大气污染气象学

1、1第三章 大气污染气象学教学内容v大气圈结构及气象要素v大气的热力过程v大气的运动和风2 第三章 大气污染气象学1、教学要求v了解大气圈的结构及各层主要特点，掌握主要气象要素的含义；v掌握温度层结的种类及判断；v了解大气稳定度的概念，掌握大气稳定度的判断方法；v了解逆温的种类以及烟流形状与大气稳定度的关系；v掌握风速廓线模式，了解地方性风场的形成机理，以及对污染物扩散的不利影响。3 第三章 大气污染气象学2、教学重点v掌握大气层结构及大气的热力过程。3、教学难点v大气的热力过程、大气稳定度和逆温。4第一节第一节 大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直结构5臭氧 吸收300平流层

2、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 ）50030007080506020409030040020010001030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 N2O2ArCO2NeHeKrH2XeO 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均质大气层：均质大气层：808085km85km以下，干洁空以下，干洁空气成

3、分基本不变气成分基本不变6一、大气圈垂直结构对流层对流层（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，主要天气和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层现象都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平均降平均降温温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7一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构平流层平流层（对流层顶（对流层顶5055km）同温层同温层对流层顶对流层顶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集

4、中了大部分臭氧臭氧没有对流运动，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8一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构暖层暖层（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）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v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9二、主要气象要素二、主要气象要素气象要素（因子

5、）：表示大气状态的物理量和物理现象。气象要素（因子）：表示大气状态的物理量和物理现象。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： 气温气温 气压气压 空气湿度（气湿）空气湿度（气湿） 风（风向、风速）风（风向、风速） 云况云况 能见度能见度 降水降水 蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射10二、主要气象要素二、主要气象要素1气温气温air temperature 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：在野外空气流通、不受太阳直射下测得的空在野外空气流通、不受太阳直射下测

6、得的空气温度。气温度。 在植有草皮的观测场中、在植有草皮的观测场中、1.5m高、百叶箱内高、百叶箱内测得测得 气温是用来衡量地球表面大气温度分布状况和变化态势的气温是用来衡量地球表面大气温度分布状况和变化态势的重要指标。重要指标。 11二、主要气象要素二、主要气象要素1气温气温air temperaturev影响气温的因素影响气温的因素 1）城市下垫面（大气底部与地表的接触面）城市下垫面（大气底部与地表的接触面）特性的影响特性的影响 2）城市大气污染）城市大气污染 3）人工热源的影响）人工热源的影响 4）城市里的自然下垫面减少）城市里的自然下垫面减少12二、主要气象要素二、主要气象要素2气压气

7、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。 国际上规定：温度国际上规定：温度0、纬度、纬度45的海平面上的气压的海平面上的气压为一个标准大气压，即为一个标准大气压，即1标准大气压标准大气压p0=101325Pa=1013.25hPa13二、主要气象要素二、主要气象要素3气湿气湿 反映空气中反映空气中水汽含量水汽含量和和空气潮湿程度空气潮湿程度的一个物理量。的一个物理量。 常用的表示方法有：绝对湿度、水汽压（水蒸气压常用的表示方法有：绝对湿度、水汽压（水蒸气压力）、饱和水汽压、含湿量、相对湿度、水汽体积分力）、饱和水汽压、含湿量、相对湿度、水

8、汽体积分数、露点等。数、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（kgkg）相对湿度空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝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对湿度的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（kgkg）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在一定气压下空气达到饱和状态时的温度露点在一定气压下空气达到饱和状态时的温度14二、主要气象要素二、主要气象要素 4风向和风速风向和风速 水平水平(horizontal)方向的空气运动

9、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） 风向：风的来向（风向：风的来向（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） 302. 3Fu 1516二、主要气象要素二、主要气象要素 4风向和风速17 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 某地区风玫瑰图。某地区风玫瑰图。同心圆表示风的频率，同心圆表示风的频率，例如，吹南风的频率例如，吹南风的频率约为约为11，其中风速，其中风速大于大于10.82

