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1、大气污染控制工程,(AIR POLLUTION CONTROL ENGINEERING),第三章 大气污染气象学,大气圈结构及气象要素 大气热力过程 大气的运动和风 理解气象学基础知识,建议学时数：2学时,第三章 大气污染气象学,大气科学,大气物理、化学 大气气象学 污染气象学,环境科学,(1)各种气象条件对大气污染物的传输与扩散作用 (2)大气污染物质对天气和气候的影响,Meteorology for Air Pollution 大气污染气象学 研究大气运动与大气中污染物相互作用的学科,污染气象学的发展简史,第三章 大气污染气象学,教学内容： 第一节 大气圈结构及气象要素 第二节 大气的热力
2、过程 第三节 大气的运动和风,第三章 大气污染气象学,大气圈的垂直结构,一、大气圈垂直结构,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12km，地面阻滞和摩擦作用明显,气温日变化明显 自由大气：大气边界层以上，地面摩擦可以忽略,对流层（10km左右）,一、大气圈垂直结构,1 大气边界层特征,同温层对流层顶35-40km，气温-55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 气温随高度升高而迅速降低 对流
3、运动强烈,平流层（对流层顶50-55km）,中间层（平流层顶85km）,气温随高度升高而增高 气体分子高度电离电离层 气温很高，空气稀薄 空气粒子可以摆脱地球引力而散逸,暖层（中间层顶800km）,散逸层（暖层以上),大气压力总是随高度的升高而降低 均质大气层: 8085km以下，大气成分基本不变,一、大气圈垂直结构,高度(km),每升高100m，气温降低0.65,N2,O2,Ar,CO2,Ne,He,Kr,H2,Xe,O3,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,一、大气圈垂直结构,大气气压场分布,大气水汽分布,气温 气压 气湿 风向 风速 云况 能见
4、度,天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。,1、气 温,单位：mb（毫巴） 大气的压强： 1at101326Pa1013.26mmb = 760mmHg 静力学方程:,2、气 压,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：一定气压下空气达到饱和状态时的温度,3、气 湿,风：水平方向的空气运动叫做风（垂直方向为升降气流） 风向：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平均值） (km/h)
5、F风力级（012级）,4、风向、风速,风玫瑰图,风玫瑰图,某城市年及各季风向频率,风玫瑰图制作方法： 做一个极坐标（16位，8位）； 将观测的风频按一定比例点在相对应方位的一定线段； 将各点用折线连接起来； 将静风频率记在图的中心。,风玫瑰图,某城市年及各季风向频率,课堂练习：制作风玫瑰图,某城市污染系数表,新建工厂应建在市区的东北(NE)方向上，有利于大气污染向市区外部扩散。,云：大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小） 云量: 天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分） 云高: 云底距地面底高度 云量的记录：以总云量/低云量的形式记录，如10/7,低云（2500m以下） 中云（25
6、005000m） 高云（5000m以上）,5、云,云,高云（5000m以上）,中云（2500-5000m）,低云（2500米以下）,正常视力的人，在天空背景下能看清的最大水平距离 级别（0-9级，相应距离为5050000米）,5、能见度,第三章 大气污染气象学,教学内容： 第一节 大气圈结构及气象要素 第二节 大气的热力过程 第三节 大气的运动和风,第三章 大气污染气象学,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,温室效应,（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
7、（气体）的热量等于该物系内能的变化和物系对外所做的功，即： 在无非膨胀功时，其微分表达式为： 将状态方程 代入上式，并取 ， 则上式写成 变形为： 式中：dQ加入物系的热量； R气体常数； Cp恒压比,第三章 大气污染气象学,1、大气的绝热过程与泊松方程,第三章 大气污染气象学,1、大气的绝热过程与泊松方程,（2）大气绝热过程 气块在大气中的运动近似认为是绝热变化。 原因：空气的导热率较小，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：,将 变为,两边积分，得 即有： 因CP - CV = R 又 CP/CV = K，对于空气K=1.404 于是得大气绝热方程： 这就
