有的溫度稱為它的位溫，以θ表示。由式(3-12)得

式中：T0和P0---分別為氣塊最初的溫度和壓力。

對上式兩端取對數(shù)后微分，代入絕熱方程（3-11）可得到dθ/θ=0，則dθ=0，θ=常數(shù)。這表明干空氣塊作絕熱升降運動時，雖然其溫度Ti是變化的，但其位溫θ卻是不變的。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

氣溫隨高度的變化可以用氣溫垂直遞減率γ＝-?T/?Z來表示，簡稱氣溫直減率。氣溫沿垂直高度的分布，可用坐標圖上的曲線表示，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：

①氣溫隨高度增加而遞減，且γ＞γd，稱正常層結(jié)。

②氣溫直減率接近1K/100m，即γ=γd，稱為中性層結(jié)；

③氣溫不隨高度變化，即γ=0,稱為等溫層結(jié)；

④氣溫隨高度增加而增加,即γ<0,稱為氣溫逆轉(zhuǎn)或逆溫。圖3-3溫度層結(jié)曲線ZT12340三、大氣穩(wěn)定度Stabilitydegreeofatmosphere

1、大氣穩(wěn)定度的概念

污染物在大氣中的擴散與大氣穩(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.

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

利用準靜力條件Pi＝P和理想氣體狀態(tài)方程，則有

若在氣塊運動過程中滿足絕熱條件，則氣塊運動?z高度時，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)起始溫度相同，即T0＝Ti0，則有

（3-18）

從式（3-18）可見，（γ-γd）的符號決定了氣塊加速度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時，a>0，大氣不穩(wěn)定；

(2)γ<γd時，a<0，大氣穩(wěn)定；

(3)γ=γd時，a＝0，大氣是中性的。氣溫的垂直分布（溫度層結(jié)）

氣溫的垂直分布－溫度層結(jié)

>0，正常分布層結(jié)

＝，

中性層結(jié)（絕熱直減率）

＝0，

等溫層結(jié)

<0，逆溫層結(jié)

大氣穩(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)定條件下有利于擴散大氣穩(wěn)定度及其判據(jù)定量判斷

氣塊：

環(huán)境：（單位體積塊）加速度，將代入上式得：

氣塊：

環(huán)境：高度

（一般均滿足絕熱條件）大氣穩(wěn)定度及其判據(jù)

則有判據(jù)：

混合層

>0,a>0不穩(wěn)定

<0,a<0穩(wěn)定

中性層

＝0，a=0中性

穩(wěn)定層

<0，a<0逆溫，非常穩(wěn)定

四、逆溫inversedtemperature

具有逆溫層的大氣層是強穩(wěn)定的大氣層。某一高度上的逆溫層像一個蓋子一樣阻礙著氣流的垂直運動，所以也叫阻擋層。由于污染的空氣不能穿過逆溫層，而只能在其下面積聚或擴散，所以可能造成嚴重污染?？諝馕廴臼录鄶?shù)都發(fā)生在有逆溫層和靜風(fēng)條件下，因此對逆溫應(yīng)予以足夠重視。

逆溫可發(fā)生在近地層中，也可能發(fā)生在較高氣層（自由大氣）中。根據(jù)逆溫生成的過程，可將逆溫分為輻射逆溫、下沉逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫及湍流逆溫等五種。逆溫不利于擴散輻射：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

太陽

地球

：短波

地球

大氣層：長波

大氣吸收長波強輻射逆溫的生消過程2.下沉逆溫（多在高空大氣中，高壓控制壓內(nèi)）

很厚的氣層下沉

壓縮變扁

頂部增溫比底部多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5.鋒面逆溫

冷、暖氣團相遇冷暖間逆溫

暖氣上爬，形成鋒面五、煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系

Connectionofsmokeshapeandairstabilitydegree波浪型（不穩(wěn)）錐型（中性or弱穩(wěn)）扇型（逆溫）爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）漫煙型（上逆、下不穩(wěn)）

第三節(jié)大氣的運動和風(fēng)movementsoftheairandwind

一、引起大氣運動的作用力actionforceoftheatmosphericmovement

大氣的運動是在各種力的作用下產(chǎn)生的，作用于大氣的力，有氣壓梯度力、重力、地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力（即粘滯力）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動和風(fēng)。

作用于大氣的四種力中，水平氣壓梯度力是引起大氣運動的直接動力。其他三力的作用，則視具體情況而定。例如，在討論低緯度大氣或近地層大氣的運動時，地轉(zhuǎn)偏向力可不考慮；在大氣運動近于直線時，離心力可不考慮；在討論自由大氣的運動時，摩擦力可忽略不計。

在大氣邊界層中，由于摩擦力隨高度增加而減小，當氣壓梯度力不隨高度變化時，風(fēng)速將隨高度增加而增大。風(fēng)向與等壓線的交角隨高度增加而減小。在北半球，如果把邊界層中不同高度的風(fēng)矢量用矢量圖表示，并把它們投影到同一水平面上，把風(fēng)矢量頂點連接起來，就得到一風(fēng)矢量跡線，稱為愛克曼(Ekman)螺旋線，如圖3-10所示.二、大氣邊界層中風(fēng)隨高度的變化

thechangeofwindwithaltitudeinatmosphereboundary三、近地層中的風(fēng)速廓線模式

theoutlinemodelofwindspeedNeartheearth‘ssurface

平均風(fēng)速隨高度的變化曲線稱為風(fēng)速廓線，其數(shù)學(xué)表達式稱為風(fēng)速廓線模式。

1、中性層結(jié)時近地層的風(fēng)速廓線，可用對數(shù)律風(fēng)速廓線模式描述：

式中u—高度Z處的平均風(fēng)速，m/s;