10、m/s的频率的频率约 为约 为 1 ， 风 速 在 ， 风 速 在3.355.41m/s的频率的频率为为3.5左右。左右。二、主要气象要素二、主要气象要素18 4风向和风速风向和风速风玫瑰图风玫瑰图 二、主要气象要素二、主要气象要素19 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。 云高：云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。指云底距地面的垂直距离，以米为单位。高云（高云（5000m以上）以上）中云（中云（2500-5000m）低云（低云（2500m以下）以下）二、主要气象要素二、主要气象要素20 5 5、云、云 云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空

11、分云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为为1010等份，有几份天空被云遮盖，云量就是几。等份，有几份天空被云遮盖，云量就是几。 国外，将天空分为国外，将天空分为8 8等份。等份。 总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度次和高度 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。 测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法定法 二、主要气象要素二、主要气象要素21v6能

12、见度：在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背：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景中看到或辨认出目标物的最大距离级别（09级，相应距离为5050000米） ，单位：，单位：m，Km。v能见度的大小反应了大气的混浊现象，反映出大气中杂质的多少。能见度的大小反应了大气的混浊现象，反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。大气中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。 二、主要气象要素二、主要气象要素22 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。

13、ho ho 太阳光线 地面 二、主要气象要素二、主要气象要素23 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。二、主要气象要素二、主要气象要素24第二节第二节 大气的热力过程大气的热力过程一、太阳、大气和地面的热交换一、太阳、大气和地面的热交换25第二节第二节 大气的热力过程大气的热力过程一、太阳、大气和地面的热交换一、太阳、大气和地面的热交换26第二节第二节 大气的热力过程大气的热力过程一、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以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量，为太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量，为

14、短波辐射短波辐射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 地面温度（土壤温度）的日变化是周期性的，具地面温度（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有一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在1313点左右，最低温度在日出前后。点左右，最低温度在日出前后。 气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，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。但振幅较小。大气对地面有保温效应大气对地面有保温效应 27二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化1.大气的绝热工程

15、与泊松方程 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）288.0000ppppTTpcR282.干绝热直减率：干空气块（包括未饱和的湿空气块）干绝热直减率：干空气块（包括未饱和的湿空气块）绝热上升或下降单位高度（绝热上升或下降单位高度（100m100m），温度降低或升），温度降低或升高的数值，称为干空气温度绝热垂直递减率。高的数值，称为干空气温度绝热垂直递减率。气温直减率气温直减率:气温随高度的变化率气温随高度的变化率 Tzddd iTz由定义：由定义：（）dd0.98K/10

16、0mdipTgzC111004J kg KpC由定义：由定义：（）dd0.98K/100mdipTgzC111004J kg KpC二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化292.气温的垂直分布（温度层结） Tz 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, a 0 不不 稳稳 定定 0, a 0 稳稳 定定中中 性性 层层 0， a= 0 中中 性性稳稳 定定 层层 0 ，a 0, a 0 不不 稳稳 定定 0, a 0 稳稳 定定中中 性性

17、 层层 0， a= 0 中中 性性稳稳 定定 层层 0 ，a 0 逆逆 温温 ， 非非 常常 稳稳 定定33四、逆温逆温不利于扩散逆温不利于扩散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v辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程 34四、逆温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35四、逆温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

18、气平流到冷地面上而下部降温而形成 冬季中纬度沿海地区海上暖空气流到大陆是，以及暖冬季中纬度沿海地区海上暖空气流到大陆是，以及暖空气平流到低地、盆地内积聚的冷空气上面时。空气平流到低地、盆地内积聚的冷空气上面时。dd4.4.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 36四、逆温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37五五、烟流形状与大气稳定度的关系烟流形状与大气稳定度的关系 v波浪型（不稳）波浪型（不稳）v锥型（中性锥型（中性or弱稳）弱稳）v扇型（逆温）扇型（逆温）v爬升型（下稳，上不稳）爬升型（下稳，上不稳）v漫烟型（上逆、下不稳）漫烟型（上逆、下不稳） 3839第三节 大气的运动和风v一、引起大气运动的作用力 直接作用力直接作用力重力重力气压梯度力气压梯度力间接作用力间接作用力 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） 垂直气压梯度力：与重力平衡垂直气压梯度力：与重力平衡水平气压梯度力水平气压梯度力40二二、大气边界层中风随高度变化大气边界层中风随高度变化 vEkman（