内工大大气污染控制工程

第3章大气污染气象学教学内容§1大气圈结构及气象要素§2大气的热力过程§3大气的运动和风1第3章大气污染气象学1、教学要求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、大气稳定度和逆温的概念。2、教学重点掌握大气层结构及大气的热力过程。3、教学难点大气的热力过程、大气稳定度和逆温。建议学时数：2学时23§1大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直结构第3章大气污染气象学4高度(km)一、大气圈垂直结构每升高100m，气温降低0.65℃

N2O2ArCO2NeHeKrH2XeO3越往上氧、氦等气体的原子态越多紫外线的强烈照射，N2和O2产生不同程度的离解5一、大气圈垂直结构对流层（～10km左右）集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层温度随高度的增加而降低，每升高100m平均降温0.650C强烈对流作用温度和湿度的水平分布不均(温暖潮湿、寒冷干燥）对流层下层1～2km，地面阻滞和摩擦作用明显－大气边界层大气边界层以上，地面摩擦可以忽略－自由大气地面上50～100m－近地层6一、大气圈垂直结构平流层（对流层顶～50~55km）同温层－对流层顶35~40km，气温-550C左右同温层以上，气温随高度增加而增加集中了大部分臭氧没有对流运动，污染物停留时间很长中间层（平流层顶～85km）气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈7一、大气圈垂直结构暖层（中间层顶～800km）气温随高度升高而增高气体分子高度电离－电离层散逸层（暖层以上）气温很高，空气稀薄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均质大气层（匀和层）－80～85km以下，成分基本不变（湍流扩散）8二、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，气象学中统称为～。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。9二、主要气象要素1．气温

表示大气温度高低的物理量。天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。

10二、主要气象要素2．气压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体静力学方程式描述，即ΔP=-ρgΔZ，其积分式—压高公式：据实测近地层高度每升高100米，气压平均降低约12.4毫巴（1mb=100Pa)，1hPa=100Pa在高层小于此值。单位：mb（毫巴）

大气的压强1atm＝101326Pa＝1013.26mb=760mmHg

静力学方程:

11二、主要气象要素3．气湿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、含湿量、相对湿度、露点等。绝对湿度－1m3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百分比含湿量－湿空气中1kg干空气包含的水汽质量比湿水汽体积分数－水汽在湿空气中所占的体积分数露点－一定气压下空气达到饱和状态时的温度12二、主要气象要素3．气湿

13

二、主要气象要素4.风向和风速（windspeedanddirection)什么是风？空气的流动就形成风。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均是由温度分布不均造成。

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。14二、主要气象要素

4．风向和风速水平(horizontal)方向的空气运动称为风。（垂直方向－升降气流）风的来向叫风向（16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（2或10min平均）

(km/h)

F－风力级（0～12级）

1516二、主要气象要素

4．风向和风速风玫瑰图

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11％，其中风速大于10.82m/s的频率约为1％，风速在3.35～5.41m/s的频率为3.5左右。1718二、主要气象要素5、云云：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云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为10等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的1/10，云量记为1；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的1/20）记为10；当天空无云或云量不到1/20时，云量为0。国外，将天空分为8等份。国外云量与我国云量间的关系，国外云量×1.25=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。低云量：低云的云掩盖天空的成数。云量的记录：一般总云量/低云量的形式记录，如10/7。云状：多种多样，1932年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法

19云

高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）20二、主要气象要素6．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（0~9级，相应距离为50～50000米）

，单位：m，Km。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。

21二、主要气象要素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。22§2大气的热力过程一、太阳、大气和地面的热交换1、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。2、大气对太阳辐射的减弱及影响因素（1）吸收辐射;（2）散射作用;（3）反射;（4）透过大气层.3、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，具有一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在13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，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辐射加热地球表面地面长波辐射加热大气近地层大气温度随地表温度变化23

太阳能太阳是一个巨大、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（约为3.75×1026W）的22亿分之一，但已高达173,000TW（1012W），也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。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24太阳常数地球在日地平均距离处时，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波长的太阳辐射总能量它常以S表示，其值为：1.96卡／（厘米2·分）1367瓦／米2多数文献上：1370瓦／米2一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3.4％25太阳辐射光谱太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区可见光区占太阳辐射总量的50％红外区占43％紫外区只占能量的7％在波长0.48微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值，数值约为3.0卡/cm2.分以上262728辐射的规律(1)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(2)温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。如太阳表面温度为6000°K，而地球表面的平均温度为288°K，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(3)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长。例如，太阳放射的最大辐射波长0.5微米，而地球放射的最大辐射波长为10微米。(4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；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)；对于另外波长的辐射，则近乎不透明的(即吸收很强)29

太阳辐射在大气中的减弱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假设大气层顶的太阳辐射是100％。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和反射(反射云量反射表示)，向上散射占4％，大气吸收占21％,云量吸收占3％,云量反射占23％30％反射和散射回宇宙20％被大气吸收50％被地面吸收30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。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。高云：平均反射25％中云：平均反射50％低云：平均反射65％稀薄云：10-20%很厚的云层：反射可达90％云量反射平均：达50～55大气对太阳辐射的反射31二、气温的垂直变化气温直减率

