大气污染控制工程_气污染气象学

1、1 教学内容教学内容 1 1大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素 2 2大气的热力过程大气的热力过程 3 3大气的运动和风大气的运动和风 2 1 1、教学要求、教学要求 要求了解与大气污染相关的气象学基本知识，要求了解与大气污染相关的气象学基本知识， 理解和掌握大气圈的结构、主要气象要素、大理解和掌握大气圈的结构、主要气象要素、大 气稳定度和逆温的概念。气稳定度和逆温的概念。 2 2、教学重点、教学重点 掌握大气层结构及大气的热力过程。掌握大气层结构及大气的热力过程。 3 3、教学难点、教学难点 大气的热力过程、大气稳定度和逆温大气的热力过程、大气稳定度和逆温。 建议学时数：2学时 3 （

2、）（） 4 5 源源受体受体 大气扩散大气扩散 酸雨越境转移（日本、南朝鲜酸雨越境转移（日本、南朝鲜） 大气科学大气科学 大气物理、化学大气物理、化学 大气气象学大气气象学 污染气象学污染气象学 气象条件对污物的稀释、扩散作用气象条件对污物的稀释、扩散作用 污染物对气象的影响污染物对气象的影响 6 7 一一、大气圈垂直结构大气圈垂直结构 8 臭氧 吸收 300 平流层顶 （+ ） （- ） 平流层 对流层 对流层顶 散逸层 （+ ） （- ） （+ ） 热成层 电离层 中间层 中间层顶 200250 绝对温度（K ） 500 3000 70 80 50 60 20 40 90 300 400

3、200 100 0 10 30 高 度 （ km ） 高度（k m ） 高度(km) 一、一、大气圈垂直结构大气圈垂直结构 每升高每升高100m， 气温降低气温降低0.65 N2O2ArCO2 NeHeKrH2 Xe O O3 3 越往上氧、氦等气体的原子态越多越往上氧、氦等气体的原子态越多 紫外线的强烈照紫外线的强烈照 射，射，N2和和O2产生产生 不同程度的离解不同程度的离解 9 Ozonelayer 大气层的结构。大气 层可以分为对流层（最 贴近地面、密度最大的 一层）、平流层（较高 的、气体组成相同但密 度较小的气层）以及电 离层（由已电离的气体 组成） 10 图图行星边界示意图行星边

4、界示意图 11 对流层对流层（10km左右）左右） 集中了大气质量的集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气，主要天气现象都和全部的水蒸气，主要天气现象都 发生在这一层发生在这一层 温度随高度的增加而降低，每升高温度随高度的增加而降低，每升高100m平均降温平均降温0.650C 强烈对流作用强烈对流作用 温度和湿度的水平分布不均温度和湿度的水平分布不均 大气边界层对流层下层大气边界层对流层下层12km，地面阻滞和摩擦，地面阻滞和摩擦作用明显作用明显 自由大气大气边界层以上，地面摩擦可以忽略自由大气大气边界层以上，地面摩擦可以忽略 近地层地面上近地层地面上50100m，热量和动量的常通量层，热量和动

5、量的常通量层 12 平流层平流层（对流层顶（对流层顶5055km） 同温层对流层顶同温层对流层顶3540km，气温，气温-550C左右左右 同温层以上，气温随高度增加而增加同温层以上，气温随高度增加而增加 集中了大部分臭氧集中了大部分臭氧 没有对流运动，污染物停留时间很长没有对流运动，污染物停留时间很长 中间层中间层（平流层顶（平流层顶85km） 气温随高度升高而迅速降低气温随高度升高而迅速降低 对流运动强烈对流运动强烈 13 暖层暖层（中间层顶（中间层顶800km） 气温随高度升高而增高气温随高度升高而增高 气体分子高度电离电离层气体分子高度电离电离层 散逸层散逸层（暖层以上）（暖层以上）

