大氣污染控制工程-第三章-大氣污染氣象學(xué)

大氣污染控制工程(AIRPOLLUTIONCONTROLENGINEERING)第三章大氣污染氣象學(xué)大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素

大氣熱力過程

大氣的運動和風(fēng)理解氣象學(xué)基礎(chǔ)知識建議學(xué)時數(shù)：2學(xué)時污染源大氣中遷移、擴散受體氣象條件風(fēng)向、風(fēng)速大氣湍流氣溫垂直分布大氣穩(wěn)定度……SourcesTransportsSinks人群其他生物體……工業(yè)交通生活……大氣污染系統(tǒng)與途徑問題：為什么同一地區(qū)大氣污染存在季節(jié)性(天)差異？第三章大氣污染氣象學(xué)大氣科學(xué)大氣物理、化學(xué)……大氣氣象學(xué)……污染氣象學(xué)環(huán)境科學(xué)(1)各種氣象條件對大氣污染物的傳輸與擴散作用

(2)大氣污染物質(zhì)對天氣和氣候的影響MeteorologyforAirPollution

大氣污染氣象學(xué)——研究大氣運動與大氣中污染物相互作用的學(xué)科污染氣象學(xué)的發(fā)展簡史第三章大氣污染氣象學(xué)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素第二節(jié)大氣的熱力過程第三節(jié)大氣的運動和風(fēng)第三章大氣污染氣象學(xué)

大氣圈的垂直結(jié)構(gòu)一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)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,氣溫日變化明顯自由大氣：大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略對流層（～10km左右）一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)1大氣邊界層特征同溫層－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集中了大部分臭氧沒有對流運動，污染物停留時間很長氣溫隨高度升高而迅速降低對流運動強烈平流層（對流層頂～50-55km）中間層（平流層頂～85km）一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)氣溫隨高度升高而增高氣體分子高度電離－電離層氣溫很高，空氣稀薄空氣粒子可以擺脫地球引力而散逸暖層（中間層頂～800km）散逸層（暖層以上)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，大氣成分基本不變一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)高度(km)每升高100m，氣溫降低0.65℃N2O2ArCO2NeHeKrH2XeO3越往上氧、氦等氣體的原子態(tài)越多紫外線的強烈照射，N2和O2產(chǎn)生不同程度的離解一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)大氣氣壓場分布大氣水汽分布

氣溫氣壓氣濕風(fēng)向風(fēng)速云況能見度二、主要氣象要素天氣預(yù)報中：1.5m高、百葉箱內(nèi)氣溫。

二、主要氣象要素1、氣溫單位：mb（毫巴）大氣的壓強：

1at＝101326Pa＝1013.26mmb=760mmHg

靜力學(xué)方程:

二、主要氣象要素2、氣壓絕對濕度：1m3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量相對濕度：空氣的絕對濕度與同溫度下飽和空氣的絕對濕度的百分比含濕量：濕空氣中1kg干空氣包含的水汽質(zhì)量水汽體積分數(shù)：水汽在濕空氣中所占的體積分數(shù)露點：一定氣壓下空氣達到飽和狀態(tài)時的溫度二、主要氣象要素3、氣濕風(fēng)：水平方向的空氣運動叫做風(fēng)（垂直方向為升降氣流）風(fēng)向：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動距離（2或10min平均值）

(km/h)F—風(fēng)力級（0～12級）

二、主要氣象要素4、風(fēng)向、風(fēng)速風(fēng)玫瑰圖

風(fēng)玫瑰圖

風(fēng)向

N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSE

S

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

C

冬季12.610.48.2114.93.82.72.74.99.95.52.71.10.55.56.66.6

春季9.868.74.95.42.71.68.210.915.28.20.52.23.36.54.31.6

夏季6.58.29.810.33.34.94.39.216.310.35.42.20.51.60.51.64.9

秋季9.99.96.68.21.61.62.24.912.19.910.43.32.22.73.81.68.8

全年10.09.08.09.04.03.03.06.011.011.07.02.02.02.04.04.05.0某城市年及各季風(fēng)向頻率 風(fēng)玫瑰圖制作方法：做一個極坐標(biāo)（16位，8位）；將觀測的風(fēng)頻按一定比例點在相對應(yīng)方位的一定線段；將各點用折線連接起來；將靜風(fēng)頻率記在圖的中心。冬季靜風(fēng)：6.6%主導(dǎo)風(fēng)向：N，12.6%風(fēng)玫瑰圖某城市年及各季風(fēng)向頻率 風(fēng)向

