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第第3 3章章 大气污染气象学大气污染气象学教学内容教学内容11大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素22大气的热力过程大气的热力过程33大气的运动和风大气的运动和风1第3章大气污染气象学教学内容1大气扩散大气扩散大气扩散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第第第3 3章章章章 大气污染气象学大气污染气象学大气污染气象学大气污染气象学2大气扩散源受体大气扩散酸雨越境转移（日本、南朝鲜）1111大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直一、大气圈垂直结构结构第第第第3 3章章章章 大气污染气象学大气污染气象学大气污染气象学大气污染气象学31大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直结构第3章大气污染气气象要素（因子）：气象要素（因子）：表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为。表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为。与大气污染关系密切的气象要素主要有：与大气污染关系密切的气象要素主要有：气温气温 气压气压 空气湿度（气湿）空气湿度（气湿）风（风向、风速）风（风向、风速）云量云量 能见度能见度 蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。二、主要气象要素二、主要气象要素4气象要素（因子）：41 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。天气预报中：天气预报中：1.5m1.5m高、百叶箱内气温。高、百叶箱内气温。二、主要气象要素二、主要气象要素摄氏温度摄氏温度热力学温度热力学温度华氏温度华氏温度51气温摄氏温度52 2气压气压 即即大大气气的的压压强强。任任一一点点的的气气压压值值等等于于该该地地单单位位面面积积上的大气柱重量。上的大气柱重量。气压总是随高度的增加而降低的。气压总是随高度的增加而降低的。据据实实测测，近近地地层层高高度度每每升升高高100100米米，气气压压平平均均降降低低约约12.412.4毫巴（毫巴（1mb=100Pa=1hPa)1mb=100Pa=1hPa)，在高层小于此值。，在高层小于此值。单位：单位：mbmb（毫巴）（毫巴）1atm 1atm101325Pa101325Pa1013.25mb=760mmHg1013.25mb=760mmHg二、主要气象要素二、主要气象要素62气压63 3气湿气湿:空气湿度空气湿度 反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量。反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量。常用的表示方法：常用的表示方法：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(kg)(kg)相对湿度空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对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之百分比湿度之百分比含湿量含湿量(比湿比湿)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(kg)(kg)水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数水汽体积分数水汽在湿空气中所占的体积分数露点在一定气压下空气达到饱和状态时的温度。露点在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73气湿:空气湿度7二、主要气象要素二、主要气象要素4.4.风向和风速（风向和风速（wind speed and directionwind speed and direction)什么是风？什么是风？空气的流动就形成风。空气的流动就形成风。风的形成：风的形成：风主要由于风主要由于气压的水平分布不均气压的水平分布不均匀匀而引起的，而气压的水平分布不均是由而引起的，而气压的水平分布不均是由温温度分布不均度分布不均造成。造成。84.风向和风速（windspeedanddirec4 4风向和风速风向和风速 水水平平(horizontalhorizontal)方方向向的的空空气气运运动动称称为为风风（垂垂直直方方向向升降气流）升降气流）风的来向叫风的来向叫风向风向（1616个方位圆周等分）个方位圆周等分）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（m/sm/s或或km/hkm/h）(km/h)(km/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94风向和风速91010风玫瑰图风玫瑰图风速风速,m/s某某地地区区1988年年的的风风玫玫瑰瑰图图。同同心心圆圆表表示示风风的的频频率率，例例如如，吹吹南南风风的的频频率率约约为为11，其其 中中 风风 速速 大大 于于10.82m/s的的频频率率约约为为1，风风速速在在3.355.41m/s的的频频率为率为3.5%左右。左右。11风玫瑰图风速,m/s某地区1988年的风玫瑰图。同5 5、云、云云：云：漂浮在空中的水汽凝结物。漂浮在空中的水汽凝结物。云云量量：指指云云遮遮蔽蔽天天空空的的成成数数。在在我我国国，将将天天空空分分为为1010等等份份，有有几几分分天天空空被被云云遮遮盖盖，云云量量就就是是几几。如如：碧碧空空无无云云，云云量量为为0 0；阴天云量为；阴天云量为1010；云占天空的；云占天空的1/101/10，云量记为，云量记为1 1。国外，将天空分为国外，将天空分为8 8等份。国外云量等份。国外云量1.25=1.25=我国云量我国云量云高云高:云底距地面底高度云底距地面底高度 低云（低云（2500m2500m以下）以下）中云（中云（2500-5000m2500-5000m）高云（高云（5000m5000m以上）以上）总云量：总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。低云量：低云量：低云的云掩盖天空的成数。低云的云掩盖天空的成数。云量的记录：云量的记录：观测中以总云量观测中以总云量/低云量的形式记录，如低云量的形式记录，如10/710/7。125、云云：漂浮在空中的水汽凝结物。12高云（高云（5000m以上）以上）中中云云（2500-5000m）低云（低云（2500米以下）米以下）5 5、云、云13高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（25能见度：在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中能见度：在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到或辨认出目标物的最大距离（看到或辨认出目标物的最大距离（0909级，相应距离为级，相应距离为50505000050000米）米）。能见度的大小反应了大气的混浊现象，反映出大气中杂质的多少。能见度的大小反应了大气的混浊现象，反映出大气中杂质的多少。大气中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。大气中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。