6、气温很高，空气稀薄气温很高，空气稀薄 空气粒子可以摆脱地球引力而散逸空气粒子可以摆脱地球引力而散逸 大气压力总是随高度的升高而降低大气压力总是随高度的升高而降低 均质大气层均质大气层8085km以下，成分基本不变以下，成分基本不变 14 15 16 气象要素（因子）：气象要素（因子）： 表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为。表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为。 与大气污染关系密切的气象要素主要有：与大气污染关系密切的气象要素主要有： 气温 气压 空气湿度（气湿）、 风（风向、风速） 云量云状 能见度 降水 蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。等。 17 1气温

7、气温 表示大气温度高低的物理量表示大气温度高低的物理量。 天气预报中：天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。高、百叶箱内气温。 oo 5 (32) 9 CF o 273.15KC oo 9 32 5 FC oo 5 (32) 9 CF o 273.15KC oo 9 32 5 FC 18 2气压气压 任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量. 气压总是随高度的增加而降低的。气压随高度递减关系式可用气压总是随高度的增加而降低的。气压随高度递减关系式可用 气体静力学方程式描述，即气体静力学方程式描述，即P=-gZ，其积分式其积分式压高公压高公 式：式

8、： 据实测近地层高度每升高据实测近地层高度每升高100米，气压平均降低约米，气压平均降低约12.4毫巴毫巴 （1mb=100Pa)，在高层小于此值。，在高层小于此值。 单位：单位：mb（毫巴）（毫巴）大气的压强大气的压强 1atm101326Pa1013.26mb=760mmHg 静力学方程静力学方程: g z P 1212 lnlnZZ RT g PP m 19 3气湿气湿 反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量。反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量。 常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含 湿量、相对湿度、

9、露点等。湿量、相对湿度、露点等。 绝对湿度绝对湿度1m1m3 3湿空气中含有的水汽质量湿空气中含有的水汽质量 相对湿度空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度的相对湿度空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度的 百分比百分比 含湿量湿空气中含湿量湿空气中1kg1kg干空气包含的水汽质量干空气包含的水汽质量 水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数 露点同气压下空气达到饱和状态时的温度露点同气压下空气达到饱和状态时的温度 20 3气湿气湿 21 二、主要气象要素二、主要气象要素 4.风向和风速（风向和风速（windspeedanddirection)

10、什么是风什么是风？空气的流动就形成风。？空气的流动就形成风。 风的形成风的形成：风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不：风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不 均是由温度分布不均造成。均是由温度分布不均造成。 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 风的形成除热力原因外，还有动力原因，自然界的风是由 于这两种原因综合作用的结果，但只要有温差存在，空气就不 会停止运动。 22 4风向和风速风向和风速 水平水平(ho

11、rizontal)方向的空气运动称为风。方向的空气运动称为风。 （垂直方向升降气流）（垂直方向升降气流） 风的来向叫风向（风的来向叫风向（16个方位圆周等分）个方位圆周等分） 风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2或或 10min平均）平均） (km/h) F风力级（风力级（012级）级） 3 02. 3Fu 23 24 4风向和风速风向和风速 风玫瑰图风玫瑰图 风速风速,m/s 某地区1988年的风玫瑰 图。同心圆表示风的频率， 例如，吹南风的频率约为 1 1 ， 其 中 风 速 大 于 10.82m/s的频率约为1， 风速在3.355.41m

12、/s的频 率为3.5左右。 25 5 5、云、云 云：是发生在高空的水汽凝结现象。云：是发生在高空的水汽凝结现象。 形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境 云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为1010等份，有等份，有 几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的1/101/10，云量，云量 记为记为1 1；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的1/201/20）记为）记为 1010；当天空无云或云量

