第三章大气污染气象学

1、第三章大气污染气象学 1.大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素 2.大气的热力过程大气的热力过程 3.大气的运动和风大气的运动和风 第三章大气污染气象学 一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构 自然地理学将受地心引力自然地理学将受地心引力 而随地球旋转的大气层称而随地球旋转的大气层称 为大气圈，具体地，大气为大气圈，具体地，大气 圈指地面到大约圈指地面到大约1400km 高度处的大气层。高度处的大气层。 第三章大气污染气象学 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

2、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0.65 强烈对流作用，大气污染也主要发生在这一层，特别是在强烈对流作用，大气污染也主要发生在这一层，特别是在 靠近地面靠近地面1-2Km的近地层更易造成污染。的近地层更易造成污染。 温度和湿度等各气象要素水平分布不均温度和湿度等各气象要素水平分布不均 大气边界层大气边界层对流层下层对流层下层12km，地面阻滞和摩擦，地面阻滞和摩擦 作用明显。作用明显。 近地层近地层地面以上地面以上50100m，上下气温之差可达，上下气温之差可达12 。 自由大气自由大气大气边界层以上，地面摩擦可以忽略大气边界层以上，地面摩擦可以忽

3、略 第三章大气污染气象学 平流层（对流层顶平流层（对流层顶5055km） 同温层同温层对流层顶到对流层顶到30km左右，气温左右，气温-55左右左右 同温层以上，气温随高度增加而增加，亦称逆温层。同温层以上，气温随高度增加而增加，亦称逆温层。 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。 大气很干燥，没有云、雨等现象，是飞机理想的飞行区域。大气很干燥，没有云、雨等现象，是飞机理想的飞行区域。 中间层（平流层顶中间层（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，垂直混合明显。对流运动强烈，垂直混

4、合明显。 第三章大气污染气象学 暖层（中间层顶暖层（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。发电报是靠这层反射回来。气体分子高度电离电离层。发电报是靠这层反射回来。 散逸层（暖层以上）散逸层（暖层以上） 气温很高，空气稀薄。星际空间内每气温很高，空气稀薄。星际空间内每m3空间有数十个离空间有数十个离 子存在。子存在。 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 研究重点：对流层，平流层研究重点：对流层，平流层 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。 气体静力学方程：气体静力学方程：P=-gZ 均质大气层

5、均质大气层8085km以下，成分基本不变以下，成分基本不变 第三章大气污染气象学 1气温气温 表示大气温度高低的物理量。表示大气温度高低的物理量。反映一定条件下空气分反映一定条件下空气分 子平均动能大小。子平均动能大小。通常指距地面通常指距地面 1.5m高处百叶箱中的空气温度。高处百叶箱中的空气温度。 2气压气压大气的压强大气的压强 单位：单位：1Pa=1N/m2，mb毫巴毫巴 1mb=100Pa=1hPa 1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg oo 5 (32) 9 CF o 273.15KC oo 9 32 5 FC oo 5 (32) 9 CF o 273.15KC

6、 oo 9 32 5 FC 第三章大气污染气象学 3气湿气湿 气湿是大气中水汽含量的物理量，可以用水蒸气分压或气湿是大气中水汽含量的物理量，可以用水蒸气分压或 单位湿空气水蒸气含量表示。单位湿空气水蒸气含量表示。 表示气湿的物理量主要有：绝对湿度、相对湿度、含湿表示气湿的物理量主要有：绝对湿度、相对湿度、含湿 量、水气体积分数和露点。量、水气体积分数和露点。 第三章大气污染气象学 4风向和风速风向和风速 水平方向的空气运动叫做风（垂直方向升降气流）水平方向的空气运动叫做风（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

7、运动距离（一定时风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（一定时 间如间如2或或10min的的平均值）平均值） (km/h) F风力级（风力级（012级）级） 3 02. 3Fu 第三章大气污染气象学 5云云 云是飘浮在空中的水汽凝结物，由大量小水滴或小冰晶或两者云是飘浮在空中的水汽凝结物，由大量小水滴或小冰晶或两者 混合物组成。云高和云量对污染物扩散具有重要意义。混合物组成。云高和云量对污染物扩散具有重要意义。 云量云量:天空被云遮蔽的成数（我国天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外分，国外8分）分） 云高云高:云底距地面底高度云底距地面底高度 低云（低云（2500m以下以下） 中云（中云（2