6、能见度、能见度14能见度：在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到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15第二节大气的热力过程一、太阳、大气和地面的热交换15太阳辐射光谱太阳辐射光谱太阳辐射的能量主要分布在可见光太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区区和红外区可见光区占太阳辐射总量的可见光区占太阳辐射总量的5050红外区占红外区占4343紫外区只占能量的紫外区只占能量的7 7在波长在波长0.480.48微米的地方，太阳辐射微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值。的能力达到最高值。16太阳辐射光谱太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区161717二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化1.大大气气的的绝绝热热过过程程：某某一一空空气气块块作作垂垂直直运运动动时时与与周周围围空空气气不不发发生生热热量量交交换换，这这样样的的状状态态变变化化过过程程称称为为大大气气的的绝绝热过程。热过程。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）18二、气温的垂直变化1.大气的绝热过程：某一空气块作垂直运动定量：定量：T0,T气气块升降前后的温度，块升降前后的温度，KP0,P气气块升降前后的压力，块升降前后的压力，hPaR干空气的气体常数，干空气的气体常数，287.0J/kg/KCp干空气的定压比热，干空气的定压比热，1005J/kg/K课后课后3.3绝热过程中气温的变化完全是由气压变化引起的绝热过程中气温的变化完全是由气压变化引起的二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化19定量：T0,T气块升降前后的温度，K课后3.3绝热过2.2.干绝热直减率：干绝热直减率：干空气块干空气块(包括未饱和湿空气块包括未饱和湿空气块)绝绝热上升或下降热上升或下降单位高度单位高度时，温度降低或升高的数值。时，温度降低或升高的数值。Cp干空气的定压比热，干空气的定压比热，1005J/kg/Kg重力加速度，重力加速度，9.81m/s2二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化202.干绝热直减率：干空气块(包括未饱和湿空气块)绝热上升或3.3.3.3.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）温度层结：温度层结：气温沿垂直高度的分布曲线气温沿垂直高度的分布曲线气温直减率气温直减率单位高度气温的变化单位高度气温的变化或递减层结或递减层结213.气温的垂直分布（温度层结）温度层结：气温沿垂直高度的定义：定义：大气在垂直方向上稳定的程度，即是否容易对流大气在垂直方向上稳定的程度，即是否容易对流定性描述：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三、大气稳定度三、大气稳定度1.大气稳定度的概念大气稳定度的概念22定义：大气在垂直方向上稳定的程度，即是否容易对流外力使气块上 2.2.2.2.大气稳定度的判据大气稳定度的判据大气稳定度的判据大气稳定度的判据定量判断定量判断232.大气稳定度的判据定量判断23则有则有判据：判据：2.2.2.2.大气稳定度的判据大气稳定度的判据大气稳定度的判据大气稳定度的判据24则有2.大气稳定度的判例题例题例题例题3.73.7逆温逆温稳定稳定不稳定不稳定中性中性不稳定不稳定逆温逆温25例题3.7逆温稳定不稳定中性不稳定逆温25四四四四、逆温逆温逆温逆温逆温不利于扩散逆温不利于扩散辐射：辐射：太阳太阳 地球地球 ：短波：短波 地球地球 大气层：长波大气层：长波 大气吸收长波强大气吸收长波强26四、逆温逆温不利于扩散太阳地球：短波大气吸收四四四四、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1.辐辐射射逆逆温温：地地面面白白天天加加热热，大大气气自自下下而而上上变变暖暖；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 27四、逆温辐射逆温的生消过程1.辐射逆温：地面白天加热，大气自四四四四、逆温逆温逆温逆温2.2.下沉逆温下沉逆温 （多在高空大气中）（多在高空大气中）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28四、逆温2.下沉逆温（多在高空大气中）很厚的气层下沉四四四四、逆温逆温逆温逆温3.3.平流逆温：平流逆温：暖空气暖空气平流平流到冷地面上而形成到冷地面上而形成4.4.湍流逆温湍流逆温 下层湍流混合达下层湍流混合达 上层出现过渡层上层出现过渡层 逆温逆温 29四、逆温3.平流逆温：暖空气平流到冷地面上而形成4.湍流逆温四四四四、逆温逆温逆温逆温5.锋面逆温锋面逆温 对流层中冷、暖气团相遇对流层中冷、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30四、逆温5.锋面逆温对流层中冷、暖气团相遇冷暖间逆温暖气五五五五、烟流型与大气稳定度的关系烟流型与大气稳定度的关系烟流型与大气稳定度的关系烟流型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）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）31五、烟流型与大气稳定度的关系波浪型（不稳）3133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一一、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（垂直气压梯度力与重力基本平衡，水平气压梯度力（垂直气压梯度力与重力基本平衡，水平气压梯度力是大气水平运动的直接动力）水平气压梯度力是大气水平运动的直接动力）间接作用力间接作用力 地转偏向力（纬度越高，地转偏向力越大）地转偏向力（纬度越高，地转偏向力越大）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，摩擦层）内明显，摩擦层）323大气的运动和风一、引起大气运动的作用力二二二二、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 1.对数律风速廓线模式对数律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中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度：对数律，粗糙度和摩擦速度 高度高度Z Z处平均风速处平均风速 摩擦速度摩擦速度 卡门常数卡门常数,0.4,0.4 地面粗糙度地面粗糙度33二、近地层风速廓线模式1.对数律风速廓线模式高度Z处平三三三三、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 2.指数律风速廓线模式指数律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 已知高度已知高度Z Z1 1处平均风速处平均风速 稳定度参数稳定度参数(表表3-3)3-3)已知已知 和和m m，可求得，可求得 习题习题3.43.434三、近地层风速廓线模式2.指数律风速廓线模式已知高度Z四四四四、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35四、地方性风场1海陆风35四四四四、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36四、地方性风场2山谷风363城市热岛环流城市热岛环流图图图图 城市热岛示意图城市热岛示意图城市热岛示意图城市热岛示意图373城市热岛环流图城市热岛示意图37