13、不到；当天空无云或云量不到1/201/20时，云量为时，云量为0 0。 国外，将天空分为国外，将天空分为8 8等份。等份。 国外云量与我国云量间的关系，国外云量国外云量与我国云量间的关系，国外云量1.25=1.25=我国云量我国云量 总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。 低云量：低云的云掩盖天空的成数。低云量：低云的云掩盖天空的成数。 云量的记录：一般总云量云量的记录：一般总云量/ /低云量的形式记录，如低云量的形式记录，如10/710/7。 云状：多种多样，云状：多种多样，19321932年国际云学委员会出版的国际云图将云年

14、国际云学委员会出版的国际云图将云 状分为四族十属。状分为四族十属。 云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。 测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法 26 高云（高云（5000m以上）以上） 中云（中云（2500-5000m） 低云（低云（2500米以下）米以下） 27 6能见度能见度能见度能见度：在当时的天气条件下，视力正常的人能够 从天空背景中看到或辨认出目标物的最大距离级别（级别（09级，相级，相 应距离为应距离为5050000米）米），单位：m，Km。 能见度的大小反应了大气的混浊现象，反

15、映出大气中杂质的多少。 大气中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。 28 7、太阳高度角 太阳高度角为太阳光线与地平线间的夹角，是影响太阳辐 射强弱的最主要的因子之一。ho即太阳高度角，它随时间而变化 。 8、降水 降水是指大气中降落至地面的液态或固态水的通称。如雨 、雪等。降水是清除大气污染物的重要机制之一。 ho ho 太阳光线 地面 29 一、太阳、大气和地面的热交换一、太阳、大气和地面的热交换 1 1、什么是辐射？、什么是辐射？ 自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能 量，这种传递能量的方式称为辐射，以辐射的方式向四

16、周输送的量，这种传递能量的方式称为辐射，以辐射的方式向四周输送的 能量称辐射能，有时简称辐射。能量称辐射能，有时简称辐射。 2 2、大气对太阳辐射的减弱及影响因素、大气对太阳辐射的减弱及影响因素 （1 1）吸收辐射）吸收辐射; ;（2 2）散射作用）散射作用; ;（3 3）反射）反射; ;（4 4）透过大气层）透过大气层. . 3 3、大气温度依地面温度的变化关系、大气温度依地面温度的变化关系 地面温度（土壤温度）的日变化是周期性的，具有一最高值和地面温度（土壤温度）的日变化是周期性的，具有一最高值和 最低值，在一天里地表温度最高值在最低值，在一天里地表温度最高值在1313点左右，最低温度在日

17、出点左右，最低温度在日出 前后。前后。 气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，但振幅较小。气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，但振幅较小。 太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量 太阳辐射加热地球表面太阳辐射加热地球表面 地面长波辐射加热大气地面长波辐射加热大气 近地层大气温度随地表温度变化近地层大气温度随地表温度变化 30 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。 尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量 （约为（约为3.751026W）的）的22亿分之一，

18、但已高达亿分之一，但已高达 173,000TW（1012W），也就是说太阳每秒钟照射），也就是说太阳每秒钟照射 到 地 球 上 的 能 量 就 相 当 于到 地 球 上 的 能 量 就 相 当 于 5 0 0 万 吨 煤 。万 吨 煤 。 地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质 能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的 化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是 远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包 括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的 光 热 、 光 电 和 光 化 学 的 直 接 转 换 31 地球在日地平均距离处时，和太阳光垂直的地球在日地平均距离处

19、时，和太阳光垂直的 大气上界单位面积每单位时间所接收的所有大气上界单位面积每单位时间所接收的所有 波长的太阳辐射总能量波长的太阳辐射总能量 它常以它常以S表示，其值为：表示，其值为： 1.96卡（厘米卡（厘米2分）分） 1367瓦米瓦米2 多数文献上：多数文献上：1370瓦米瓦米2 一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射 强度的变化不超过上强度的变化不超过上3.4 32 太阳辐射的能量主要分布在可见光区和太阳辐射的能量主要分布在可见光区和 红外区红外区 可见光区占太阳辐射总量的可见光区占太阳辐射总量的50 红外区占红外区占43 紫外区只占能量的紫外区只占能