NNNENEENEEESESESSE冬季12.610.48.2114.93.82.72.7春季9.868.74.95.42.71.68.2夏季6.58.29.810.33.34.94.39.2秋季9.99.96.68.21.61.62.24.9全年10.09.08.09.04.03.03.06.0風(fēng)向

S

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

C冬季4.99.95.52.71.10.55.56.66.6春季10.915.28.20.52.23.36.54.31.6夏季16.310.35.42.20.51.60.51.64.9秋季12.19.910.43.32.22.73.81.68.8全年11.011.07.02.02.02.04.04.05.0課堂練習(xí)：制作風(fēng)玫瑰圖風(fēng)向NNEESESSWWNW合計風(fēng)向頻率1089171220177100風(fēng)速(m/s)4.07.24.73.94.82.23.65.1

污染系數(shù)2.51.11.94.42.59.14.71.427.6污染系數(shù)百分率94716933166100某城市污染系數(shù)表新建工廠應(yīng)建在市區(qū)的東北(NE)方向上，有利于大氣污染向市區(qū)外部擴散。云：大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云（使氣溫隨高度變化小）云量:天空被云遮蔽的成數(shù)（我國10分，國外8分）云高:云底距地面底高度云量的記錄：以總云量/低云量的形式記錄，如10/7

低云（2500m以下）中云（2500～5000m）高云（5000m以上）二、主要氣象要素5、云云

高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）正常視力的人，在天空背景下能看清的最大水平距離級別（0-9級，相應(yīng)距離為50～50000米）二、主要氣象要素5、能見度第三章大氣污染氣象學(xué)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素第二節(jié)大氣的熱力過程第三節(jié)大氣的運動和風(fēng)第三章大氣污染氣象學(xué)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近地層大氣溫度隨地表溫度變化一、太陽、大氣和地面的熱變換溫室效應(yīng)一、太陽、大氣和地面的熱變換（1）熱力學(xué)第一定律大氣中的熱力學(xué)過程遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。表示加于任一封閉物系（氣體）的熱量等于該物系內(nèi)能的變化和物系對外所做的功，即：在無非膨脹功時，其微分表達式為：將狀態(tài)方程代入上式，并取，則上式寫成變形為：式中：dQ—加入物系的熱量；R—氣體常數(shù)；Cp—恒壓比第三章大氣污染氣象學(xué)二、氣溫的垂直變化1、大氣的絕熱過程與泊松方程第三章大氣污染氣象學(xué)二、氣溫的垂直變化1、大氣的絕熱過程與泊松方程（2）大氣絕熱過程氣塊在大氣中的運動近似認為是絕熱變化。原因：①空氣的導(dǎo)熱率較小，變化慢；②氣塊大氣中運動很快；③氣壓變化很大。大氣的絕熱方程：絕熱：將變?yōu)閮蛇叿e分，得即有：因CP-CV=R又CP/CV=K，對于空氣K=1.404于是得大氣絕熱方程：這就是絕熱方程，亦稱泊松（Poisson）方程。定義：干空氣塊（包括未飽和的濕空氣塊）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。表示方法：定義式：第三章大氣污染氣象學(xué)二、氣溫的垂直變化2、干絕熱直減率推導(dǎo)：根據(jù)熱力第一定律，導(dǎo)出絕熱過程方程式為：……①又氣壓隨高度變化規(guī)律：……②又理想氣體狀態(tài)方程：

……③第三章大氣污染氣象學(xué)二、氣溫的垂直變化2、干絕熱直減率將②③代入①，則得：整理得：定義：氣溫隨高度的變化特征可以用氣溫垂直遞減率來表示，簡稱氣溫直減率，指單位（通常取100m）高差氣溫變化率的負值。表示方法：定義式：第三章大氣污染氣象學(xué)二、氣溫的垂直變化3、氣溫的垂直分布溫度層結(jié)：氣溫沿垂直高度的分布，可用坐標(biāo)圖上的曲線表示（圖），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、正常分布層結(jié)（遞減）2、中性層結(jié)3、等溫層結(jié)4、逆溫層結(jié)二、氣溫的垂直變化3、氣溫的垂直分布定義：大氣穩(wěn)定度是指垂直方向上大氣的穩(wěn)定程度，即是否易于發(fā)生對流。定性描述：外力使氣塊上升或下降三、大氣穩(wěn)定度1、大氣穩(wěn)定度的概念當(dāng)氣塊去掉外力時氣塊減速，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，中性污染物在大氣中的擴散與大氣穩(wěn)定度有密切關(guān)系定量判斷: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）三、大氣穩(wěn)定度2、大氣穩(wěn)定度的判別則得：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

