大气污染控制工程-大气污染气象学.ppt

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1、大气污染控制工程(AIRPOLLUTIONCONTROLENGINEERING)第三章 大气污染气象学n大气圈结构及气象要素n大气热力过程n大气的运动和风n理解气象学基础知识建议学时数：2学时污染源污染源大气中迁移、扩散大气中迁移、扩散受体受体气象条件气象条件风向、风速风向、风速大气湍流大气湍流气温垂直分布气温垂直分布大气稳定度大气稳定度SourcesTransportsSinks人群人群其他生物体其他生物体工业工业交通交通生活生活大气污染系统与途径大气污染系统与途径问题：问题：为什么同一地区大气污染存在季节性为什么同一地区大气污染存在季节性(天天)差异？差异？第三章 大气污染气象学大气科学大

2、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环境科学环境科学(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大气污染物质对天气和气候的影响MeteorologyforAirPollution大气污染气象学大气污染气象学研究大气运动与大气中污染物相互研究大气运动与大气中污染物相互作用的学科作用的学科污染气象学的发展简史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第三章 大气污染气象学大气污染气象学 l 大大大

3、大气气气气圈圈圈圈的的的的垂垂垂垂直直直直结结结结构构构构一、大气圈垂直结构一、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：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：自由大气：大气边界层以上，地面摩擦可以忽略对流层（对流层（10km10km左右）左右）一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构1 大气边界层特征大气边界层特征同温层对流层顶35-40km，气温-55左右同温层同温层以上，气温随高度增加而增加，气温随高度增加而增加集

4、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对流运动强烈平流层（对流层顶平流层（对流层顶50-55km50-55km）中间层（平流层顶中间层（平流层顶85km85km）一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构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气体分子高度电离电离层气温很高，空气稀薄气温很高，空气稀薄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暖层（中间层顶暖层（中间层顶800km800km）散逸层（暖层以上散逸层（暖层以上)大气压力总是随高度的升

5、高而降低大气压力总是随高度的升高而降低 均质大气层均质大气层:80:8085km85km以下，大气成分基本不变以下，大气成分基本不变一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构高度(km)每升高每升高100m，气温降低气温降低0.65N2O2ArCO2NeHeKrH2XeO3越往上氧、氦等气体的原子态越多越往上氧、氦等气体的原子态越多紫外线的强烈照紫外线的强烈照射，射，N2和和O2产生产生不同程度的离解不同程度的离解一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构l 气温气温l 气压气压l 气湿气湿l 风向风向l 风速风速l 云况云况l 能见度能见度二、主要气象要素二、主要气象要素天气预报中：天气预报中：1.5m

6、1.5m高、百叶箱内气温。高、百叶箱内气温。二、主要气象要素二、主要气象要素1 1、气、气 温温 单位：mb（毫巴）大气的压强：1at101326Pa1013.26mmb=760mmHg 静力学方程:二、主要气象要素二、主要气象要素2 2、气、气 压压uu绝对湿度：绝对湿度：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uu相对湿度：相对湿度：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绝对湿度的百分比uu含湿量：含湿量：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

7、量uu水汽体积分数：水汽体积分数：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uu露点：露点：露点：露点：一定气压下空气达到饱和状态时的温度一定气压下空气达到饱和状态时的温度二、主要气象要素二、主要气象要素3 3、气、气 湿湿p风：水平方向的空气运动叫做风（垂直方向为升降气流）风：水平方向的空气运动叫做风（垂直方向为升降气流）p风向：风的来向叫风向（风向：风的来向叫风向（1616个方位圆周等分）个方位圆周等分）p风风速速：单单位位时时间间内内空空气气在在水水平平方方向向上上运运动动距距离离（2 2或或10min10min平均值）平均值）(km/h)(km

8、/h)F F风力级（风力级（0 01212级）级）二、主要气象要素二、主要气象要素4 4、风向、风速、风向、风速风玫瑰图风玫瑰图风玫瑰图某城市年及各季风向频率某城市年及各季风向频率风玫瑰图制作方法：风玫瑰图制作方法：做一个极坐标（做一个极坐标（16位，位，8位）；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；将各点用折线连接起来；将静风频率记在图的中心。将静风频率记在图的中心。冬季静风：6.6%主导风向：N，12.6%风玫瑰图风玫瑰图某城市年及各季风向频率某城市年及各季风向频率课堂练习：制作风玫瑰图课堂练习：制作风玫