8、5005000m） 高云（高云（5000m以上）以上） 第三章大气污染气象学 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） 第三章大气污染气象学 6能见度能见度 正常视力的人，在天空背景下能看清的水平距离正常视力的人，在天空背景下能看清的水平距离 级别（级别（09级，相应距离为级，相应距离为5050000米）米） 第三章大气污染气象学 一、太阳、大气和地面的热交换一、太阳、大气和地面的热交换 【太阳】【太阳】 地球上所有的能量最终都来自于太阳。太阳表面温度达地球上所有的能量最终都来自于太阳。太阳表面温度达 6000K,不断向外辐射

9、能量。太阳辐射线主要有：紫外线、不断向外辐射能量。太阳辐射线主要有：紫外线、 可见光和红外线，波长在可见光和红外线，波长在0.154m之间的射线辐射能占之间的射线辐射能占 全部太阳能量的全部太阳能量的99以上。以上。 【地球】【地球】 地球表面的陆地、海洋、植物等直接吸收太阳辐射的能力很地球表面的陆地、海洋、植物等直接吸收太阳辐射的能力很 强，太阳辐射到地球上的能量约有强，太阳辐射到地球上的能量约有21%直接被地面吸收。直接被地面吸收。 同时，地球表面可以按自身温度向外辐射。地球辐射以低温同时，地球表面可以按自身温度向外辐射。地球辐射以低温 长波辐射为主，波长集中在长波辐射为主，波长集中在31

10、20m之间。之间。 第三章大气污染气象学 【大气】【大气】 虽然太阳辐射很强，但直接被地面接受的却不多，这是虽然太阳辐射很强，但直接被地面接受的却不多，这是 因为大部分太阳辐射被地球表面的大气层吸收、散射和因为大部分太阳辐射被地球表面的大气层吸收、散射和 反射反射 。 大气还能吸收地面长波辐射。其中水汽、二氧化碳等吸大气还能吸收地面长波辐射。其中水汽、二氧化碳等吸 收长波辐射能力较强，水滴、臭氧和颗粒物也能选择吸收长波辐射能力较强，水滴、臭氧和颗粒物也能选择吸 收一些长波辐射。最终约有收一些长波辐射。最终约有7590的地面长波辐的地面长波辐 射被大气吸收。射被大气吸收。 大气吸收太阳辐射和地面

11、辐射的同时，也能向上或向下大气吸收太阳辐射和地面辐射的同时，也能向上或向下 辐射。大气向下辐射称为逆辐射，以长波辐射为主，这辐射。大气向下辐射称为逆辐射，以长波辐射为主，这 是地面的主要加热方式。是地面的主要加热方式。 第三章大气污染气象学 二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化 第三章大气污染气象学 第三章大气污染气象学 气体静力学方程：气体静力学方程： 表示干空气在作干绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降）表示干空气在作干绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降） 100m，温度降低（或升高）约温度降低（或升高）约1。 2、干绝热直减率干绝热直减率d 干气团绝热上升或下降单位高度干气团绝

12、热上升或下降单位高度(通常通常100m)的温度变化量称为的温度变化量称为 干绝热直减率，用干绝热直减率，用d表示，单位表示，单位K/100m。 第三章大气污染气象学 3、位温（、位温（） 位温：把各层中的气块由最初的压力位温：把各层中的气块由最初的压力P循着干绝热的程序订正到循着干绝热的程序订正到 一个标准压力一个标准压力1000hPa时所具有的温度。时所具有的温度。 任何一气块的位温是不变的（干绝热情况）；而非绝热情况下，任何一气块的位温是不变的（干绝热情况）；而非绝热情况下， 位温是变化的。位温是变化的。位温比气温更能代表气块的热力学性质。位温比气温更能代表气块的热力学性质。 288. 0

