大气污染气象学.ppt

第三章大气污染气象学教学内容教学内容:n大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素n大气的热力过程大气的热力过程n大气的运动和风大气的运动和风重重点点:n大气圈结构、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念、大气圈结构、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念、大气运动和风。大气运动和风。教学目标：教学目标：n重点掌握大气垂直方向的五个分层重点掌握大气垂直方向的五个分层,温度分布特点及原因温度分布特点及原因。n理解大气高度的划分，理解大气高度的划分，理解风速扩线模式。理解风速扩线模式。2021/9/211大气扩散源源受体受体大气扩散大气扩散酸雨越境转移（日本、南朝鲜酸雨越境转移（日本、南朝鲜）大气科学大气科学大气物理、化学大气物理、化学大气气象学大气气象学污染气象学污染气象学气象条件对污物的稀释、扩散作用气象条件对污物的稀释、扩散作用污染物对气象的影响污染物对气象的影响2021/9/212第一节大气圈结构及气象要素w大气层又叫大气圈，地球就大气层又叫大气圈，地球就被这一层很厚的大气层包围被这一层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要环境着。大气层的成分主要环境空气的成分。大气层的空气空气的成分。大气层的空气密度随高度而减小，越高空密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度大气越稀薄。大气层的厚度大约在约在1200-1400千米以上，但千米以上，但没有明显的界限。整个大气没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、特点，分为对流层、平流层、中间层、暖层和散溢层，再中间层、暖层和散溢层，再上面就是星际空间了。上面就是星际空间了。2021/9/213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，主要天气现象都发和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层生在这一层温度随高度的增加而降低，每升高温度随高度的增加而降低，每升高100m平均降温平均降温0.650C强烈对流作用强烈对流作用温度和湿度的水平分布不均温度和湿度的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自由大气自由大气大气边界层以上的气流，地面摩擦可以忽略大气边界层以上的气流，地面摩擦可以忽略在这一层中，大气上下有规则的对流和无规则的湍流运动都比较在这一层中，大气上下有规则的对流和无规则的湍流运动都比较盛行，加上水汽充足，直接影响着大气污染物的传输、扩散和转盛行，加上水汽充足，直接影响着大气污染物的传输、扩散和转化。化。近地层近地层地面上地面上50100m，热量和动量的常通量层，热量和动量的常通量层2021/9/214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对流层顶3540km，气温气温-550C左右左右逆温层逆温层同温层以上，气温随高度增加而增加同温层以上，气温随高度增加而增加臭氧层臭氧层2025km臭氧层浓度达到最大值臭氧层浓度达到最大值臭氧层能强烈吸收波长臭氧层能强烈吸收波长200300nm的太阳紫外线。的太阳紫外线。平流层集中了大部分臭氧平流层集中了大部分臭氧没有对流运动，污染物停留时间很长，尤其是氟氯烃等大气污染没有对流运动，污染物停留时间很长，尤其是氟氯烃等大气污染物，与臭氧层发生光化学反应。物，与臭氧层发生光化学反应。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2021/9/215大气圈垂直结构暖层（中间层顶暖层（中间层顶800km）在强烈的紫外光和宇宙射线作用下，气温随高度升高而增高在强烈的紫外光和宇宙射线作用下，气温随高度升高而增高气体分子高度电离气体分子高度电离电离层电离层散逸层（暖层以上）散逸层（暖层以上）气温很高，空气稀薄气温很高，空气稀薄空气粒子的运动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸空气粒子的运动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸n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n均质大气层均质大气层8085km以下，以湍流扩散为主，成分基本不变以下，以湍流扩散为主，成分基本不变2021/9/216主要气象要素表示大气状态的物理量和物理现象称为气象要素。