大气污染控制工程气污染气象学课件.ppt

1、21 1、教学要求、教学要求要求了解与大气污染相关的气象学基本知识，要求了解与大气污染相关的气象学基本知识，理解和掌握大气圈的结构、主要气象要素、大理解和掌握大气圈的结构、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念。气稳定度和逆温的概念。2 2、教学重点、教学重点掌握大气层结构及大气的热力过程。掌握大气层结构及大气的热力过程。3 3、教学难点、教学难点大气的热力过程、大气稳定度和逆温大气的热力过程、大气稳定度和逆温。建议学时数：2学时 3（）（）45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

2、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67一一、大气圈垂直结构大气圈垂直结构8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200250绝对温度（K）50030007080506020409030040020010001030高 度（km）高度（k m）高度(km)一、一、大气圈垂直结构大气圈垂直结构每升高每升高100m，气温降低气温降低0.65 N2O2ArCO2NeHeKrH2XeO O3 3越往上氧、氦等气体的原子态越多越往上氧、氦等气体的原子态越多紫

3、外线的强烈照紫外线的强烈照射，射，N2和和O2产生产生不同程度的离解不同程度的离解9Ozonelayer 大气层的结构。大气层可以分为对流层（最贴近地面、密度最大的一层）、平流层（较高的、气体组成相同但密度较小的气层）以及电离层（由已电离的气体组成）10图图行星边界示意图行星边界示意图11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，主要天气现象都和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层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平均降温平均降温0.650C强烈对流作用强烈对流作用温度和湿度的水平分布不均温度和湿度

4、的水平分布不均大气边界层对流层下层大气边界层对流层下层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大气边界层以上，地面摩擦可以忽略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近地层地面上50100m，热量和动量的常通量层，热量和动量的常通量层12平流层平流层（对流层顶（对流层顶5055km）同温层对流层顶同温层对流层顶3540km，气温，气温-550C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85km）气温随高

5、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13暖层暖层（中间层顶（中间层顶800km）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电离层气体分子高度电离电离层散逸层散逸层（暖层以上）（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8085km以下，成分基本不变以下，成分基本不变141516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

6、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 气压 空气湿度（气湿）、风（风向、风速）云量云状 能见度 降水 蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。等。171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：1.5m高、百叶箱内气温。高、百叶箱内气温。oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo9325FC182气压气压任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量.气压总是随高度的增加而降低的。气压随高度递减关系式可用气压总是随

7、高度的增加而降低的。气压随高度递减关系式可用气体静力学方程式描述，即气体静力学方程式描述，即P=-gZ，其积分式其积分式压高公压高公式：式：据实测近地层高度每升高据实测近地层高度每升高100米，气压平均降低约米，气压平均降低约12.4毫巴毫巴（1mb=100Pa)，在高层小于此值。，在高层小于此值。单位：单位：mb（毫巴）（毫巴）大气的压强大气的压强1atm101326Pa1013.26mb=760mmHg静力学方程静力学方程:gzP1212lnlnZZRTgPPm193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

8、度、水蒸气压力、体积百分比、含常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。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空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度的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百分比含湿量湿空气中含湿量湿空气中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同气压下空气达到饱和状态时的温度露点同气压下空气达到饱和状态时的温度203气湿气湿 21二、主要气象要素二、主要气

9、象要素4.风向和风速（风向和风速（windspeedanddirection)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：风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不：风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不均是由温度分布不均造成。均是由温度分布不均造成。P4 P4 P4 P3 P3 P3 P2 P2 P2 P1 P1 P1 A B A B A B t1 t2 t1 t2 t1 t2 t1=t2 t1 t2 t1 t2 a b c 风的形成除热力原因外，还有动力原因，自然界的风是由于这两种原因综合作用的结果，但只要有温差存在，空

10、气就不会停止运动。224风向和风速风向和风速水平水平(horizontal)方向的空气运动称为风。方向的空气运动称为风。（垂直方向升降气流）（垂直方向升降气流）风的来向叫风向（风的来向叫风向（16个方位圆周等分）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（风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2或或10min平均）平均）(km/h)F风力级（风力级（012级）级）302.3Fu 23244风向和风速风向和风速 风玫瑰图风玫瑰图风速风速,m/s 某地区1988年的风玫瑰图。同心圆表示风的频率，例如，吹南风的频率约为1 1 ，其 中 风 速 大 于10.82m/s的频率约为1，风

11、速在3.355.41m/s的频率为3.5左右。255 5、云、云云：是发生在高空的水汽凝结现象。云：是发生在高空的水汽凝结现象。形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为1010等份，有等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的1/101/10，云量，云量记为记为1 1；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的1/201/20）记为）记为1010；当天空无云或

12、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。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=我国云量我国云量总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。总云量：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：一般总云量云量的记录：一般总云量/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云图将云年国际云学委员

13、会出版的国际云图将云状分为四族十属。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 26 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）276能见度能见度能见度能见度：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级别（级别（09级，相级，相应距离为应距离为5050000米）米），单位：m，Km。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