9、瑰图某城市污染系数表某城市污染系数表新建工厂应建在市区的东北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。方向上，有利于大气污染向市区外部扩散。p云：大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小）云：大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小）p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1010分，国外分，国外8 8分）分）p云高云高:云底距地面底高度云底距地面底高度p云量的记录：以总云量云量的记录：以总云量/低云量的形式记录，如低云量的形式记录，如10/7 l低云（低云（2500m2500m以下）以下）l中云（中云（250025005000m50

10、00m）l高云（高云（5000m5000m以上）以上）二、主要气象要素二、主要气象要素5 5、云、云云 高云（高云（5000m5000m以上）以上）中云（中云（2500-5000m2500-5000m）低低云云（2 25 50 00 0米米以以下下）p正常视力的人，在天空背景下能看清的最大水平距离正常视力的人，在天空背景下能看清的最大水平距离p 级别（级别（0-90-9级，相应距离为级，相应距离为50505000050000米）米）二、主要气象要素二、主要气象要素5 5、能见度、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

11、第三章 大气污染气象学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地面长波辐射加热大气地面长波辐射加热大气近地层大气温度随地表温度变化近地层大气温度随地表温度变化近地层大气温度随地表温度变化近地层大气温度随地表温度变化一、太阳、大气和地面的热变换一、太阳、大气和地面的热变换温室效应温室效应一、太阳、大气和地面的热变换一、太阳、大气和地面的热

12、变换（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恒压比第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化1 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第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化1 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（2）大气绝热过程气块在大气中的运动近似认

13、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：第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化2 2、干绝热直减率、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

14、：又理想气体状态方程：第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化2 2、干绝热直减率、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：第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化3 3、气温的垂直分布、气温的垂直分布n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 二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化3 3、气温的垂直分布、气温的垂直分布n温度层结：温度层结：气温

15、沿垂直高度的分布，可用坐标图上的曲线表示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（图），气温沿高度分布曲线或温度层结曲线，简称温温度层结度层结n大气中的温度层结有大气中的温度层结有四种类型四种类型：1 1、正常分布层结（递减）、正常分布层结（递减）2、中性层结、中性层结3、等温层结、等温层结4、逆温层结、逆温层结二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化3 3、气温的垂直分布、气温的垂直分布n定义：定义：大气稳定度是指垂直方向上大气的稳定程度，即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。是否易于发生对流。n定性描述：外力使气块上升或

16、下降定性描述：外力使气块上升或下降三、大气稳定度三、大气稳定度1 1、大气稳定度的概念、大气稳定度的概念当气块去掉外力时当气块去掉外力时气块减速，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，中性污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切关系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：气块：环境：环境：进行受力分析，得进行受力分析，得（单位体积块）加速度（单位体积块）加速度，将将代入上式得：代入上式得：气块：气块：环境：环境：高度高度 （一般均满足绝热条件）（一般均满足绝热条件）三、大气稳定度

17、三、大气稳定度2 2、大气稳定度的判别、大气稳定度的判别 则得：G GF F判据：混合层混合层0,a0不稳定不稳定0,a0稳定稳定中性层中性层0，a=0中性中性稳定层稳定层0，a0,气块加速度与其位移方向相同，气块加速度与其位移方向相同，气块加速运动气块加速运动，大气不稳定大气不稳定（2），a000ht10.81111111212121313131113120.713.212.030010020011.312.712.01.01.2高度/米：d不稳定空气块运动趋势示意图四、逆四、逆 温温2 2、大气稳定度的判别、大气稳定度的判别d=12、大气稳定度分类大气稳定度分类（1）不稳定类：）不稳定类：