（大气）干空气温度绝热垂直温度递减率－

干绝热直减率

（空气团）一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换

空气块膨胀（做功）耗内能T定性空气块压缩（外气对它做功）T内能（由压力变化引起）321.气温直减率定量：热力学第一定律

（第一定律＋状态方程）

其中

331.气温直减率341.气温直减率代入上式得：实际中，Ti、T相差<10K，则352.气温的垂直分布（温度层结）

气温的垂直分布－温度层结、温度层结曲线361.大气稳定度的概念定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流

定性描述：

外力使气块上升或下降气块去掉外力气块减速，有返回趋势，稳定气块加速上升或下降，不稳定气块停在外力去掉处，中性不稳定条件下有利于扩散三、大气稳定度372.大气稳定度的判据定量判断

三、大气稳定度38则有判据：

2.大气稳定度的判据39四、逆温逆温不利于扩散根据逆温生成的过程，可将逆温分为辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温及湍流逆温等五种。1.辐射逆温：由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温，称为辐射逆温。在晴朗无云(或少云)、风速不大的夜间，地面辐射冷却很快，贴近地面气层冷却最快，较高的气层冷却较慢，因而形成自地面开始逐渐向上发展的逆温层。

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

40四、逆温辐射逆温的生消过程41四、逆温2.下沉逆温（多在高空大气中，高压控制区内）很厚的气层下沉

压缩变扁

顶部增温比底部多42四、逆温3.平流逆温暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成（暖空气平流到盆地内积聚的冷空气上面）4.湍流逆温低层空气的湍流混合形成的逆温

下层湍流混合达上层出现过渡层逆温

43四、逆温5.锋面逆温冷、暖气团相遇冷暖间逆温

暖气上爬，形成锋面44五、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（逆温）爬升型（下稳，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳）

4546§3大气的运动和风一、引起大气运动的作用力

G=-1/ρ（зP/зn）

直接作用力

重力水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡）间接作用力地转偏向力（相对运动：方向改变）惯性离心力（大气曲线运动：很小）摩擦力（近地1～2km内明显）

47水平气压梯度力G=-1/ρ（зP/зn）大气中空气密度ρ=1.293kg／m3，水平气压梯度зP/зn=1hPa／赤道度(1赤道度=111km)，则可算出G=7×10-4N/kg。在这一水平气压梯度力作用下，1kg大气可获得0.07cm／s2的加速度，如果此力持续3h，可使风速由零增大到7.6m/s。可见，尽管水平气压梯度力很小，但却是大气水平运动的直接动力。48地转偏向力由于地球自转而产生的使运动着的大气偏离气压梯度方向的力，称为地转偏向力。如果以v、ω、φ分别表示风速、地球自转角速度、当地纬度，以Dn表示水平地转偏向力，则有Dn=2vωsinφ性质：①伴随风速的产生而产生；②水平地转偏向力的方向垂直于大气运动方向，在北半球指向运动方向的右方，在南半球则指向左方；③由于与运动方向垂直，所以只改变风向，不改变风速；④该力正比于sinφ，随纬度增高而增大，在两极最大(2vω)，在赤道为零。49二、大气边界层中风随高度变化

Ekman（爱克曼）螺旋线（北半球下视，地偏力指向运动右方，故顺时针；南半球则相反）

高度增高，风速增大，方向逐渐接近地转风。

50地转风是指自由大气中空气的水平等速直线运动，是指无加速度、惯性离心力不起作用情况下的运动。在这种运动中，只有水平气压梯度力和地转偏向力起作用。地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。

51三、近地层风速廓线模式

1.对数律风速廓线模式平均风速随高度变化中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度52三、近地层风速廓线模式

2.指数律风速廓线模式平均风速随高度变化非中性层结：

指数律，稳定度参数53四、地方性风场

1．海陆风

54四、地方性风场

2．山谷风

55四、地方性风场

3．城市热岛环流

56城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风。产生城乡温度差异的主要原因是：①城市人口密集、工业集中，使得能耗水平高；②城市的覆盖物(如建筑、水泥路面等)热容量大，白天吸收太阳辐射热，夜间放热缓慢，使低层空气冷却变缓；③城市上空笼罩着一层烟雾和二氧化碳，使地面有效辐射减弱。由于上述原因，使城市热量净收入比周围乡村多，平均气温比周围乡村高(特别是夜间)，于是形成了所谓城市热岛。据统计，城乡年平均温差一般为0.4～1.5℃，有时可达3～4℃。其差值与城市大小、性质、当地气候条件及纬度有关。由于城市温度经常比乡村高(特别是夜间)，气压比乡村低，所以可以形成一种从周围农村吹向城市的特殊的局地风，称为城市热岛环流或城市风。这种风在市区汇合就会产生上升气流。因此，若城市周围有较多排放污染物的工厂，就会使污染物在夜间向市中心输送，造成严重污染，特别是夜间城市上空有逆温存在时。57图3-1城市热岛示意图58本章小结1.影响大气污染的主要气象要素：