13、 10001000 P T P T p CR 第三章大气污染气象学 气温的垂直分布气温的垂直分布温度层结温度层结 T z d 0 ，正正常常分分布布层层结结 ，中中性性层层结结（绝绝热热直直减减率率） 0 ，等等温温层层结结 0 ，正正常常分分布布层层结结 ，中中性性层层结结（绝绝热热直直减减率率） 0 ，等等温温层层结结 0 ，逆逆温温层层结结 气温直减率气温直减率 （大气）（大气） T z d （递减层结）（递减层结） 第三章大气污染气象学 定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易发生对流定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易发生对流 定性描述：定性描述： 外力使气块上升

14、或下降外力使气块上升或下降 气块去掉外力气块去掉外力 气块减速，有返回趋势，稳定气块减速，有返回趋势，稳定 气块加速上升或下降，不稳定气块加速上升或下降，不稳定 气块停在外力去掉处，中性气块停在外力去掉处，中性 不稳定条件下有利于扩散不稳定条件下有利于扩散 第三章大气污染气象学 定量判断定量判断 i p i i T p T 气块：气块： 环境：环境： i p i i T p T 气块：气块： 环境：环境： () (1) ii g TTT ag TT () i i g a iii ppRTRT （单单位位体体积积块块）加加速速度度，将将代代入入上上式式得得： () (1) ii g TTT ag

15、 TT () i i g a iii ppRTRT （单单位位体体积积块块）加加速速度度，将将代代入入上上式式得得： () i i g a iii ppRTRT （单单位位体体积积块块）加加速速度度，将将代代入入上上式式得得： 0d ii TTz 0 TTz 气气块块： 环环境境： zzz 高高度度（一一般般均均满满足足绝绝热热条条件件） 0d ii TTz 0 TTz 气气块块： 环环境境： zzz 高高度度（一一般般均均满满足足绝绝热热条条件件） zzz 高高度度（一一般般均均满满足足绝绝热热条条件件） 准静力条件：准静力条件：P=Pi d () agz T 00i TT假设假设 则有则有

16、 第三章大气污染气象学 讨论： 0 d 气块上升时，dZ，00 1 aGF，符合不稳定条件； 气块下降时，dZ。00 1 aGF，符合不稳定条件。 0 d 无论上升、下降均属于不稳定状态。 0 d 气块上升， dZ， 00 1 aGF ，稳定状态； 气块下降，dZ。 00 1 aGF ，稳定状态。 在此状态下，不易扩散。 =0等温；0逆温是稳定状态中更稳定的状态。 0 d 00 1 aGF，中性状态。 d () agz T 第三章大气污染气象学 用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上升空用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上升空 气块的温度随高度的变化曲线）的分布来

17、判断大气稳定度。气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。 Z d d d Z = d 中性 t d 第三章大气污染气象学 定义：定义：逆温是大气温度随高度增加而升高的现象，逆温是大气温度随高度增加而升高的现象， 逆温层结是强稳定的大气层结，不利于污染物的扩散。逆温层结是强稳定的大气层结，不利于污染物的扩散。 w辐射逆温：辐射逆温： w 在晴朗无云或少云、风力不大的夜晚，地面辐射冷在晴朗无云或少云、风力不大的夜晚，地面辐射冷 却很快，贴近地面的大气温度下降最多，而高层大气冷却很快，贴近地面的大气温度下降最多，而高层大气冷 却慢，造成温度自下而上的增加，称为辐射逆温。却慢，造成温度自下

18、而上的增加，称为辐射逆温。 辐射逆温层的产生是有规律的，一般只在夜间形成，早辐射逆温层的产生是有规律的，一般只在夜间形成，早 晨随着太阳不断加热地表，地面温度上升，逆温自下而晨随着太阳不断加热地表，地面温度上升，逆温自下而 上逐渐消失，一般在上午完全消失。上逐渐消失，一般在上午完全消失。 0 dZ dT 第三章大气污染气象学 辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程 下午下午 日落前日落前1h 夜间夜间日出日出上午上午10h 第三章大气污染气象学 2.2.下沉逆温下沉逆温 由于空气下沉受到压缩而增温所形成的逆温由于空气下沉受到压缩而增温所形成的逆温 （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 第三章大气污染气象学 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（温差越大，逆温越强）暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成（温差越大，逆温越强） d d 4.4.湍流逆温湍流逆温由低层空气的湍流混合所形成的逆温。由低层空气的湍流混合所形成的逆温。 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