《大气污染物控制工程》大气污染气象学课件

1、第三章 大气污染气象学第1页，共63页。概述风 湍流水汽 热、光降水排放扩散传输转化沉降大气中的一次污染物大气中的 二次污染物去除空气质量第2页，共63页。本章主要内容大气圈结构及气象要素大气的热力过程大气的运动和风第3页，共63页。第三章 大气污染气象学3-1 大气圈结构及气象要素东 华 大 学第4页，共63页。对流层平流层暖层50 km80 km800 km 散逸层地球均质大气层非均质大气层27oC-83oC中间层-3oC-83oC15oC-53oC20 km一、大气圈的分层气温的垂直分布情况大气圈垂直结构第5页，共63页。中间层暖层50 km80 km800 km 散逸层地球27oC-8

2、3oC对流层每升高100 m，气温降低0.65 气体在垂直方向的对流强烈 温度和湿度的水平分布不均二、对流层(Troposphere)高度：赤道附近1718 km极地附近89 km集中了大气质量的3/4和几乎全部的水蒸气15oC-53oC两极对流层层顶低纬度对流层层顶平流层20 km第6页，共63页。对流层的分层边界层：对流层下层12 km，地面阻滞和摩擦作用明显近地层：从地面到50100 m左右自由层：大气边界层以上，地面摩擦可以忽略对流层对空气污染的影响？二、对流层(Troposphere)第7页，共63页。80 km800 km散逸层暖层地球三、平流层(Stratosphere)高度范围

3、：对流层顶50-55 km臭氧层：集中了大部分臭氧，在20-25 km高度达到最大值同温层：对流层顶 25-35 km， 气温-53-83左右逆温层：同温层以上，气温随高度增加而增加没有对流运动，污染物停留时间很长平流层O327oC-83oC中间层50 km -3oCo-83 C-53oC20 km同温层顶对流层15oC第8页，共63页。四、高层大气 中间层(平流层顶85 km)气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈地球27oC800 km散逸层暖层-83oC 80 km中间层50 km -3oC平流层20 km-83oC对流层第9页，共63页。四、高层大气 暖层(中间层顶800 km)气温随高

4、度升高而增高气体分子高度电离电离层紫外线的强烈照 射，气体分子被 高度电离地球27oC-83oC对流层800 km散逸层暖层-83oC 80 km中间层50 km -3oC平流层20 km第10页，共63页。四、高层大气 散逸层(暖层以上)气温很高，空气稀薄空气可摆脱地球引力而散逸地球27oC-83oC对流层800 km散逸层暖层-83oC 80 km中间层50 km -3oC平流层20 km第11页，共63页。大气压力总是随高度的升高而降低近地层高度每升高100米, 气压平均降低约12.4毫巴 (1 mb = 100 Pa = 1 hPa)五、大气静力平衡方程气压，hPa30oN, 3月均值

5、高度，km第12页，共63页。大气水汽分布 大气水汽分布第13页，共63页。其中Tm为Z1到Z2间的平均温度。 由于气温随高度变化，lnP与Z不呈严格的直线关系gRTm ln P2 ln P1 Z2 Z1 22PZP1Z1dP P gdzRT 五、大气静力平衡方程zP+dPZ+dzZPgdz30oN, 3月均值气压，hPa高度，km气压随高度递减关系的推导dP gdz PRT沿(Z1, P1)到(Z2, P2)积分：第14页，共63页。与大气污染有关的气象要素 气象要素：表示大气状态和物理现象的物理量 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

6、状（云况） 能见度 降水 太阳辐射、地面辐射等第15页，共63页。一、气温表示大气温度高低的物理量，反映一定条件下空气分子 平均动能大小单位：摄氏()、华氏()、开尔文(K)、兰氏(R)气温与大气污染的关系：气温决定光化学反应速率气温的垂直分布决定扩散条件第16页，共63页。二、气压表示大气压强的物理量单位：帕(Pa)、标准大气压(atm)、百帕(hPa) 或毫巴(mb)、毫米汞柱(mm Hg) 1 atm = 101325 Pa= 1013.25 mb (hPa)= 760 mm Hg气压的水平分布：高压不利于污染物扩散低压有利于污染物扩散第17页，共63页。气压随高度递减关系的推导气层静力

7、平衡：（假设气压沿水平方向不变）五、大气静力平衡方程P (P dP) gdz dP gdzP+dPPgdzzZ+dzZg重力加速度，m/s2； z高度，m； P气压，Pa。 空气密度， kg/m；第18页，共63页。气体状态方程（假设为干空气）：两式联立，得：P RTR 8.31 J/mol K 0.287 J/g K 29 g/moldP gdz PRT五、大气静力平衡方程P+dPPgdzzZ+dzZdP gdz气压随高度递减关系的推导第19页，共63页。反映空气中水汽含量的物理量绝对湿度：1 m3湿空气中含有的水汽质量w 绝对湿度，kg/m3；Pw水汽分压，Pa；T气温，K；mw湿空气中水

8、的质量，kg；w水的摩尔质量，kg/mol。三、空气湿度wPwPwVair mwR / w TRwT第20页，共63页。三、空气湿度或V 饱和空气的绝对湿度，kg/m3；PV 饱和水气压，Pa。绝对湿度相对湿度：同温度下饱和空气绝对湿度实际水汽分压饱和水汽压Pw w VPV第21页，共63页。三、空气湿度露点温度：在一定气压下，空气达到饱和状态时的温度。空气湿度对空气质量的影响：P = 1 atm T = 14 RH = 55%P = 1 atmT = 5 = 露点RH = 100%颗粒物吸湿增长水汽消光能见度变差降温水汽第22页，共63页。四、风水平方向的空气运动风的形成：风向：风的来向；8

