大气圈垂直结构对流层课件

第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学教学内容教学内容第一节第一节 大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素第二节第二节 大气的热力过程大气的热力过程第三节第三节 大气的运动和风大气的运动和风第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学第三章第三章大气污染气象学教学内容第三章大气污染气象学教学内容第三章大气污染气象学大气污染气象学第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学从污染源排放到大气中的污染物的传输和扩散过从污染源排放到大气中的污染物的传输和扩散过程，与污染源本身特性、气象条件、地面特征和周围程，与污染源本身特性、气象条件、地面特征和周围地区建筑物分布等因素皆有密切关系。随着气象要素地区建筑物分布等因素皆有密切关系。随着气象要素的变化，污染物在大气中的扩散稀释情况千差万别，的变化，污染物在大气中的扩散稀释情况千差万别，所造成的污染程度有很大不同。所造成的污染程度有很大不同。第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学第三章第三章大气污染气象学从污染源排放到大气中的污染物的传输和扩大气污染气象学从污染源排放到大气中的污染物的传输和扩第一节第一节 大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构自然地理学将受地心引力而随地球旋转的大气层称自然地理学将受地心引力而随地球旋转的大气层称为为大气圈大气圈。大气圈的垂直结构是指气象要素的垂直分布情况，大气圈的垂直结构是指气象要素的垂直分布情况，如气温、气压、大气密度和大气成分等。根据气温在垂如气温、气压、大气密度和大气成分等。根据气温在垂直于下垫面方向上的分布，可直于下垫面方向上的分布，可将大气圈分为五层将大气圈分为五层：对流对流层、平流层、中间层、暖层层、平流层、中间层、暖层和和散逸层。散逸层。第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学第一节第一节大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直结构第三章大气圈结构及气象要素一、大气圈垂直结构第三章大大一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学一、大气圈垂直结构第三章一、大气圈垂直结构第三章大气污染气象学大气污染气象学一、大气圈垂直结构一、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，主要天和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层气现象都发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平均降平均降温温0.650C强烈的对流作用强烈的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，地面摩擦可以忽略大气边界层以上，地面摩擦可以忽略一、大气圈垂直结构对流层（一、大气圈垂直结构对流层（10km左右）大气边界层左右）大气边界层对流层对流层一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构平流层（对流层顶平流层（对流层顶505055km55km）同温层对流层顶同温层对流层顶353540km40km，气温，气温-55-550 0C C左右左右同温层以上，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集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中间层中间层（平流层顶（平流层顶85km85km）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一、大气圈垂直结构平流层（对流层顶一、大气圈垂直结构平流层（对流层顶5055km）一、大气圈垂直结构一、大气圈垂直结构暖层（中间层顶暖层（中间层顶800km800km）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808085km85km以下，成分基本不变以下，成分基本不变一、大气圈垂直结构暖层（中间层顶一、大气圈垂直结构暖层（中间层顶800km）二、主要气象要素二、主要气象要素J 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，称为气象要素。表示大气状态的物理现象和物理量，称为气象要素。主要的气象要素有：主要的气象要素有：气温、气压、气湿、风向、风速、气温、气压、气湿、风向、风速、云况、能见度云况、能见度等等J 1 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。地面温度是指距地地面温度是指距地1.5 m1.5 m高处百叶箱内气温。高处百叶箱内气温。表示气温的单位一般用摄氏温度表示气温的单位一般用摄氏温度 ，或用热力学温度，或用热力学温度K K。第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学二、主要气象要素二、主要气象要素气象要素（因子）：第三章气象要素（因子）：第三章大气污染大气污染二、主要气象要素二、主要气象要素2气压气压气气压压是是指指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面积上的大气柱重量。位面积上的大气柱重量。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。气气压压单单位位用用帕帕（Pa），1Pa=1N/m2。气气象象上上采采用用百百帕（帕（hPa)作单位。作单位。国国际际上上规规定定，温温度度0、纬纬度度45的的海海平平面面上上的的气气压压为一个标准大气压。为一个标准大气压。1个标准大气压个标准大气压P0=101325Pa=1013.25hPa第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学二、主要气象要素二、主要气象要素2气压第三章气压第三章大气污染气象学大气污染气象学二、主要气象要素二、主要气象要素3 3气湿气湿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。常常用用的的表表示示方方法法有有：绝绝对对湿湿度度、水水蒸蒸气气压压力力、体体积积百百分比、含湿量、相对湿度、露点等。分比、含湿量、相对湿度、露点等。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对湿度的百分比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二、主要气象要素二、主要气象要素3气湿气湿二、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水平方向的空水平方向的空气运动称为风。垂直方向的空气运动气运动称为风。