20、量的7 在波长在波长0.48微米的地方，太阳辐射的能微米的地方，太阳辐射的能 力达到最高值，数值约为力达到最高值，数值约为3.0卡卡/cm2. 分以上分以上 33 34 35 (1)(1)所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。高温的太所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。高温的太 阳和地球都在不停地向外辐射能量阳和地球都在不停地向外辐射能量 (2)(2)温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物 体放射多。如太阳表面温度为体放射多。如太阳表面温度为60006000K K，而地球表面的平均温，而地球表面的平均温 度为度为28828

21、8K K，因而，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球，因而，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球 表面放射的能量大几百万倍表面放射的能量大几百万倍 (3)(3)物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短； 反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈 长。例如，太阳放射的最大辐射波长长。例如，太阳放射的最大辐射波长0.50.5微米，而地微米，而地 球放射的最大辐射波长为球放射的最大辐射波长为1010微米。微米。 (4)(4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强

22、；反之，辐射 能力弱的物体，吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，放射能力能力弱的物体，吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，放射能力 也最强。地球和太阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和也最强。地球和太阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和 放射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地球大气则是选放射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地球大气则是选 择性的吸收和辐射体。对于某种确定波长的辐射可让其透过择性的吸收和辐射体。对于某种确定波长的辐射可让其透过 ( (即不吸收即不吸收) )；对于另外波长的辐射，则近乎不透明的；对于另外波长的辐射，则近乎不透明的( (即吸收即吸收 很强很强) ) 36 太阳辐射

23、通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧 化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分 子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大气上界子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大气上界 的太阳辐射不能完全到达地面的太阳辐射不能完全到达地面 假设大气层顶的太阳辐射是假设大气层顶的太阳辐射是100。那么太阳辐射通过大气后。那么太阳辐射通过大气后 发生散射、吸收和反射发生散射、吸收和反射(反射云量反射表示反射云量反射表示)，向上散射占，向上散射占4， 大气吸收占大气吸收占21,云量吸收占云量吸收占3,云量反射占云

24、量反射占23 30反射和散射回宇宙反射和散射回宇宙 20被大气吸收被大气吸收 50被地面吸收被地面吸收 37 大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部 分能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的是云。分能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的是云。 不同的云量，不同的云状，云的不同厚度所发生的反不同的云量，不同的云状，云的不同厚度所发生的反 射是不同的。射是不同的。 高云：平均反射高云：平均反射25 中云：平均反射中云：平均反射50 低云：平均反射低云：平均反射65 稀薄云：稀薄云：10-20% 很厚的云层：反射可达很厚的云层：反射可达90 云量

25、反射平均：达云量反射平均：达5055 大气对太阳辐射的反射大气对太阳辐射的反射 38 气温直减率气温直减率 （大气）（大气） 干空气绝热绘制温度递减率干空气绝热绘制温度递减率干绝热直减率干绝热直减率 （空气团）（空气团） 一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换 空气块空气块膨胀（做功）膨胀（做功）耗内耗内 能能 T 定性定性 空气块空气块压缩（外气对它做功）压缩（外气对它做功）T内能内能 （由压力变化引起）（由压力变化引起） T z d d d i T z 39 定量：定量： 热力学第一定律热力学第一定律 （第一定律状态方程）（第一定律状态

26、方程） 其中其中 dd p TRp TCp dd1 d p TRpkp TCpkp v p CCR v 1.4 p kC k 40 dzz z d ii ppd ii vvd ii TT dpp dvvdTT i v i T pvT 气块：气块： 环境：环境： i p （大气）（大气） （气块）气块） （高度）（高度） dzz z d ii ppd ii vvd ii TT dpp dvvdTT i v i T pvT 气块：气块： 环境：环境： i p （大气）（大气） （气块）气块） （高度）（高度） dd ii ipi TRp TCp i ppdd ii pppp d d p g z 对

