大气污染气象学

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。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。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，英国物理学家开尔文选定年，英国物理学家开尔文选定“水的三相点水的三相点”，即水、冰、水，即水、冰、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。oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo9325FC主要气象要素2气压（气压（大气的压强）大气的压强）n气压的大小与海拔高度、大气温度气压的大小与海拔高度、大气温度、大气密度等有关，一般随、大气密度等有关，一般随高度升高按指数律递减。气压有日变化和年变化。一年之中，高度升高按指数律递减。气压有日变化和年变化。一年之中，冬季比夏季气压高。一天中，气压有一个最高值、一个最低值，冬季比夏季气压高。一天中，气压有一个最高值、一个最低值，分别出现在分别出现在9 91010时和时和15151616时，还有一个次高值和一个次低值，时，还有一个次高值和一个次低值，分别出现在分别出现在21212222时和时和3 34 4时。气压日变化幅度较小，一般为时。气压日变化幅度较小，一般为0.10.10.40.4千帕，并随纬度增高而减小。气压变化与风、天气的千帕，并随纬度增高而减小。气压变化与风、天气的好坏等关系密切，因而是重要气象因子。通常所用的气压单位好坏等关系密切，因而是重要气象因子。通常所用的气压单位有帕有帕(Pa)(Pa)、毫米水银柱高、毫米水银柱高(mmHg)(mmHg)、毫巴、毫巴(mb)(mb)。它们之间的换。它们之间的换算关系为：算关系为：100100帕帕1 1毫巴毫巴334 4毫米水银柱高。气象观测中常毫米水银柱高。气象观测中常用的测量气压的仪器有水银气压表、空盒气压表、气压计。用的测量气压的仪器有水银气压表、空盒气压表、气压计。101.325101.325千帕的气压，称为标准大气压，它相当于在重力加速度千帕的气压，称为标准大气压，它相当于在重力加速度为为9.806659.80665米秒米秒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：gzP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）n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n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，的百分比，空气的干湿程度和相对湿度有关，而和绝对湿度却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无直接关系。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，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，大约体中的水分还能够继续蒸发。而在较冷的秋天，大约15左右，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，水分不但不能蒸发，而且还要凝结成水但不能蒸发，而且还要凝结成水。n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n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n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主要气象要素3气湿 4风向和风速风向和风速n气象上把风吹来的方向确气象上把风吹来的方向确定为风的方向。南风、偏定为风的方向。南风、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。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）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）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。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）Tzddd iTz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 ddpTRpTCpdd1 dpTRpkpTCpkpvpCCRv1.4pkC k气温直减率气温直减率dzzzdiippdiivvdiiTTdppdvvdTTiviTpvT气块：气块：环境：环境：ip（大气）（大气）（气块）气块）（高度）（高度）dzzzdiippdiivvdiiTTdppdvvdTTiviTpvT气块：气块：环境：环境：ip（大气）（大气）（气块）气块）（高度）（高度）ddiiipiTRpTCpippddiippppdd pgz对气团对气团：流体准静力学条件：流体准静力学条件：，由由代入式代入式(1)可得：可得：(1)ddiipTRg zTCpddiiipiTRpTCpippddiippppdd pgz对气团对气团：流体准静力学条件：流体准静力学条件：，由由代入式代入式(1)可得：可得：(1)ddiipTRg zTCp气温直减率代入上式得：实际中，实际中，Ti、T相差相差0，正常分布层结正常分布层结，中性层结（绝热直减率）中性层结（绝热直减率）0，等温层结等温层结0，正常分布层结正常分布层结，中性层结（绝热直减率）中性层结（绝热直减率）0，等温层结等温层结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,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逆温，非常稳定逆温，非常稳定四、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辐射逆温：由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温，地面白天加热，大气自辐射逆温：由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温，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。下而上变暖；地面夜间变冷，大气自下而上冷却。四、逆温四、逆温w下沉逆温：由于下沉所受到的压缩增温而形成的逆温。（多在高空下沉逆温：由于下沉所受到的压缩增温而形成的逆温。（多在高空大气中，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。四、逆温四、逆温w平流逆温：平流逆温：暖空气平流到冷地面上而形成的逆温为平流逆温，由于低层空暖空气平流到冷地面上而形成的逆温为平流逆温，由于低层空气受地面影响大，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：w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。烟流型与大气稳定度的关系 n波浪型（不稳）d n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）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）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 *0lnuZukZ11()mZuuZ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 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？