8、是绝热方程，亦称泊松（Poisson）方程。,定义：干空气块（包括未饱和的湿空气块）上升或下降单位高度（通常取100m）时，温度降低或升高的数值，称为干空气温度绝热垂直递减率，简称干绝热直减率。 表示方法： 定义式：,第三章 大气污染气象学,2、干绝热直减率,推导： 根据热力第一定律，导出绝热过程方程式为： 又气压随高度变化规律： 又理想气体状态方程： ,第三章 大气污染气象学,2、干绝热直减率,将代入，则得： 整理得：,定义：气温随高度的变化特征可以用气温垂直递减率来表示，简称气温直减率，指单位（通常取100m）高差气温变化率的负值。 表示方法： 定义式：,第三章 大气污染气象学,3、气温的
9、垂直分布,温度层结： 气温沿垂直高度的分布，可用坐标图上的曲线表示（图），气温沿高度分布曲线或温度层结曲线，简称温度层结 大气中的温度层结有四种类型：,1、正常分布层结（递减） 2、中性层结 3、等温层结 4、逆温层结,3、气温的垂直分布,定义： 大气稳定度是指垂直方向上大气的稳定程度，即是否易于发生对流。 定性描述：外力使气块上升或下降,1、大气稳定度的概念,当气块去掉外力时,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,污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切关系,定量判断:,气块： 环境：,（单位体积块）加速度 ， 将 代入上式得：,2、大气稳定度的判别
10、,则得：,判据：,2、大气稳定度的判别,1、大气稳定度的判别 （1） ，a0,气块加速度与其位移方向相同，气块加速运动，大气不稳定 （2） ，a0,气块加速度与其位移方向相反，气块减速运动，大气稳定 （3） ，a=0,大气是中性的,2、大气稳定度的判别,10.8,11,13,12, 0.7,13.2,12.0,300,100,200,11.3,12.7,12.0, 1.0, 1.2,高度/米,： d 不稳定,空气块运动趋势示意图,2、大气稳定度的判别,2、 大气稳定度分类 （1）不稳定类：A、B、C； （2）中性类：D （3）稳定类：E、F,A B C D E F 强不稳定 不稳定 弱不稳定
11、中性 较稳定 稳定,二、大气稳定度,城市大气边界层中的大气稳定度分类表,周淑贞（华东师范大学）城市气候学,定义与分类：,定义： 近地层空气温度随高度增加而上升的一种现象 分类： 辐射逆温 下沉逆温 平流逆温 湍流逆温 锋面逆温,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,辐射逆温的生消过程,1、辐射逆温,（多在高空大气中，高压控制区内）,2、下沉逆温,暖空气平流到冷地面上，由于下部降温快而形成,3、平流逆温,4、湍流逆温,下层湍流混合达 上层出现过渡层逆温,5、锋面逆温,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）,4
12、、烟流形状与大气稳定度的关系,第三章 大气污染气象学,教学内容： 第一节 大气圈结构及气象要素 第二节 大气的热力过程 第三节 大气的运动和风,第三章 大气污染气象学,引起大气运动的作用力,Ekman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。,大气边界层中风随高度变化,平均风速随高度变化 中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度,近地层风速廓线模式,高度为Z处的风速（m/s）,摩擦速度,卡门常数,高度（m）,地面粗糙度,地面粗糙度越大，风速梯度越小,1、对数律风速廓线模式,近地层风速廓线模式,1、对数律风速廓线模式,非中性层结： 指数律
13、，稳定度参数,高度为Z处的平均风速（m/s）,高度为Z1米处的平均风速（ m/s ）,常数,实验确定,近地层风速廓线模式,2、指数律风速廓线模式,当气流沿地面流过时，必然要同各种地形地物发生摩擦作用，使风向风速发生变化，其影响程度与各种障碍物的体积、形状、高低有密切关系。,第三章 大气污染气象学,近地层风速廓线模式,1、地形和地物的影响,（1）山谷风； （2）海陆风； （3）城市热岛环流。,2、地方性风场,三、地方性风场,1、 海陆风,高温（低压）,三、地方性风场,2、 山谷风,比利时马斯河谷事件1930年12月，美国多诺拉事件1948年10月。出现条件：山谷，无风，有逆温层、烟雾，工厂区有铁厂、锌厂，硫酸厂等,三、地方性风场,3、 城市热岛环流,a. 城市热岛效应: 城市气温比乡村高的现象 b. 城市环流：由于城区气温比乡村高，形成从周围农村吹向城市的一种局地风城市风.,思考题： 1、什么是风玫瑰图，如何绘制？ 2、实际空气气温垂直分布一般有哪几种情况 ？ 3、大气稳定度分为几类？ 4、p82习题中的3.、 3.5题。,第八章 大气污染气象学,