27、气团对气团： 流体准静力学条件：流体准静力学条件：， 由由代入式代入式(1)可得：可得： (1) dd i ip TRg z TCp dd ii ipi TRp TCp i ppdd ii pppp d d p g z 对气团对气团： 流体准静力学条件：流体准静力学条件：， 由由代入式代入式(1)可得：可得： (1) dd i ip TRg z TCp 41 代入上式得：代入上式得： 实际中，实际中，Ti、T相差相差0，正常分布层结正常分布层结 ，中性层结（绝热直减率）中性层结（绝热直减率） 0，等温层结等温层结 0，正常分布层结正常分布层结 ，中性层结（绝热直减率）中性层结（绝热直减率） 0

28、，等温层结等温层结 0,a0不稳定不稳定 0,a0稳定稳定 中性层中性层0，a=0中性中性 稳定层稳定层0， a0,a0不稳定不稳定 0,a0稳定稳定 中性层中性层0，a=0中性中性 稳定层稳定层0， a0逆温，非常稳定逆温，非常稳定 46 逆温不利于扩散逆温不利于扩散 辐射：辐射： 1. 辐射逆温：辐射逆温： 地面白天加热，大气自下而上变暖；地面白天加热，大气自下而上变暖； 地面夜间变冷，大气自下而上冷却地面夜间变冷，大气自下而上冷却 太阳太阳 地球地球 ：短波：短波 地球地球 大气层：长波大气层：长波 大气吸收长波强大气吸收长波强 47 48 49 辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程 5

29、0 2.2.下沉逆温下沉逆温 （多在高空大气中，高压控制区内）（多在高空大气中，高压控制区内） 很厚的气层下沉很厚的气层下沉 压缩变扁压缩变扁 顶部增温比底部多顶部增温比底部多 51 3.3.平流逆温平流逆温 暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成 d d 4.4.湍流逆温湍流逆温 下层湍流混合达下层湍流混合达 上层出现过渡层上层出现过渡层 逆温逆温 52 5.锋面逆温锋面逆温 冷、暖气团相遇冷、暖气团相遇冷暖间逆温冷暖间逆温暖气上爬，形成锋面暖气上爬，形成锋面 53 波浪型（不稳）波浪型（不稳） 锥型（中性锥型（中性or弱稳）弱稳） 扇型（逆温）扇型（逆温）

30、 爬升型（下稳，上不稳）爬升型（下稳，上不稳） 漫烟型（上逆、下不稳）漫烟型（上逆、下不稳） 54 55 56 T Z Z Z T T d - d0 0 d - d-1 稳 定 晴 夜 、早 晨 下 部 不 稳 定 ，上 部 稳 定 早8-10 时 ， 时 间 短 ， 危 害 重 不 稳 定 Z Z T T - d 0 中 性 稳 定 强 风 、 阳 光 下 部 稳 定 ， 上 部 不 稳 定 ， 污 染 小 57 一一、引起大气运动的作用力引起大气运动的作用力 直接作用力直接作用力 重力重力 水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡）水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡） 间接作用力间接作用力

31、地转偏向力（相对运动：方向改变）地转偏向力（相对运动：方向改变） 惯性离心力（大气曲线运动：很小）惯性离心力（大气曲线运动：很小） 摩擦力（近地摩擦力（近地1 12km2km内明显）内明显） 58 Ekman（爱克曼（爱克曼） 螺旋线（北半球下视，螺旋线（北半球下视， 地偏力指向运动右方，地偏力指向运动右方， 故顺时针；南半球则故顺时针；南半球则 相反）相反） 高度增高，风速增大，高度增高，风速增大， 方向逐渐接近地转风。方向逐渐接近地转风。 59 1.对数律风速廓线模式对数律风速廓线模式 平均风速随高度变化平均风速随高度变化 中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度 * 0 ln uZ u kZ 60 2.指数律风速廓线模式指数律风速廓线模式 平均风速随高度变化平均风速随高度变化 非中性层结：非中性层结：指数律，稳定度参数指