表示大气状态的物理量和物理现象称为气象要素。气象要素：气温、气压、气湿、风向、风速和能见度等。气象要素：气温、气压、气湿、风向、风速和能见度等。1气温气温天气预报中：距地面天气预报中：距地面1.5m高、百叶箱内气温。高、百叶箱内气温。1714华伦海脱准大气压下冰的熔点，定为华伦海脱准大气压下冰的熔点，定为32度，水的沸点定为度，水的沸点定为212度，中间等分为度，中间等分为180份，每一份就是份，每一份就是1华氏度华氏度。1742年，瑞典科学假摄尔修斯和他的助手斯托玛用同样的温度计，年，瑞典科学假摄尔修斯和他的助手斯托玛用同样的温度计，选取标准大气压下冰的熔点定为选取标准大气压下冰的熔点定为0度，水的沸点定为度，水的沸点定为100度度中间等分中间等分100份。份。1854年年，英英国国物物理理学学家家开开尔尔文文选选定定“水水的的三三相相点点”，即即水水、冰冰、水水蒸蒸气三相共存的温度，把绝对零度到水的三相点温度等分为气三相共存的温度，把绝对零度到水的三相点温度等分为273.16份，份，每一份就是每一份就是1开氏度，这就是开氏温标，用开氏度，这就是开氏温标，用K表示。开氏温标的分度表示。开氏温标的分度间隔和摄氏温标的间隔是一致的。间隔和摄氏温标的间隔是一致的。2021/9/217主要气象要素2气压（气压（大气的压强）大气的压强）n气气压压的的大大小小与与海海拔拔高高度度、大大气气温温度度、大大气气密密度度等等有有关关，一一般般随随高高度度升升高高按按指指数数律律递递减减。气气压压有有日日变变化化和和年年变变化化。一一年年之之中中，冬冬季季比比夏夏季季气气压压高高。一一天天中中，气气压压有有一一个个最最高高值值、一一个个最最低低值值，分分别别出出现现在在9 91010时时和和15151616时时，还还有有一一个个次次高高值值和和一一个个次次低低值值，分分别别出出现现在在21212222时时和和3 34 4时时。气气压压日日变变化化幅幅度度较较小小，一一般般为为0.10.10.40.4千千帕帕，并并随随纬纬度度增增高高而而减减小小。气气压压变变化化与与风风、天天气气的的好好坏坏等等关关系系密密切切，因因而而是是重重要要气气象象因因子子。通通常常所所用用的的气气压压单单位位有有帕帕(Pa)(Pa)、毫毫米米水水银银柱柱高高(mmHg)(mmHg)、毫毫巴巴(mb)(mb)。它它们们之之间间的的换换算算关关系系为为：100100帕帕1 1毫毫巴巴334 4毫毫米米水水银银柱柱高高。气气象象观观测测中中常常用用的的测测量量气气压压的的仪仪器器有有水水银银气气压压表表、空空盒盒气气压压表表、气气压压计计。101.325101.325千千帕帕的的气气压压，称称为为标标准准大大气气压压，它它相相当当于于在在重重力力加加速速度度为为9.806659.80665米米秒秒2 2，温度为，温度为00时时760760毫米垂直水银柱高的压力。毫米垂直水银柱高的压力。n气体静力学方程：气体静力学方程：2021/9/218主要气象要素主要气象要素3气湿（空气的湿度，空气的干燥程度）气湿（空气的湿度，空气的干燥程度）绝对湿度绝对湿度1m1m3 3湿空气中含有的水汽质量湿空气中含有的水汽质量相对湿度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，百分比，空气的干湿程度和相对湿度有关，而和绝对湿度却无直空气的干湿程度和相对湿度有关，而和绝对湿度却无直接关系。例如，空气中所含有的水汽的压强同样等于接关系。例如，空气中所含有的水汽的压强同样等于1606.24Pa（12.79毫米汞柱）时，在炎热的夏天中午，气温约毫米汞柱）时，在炎热的夏天中午，气温约35，人们并不感到潮湿，因此时离水汽饱和气压还很远，物体，人们并不感到潮湿，因此时离水汽饱和气压还很远，物体中的水分还能够继续蒸发。而在较冷的秋天，大约中的水分还能够继续蒸发。而在较冷的秋天，大约15左右，人左右，人们却会感到潮湿，因这时的水汽压已经达到过饱和，水分不但不们却会感到潮湿，因这时的水汽压已经达到过饱和，水分不但不能蒸发，而且还要凝结成水能蒸发，而且还要凝结成水。