大气圈垂直结构对流层课件.ppt

1、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

2、，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 大气污染气象学大气污染气象学第一节第一节 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

3、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 大气污染气象学大气污染气象学一、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

4、层下层12 km，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

5、动强烈对流运动强烈一、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，称为表示大气状态的物理现象和物理量

6、，称为气象要素气象要素。 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 大气污染气象学大气污染气象学二、主要气象要素二、主要气象要素2气压气压气压是指大气的压强。任一点的气压值等于该地单气压是指大气的压强。任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量

7、。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。气压单位用帕（气压单位用帕（Pa），），1Pa=1N/m2。气象上采用百。气象上采用百帕（帕（hPa)作单位。作单位。国际上规定，温度国际上规定，温度0、纬度、纬度45的海平面上的气压的海平面上的气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=101325 Pa=1013.25 hPa第三章第三章 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。常用的表示方法有：绝对湿度

8、、水蒸气压力、体积百常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、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4 4风向和风速

9、风向和风速水平方向的空气运动称为风。水平方向的空气运动称为风。垂直方向的空气运动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）风速：单位时间内空气在水平方向上运动的距离（风速：单位时间内空气在水平方向上运动的距离（2 2或或10min10min的平均值）。的平均值）。根据自然现象将风力分为根据自然现象将风力分为1313个等级（个等级（0 01212级）。若级）。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）：）：302. 3Fu 第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学

10、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。云量云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为1010等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的天空的1/101/10，云量记为，云量记为1 1；在云层中有少量空隙（空隙；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的总量不到天空的1/201/20）记为）记为1010；当天空无云或云量不到；当天空无云或云量不到1/201/20时，云量为时，云量为0 0。 第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学

11、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

12、：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 大气污染气象学大气污染气象学 高云（高云（5000m以上）以上）中云（中云（2500-5000m）低云（低云（2500米以下）米以下）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

13、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。 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？自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能量，这种传递能量的方式称为辐射，以辐射向外传递能量，这种传递能量的方式称为辐射，以辐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

14、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）吸收辐射）吸收辐射; ;（2 2）散射作用）散射作用; ;（3 3）反射）反射; ;（4 4）透过大气层透过大气层. .第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学一、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面温度（土壤温度）的日变化是周期性的，具有地面温度（土壤温度）的日变化是周期性的，具有一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在1313点左点左右，最低温度在日出前后。右，最低温度在日出前后。气温的年变化曲线与地

15、表温度年变化曲线平行，但气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，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 大气污染气象学大气污染气象学二、气温的垂直变化二、气温的

16、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） Tzddd iTz1. 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 ddpTRpTCpdd1 d

17、pTRpkpTCpkpvpCCRv1.4pkC k第三章第三章 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 zTCpd

18、diiipiTRpTCpippddiippppdd 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第三章第三章 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 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 不不稳稳定定0, a0 稳稳定定中中性性层层0，a=0 中中性性稳稳定定层层0

19、， a0, a0 不不稳稳定定0, a0 稳稳定定中中性性层层0，a=0 中中性性稳稳定定层层0 ， a0 逆逆温温，非非常常稳稳定定第三章第三章 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

20、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四四、逆温逆温5.5.锋面逆温锋面逆温

21、 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、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） 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

22、）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 大气污染气象学大气污染气象学二、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 EkmanEkman（爱克曼）（爱克曼）螺旋线（北半球螺旋线（北半球下视，地偏力指下视，地偏力指向运动右方，故向运动右方，故顺时针；南半球顺时针；南半球则相反）则相反）高度增高，风速增高度增高，风速增大，方向逐渐接大，方向逐渐接近地转风。近地转风。 第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学三、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

23、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*0lnuZukZ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 m11()mZuuZ第三章第三章 大气污染气象学大气污染气象学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 大气污染气象学大气污染气象学四四、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 大气污染气象学大气污染气象学