三章大气污染气象学.ppt

三章大气污染气象学 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节第一节第一节第一节 大气圈结构大气圈结构大气圈结构大气圈结构及气象要素及气象要素及气象要素及气象要素一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构自然地理学将受地心引力自然地理学将受地心引力而随地球旋转的大气层称而随地球旋转的大气层称为大气圈，具体地，大气为大气圈，具体地，大气圈指地面到大约圈指地面到大约1400km高度处的大气层。高度处的大气层。大气圈垂直结构大气圈垂直结构大气圈垂直结构大气圈垂直结构对流层对流层（10km左右）左右）集中了大气质量的集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气，主要天气现象都和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层发生在这一层温度随高度的增加而降低温度随高度的增加而降低，每升高，每升高100m平均降温平均降温0.65强烈对流作用，大气污染也主要发生在这一层，特别是在强烈对流作用，大气污染也主要发生在这一层，特别是在靠近地面靠近地面1-2Km的近地层更易造成污染。的近地层更易造成污染。温度和湿度等各气象要素水平分布不均温度和湿度等各气象要素水平分布不均大气边界层大气边界层对流层下层对流层下层12km，地面阻滞和摩擦，地面阻滞和摩擦作用明显。作用明显。近地层近地层地面以上地面以上50100m，上下气温之差可达，上下气温之差可达12。自由大气自由大气大气边界层以上，地面摩擦可以忽略大气边界层以上，地面摩擦可以忽略大气圈垂直结构大气圈垂直结构大气圈垂直结构大气圈垂直结构平流层（对流层顶平流层（对流层顶5055km）同温层同温层对流层顶到对流层顶到30km左右，气温左右，气温-55左右左右同温层以上，气温随高度增加而增加，亦称逆温层。同温层以上，气温随高度增加而增加，亦称逆温层。集中了大部分臭氧。集中了大部分臭氧。没有对流运动，污染物停留时间很长。没有对流运动，污染物停留时间很长。大气很干燥，没有云、雨等现象，是飞机理想的飞行区域。大气很干燥，没有云、雨等现象，是飞机理想的飞行区域。中间层（平流层顶中间层（平流层顶85km）气温随高度升高而迅速降低气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈，垂直混合明显。对流运动强烈，垂直混合明显。大气圈垂直结构大气圈垂直结构大气圈垂直结构大气圈垂直结构暖层（中间层顶暖层（中间层顶800km）气温随高度升高而增高气温随高度升高而增高气体分子高度电离电离层。发电报是靠这层反射回来。气体分子高度电离电离层。发电报是靠这层反射回来。散逸层（暖层以上）散逸层（暖层以上）气温很高，空气稀薄。星际空间内每气温很高，空气稀薄。星际空间内每m3空间有数十个离空间有数十个离子存在。子存在。空气粒子可以摆脱地球引力而散逸空气粒子可以摆脱地球引力而散逸研究重点：对流层，平流层研究重点：对流层，平流层大气压力总是随高度的升高而降低。大气压力总是随高度的升高而降低。气体静力学方程：气体静力学方程：P=-gZ均质大气层均质大气层8085km以下，成分基本不变以下，成分基本不变主要气象要素主要气象要素主要气象要素主要气象要素1气温气温表示大气温度高低的物理量。表示大气温度高低的物理量。反映一定条件下空气分反映一定条件下空气分子平均动能大小。子平均动能大小。通常指距地面通常指距地面1.5m高处百叶箱中的空气温度。高处百叶箱中的空气温度。2气压气压大气的压强大气的压强单位：单位：1Pa=1N/m2，mb毫巴毫巴1mb=100Pa=1hPa1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg主要气象要素主要气象要素主要气象要素主要气象要素3气湿气湿气湿是大气中水汽含量的物理量，可以用水蒸气分压或气湿是大气中水汽含量的物理量，可以用水蒸气分压或单位湿空气水蒸气含量表示。单位湿空气水蒸气含量表示。表示气湿的物理量主要有：绝对湿度、相对湿度、含湿表示气湿的物理量主要有：绝对湿度、相对湿度、含湿量、水气体积分数和露点。量、水气体积分数和露点。主要气象要素主要气象要素主要气象要素主要气象要素4风向和风速风向和风速水平方向的空气运动叫做风（垂直方向升降气流）水平方向的空气运动叫做风（垂直方向升降气流）风的来向叫风向（风的来向叫风向（16个方位圆周等分）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（一定时风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（一定时间如间如2或或10min的的平均值）平均值）(km/h)F风力级（风力级（012级）级）主要气象要素主要气象要素主要气象要素主要气象要素5云云云云是是飘飘浮浮在在空空中中的的水水汽汽凝凝结结物物，由由大大量量小小水水滴滴或或小小冰冰晶晶或或两两者者混合物组成。