大气污染气象学

1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21、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。3大气扩散源受体大气扩散酸雨越境转移

大气科学大气物理、化学……大气气象学……污染气象学……气象条件对污物的稀释、扩散作用污染物对气象的影响

第3章大气污染气象学4§1大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直结构气象因素（气温）的垂直分布情况均质层：80～85km以下，成分基本不变。对流层，平流层，中间层非均质层：暖层（电离层），外层（逸散层）大气压力总是随高度的升高而降低第3章大气污染气象学5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6一、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大气边界层－对流层下层1～2km，地面阻滞和摩擦作用明显自由大气－大气边界层以上，地面摩擦可以忽略

近地层－地面上50～100m，热量和动量的常通量层7一、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8一、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9二、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，气象学中统称为气象要素。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。10二、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：距离地面1.5m高、百叶箱内观测的空气温度。

11二、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)。单位：mb（毫巴）

大气的压强1atm＝101326Pa＝1013.26mb=760mmHg

静力学方程:

12二、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水汽体积分数－水汽在湿空气中所占的体积分数露点－同气压下空气达到饱和状态时的温度13二、主要气象要素露点：空气相对湿度100%，大气压为1atm，露点即为28度14二、主要气象要素

4．风向和风速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。水平方向的空气运动称为风。

（水平方向的空气运动称为升降气流，对应大气稳定度。）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）(m/s，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。17二、主要气象要素5、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。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×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。18

高云（5000m以上）：白丝透明状中云（2500-5000m）白色无光泽低云（2500米以下）低黑大云块5、云云高：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。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。

20§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21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2223

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24二、气温的垂直变化气温直减率

（大气）干空气绝热绘制温度递减率－

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）251.气温直减率定量：热力学第一定律

其中

261.气温直减率271.气温直减率代入上式得：实际中，Ti、T相差<10K，则282.气温的垂直分布（温度层结）

气温的垂直分布－温度层结

291.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302.大气稳定度的判据定量判断

三、大气稳定度31

则有判据：

2.大气稳定度的判据32四、逆温逆温不利于扩散辐射：1.辐射逆温：

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

太阳

地球

：短波

地球

大气层：长波

大气吸收长波强33四、逆温辐射逆温的生消过程34四、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35四、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4.湍流逆温下层湍流混合达上层出现过渡层逆温

36四、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37五、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）

383940§3大气的运动和风一、引起大气运动的作用力

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）

41二、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。

42三、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43三、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