第三章污染气象学基础知识

1、注：本页为每次课教案首页本次课题（或教材章节题目） ：第三章 污染气象学基础知识 第一节 主要气象要素及大气的基本物理性质 第二节 大气的热力过程教学要求： 主要介绍与大气污染相关的气象学基本知识， 包括大气圈的结构、 主要气象要素、 大气热力过程、大气稳定度和逆温、大气的运动和风场等知识点，熟练运用风速廓线模式。重 点：影响大气污染物扩散的主要因子： 风、温度层结、 大气稳定度、 气温垂直直减率。难 点： 温度层结、大气稳定度、气温垂直直减率的判断。教学手段及教具：多媒体讲授内容及时间分配：第一节 主要气象要素及大气的基本物理性质 第二节 大气的热力过程讲课时间： 2 学时课后作业P82 3

2、.2 3.4参考资料大气污染控制工程 林肇信 主编，高教出版社 大气污染控制工程 郝吉明 ， 马广大 编著，高教出版社 大气污染控制工程 郭静 ， 阮宜纶 主编，化工出版社 大气污染治理工程 蒲恩奇 主编，高教出版社 大气污染控制工程 （影印版 ） Noel de Nevers 主编，清华大学出版社§31 主要气象要素及大气的基本物理性质一、低层大气的成分： 干洁空气、水汽、气溶胶粒子二、大气的垂直结构 （第一章相关内容 ）三、影响大气污染的主要气象要素气象要素（因子）：表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称主要有： 气温、气压、湿度、风（风向、风速） 、云况、能见度、降水、蒸

3、发、 日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。1、气温：2、气压3、空气湿度（气湿）：4、风（1）什么是风？（2）形成：（3）风的度量（风向和风速） 风速（风的大小）的表示；测定 风向（风的来向）表示： 8 个方位或 16 方位表示（地面风） ，见图 3-2； 用角度表示（高空风） ：（4）性质：随时在变化：随高度变化：随地理位置而变：5、云6、能见度7、太阳高度角如右图， ho 即太阳高度角，它随时间而变化。8、降水§3-2 大气的热力过程一、太阳辐射 （补）太阳以紫外线 （0.4 m）、可见光（0.4 0.76m） 、红外线（0.76 m）的 形式辐射热量太阳辐射加热地球表面

4、地面长波辐射 （ 主要 3120m）加热大气 近地层大气温度随地表温度变化二、气温的垂直变化1、大气的绝热过程（1）热力学第一定律大气中的热力学过程遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。表示加于任一封闭物系（气体）的热量 Q等于该物系内能的变化 U 和物系对外所做的功 W ， 即：QUW在无非膨胀功时，其微分表达式为：dQ CvdT PdV 将状态方程 PV RT 代入上式，并取 Cp Cv R，则上式写成 dPdQ CpdT RT pP变形为：dQ RT dPCp Cp P式中： dQ加入物系的热量；（2）大气绝热过程 R气体常数； Cp恒压比气块在大气中的运动近似认为是绝热变化原因：空气的导

5、热率较小，变化慢；气块大气中运动很快；气压变化很大。 大气的绝热方程： 绝热： Q 0 ，式变为： 两边积分，得dT R dPT CP PT2P2R RCP即有：T1P1因 CP - CV = R 又 CP/CV = K ，对于空气 K=1.404于是得大气绝热方程：2、干绝热递减率 ：绝热垂直递减率（绝热直减率） ：气块在绝热过程中，垂直方向上每升降单 位距离时的温度变化值。 （通常取 100m），单位： /100m。（1）准静力条件 绝热过程若进行的十分缓慢， 可使外界气压变化与系统内部气压变化充分平 衡，每一瞬间外部气压与内部气压看成是相等的，即 P=P 环，这个条件称为准静 力条件。（

6、 2）干绝热直减率 d定义： ddT'dTgdZdZ CP实际中， T（气块温度 ）、T （环境温度）相差 <10K， T/ T1推导过程如下：根据热力第一定律，导出绝热过程方程式为：dT R dP T CP P又气压随高度变化规律：dPdZg dP gdZ又理想气体状态方程： PV RT P RT将代入，则得： dT gdZC pddTgddZC P若不计高度、纬度影响，取 g=9.18m/s2，CP=1004.8J/（Kg·K） 干绝热垂直递减率 d（干绝热直减率） : 干气块（包括未饱和湿空气）在绝 热过程中，垂直方向上每升降单位距离的温度变化值。 （通常取 10

7、0 米），根据计 算，得到 d 约为 0.98/100m，近似 1/100m。（3）湿空气的绝热变化 凝结高度：湿空气上升达到饱和状态并开始凝结的高度。凝结高度以下， 其温度变化同干空气一样； 凝结高度以上， 温度变化小于干空气的变化值，饱和空气每上升（或下降）单位距离空气的温度变化，称为湿绝热 递减率 m，约为 0.5 /100m。三、大气的静力稳定度定义：1、气温的垂直分布 （1）温度层结：温度随高度的分布情况。（2）温度层结类型 温度随高度的增加而降低（ Zt），正常分布，或递减层结。 温度梯度等于或近似于 1/100m，称中性层结。 温度随高度增加而升高（ Zt），称为逆温层结。 温度