18、A、B、C；（2）中性类：）中性类：D（3）稳定类：）稳定类：E、FABCDEF强不稳定强不稳定不稳定不稳定弱不稳定弱不稳定中性中性较稳定较稳定稳定稳定二、大气稳定度二、大气稳定度三、大气稳定度三、大气稳定度逆温定义与分类：逆温定义与分类：n定义：定义：近地层空气温度随高度增加而上升的一种现象近地层空气温度随高度增加而上升的一种现象分类：分类：辐射逆温辐射逆温 下沉逆温下沉逆温 平流逆温平流逆温 湍流逆温湍流逆温 锋面逆温锋面逆温地面白天加热，大气自下而上变暖；地面白天加热，大气自下而上变暖；地面夜间变冷，大气自下而上冷却地面夜间变冷，大气自下而上冷却辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程三、大

19、气稳定度三、大气稳定度1 1、辐射逆温、辐射逆温（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三、大气稳定度三、大气稳定度2 2、下沉逆温、下沉逆温 暖空气平流到冷地面上，由于下部降温快而形成暖空气平流到冷地面上，由于下部降温快而形成三、大气稳定度三、大气稳定度3 3、平流逆温、平流逆温4 4、湍流逆温、湍流逆温 下层湍流混合达下层湍流混合达 上层出现过渡层逆温上层出现过渡层逆温 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，形成锋面三、大气稳定度三、大气稳定度5 5

20、、锋面逆温、锋面逆温n波浪型（不稳）波浪型（不稳）n锥型（中性锥型（中性or弱稳）弱稳）n扇型（逆温）扇型（逆温）n爬升型（下稳，上不稳）爬升型（下稳，上不稳）n漫烟型（上逆、下不稳）漫烟型（上逆、下不稳）三、大气稳定度三、大气稳定度4 4、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第三章 大气污染气象学大气污染气象学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）

21、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）一、引起大气运动的作用力一、引起大气运动的作用力引起大气运动的作用力引起大气运动的作用力nEkmanEkman螺螺 旋旋 线线（北北半半球球下下视视，地地偏偏力力指指向向运运动动右右方方，故故顺顺时时针针；南半球则相反）南半球则相反）高高度度增增高高，风风速速增增大大，方方向向逐逐渐接近地转风。渐接近地转风。二、大气边界层中风随高度变化二、大气边界层中风随高度变化大气边界层中风随高度变化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

22、律，粗糙度和摩擦速度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高度为高度为Z处的风速处的风速（m/s）摩擦速度摩擦速度卡门常数卡门常数高度（高度（m）地面粗糙度地面粗糙度地面粗糙度越大，风速梯度越小地面粗糙度越大，风速梯度越小三、近地层中的风速廓线模式三、近地层中的风速廓线模式1 1、对数律风速廓线模式、对数律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近地层风速廓线模式三、近地层中的风速廓线模式三、近地层中的风速廓线模式1 1、对数律风速廓线模式、对数律风速廓线模式非中性层结：指数律，稳定度参数高度为高度为Z处的平均风速处的平均风速（m/s

23、）高度为高度为Z1米处的平均风速米处的平均风速（m/s）常数常数实验确定实验确定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三、近地层中的风速廓线模式三、近地层中的风速廓线模式2 2、指数律风速廓线模式、指数律风速廓线模式各稳定度等级下的各稳定度等级下的m m值值0.250.150.100.070.07乡乡村村0.300.250.200.150.1城城市市EFDCBA地区地区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。第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学四、地方性风场四、地方性风

24、场1 1、地形和地物的影响、地形和地物的影响（1）山谷风；（2）海陆风；（3）城市热岛环流。2 2、地方性风场、地方性风场三、地方性风场三、地方性风场1、海陆风海陆风高温（低压）三、地方性风场三、地方性风场2、山谷风山谷风比利时马斯河谷事件比利时马斯河谷事件1930年年12月，美国多诺拉事月，美国多诺拉事件件1948年年10月。出现条件：山谷，无风，有逆温月。出现条件：山谷，无风，有逆温层、烟雾，工厂区有铁厂、锌厂，硫酸厂等层、烟雾，工厂区有铁厂、锌厂，硫酸厂等三、地方性风场三、地方性风场3、城市热岛环流城市热岛环流a.城市热岛效应城市热岛效应:城市气温比乡村高的现象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市的一种局地风城市风城市风.思考题：思考题：1、什么是风玫瑰图，如何绘制？、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、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？、大气稳定度分为几类？4、p82习题中的习题中的3.、3.5题。题。第八章 大气污染气象学