大气污染控制工程-大气污染气象学

大 气 污 染 控 制 工 程(AIR POLLUTION CONTROL ENGINEERING) 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 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 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 l 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 均对 流 层 下 层 1 2km， 地 面 阻 滞 和 摩 擦 作 用 明 显 ,气 温 日 变 化 明 显大 气 边 界 层 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）一 、 大 气 圈 垂 直 结 构 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 : 80 85km以 下 ， 大 气 成 分 基 本 不 变一 、 大 气 圈 垂 直 结 构 臭氧 吸 收 300 平 流 层 顶 （+ ） （- ） 平 流 层 对 流 层 对 流 层 顶 散 逸 层 （+ ） （- ） （+ ） 热 成 层 电 离 层 中 间 层 中 间 层 顶 200 250 绝对 温度 （K ） 500 3000 70 80 50 60 20 40 90 300 400 200 100 0 10 30 高度 （k m） 高度 （k m） 高 度 (km) 每 升 高 100m，气 温 降 低 0.65 N2 O2 Ar CO2Ne He Kr H2Xe 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 l 气 温l 气 压l 气 湿l 风 向l 风 速l 云 况l 能 见 度二 、 主 要 气 象 要 素 天 气 预 报 中 ： 1.5m高 、 百 叶 箱 内 气 温 。 o o5 ( 32)9C F o 273.15K C o o9 325F C 二 、 主 要 气 象 要 素1、 气 温 单 位 ： mb（ 毫 巴 ） 大 气 的 压 强 ： 1at 101326Pa 1013.26mmb = 760mmHg 静 力 学 方 程 : gzP 二 、 主 要 气 象 要 素2、 气 压 1m3湿 空 气 中 含 有 的 水 汽 质 量空 气 的 绝 对 湿 度 与 同 温 度 下 饱 和 空 气 的绝 对 湿 度 的 百 分 比湿 空 气 中 1kg干 空 气 包 含 的 水 汽 质 量水 汽 在 湿 空 气 中 所 占 的 体 积 分 数一 定 气 压 下 空 气 达 到 饱 和 状 态 时 的 温 度二 、 主 要 气 象 要 素3、 气 湿 p 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 （ 16个 方 位 圆 周 等 分 ）p 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 （ 0 12级 ） 302.3 Fu 二 、 主 要 气 象 要 素4、 风 向 、 风 速 风 玫 瑰 图 风 玫 瑰 图 风 向 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW C 冬 季 12.6 10.4 8.2 11 4.9 3.8 2.7 2.7 4.9 9.9 5.5 2.7 1.1 0.5 5.5 6.6 6.6 春 季 9.8 6 8.7 4.9 5.4 2.7 1.6 8.2 10.9 15.2 8.2 0.5 2.2 3.3 6.5 4.3 1.6 夏 季 6.5 8.2 9.8 10.3 3.3 4.9 4.3 9.2 16.3 10.3 5.4 2.2 0.5 1.6 0.5 1.6 4.9 秋 季 9.9 9.9 6.6 8.2 1.6 1.6 2.2 4.9 12.1 9.9 10.4 3.3 2.2 2.7 3.8 1.6 8.8 全 年 10.0 9.0 8.0 9.0 4.0 3.0 3.0 6.0 11.0 11.0 7.0 2.0 2.0 2.0 4.0 4.0 5.0 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 。 0 5 10 15 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW 冬 季 静 风 ： 6.6% 主 导 风 向 ： N， 12.6% 风 玫 瑰 图 某 城 市 年 及 各 季 风 向 频 率 风 向 N NNE NE ENE E ESE SE SSE 冬 季 12.6 10.4 8.2 11 4.9 3.8 2.7 2.7春 季 9.8 6 8.7 4.9 5.4 2.7 1.6 8.2夏 季 6.5 8.2 9.8 10.3 3.3 4.9 4.3 9.2秋 季 9.9 9.9 6.6 8.2 1.6 1.6 2.2 4.9全 年 10.0 9.0 8.0 9.0 4.0 3.0 3.0 6.0 风 向 S SSW SW WSW W WNW NW NNW C冬 季 4.9 9.9 5.5 2.7 1.1 0.5 5.5 6.6 6.6春 季 10.9 15.2 8.2 0.5 2.2 3.3 6.5 4.3 1.6 夏 季 16.3 10.3 5.4 2.2 0.5 1.6 0.5 1.6 4.9秋 季 12.1 9.9 10.4 3.3 2.2 2.7 3.8 1.6 8.8全 年 11.0 11.0 7.0 2.0 2.0 2.0 4.0 4.0 5.0 课 堂 练 习 ： 制 作 风 玫 瑰 图 风向 N NE E SE S SW W NW 合计 风向频率 10 8 9 17 12 20 17 7 100 风速(m/s) 4.0 7.2 4.7 3.9 4.8 2.2 3.6 5.1 污染系数 2.5 1.1 1.9 4.4 2.5 9.1 4.7 1.4 27.6 污染系数百分率 9 4 7 16 9 33 16 6 100 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 。 p 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 : 天 空 被 云 遮 蔽 的 成 数 （ 我 国 10分 ， 国 外 8分 ）p 云 高 : 云 底 距 地 面 底 高 度p 云 量 的 记 录 ： 以 总 云 量 /低 云 量 的 形 式 记 录 ， 如 10/7 l 低 云 （ 2500m以 下 ）l 中 云 （ 2500 5000m）l 高 云 （ 5000m以 上 ） 二 、 主 要 气 象 要 素5、 云 云 高 云 （ 5000m以 上 ） 中 云 （ 2500-5000m） 低云（2500 米以下） p 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 （ 0-9级 ， 相 应 距 离 为 50 50000米 ） 二 、 主 要 气 象 要 素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 一 、 太 阳 、 大 气 和 地 面 的 热 变 换 温 室 效 应一 、 太 阳 、 大 气 和 地 面 的 热 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 大 气 污 染 气 象 学 二 、 气 温 的 垂 直 变 化1、 大 气 的 绝 热 过 程 与 泊 松 方 程 WUQ PdVdTCdQ v PdPRTdTCdQ p PdPCRTCdQdT pp RTPV RCC vp 第 三 章 大 气 污 染 气 象 学 二 、 气 温 的 垂 直 变 化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 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 ： PdPCRTCdQdT pp 0Q PdPCRTdT P 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 。