8、不随高度变化，称为等温层结。见下图所示：夜里H早上4）温度变化的实质5）环境温度直减率：环境温度的变化。ddTZ不是一常数，随太阳辐射、气候等而变化，对流层中环境温度直减率的平均值为0.65/100m。（ 6）位温（ ） 定义：T 1000 R CTP其中： T、P 分别为气块最初的温度和压力。 重要性质：任何一气块的位温是不变的（干绝热情况） ； 位温是变化的（非绝热情况） 。位温比气温更能代表气块的热力学性质。321 标准大气压力 =1013.32mb（毫巴） 1mb=103达因 /cm22、大气稳定度（1）什么是大气稳定度？（2）大气稳定度的分类（ 3 类）如果一空气块由于某种原因受到外

9、力的作用，产生了上升或者下降的运动， 当外力消除后，可能发生三种情况： 气块逐渐减速并有返回原来高度的趋势，此时大气是稳定的。 气块仍然加速上升或下降，此时大气是不稳定的。气块停留在外力消失时所处的位置，或者做等速运动，这时大气是中性（3）如何判别大气的稳定度？ 判断大气是否稳定：对于未饱和空气、干空气 ，可利用 d 0 来判断；而对饱和空气 而言，用 m 0 来判别，用位温梯度判别0，Z0， Z0， Zd时，气层稳定 d时，气层不稳定 d时，气层中性用层结曲线（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）的分布来判断大气稳定度。四、逆温1、定义： 温度随高度

10、的增加而增加，此时 dT 0 。dZ2、跟我们研究污染有关的因素：逆温层的消失时间； 逆温层底的高度； 逆温层的厚度； 逆温的强度（温度随高度的变化情况） 。 逆温的最危险状况是逆温层正好处于烟囱排放口。3、逆温形成的过程 形成逆温的过程多种多样，最主要有以下几种： 辐射逆温（较常见） ； 平流逆温； 锋面逆温；湍流逆温； 下沉逆温。要求掌握辐射逆温的形成机理，了解其它辐射逆温的形成机理第 6 次课 2 学时注：本页为每次课教案首页上次课复习：1、影响大气污染的几个主要气象要素； 2、干绝热直减率的定义； 3、逆温的定义与类型； 4、大气稳定度类型及判定方法。本次课题（或教材章节题目） ：第三

11、章 污染气象学基础知识第三节 大气污染与气象的关系教学要求： 掌握大气热力过程、 大气稳定度和逆温、大气的运动和风场等知识点。 判断大气稳定度、理解逆温对大气污染的影响、烟流形状与大气气象的关系，重 点：判断大气稳定度、理解逆温对大气污染的影响、烟流形状与大气气象的关系。难 点：判断大气稳定度、混合层高度、逆温对大气污染的影响。教学手段及教具：多媒体讲授内容及时间分配：第三节 大气污染与气象的关系 讲授时间： 2 学时课后作业P82 3.6 3.10参考资料§3-3 大气污染与气象的关系、边界层的风和湍流对大气污染的影响风、湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接最本质的因素（一）风

12、对大气污染物扩散和输送的影响 风对污染物的作用体现为风向和风速两方面的影响。1、风向影响污染物的水平迁移扩散方向。2、风速的大小决定了大气扩散稀释作用的强弱。（1）风速随高度的分布：对数律；指数律。2）风向频率和污染系数风向频率某风向出现次数100 %各风向的总次数 100 %污染系数风向频率P该风向的平均风速P越大，某下风向污染越严重（二）湍流1、什么是湍流？2、湍流与扩散的关系3、形成： 近地层大气湍流有两种：热力湍流；机械湍流。归纳而言 ：风速越大，湍流越强，污染物扩散速度越快，污染物浓度越低。（三）地方性风场 （ 自学） 如海陆风、山谷风及城市热岛环流等。二、大气稳定度对大气污染的影响

13、 以一个高架源连续排放烟云为例进行说明。 下面是与稳定度有关的五种典型 烟流，（参见书 P61，图 3-15）。烟流型与大气稳定度的关系波浪型 不稳； 锥型 中性 or 弱稳； 扇型（平展型 ）逆温； 爬升型 （屋脊型） 下稳，上不稳； 漫烟型 （熏烟型） 上逆、下不稳三、降水对大气污染的影响四、云量与辐射的昼夜变化五、天气形势的影响六、大气污染指数 污染指数 Id：IdSPuh式中： Idd方向上的污染指数，无量纲； P降水； S大气稳定度； u风速； h混合层高度。Id越大，d 方向下侧的污染较重。实践证明， Id0.8时，为清洁型大气上次课复习：1、大气污染与气象的关系2、边界层的风和湍流对的影响3、烟流型与大气稳定度的关系本次课题（或教材章节题目） ：第三章 污染气象学基础知识 第四节 大气扩散模式教学要求： 1