气温、气压、空气湿度（气湿）、风（风向、风速）、云况、能见度、降水、蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。2.热力因子影响大气污染的主要原因3.动力因子影响大气污染的主要原因作业题P82～831.3.759日地距离又称太阳距离。指的是日心到地心的直线长度。由于地球绕太阳运行的轨道是个椭圆，太阳位于一个焦点上，所以这个距离是变化的。其最大值为15210万千米（地球处于远日点）；最小值为14710万千米（地球处于近日点）；平均值为14960万千米；这就是一个天文单位，1976年国际天文学联合会把它确定为149597870千米，并从1984年起用。按此距离计算，太阳光到达地球表面只需8分18秒。1677年，21岁的哈雷对将要发生在1761年的金星凌日作了预报，他明白，自己是无法亲自看到那年的金星凌日了。但哈雷相信，只要通过观测金星凌日得到了金星的视直径，并且知道金星的公转周期，则太阳视差可以很容易地由开普勒第三定律推算出来，从而计算日地距离。601761年，果然如哈雷所料，出现了金星凌日，但由于金星路径太过接近太阳边缘，无法精确测量，天文学家们只好相约8年后，1769年的另一次金星凌日时再完成哈雷这桩壮志。

1769年5月23日，在欧洲天文学家与航行至塔希提岛的库克船长合作观测下，终于得到精确的观测资料。值得一提的是，当时英法两国正在交战，但为了完成这项历史性的科学探测任务，法国政府特别下令海军不但不得攻击库克船长的奋进号（ENDEAVOUR），还必须保护其航行安全。正是在这种国际合作之下，数百年来未解的“天文单位”才得以在这难得的天象机会下见诸于世人。

1771年，法国天文学家拉朗德（Lalande）根据这次珍贵的观测资料，首次算出了地球与太阳间的距离大约为1.52～1.54亿公里，与今日的测量值1.49597870691亿公里甚为接近。611.湿空气和湿蒸汽、饱和空气和饱和蒸汽，它们有什么区别？[答]：湿空气与湿蒸汽的区别：湿空气指的是含有水蒸汽的空气，它是干空气（完全不含水蒸汽）与水蒸汽的混合物，湿空气中的水蒸汽通常处于过热状态。湿蒸汽是潮湿蒸汽的简称，它是饱和液体和饱和蒸汽的混合物，两相处于平衡状态，湿蒸汽处于饱和状态。饱和空气和饱和水蒸汽的区别：饱和空气是指湿空气中所含水蒸汽的分压力达到了当时温度所对应的饱和压力，不再具有吸湿能力，如果再加入水蒸汽，就会凝结出水珠来。饱和蒸汽则是指可以与同温同压的(饱和)液体平衡共存的蒸汽。62由于地球自转而产生的作用于运动空气的力，也称科里奥利力。它只是在物体相对于地面有运动时才产生。物体处于静止状态时，不受地转偏向力的作用。它的方向同物体运动的方向相垂直，大小同风速和所在纬度的正弦成正比。

它只能改变物体运动的方向，不能改变物体运动的速率。

在北半球，它指向物体运动方向的右方，使物体向原来运动方向的右方偏转；在南半球则相反，使物体向原来运动方向的左方偏转。在风速相同的情况下，它随纬度的增高而增大。赤道上地转偏向力等于零；在两极，地转偏向力最大。由于它的作用，北半球河流流向的右岸受到流水的冲刷比左岸要厉害一些，因而右岸往往比左岸要稍陡一些。63垂直地转偏向力是地转偏向力的垂直分量。在地平面绕着平行于该平面的轴旋转的情况下，使相对于地平面作水平运动的空气产生垂直运动趋向的力，称为垂直地转偏向力。自转地球的赤道地平面的东边一侧总是“下降”的，西边一侧总是“上升”的。如有向东运动的空气块，由于赤道平面的人看来，气块有上偏的趋势；同理，向西运动的气块有下偏的趋势，人们便认为空气块受到了一个垂直向上的地转偏向力。赤道和极地之间各纬度上的地平面以角速度ω围绕平行于地轴的轴旋轴，轴与地平面的交角为（当地地理纬度）。该水平面绕轴转动可以分解为两个分量，一是绕平行于地平面的水平轴转动，一是绕垂直于地平面的垂直轴转动。绕水平轴转动的分量与在赤道平面上的情形相同，产生垂直地转偏向力。64地转风是指自由大气中空气的水平等速直线运动，是指无加速度、惯性离心力不起作用情况下的运动。在这种运动中，只有水平气压梯度力和地转偏向力起作用。地转风是自由大气中水平气压梯度力和地转偏向力相平衡时的空气的