云高和云量对污染物扩散具有重要意义。混合物组成。云高和云量对污染物扩散具有重要意义。云量云量:天空被云遮蔽的成数（我国天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外分，国外8分）分）云高云高:云底距地面底高度云底距地面底高度低云（低云（2500m以下以下）中云（中云（25005000m）高云（高云（5000m以上）以上）云云云云 高云（高云（5000m以上）以上）中云（中云（2500-5000m）低低云云（2500米米以以下下）主要气象要素主要气象要素主要气象要素主要气象要素6能见度能见度正常视力的人，在天空背景下能看清的水平距离正常视力的人，在天空背景下能看清的水平距离级别（级别（09级，相应距离为级，相应距离为5050000米）米）第二节第二节第二节第二节 大气的热力过程大气的热力过程大气的热力过程大气的热力过程一、太阳、大气和地面的热交换一、太阳、大气和地面的热交换【太阳】【太阳】地球上所有的能量最终都来自于太阳。太阳表面温度达地球上所有的能量最终都来自于太阳。太阳表面温度达6000K,不断向外辐射能量。太阳辐射线主要有：紫外线、不断向外辐射能量。太阳辐射线主要有：紫外线、可见光和红外线，波长在可见光和红外线，波长在0.154m之间的射线辐射能占之间的射线辐射能占全部太阳能量的全部太阳能量的99以上。以上。【地球】【地球】地球表面的陆地、海洋、植物等直接吸收太阳辐射的能力很地球表面的陆地、海洋、植物等直接吸收太阳辐射的能力很强，太阳辐射到地球上的能量约有强，太阳辐射到地球上的能量约有21%直接被地面吸收。直接被地面吸收。同时，地球表面可以按自身温度向外辐射。地球辐射以低温同时，地球表面可以按自身温度向外辐射。地球辐射以低温长波辐射为主，波长集中在长波辐射为主，波长集中在3120m之间。之间。【大气】【大气】虽然太阳辐射很强，但直接被地面接受的却不多，这是虽然太阳辐射很强，但直接被地面接受的却不多，这是因为大部分太阳辐射被地球表面的大气层吸收、散射和因为大部分太阳辐射被地球表面的大气层吸收、散射和反射反射。大气还能吸收地面长波辐射。其中水汽、二氧化碳等吸大气还能吸收地面长波辐射。其中水汽、二氧化碳等吸收长波辐射能力较强，水滴、臭氧和颗粒物也能选择吸收长波辐射能力较强，水滴、臭氧和颗粒物也能选择吸收一些长波辐射。最终约有收一些长波辐射。最终约有7590的地面长波辐的地面长波辐射被大气吸收。射被大气吸收。大气吸收太阳辐射和地面辐射的同时，也能向上或向下大气吸收太阳辐射和地面辐射的同时，也能向上或向下辐射。大气向下辐射称为辐射。大气向下辐射称为逆辐射逆辐射，以长波辐射为主，这，以长波辐射为主，这是地面的主要加热方式。是地面的主要加热方式。二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化气体静力学方程：气体静力学方程：表示干空气在作干绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降）表示干空气在作干绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降）100m，温度降低（或升高）约温度降低（或升高）约1。2、干绝热直减率干绝热直减率d干气团绝热上升或下降单位高度干气团绝热上升或下降单位高度(通常通常100m)的温度变化量称为的温度变化量称为干绝热直减率，用干绝热直减率，用d表示，单位表示，单位K/100m。气温直减率气温直减率气温直减率气温直减率3、位温（、位温（）位温位温：把各层中的气块由最初的压力：把各层中的气块由最初的压力P循着干绝热的程序订正到循着干绝热的程序订正到一个标准压力一个标准压力1000hPa时所具有的温度。时所具有的温度。任何一气块的位温是不变的（干绝热情况）；而非绝热情况下，任何一气块的位温是不变的（干绝热情况）；而非绝热情况下，位温是变化的。位温是变化的。位温比气温更能代表气块的热力学性质。位温比气温更能代表气块的热力学性质。