1212 lnln PPCRTT PPCRPPTT 1212 288.01211212 PPPPTT KK 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 二 、 气 温 的 垂 直 变 化2、 干 绝 热 直 减 率d m100/98.0 KCgdZdTdZdT Pd m100/1Kd 通 常 取 ： 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 二 、 气 温 的 垂 直 变 化2、 干 绝 热 直 减 率PdPCRTdT P gdZdPgdZdP RTPRTPV 将 代 入 ， 则 得 ：整 理 得 ： PdPCRTdT P PCdZdT g RTgdZCRP 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 二 、 气 温 的 垂 直 变 化3、 气 温 的 垂 直 分 布 ZT 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3、 气 温 的 垂 直 分 布 n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n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 00 dd ZT 二 、 气 温 的 垂 直 变 化3、 气 温 的 垂 直 分 布 n定 义 ： 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 。n定 性 描 述 ： 外 力 使 气 块 上 升 或 下 降 三 、 大 气 稳 定 度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 : ip iv iTp v T气 块 ： 环 境 ： ( )iiga i i ip p RT RT 进 行 受 力 分 析 ， 得 （ 单 位 体 积 块 ） 加 速 度 ，将 代 入 上 式 得 ： 0i i dT T z 0T T z 气 块 ： 环 境 ： z z z 高 度 （ 一 般 均 满 足 绝 热 条 件 ） 三 、 大 气 稳 定 度2、 大 气 稳 定 度 的 判 别 则 得 ： 0 0iT T zTga d )( T TTga )( i G F ztga d )( 判 据 ： d d d 混 合 层 0, a0 不 稳 定 0, a0 稳 定 中 性 层 0， a=0 中 性 稳 定 层 0 ， 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 0 0h t 10.811 11 1112 12 1213 13 13111312 0.7 13.212.0300100200 11.312.712.0 1.0 1.2高度/ 米 ： d不 稳 定 空 气 块 运 动 趋 势 示 意 图四 、 逆 温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 三 、 大 气 稳 定 度逆 温 定 义 与 分 类 ：n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 辐 射 逆 温 的 生 消 过 程 三 、 大 气 稳 定 度1、 辐 射 逆 温 （ 多 在 高 空 大 气 中 ， 高 压 控 制 区 内 ） 很 厚 的 气 层 下 沉 压 缩 变 扁 顶 部 增 温 比 底 部 多三 、 大 气 稳 定 度2、 下 沉 逆 温 m100/98.0 KCgdZdTdZdT Pd 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3、 平 流 逆 温4、 湍 流 逆 温d d 下 层 湍 流 混 合 达 上 层 出 现 过 渡 层 逆 温 冷 、 暖 气 团 相 遇 冷 暖 间 逆 温 暖 气 上 爬 ， 形 成 锋 面 三 、 大 气 稳 定 度5、 锋 面 逆 温 n 波 浪 型 （ 不 稳 ）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 ） 三 、 大 气 稳 定 度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 直 接 作 用 力 重 力水 平 气 压 梯 度 力 （ 垂 直 上 与 重 力 基 本 平 衡 ）间 接 作 用 力 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 ）摩 擦 力 （ 近 地 1 2km内 明 显 ） 一 、 引 起 大 气 运 动 的 作 用 力引 起 大 气 运 动 的 作 用 力 n E k m a n 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 逐渐 接 近 地 转 风 。 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 平 均 风 速 随 高 度 变 化中 性 层 结 ： 对 数 律 ， 粗 糙 度 和 摩 擦 速 度0u* ln ZZ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 三 、 近 地 层 中 的 风 速 廓 线 模 式1、 对 数 律 风 速 廓 线 模 式 三 、 近 地 层 中 的 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 Z 1米 处 的 平 均 风 速（ m/s ） 常 数 实 验 确 定m11 )(zzuu 三 、 近 地 层 中 的 风 速 廓 线 模 式2、 指 数 律 风 速 廓 线 模 式 各稳定度等级下的m值 0.250.150.100.070.07乡 村 0.300.250.200.150.1城 市 E FDCBA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 大 气 污 染 气 象 学 四 、 地 方 性 风 场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