大气污染气象学

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 大气污染气象学,1.大气圈结构及气象要素,2.大气的热力过程,3.大气的运动和风(大气动力学),4.气象状况对大气污染物扩散影响,大气扩散,源,受体,大气扩散,酸雨越境转移（日本、南朝鲜）,大气科学,大气物理、化学,大气气象学,污染气象学,气象条件对污染物的稀释、扩散作用,污染物对气象的影响,第,1,节,大气圈结构及气象要素,1.1,大气圈垂直结构,大气层可分为,对流层(最贴近地面,密度最大的一层),平流层(气体组成相同但密度较小的气层),中间层(大气对流强烈),暖层/电离层（由已电离的气体组成）,散逸层(摆脱地球引力),Ozone layer,大气圈垂直结构,对流层,（,10km,左右）,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,0.65,0,C,强烈对流作用,温度和湿度的水平分布不均,大气边界层,对流层下层12km，地面阻滞和摩擦 作用明显,自由大气,大气边界层以上，地面摩擦可以忽略,近地层,地面上50100m,，热量和动量的常通量层,大气圈垂直结构,平流层,（对流层顶,5055km,）,同温层对流层顶到,3540km,高度，气温,-55,o,C,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,2025kmO,3,浓度最高,没有对流运动，污染物停留时间很长,中间层,（平流层顶,85km,）,气温随高度升高而迅速降低,对流运动强烈,大气圈垂直结构,暖层,（,中间层顶,800km,）,气温随高度升高而增高,气体分子高度电离电离层,散逸层,（,暖层以上,）,气温高，空气稀薄,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,均质大气层,80,85km,以下，气体成分基本不变,1.2 主要气象要素,1,气温,天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。,主要气象要素,2,气压,(,大气的压强,),单位,：mb/hP,（毫巴/百帕）,国际规定，温度0,o,C、纬度45,o,C的海平面上的气,压为1atm(标准大气压),1atm101326Pa1013.26mb=760mmHg,1013.26hP/101.326kPa,大气静力学方程,:,主要气象要素,3气湿,绝对湿度,w,1m,3,湿空气中含有的水汽质量。,w=,w,/(,R,w,T,),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的百分比,(,RH,%),。,=,w/,v,含湿,量,d,湿空气中,1kg,干空气包含的水汽质量。,d,=,w/,d,do,湿空气中,1m,N,3,干空气所包含的水汽质量,。,do=,d,N,d,水汽体积分数,水汽在湿空气中所占的体积分数,露点,o,C,同气压下空气达到,饱和状态,时的温度,气湿换算,主要气象要素,4,风向和风速,水平方向的空气运动叫做,风,(,垂直方向升降气流,）,风向,:,风的来向（16个方位圆周等分）,风速,:,单位时间内空气在水平方向上运动距离,（2,或10min的平均值）,(km/h),F,风力级（012级）,4风向和风速,风速,m/s,同心圆表示风的频率。例如，吹,南,风的频率约为,11，,其中风速大于,10.82,m/s,的频率约为,1，,风速在,3.355.41m/s的频率为3.5%左右。,某地区1988年的风玫瑰图,5云,云,：,大气中水汽的凝结现象,(使气温随高度变化小),云量,:天空被云遮蔽的成数（我国,10,分，国外,8,分）,云高,:云底距地面底高度,低云（,2500m以下,）,中云（,25005000m,）,高云（,5000,m以上）,云状,:卷云（线）,积云（块）,层云（面),雨层云(无定形）,云,高云（,5000,m以上）,中云（2500-5000m）,低云2500米以下,6能见度,定义,：,正常视力的人，在天空背景下能看清的水平距离。