三、大氣穩(wěn)定度2、大氣穩(wěn)定度的判別1、大氣穩(wěn)定度的判別（1），a>0,氣塊加速度與其位移方向相同，氣塊加速運動，大氣不穩(wěn)定（2），a<0,氣塊加速度與其位移方向相反，氣塊減速運動，大氣穩(wěn)定（3），a=0,大氣是中性的三、大氣穩(wěn)定度2、大氣穩(wěn)定度的判別γ>0γ<0γ＝0ht10.8°11°11°11°12°12°12°13°13°13°11°13°12°Ⅰγ＝0.713.2°12.0°30010020011.3°12.7°12.0°Ⅱγ＝1.0Ⅲγ＝1.2高度/米Ⅰ：γ<

γd穩(wěn)定Ⅱ：γ＝

γd層結(jié)為中性Ⅲ：γ>

γd

不穩(wěn)定

空氣塊運動趨勢示意圖四、逆溫2、大氣穩(wěn)定度的判別2、大氣穩(wěn)定度分類（1）不穩(wěn)定類：A、B、C；（2）中性類：D（3）穩(wěn)定類：E、F

ABCDEF強不穩(wěn)定不穩(wěn)定弱不穩(wěn)定中性較穩(wěn)定穩(wěn)定二、大氣穩(wěn)定度季節(jié)風(fēng)速白晝夜間0~2晴3~7多云8~10(陰)0~2(晴)3~7多云8~10陰夏春秋冬夏春秋冬各季各季<2m/sAA-BBA-BBB-CDEED2~2.9A-BBB-CBB-CCDED-ED3~4.9BB-CCB-CCC-DDD-EDDD5~6B-CCC-DCC-DDDD>6CDDDDDDD城市大氣邊界層中的大氣穩(wěn)定度分類表周淑貞（華東師范大學(xué)）《城市氣候?qū)W》三、大氣穩(wěn)定度定義與分類：定義：近地層空氣溫度隨高度增加而上升的一種現(xiàn)象分類：輻射逆溫下沉逆溫平流逆溫湍流逆溫鋒面逆溫地面白天加熱，大氣自下而上變暖；地面夜間變冷，大氣自下而上冷卻輻射逆溫的生消過程三、大氣穩(wěn)定度1、輻射逆溫（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

頂部增溫比底部多三、大氣穩(wěn)定度2、下沉逆溫暖空氣平流到冷地面上，由于下部降溫快而形成三、大氣穩(wěn)定度3、平流逆溫4、湍流逆溫

下層湍流混合達

上層出現(xiàn)過渡層逆溫

冷、暖氣團相遇冷暖間逆溫

暖氣上爬，形成鋒面三、大氣穩(wěn)定度5、鋒面逆溫波浪型（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)）

三、大氣穩(wěn)定度4、煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系第三章大氣污染氣象學(xué)教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素第二節(jié)大氣的熱力過程第三節(jié)大氣的運動和風(fēng)第三章大氣污染氣象學(xué)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（相對運動：方向改變）慣性離心力（大氣曲線運動：很?。┠Σ亮Γń?～2km內(nèi)明顯）

一、引起大氣運動的作用力引起大氣運動的作用力Ekman螺旋線（北半球下視，地偏力指向運動右方，故順時針；南半球則相反）

高度增高，風(fēng)速增大，方向逐漸接近地轉(zhuǎn)風(fēng)。二、大氣邊界層中風(fēng)隨高度變化大氣邊界層中風(fēng)隨高度變化平均風(fēng)速隨高度變化中性層結(jié)：對數(shù)律，粗糙度和摩擦速度近地層風(fēng)速廓線模式高度為Z處