含湿量含湿量湿空气中湿空气中1kg1kg干空气包含的水汽质量干空气包含的水汽质量水汽体积分数水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数露点露点同气压下空气达到饱和状态时的温度同气压下空气达到饱和状态时的温度2021/9/219主要气象要素3气湿 2021/9/21104风向和风速风向和风速n气气象象上上把把风风吹吹来来的的方方向向确确定定为为风风的的方方向向。南南风风、偏偏北风、风向不定。北风、风向不定。n风向的测量单位，我们用风向的测量单位，我们用方位来表示。如陆地上，方位来表示。如陆地上，一般用一般用16个方位表示，海个方位表示，海上多用上多用36个方位表示；在个方位表示；在高空则用角度表示。用角高空则用角度表示。用角度表示风向，是把圆周分度表示风向，是把圆周分成成360度，北风度，北风(N)是是0度度(即即360度度)，东风，东风(E)是是90度，南风度，南风(S)是是180度，西度，西风风(W)是是270度，其余的风度，其余的风向都可以由此计算出来。向都可以由此计算出来。n风速是指单位时间内空气风速是指单位时间内空气在水平方向上运动的距离在水平方向上运动的距离，m/s或或km/h。13个等级。等级。2021/9/2111主要气象要素5云云大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小）大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小）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）估计云量的地点必须能见全部天空。估计云量的地点必须能见全部天空。云量观测包括总云量和低云量。总云量是指观测时天空被所有的云遮蔽的总云量观测包括总云量和低云量。总云量是指观测时天空被所有的云遮蔽的总成数，低云量是指天空被低云所遮蔽的成数，均记整数。成数，低云量是指天空被低云所遮蔽的成数，均记整数。一、一、总云量的观测总云量的观测全天无云，总云量记全天无云，总云量记0；天空完全为云所遮蔽，记；天空完全为云所遮蔽，记10；天空完全为云所遮蔽，；天空完全为云所遮蔽，但只要从云隙中可见青天，则记但只要从云隙中可见青天，则记10-；云占全天十分之一，总云量记；云占全天十分之一，总云量记1；云占；云占全天十分之二，总云量记全天十分之二，总云量记2，其余依次类推。，其余依次类推。二、二、低云量的观测低云量的观测观测低云量的方法与总云量同。观测低云量的方法与总云量同。云高云高:云底距地面的高度云底距地面的高度低云（低云（2500m以下）；以下）；中云（中云（25005000m）；高云（）；高云（5000m以上）。以上）。云状云状:卷云（线）卷云（线）,积云（块）积云（块）,层云（面层云（面),),雨层云雨层云(无定形）无定形）2021/9/21122021/9/2113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目标物的最大水平距离。正常视力的人，在天空背景下能看清的目标物的最大水平距离。级别（级别（09级，相应距离为级，相应距离为5050000米）米）2021/9/2114第二节大气的热力过程一、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以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量太阳辐射加热地球表面太阳辐射加热地球表面地面长波辐射加热大气地面长波辐射加热大气(76%-95%)太阳短波辐射加热地球表面，然后是地面长波辐射加热大气，太阳短波辐射加热地球表面，然后是地面长波辐射加热大气，所以近地层大气温度随地表温度变化所以近地层大气温度随地表温度变化太阳辐射能是地球大气最重要的能量来源；太阳辐射穿过大气太阳辐射能是地球大气最重要的能量来源；太阳辐射穿过大气层到达地面；太阳辐射能被地面吸收而使地面增温；地面辐射层到达地面；太阳辐射能被地面吸收而使地面增温；地面辐射同时又以长波辐射的形式把热量传递给大气；所以地面是近地同时又以长波辐射的形式把热量传递给大气；所以地面是近地面大气主要的直接热源。面大气主要的直接热源。