垂直方向的空气运动则称为升降气流。则称为升降气流。风的来向叫风向风的来向叫风向（8 8个或个或1616个方位圆周等分表示）个方位圆周等分表示）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的的距距离离（2 2或或10min10min的平均值）。的平均值）。根根据据自自然然现现象象将将风风力力分分为为1313个个等等级级（0 01212级级）。若若用用F F表示风力等级，则风速表示风力等级，则风速u（km/hkm/h）：）：第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学二、主要气象要素二、主要气象要素4风向和风速第三章风向和风速第三章大气污染气象学大气污染气象学大气圈垂直结构对流层课件大气圈垂直结构对流层课件二、主要气象要素二、主要气象要素5 5、云、云云云：是发生在高空的水汽凝结现象。：是发生在高空的水汽凝结现象。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：云云占占天天空空的的1/101/10，云云量量记记为为1 1；在在云云层层中中有有少少量量空空隙隙（空空隙隙总总量量不不到到天天空空的的1/201/20）记记为为1010；当当天天空空无无云云或或云云量量不不到到1/201/20时，云量为时，云量为0 0。第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学二、主要气象要素第三章二、主要气象要素第三章大气污染气象学大气污染气象学5 5、云、云云量云量国外，将天空分为国外，将天空分为8 8等份。等份。国外云量与我国云量间的关系，国外云量国外云量与我国云量间的关系，国外云量1.25=1.25=我国我国云量总云量云量总云量低云量：低云的云掩盖天空的成数。低云量：低云的云掩盖天空的成数。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10/710/7。云状：多种多样，云状：多种多样，19321932年国际云学委员会出版的国际年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属。云图将云状分为四族十属。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法 第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学5、云第三章、云第三章大气污染气象学大气污染气象学云云云云高云（高云（5000m以上）以上）中中云云（2500-5000m）低云（低云（2500米以下）米以下）云高云（云高云（5000m以上）中云（以上）中云（2500-5000m）低云（）低云（2二、主要气象要素二、主要气象要素二、主要气象要素二、主要气象要素6 6能见度能见度能见度：在当时的天能见度：在当时的天气条件下，视力正常的人气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到或能够从天空背景中看到或辨认出目标物的最大水平辨认出目标物的最大水平距离距离,观测值通常分观测值通常分0 09 9级，相应距离为级，相应距离为50505000050000米），米），能见度的大小反应了能见度的大小反应了大气的混浊现象，反映出大气的混浊现象，反映出大气中杂质的多少。大气大气中杂质的多少。大气中的雾、水汽、烟尘等，中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。可使能见度降低。二、主要气象要素二、主要气象要素6能见度能见度第二节第二节 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1 1、什么是辐射？、什么是辐射？自自然然界界中中的的一一切切物物体体都都以以电电磁磁波波的的形形式式时时刻刻不不停停的的向向外外传传递递能能量量，这这种种传传递递能能量量的的方方式式称称为为辐辐射射，以以辐辐射射的方式向四周输送的能量称辐射能，有时简称辐射。的方式向四周输送的能量称辐射能，有时简称辐射。2 2、大气对太阳辐射的减弱及影响因素、大气对太阳辐射的减弱及影响因素（1 1）吸吸收收辐辐射射;（2 2）散散射射作作用用;（3 3）反反射射;（4 4）透过大气层透过大气层.第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学第二节第二节大气的热力过程一、太阳、大气和地面的热交换第三章大气的热力过程一、太阳、大气和地面的热交换第三章一、太阳、大气和地面的热交换一、太阳、大气和地面的热交换3 3、大气温度依地面温度的变化关系、大气温度依地面温度的变化关系地地面面温温度度（土土壤壤温温度度）的的日日变变化化是是周周期期性性的的，具具有有一一最最高高值值和和最最低低值值，在在一一天天里里地地表表温温度度最最高高值值在在1313点点左左右，最低温度在日出前后。右，最低温度在日出前后。气气温温的的年年变变化化曲曲线线与与地地表表温温度度年年变变化化曲曲线线平平行行，但但振幅较小。振幅较小。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区和红外区太阳辐射的能量主要分布在可见光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第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学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第三章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第三章二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化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）二、气温的垂直变化气温直减率空气块膨胀（做功）耗内二、气温的垂直变化气温直减率空气块膨胀（做功）耗内能能T定定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定量：定量：热力学第一定律热力学第一定律 （第一定律状态方程）（第一定律状态方程）其中其中第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学1.大气的绝热过程与泊松方程定量：第三章大气的绝热过程与泊松方程定量：第三章大气污染气大气污染气2.2.气温直减率气温直减率第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学2.气温直减率第三章气温直减率第三章大气污染气象学大气污染气象学2.2.气温直减率气温直减率代入上式得：代入上式得：实际中，实际中，Ti、T 相差相差10K，则，则2.气温直减率代入上式得：实际中，气温直减率代入上式得：实际中，Ti、T相差相差103.3.气温的垂直分布（温度层结）气温的垂直分布（温度层结）气温的垂直分布气温的垂直分布温度层结温度层结第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学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1.1.1.1.