气温的垂直分布（温度层结）气温的垂直分布（温度层结）气温的垂直分布（温度层结）气温的垂直分布（温度层结）气温的垂直分布气温的垂直分布温度层结温度层结气温直减率气温直减率（大气）（大气）d（递减层结）（递减层结）大气稳定度及其判据大气稳定度及其判据大气稳定度及其判据大气稳定度及其判据定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易发生对流定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易发生对流定性描述：定性描述：外力使气块上升或下降外力使气块上升或下降气块去掉外力气块去掉外力气块减速，有返回趋势，稳定气块减速，有返回趋势，稳定气块加速上升或下降，不稳定气块加速上升或下降，不稳定气块停在外力去掉处，中性气块停在外力去掉处，中性不稳定条件下有利于扩散不稳定条件下有利于扩散大气稳定度及其判据大气稳定度及其判据大气稳定度及其判据大气稳定度及其判据定量判断定量判断准静力条件：准静力条件：P=Pi假设假设则有则有用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上升空用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上升空气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。逆温逆温逆温逆温定义：定义：逆温是大气温度随高度增加而升高的现象，逆温是大气温度随高度增加而升高的现象，逆温层结是强稳定的大气层结，不利于污染物的扩散。逆温层结是强稳定的大气层结，不利于污染物的扩散。1.辐射逆温：辐射逆温：2.在在晴晴朗朗无无云云或或少少云云、风风力力不不大大的的夜夜晚晚，地地面面辐辐射射冷冷却却很很快快，贴贴近近地地面面的的大大气气温温度度下下降降最最多多，而而高高层层大大气气冷冷却慢，造成温度自下而上的增加，称为辐射逆温。却慢，造成温度自下而上的增加，称为辐射逆温。辐辐射射逆逆温温层层的的产产生生是是有有规规律律的的，一一般般只只在在夜夜间间形形成成，早早晨晨随随着着太太阳阳不不断断加加热热地地表表，地地面面温温度度上上升升，逆逆温温自自下下而而上逐渐消失，一般在上午完全消失。上逐渐消失，一般在上午完全消失。逆温逆温逆温逆温辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程下午下午日落前日落前1h夜间夜间日出日出上午上午10h逆温逆温逆温逆温2.2.下沉逆温下沉逆温 由于空气下沉受到压缩而增温所形成的逆温由于空气下沉受到压缩而增温所形成的逆温（多在高空大气中，高压控制区内）（多在高空大气中，高压控制区内）很厚的气层下沉很厚的气层下沉 压缩变扁压缩变扁 顶部增温比底部多顶部增温比底部多逆温逆温逆温逆温3.3.平流逆温平流逆温暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成（温差越大，逆温越强）暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成（温差越大，逆温越强）4.4.湍流逆温湍流逆温由低层空气的湍流混合所形成的逆温。由低层空气的湍流混合所形成的逆温。下层湍流混合达下层湍流混合达 上层出现过渡层上层出现过渡层 逆温逆温 逆温逆温逆温逆温5.锋面逆温锋面逆温 冷、暖气团相遇冷、暖气团相遇冷暖间逆温冷暖间逆温暖气上爬，形成锋面暖气上爬，形成锋面烟流形状与大气稳定度的关系烟流形状与大气稳定度的关系烟流形状与大气稳定度的关系烟流形状与大气稳定度的关系 波浪型（不稳）波浪型（不稳）锥型（中性锥型（中性or弱稳）弱稳）扇型（逆温）扇型（逆温）爬升型（下稳，上不稳）爬升型（下稳，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳）漫烟型（上逆、下不稳）第三节第三节第三节第三节 大气的运动和风大气的运动和风大气的运动和风大气的运动和风引起大气运动的作用力引起大气运动的作用力 直接作用力直接作用力重力重力水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡）水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡）间接作用力间接作用力 地转偏向力（相对运动：方向改变）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）惯性离心力（大气曲线运动：很小）摩擦力（近地摩擦力（近地1 12km2km内明显）内明显）近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式 平均风速随高度变化平均风速随高度变化中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度风速随高度变化的曲线叫风速廓线，其数学表达式叫风速廓线风速随高度变化的曲线叫风速廓线，其数学表达式叫风速廓线模式。模式。近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式近地层风速廓线模式 平均风速随高度变化平均风速随高度变化非中性层结：非中性层结：指数律，稳定度参数指数律，稳定度参数地方性风场地方性风场地方性风场地方性风场 1海陆风海陆风地方性风场地方性风场地方性风场地方性风场 2山谷风山谷风地方性风场地方性风场地方性风场地方性风场 3城市热岛环流城市热岛环流