2021/9/2115二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化1、大气的绝热过程与泊松方程、大气的绝热过程与泊松方程气温直减率气温直减率（大气）（大气）干空气绝热绘制温度递减率干空气绝热绘制温度递减率干绝热直减率干绝热直减率（空气团）（空气团）一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换空气块空气块膨胀（做功）膨胀（做功）耗内耗内能能T定性定性空气块空气块压缩（外气对它做功）压缩（外气对它做功）T内能内能（由压力变化引起）（由压力变化引起）2021/9/2116气温直减率定量：定量：热力学第一定律热力学第一定律 其中其中2021/9/2117气温直减率气温直减率2021/9/2118气温直减率代入上式得：实际中，实际中，Ti、T 相差相差10K，则，则2021/9/2119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2021/9/2120三、大气稳定度及其判据三、大气稳定度及其判据定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流定性描述：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2021/9/2121三、大气稳定度及其判据三、大气稳定度及其判据定量判断定量判断：2021/9/2122则有则有判据：判据：大气稳定度及其判据2021/9/2123四、逆温四、逆温n逆温不利于扩散，容易造成大气污染逆温不利于扩散，容易造成大气污染辐射：辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温及湍流逆温辐射：辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温及湍流逆温w辐辐射射逆逆温温：由由于于地地面面强强烈烈辐辐射射冷冷却却而而形形成成的的逆逆温温，地地面面白白天天加加热热，大大气气自自下而上变暖；地面夜间变冷，大气自下而上冷却。下而上变暖；地面夜间变冷，大气自下而上冷却。2021/9/2124四、逆温四、逆温w下下沉沉逆逆温温：由由于于下下沉沉所所受受到到的的压压缩缩增增温温而而形形成成的的逆逆温温。（多多在在高高空空大气中，高压控制区内）大气中，高压控制区内）w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。2021/9/2125四、逆温四、逆温w平平流流逆逆温温：暖暖空空气气平平流流到到冷冷地地面面上上而而形形成成的的逆逆温温为为平平流流逆逆温温，由由于于低低层层空空气受地面影响大，降温多，上层空气降温少而形成。气受地面影响大，降温多，上层空气降温少而形成。w湍流逆温：湍流逆温：1.锋面逆温：锋面逆温：冷暖空气相遇，暖空气上爬，形成的逆温区。冷暖空气相遇，暖空气上爬，形成的逆温区。2021/9/2126烟流型与大气稳定度的关系n波浪型（不稳）dn锥型（中性or弱稳）n扇型（逆温）n爬升型（下稳，上不稳）n漫烟型（上逆、下不稳）2021/9/2127第三节大气的运动和风一、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）2021/9/2128二、近地层中风速扩线模式1、对数律风速廓线模式2、指数律风速廓线模式2021/9/2129三、地方性风场三、地方性风场1海陆风2山谷风3 城市热岛环流2021/9/2130 课后思考与复习 1、大气圈垂直结构是如何划分的，各层的气体密度和垂直、大气圈垂直结构是如何划分的，各层的气体密度和垂直气温变化率各有何特点？气温变化率各有何特点？2、以污染源类型、排放污染物的种类以及污染物在大气中、以污染源类型、排放污染物的种类以及污染物在大气中的迁移转化行为等为主要因素，论述对流层和平流层的大气的迁移转化行为等为主要因素，论述对流层和平流层的大气污染的特点。污染的特点。3、主要的气象要素有哪些，其中对大气污染状况影响较大、主要的气象要素有哪些，其中对大气污染状况影响较大？4、造成低层大气增热和冷却的主要原因是什么，大气中有、造成低层大气增热和冷却的主要原因是什么，大气中有哪些气体组分对大气增热和冷却的影响最大。哪些气体组分对大气增热和冷却的影响最大。5、解释绝热过程，干绝热直减率，干绝热直减率的值？、解释绝热过程，干绝热直减率，干绝热直减率的值？6、解释大气稳定度，如何判定大气稳定度和稳定度对扩散、解释大气稳定度，如何判定大气稳定度和稳定度对扩散的影响？的影响？7、大气中典型的烟流形状及对大气污染物的影响？、大气中典型的烟流形状及对大气污染物的影响？2021/9/2131