大气稳定度的概念大气稳定度的概念大气稳定度的概念大气稳定度的概念定定义义：大大气气在在垂垂直直方方向向上上稳稳定定的的程程度度；反反映映其其是是否否容容易易对对流流定性描述：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、大气稳定度第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学1.大气稳定度的概念定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其大气稳定度的概念定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其判据：判据：2.2.大气稳定度的判据大气稳定度的判据第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学2.大气稳定度的判据第三章大气稳定度的判据第三章大气污染气象学大气污染气象学一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场（三）逆温（三）逆温一般将气温随高度增加而增加的气层称为逆温层。一般将气温随高度增加而增加的气层称为逆温层。当发生逆温或等温时，大气是稳定的。逆温层的存在，当发生逆温或等温时，大气是稳定的。逆温层的存在，阻碍了气流的垂直运动，所以又将逆温层称为阻挡层。阻碍了气流的垂直运动，所以又将逆温层称为阻挡层。根据逆温生成的过程，可将逆温分为辐射逆温、下根据逆温生成的过程，可将逆温分为辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温和湍流逆温。沉逆温、平流逆温、锋面逆温和湍流逆温。第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学一、大气边界层的温度场（三）逆温第三章一、大气边界层的温度场（三）逆温第三章大气污染气象学大气污染气象学三三、逆温逆温1 1、辐射逆温的生消过程、辐射逆温的生消过程三、逆温三、逆温1、辐射逆温的生消过程、辐射逆温的生消过程四四、逆温逆温2.2.下沉逆温下沉逆温 （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四、逆温四、逆温2.下沉逆温下沉逆温（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）很厚很厚四四、逆温逆温3.3.平流逆温平流逆温 暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成4.4.湍流逆温湍流逆温 低层空气湍流混合形成的逆温低层空气湍流混合形成的逆温四、逆温四、逆温3.平流逆温平流逆温4.湍流逆温湍流逆温四四、逆温逆温5.5.锋面逆温锋面逆温 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，形成锋面四、逆温四、逆温5.锋面逆温锋面逆温冷、暖气团相遇冷暖间逆温冷、暖气团相遇冷暖间逆温暖气上爬，形暖气上爬，形四、不同温度层结下的烟型四、不同温度层结下的烟型 波浪型（不稳）波浪型（不稳）锥型（中性锥型（中性oror弱弱稳）稳）扇型（逆温）扇型（逆温）爬升型（下稳，爬升型（下稳，上不稳）上不稳）漫烟型（上逆、漫烟型（上逆、下不稳）下不稳）四、不同温度层结下的烟型四、不同温度层结下的烟型波浪型（不稳）波浪型（不稳）第三节第三节 大气的运动和风大气的运动和风一、引起大气运动的作用力一、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：改变方向）地转偏向力（相对运动：改变方向）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）第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学第三节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大气的运动和风一、引起大气运动的作用力直接作用力二、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 EkmanEkman（爱爱克克曼曼）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；南南半半球球则相反）则相反）高高度度增增高高，风风速速增增大大，方方向向逐逐渐渐接接近地转风。近地转风。第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学二、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Ekman（爱克曼）螺旋线（北（爱克曼）螺旋线（北三、近地层风速廓线模式三、近地层风速廓线模式三、近地层风速廓线模式三、近地层风速廓线模式 1.1.对数律风速廓线模式对数律风速廓线模式平均风速随高度变化平均风速随高度变化中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度三、近地层风速廓线模式三、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三、近地层风速廓线模式三、近地层风速廓线模式 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，指数律，稳定度参数稳定度参数m m第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学三、近地层风速廓线模式三、近地层风速廓线模式2.指数律风速廓线模式第三章指数律风速廓线模式第三章大大37四、地方性风场四、地方性风场1 1、地形和地物的影响、地形和地物的影响当气流沿地面流过时，必然要同各种地形地物发生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。碍物的体积、形状、高低有密切关系。2 2、地方性风场、地方性风场 （1 1）山谷风；）山谷风；（2 2）海陆风；）海陆风；（3 3）城市热岛环流。）城市热岛环流。第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学37四、地方性风场四、地方性风场1、地形和地物的影响第三章、地形和地物的影响第三章大气污染气大气污染气四四、地方性风场地方性风场 1 1海陆风海陆风 第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学四、地方性风场四、地方性风场1海陆风海陆风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、地方性风场 2 2山谷风山谷风 第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学四、地方性风场四、地方性风场2山谷风山谷风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、地方性风场 3城市热岛环流城市热岛环流第三章第三章 大气污染气象大气污染气象学学四、地方性风场四、地方性风场3城市热岛环流城市热岛环流第三章第三章大气污染气象学大气污染气象学