9、个或16个方位圆周等分 风向对大气污染的影响:污染物向下风向输送、稀释气压水平分布不均温度 分布不均风第23页，共63页。四、风风速：单位时间内空气在水平方 向上运动距离单位：m/s，km/h，蒲福级(F)(km/h)F 3u 3.02 风速对大气污染的影响:其他条件相同时，下风向污染物浓度 与风速成反比风速越高，扩散稀释能力越强风级名称风速(m/s)风级名称风速(m/s)0无风0.00.27疾风13.917.11软风0.31.58大风17.220.72轻风1.63.39烈风20.824.43微风3.45.410狂风24.528.44和风5.57.911暴风28.532.65劲风8.010.7

10、12飓风32.76强风10.813.8第24页，共63页。四、风风玫瑰图 同心圆表示风的频率 例如：吹南风的频率约为11% 其中风速大于8 m/s的频率约为1% 风速在24 m/s的频率为6%左右WENS 8 m/s风速第25页，共63页。五、云况云：漂浮在空中的水汽凝结物云高：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，目力测定法中云（2500-5000 m）高云（5000 m以上）低云（2500 m以下）第26页，共63页。五、云况云量：指云遮蔽天空的成数。 我国：总共10成国外云量1.25 = 我国云量 国外：总共8成云量的记录：以总云量/低云量的形式记录, 如

11、10/2，8/3所有云遮蔽 天空的成数低云掩盖 天空的成数第27页，共63页。六、能见度重度霾雾雾中度霾霾混轻轻度霾合雾轻微霾物8090100相对湿度 %12510能见度 km 视力正常的人在当时的天气条件下，能够从天空背景中看到或辨 认出目标物的最大距离第28页，共63页。六、能见度能见度 10 km相对湿度 80%http:/ 10/29/content_2253055.htm能见度的影响因素：降雨、空气湿度、大气污染物浓度能见度 90%水滴/xinwen/2015- 01/04/content_2799765.htm颗粒物混合第29页，共63页。七、其他气象要素 太阳高度角ho，即太阳光

12、线与地平线间的夹角，随时间而变化，是影响太阳辐射 强弱的最主要因素之一。 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、雹等。降水是清除大气污染物的重要机制之一：湿沉降hoho太阳光线地面hoho第30页，共63页。第三章 大气污染气象学3-2 大气的热力过程东 华 大 学第31页，共63页。一、太阳、大气和地面的热交换太阳、大气和地面之间依靠辐射传热，大气在运动过程中不断与太阳 和地面进行热量交换，构成大气的热力运动太阳短波辐射1368瓦/米250%43%7%第32页，共63页。地球长波辐射一、太阳、大气和地面的热交换地球吸收51% 的太阳辐射地球以长波 向外辐射第33页，共6

13、3页。大气层的作用 吸收、散射和反射49%的太阳辐射 吸收地面长波辐射 向下辐射加热地面，对 地球起到保温保护作用一、太阳、大气和地面的热交换大气反射6%云反射20%感热7%地面吸收51%大气吸收16%地面反射4%64%6%云吸收3%潜热23%大气吸收15%100%第34页，共63页。 气团升降过程中的温度变化二、气温的垂直变化绝热上升，因周围环境气压降低而膨胀，对外做功导致气体内能减少，温度降低；绝热下降，因周围环境气压增加而被压缩，外力对气体做功内能增加，温度升高；低压低温高温高压第35页，共63页。由状态(T0, p0)到状态(T,p)积分，得到泊松方程0.288R/ cpT0T = P

14、 P = P0 P0 TcpP气团升降可视为绝热过程，则dQ = 0dT = R dP绝热升降中气温的变化完全由气压的变化引起二、气温的垂直变化泊松方程对于单位质量的气团，根据热力学第一定律：dQ cv dT PdVm代入理想气体状态方程：P RT RTdPdPPPdQ cv RdT RTVm cpdT RT第36页，共63页。二、气温的垂直变化干绝热直减率d：干空气块绝热上升或者下降单位高度的温度变化量由代入大气静力平衡方程从而：d dTi dZ dTcpPdT R dPdZcp PdZcpdZ得到： dT RT dP 1 dPd dTi g 0.98 K/(100m) dZ dcp位温：干

15、空气块绝热升降到标准大气压所具有的温度0.288R/ cpPP 1013 1013 = T0 = T0 00空气团作绝热运动，位温不变pR/ cT P = TP00 dZdP g第37页，共63页。 气温的垂直分布气温直减率：单位高度气温的变化值温度层结：根据气温与高度的变化关系作图得到的曲线二、气温的垂直变化 TZ d = d = 0 风速随高度增加而增大风向与等压线的交角减小Ekman(埃克曼)螺旋线:大气边界层内风矢随高度变化的分布二、风随高度的变化高空风向地面风向高度地面20 30第58页，共63页。风速廓线：平均风速随高度变化曲线对数律风速廓线模式中性层结、近地层：对数律，粗糙度和摩

16、擦速度u 高度Z处的平均风速；k 卡门常数，0.4；二、风随高度的变化0kZu u * ln Zu* 摩擦速度；Z0 地面粗糙度。地面类型Z0 /cm有代表性的Z0 / cm草原1103农作物地区103010村落、分散的树林2010030分散的大楼（城市）100400100密集的大楼（大城市）400300第59页，共63页。u1 已知高度Z1处的平均风速，m/s；m 稳定度参数。大气稳定度ABCDE，Fm城市00.250.30乡村0.070.05风速廓线：平均风速随高度变化曲线指数律风速廓线模式对非中性条件或者300500 m的中性大气层：二、风随高度的变化m Z u u1 Z1 第60页，共63页。海陆风:由于海陆受热不均