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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,污染源,大气中迁移、扩散,受体,气象条件,风向、风速 大气湍流 气温垂直分布 大气稳定度 ,Sources,Transports,Sinks,人群 其他生物体 ,工业 交通 生活 ,大气污染系统与途径,问题:为什么同一地区大气污染存在季节性(天)差异?,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
2、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0.65 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
3、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,
4、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,气温 气压 气湿 风向 风速 云况 能见度,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
5、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) 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。
6、,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(25005000m) 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
7、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(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
8、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
9、,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、气温的垂直分布,二者区别: 1、d表示干空气团绝热升降过程温度的变化 表示环境大气稳定的变化 2、 d为常数 为变量,3、气温的垂直分布,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
10、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:,进行受力分析,得(单位体积块)加速度 , 将 代入上式得:,2、大气稳定度的判别,则得:,G,F,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
11、、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,d=1,2、 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 中性 较稳定 稳定,二、大气稳定度,逆温定义与分类:,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
12、,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、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
13、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,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
14、象学,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,