级别（,09,级，相应距离为5050000米）,汽车时速,km/h m/s,30 8.3,40 11.1,50 13.9,60 16.7,80 22.2,27.8,33.3,160 44.4,第2节 大气的热力过程,1.1,太阳、大气和地面的热交换,（,低层大气的增温与冷却,）,太阳以紫外线,(0.76 m),的,短波形式辐射热量,地球表面和大气吸收太阳辐射，并以自身温度向外辐射能量,低温长波辐射,(3120m),地面长波辐射,(7595%),加热大气,能量主要被低层大气（,4050m,）,吸收,近地层大气温度随地表温度变化,地面,太阳辐射,地面吸收,宇宙,空间,大气,吸收,反射,削弱作用,大气逆辐射,地面辐射,大气吸收,大气辐射,保温作用,大气保温作用是指：大气吸收、大气逆辐射,辐射能量的吸收,地球表面每秒钟接收到的太阳辐射热量为19.6万亿大卡，相当,于400万吨标准煤的发热量。,太阳辐射能量,31%,返回宇宙,45%,被地球吸收,24%,被气,体分子和颗粒物吸收。大气中能选择吸收辐射能量的,物质主要有：,水气、,CO,2、,O,3,和颗粒物等,水气,：,波长4.580m的辐射几乎全部吸收,其中6m,和25 m 附近吸收能力最强,CO,2,：12.917.1m有强吸收带,O,3,：在,0.20.3,m,间强吸收带，,0.6,m,附近和,8.310.6,m,间有部分吸收辐射能力。,颗粒物和水滴,：,能选择吸收一部分长波辐射。,水气、,CO,2,等可使大气有明显增温（具有较强的吸收长波辐射的能力）.,O,3,和颗粒物部分吸收长波辐射，增温贡献少,。,2.2,气温的垂直变化,大气热力学微分方程,气团运动一般满足大气绝热过程，即系统与周围环境无热交换,空气块,膨胀（做功）,耗内 能,T,定性,空气块,压缩（外气对它做功）,T,内能,（由压力变化引起）,根据热力学第一定律和理想气体状态方程推导：,dQ=du,+,dw,定压过程,：,dw=,p,dv,焓定义式：,h=u,+,p,v,;,du=d,h,d,(,p,v,)=,d,h,p,dv,vd,p,dQ=d,h,p,dv,vd,p,+,p,dv=,d,h,vd,p,大气热力学微分方程,理想方程,p=,RT,又,d,h=C,p,d,T,和,v=,-,1,dQ=,d,h,vd,p,=,C,p,d,T,RT,(,d,p/p,),又,绝热过程,dQ=,0,得出,：,此外,由上式积分得:,气温的垂直变化,气温直减率：,垂直于地球表面方向上,每升高,100m,气温的变化值,。,（大气）,干绝热直减率,干空气块绝热上升或下降,100m,时，,温度降低或升高的数值。,（空气团）,干绝热直减率计算,(2),干绝热直减率计算,代入式,(2),得：,实际中，,T,i,、,T,相差10K，则,气温的垂直分布,温度层结,2.3 大气稳定度及其判据,定义,：,大气在垂直方向上稳定的程度；反映大气是否容易对流,定性描述,：,外力使气块上升或下降,气块去掉外力,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,大气不稳定条件下有利于污染物扩散,大气稳定度及其判据,定量判断,则有,判据,：,大气稳定度及其判据,2.4 逆温,逆温不利于扩散,辐射：,1.辐射逆温：,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,太阳,地球,：短波,地球,大气层：长波,大气吸收长波强,逆温,辐射逆温的生消过程,逆温,2.下沉逆温,（,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,逆温,3.平流逆温,：,暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成,4.湍流逆温,下层湍流混合达 上层出现过渡层 逆温,逆温,5.锋面逆温,冷、暖气团相遇,冷暖间逆温,暖气上爬，形成锋面,2.5 烟流型与大气稳定度的关系,波浪型（不稳）,锥型（中性,or,弱稳）,扇型（逆温）,爬升型(下稳,上不稳),漫烟型(上逆、下不稳),第3节 大气的运动和风,3.1 引起大气运动的作用力,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12km内明显）,3.2 大气,边界层中风随高度变化,Ekman,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。,近地层风速廓线模式,风速廓线,:,平均风速随高度变化,中性层结,：对数律，粗糙度和摩擦速度,近地层风速廓线模式,非中性层结,：,指数律，稳定度参数,3.3,地方性风场,1海陆风,地方性风场,2山谷风,地方性风场,3,城市热岛环流,