14、、水汽、烟尘等，可使能见度降低。287、太阳高度角 太阳高度角为太阳光线与地平线间的夹角，是影响太阳辐射强弱的最主要的因子之一。ho即太阳高度角，它随时间而变化。8、降水 降水是指大气中降落至地面的液态或固态水的通称。如雨、雪等。降水是清除大气污染物的重要机制之一。ho ho 太阳光线 地面 29一、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向外传递能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，以辐射的方式向四周输送的量，这种传递能量的方式称为辐射，以辐射的方式向四

15、周输送的能量称辐射能，有时简称辐射。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.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，具有一最高值和地面温度（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最低值，在一天里地表温度最高值在1313点左右，最低温度在日出点左右，最低温度在日出前后。前后。气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，但

16、振幅较小。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。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30太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为（约为3.751026W）的）的22亿分之一，但已高达亿分之一，但已高达173,000TW（1012W），也就是说太阳每秒钟照射），也就是说太阳每

17、秒钟照射到 地 球 上 的 能 量 就 相 当 于到 地 球 上 的 能 量 就 相 当 于 5 0 0 万 吨 煤。万 吨 煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光 热、光 电 和 光 化 学 的 直 接 转 换 31地球在日地平均距离处时，和太阳光垂直的地球在日地平均距离处时，和太阳光垂直的大气上界单位面积每单位时间所接收的所有大气上界单位面积每单位时间所接收的所有波长的太阳辐射总能量波长的太阳辐

18、射总能量它常以它常以S表示，其值为：表示，其值为：1.96卡（厘米卡（厘米2分）分）1367瓦米瓦米2多数文献上：多数文献上：1370瓦米瓦米2一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上强度的变化不超过上3.432太阳辐射的能量主要分布在可见光区和太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区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50红外区占红外区占43紫外区只占能量的紫外区只占能量的7在波长在波长0.48微米的地方，太阳辐射的能微米的地方，太阳辐射的能力达到最高值，数值约为力达到最高值，数值约为3.0卡卡/cm2.分以上分以上33

19、3435(1)(1)所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。高温的太所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。高温的太阳和地球都在不停地向外辐射能量阳和地球都在不停地向外辐射能量(2)(2)温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。如太阳表面温度为体放射多。如太阳表面温度为60006000K K，而地球表面的平均温，而地球表面的平均温度为度为288288K K，因而，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球，因而，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大几百万倍表面放射的能量大几百万倍(3)(3)物体温度愈高，其放射

20、的最大辐射的波长愈短；物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。例如，太阳放射的最大辐射波长长。例如，太阳放射的最大辐射波长0.50.5微米，而地微米，而地球放射的最大辐射波长为球放射的最大辐射波长为1010微米。微米。(4)(4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，放射能力能力弱的物体，吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，放射能力也最强。地球和太阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和也最强。地球和

21、太阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和放射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地球大气则是选放射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地球大气则是选择性的吸收和辐射体。对于某种确定波长的辐射可让其透过择性的吸收和辐射体。对于某种确定波长的辐射可让其透过(即不吸收即不吸收)；对于另外波长的辐射，则近乎不透明的；对于另外波长的辐射，则近乎不透明的(即吸收即吸收很强很强)36太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大气上

22、界子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面的太阳辐射不能完全到达地面假设大气层顶的太阳辐射是假设大气层顶的太阳辐射是100。那么太阳辐射通过大气后。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和反射发生散射、吸收和反射(反射云量反射表示反射云量反射表示)，向上散射占，向上散射占4，大气吸收占大气吸收占21,云量吸收占云量吸收占3,云量反射占云量反射占2330反射和散射回宇宙反射和散射回宇宙20被大气吸收被大气吸收50被地面吸收被地面吸收37大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的

23、是云。分能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的是云。不同的云量，不同的云状，云的不同厚度所发生的反不同的云量，不同的云状，云的不同厚度所发生的反射是不同的。射是不同的。高云：平均反射高云：平均反射25中云：平均反射中云：平均反射50低云：平均反射低云：平均反射65稀薄云：稀薄云：10-20%很厚的云层：反射可达很厚的云层：反射可达90云量反射平均：达云量反射平均：达5055大气对太阳辐射的反射大气对太阳辐射的反射38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

24、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 iTz39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 dpTRpkpTCpkpvpCCRv1.4pkC k40dzzzdiippdiivvdiiTTdppdvvdTTiviTpvT气气块块：环环境境：ip（大大气气）（气气块块）（高高度度）dzzzdiippdiivvdiiTTdppdvvdTTiviTpvT气

25、气块块：环环境境：ip（大大气气）（气气块块）（高高度度）ddiiipiTRpTCpippddiippppdd pgz对对气气团团：流流体体准准静静力力学学条条件件：，由由代代入入式式(1)可可得得：(1)ddiipTRg zTCpddiiipiTRpTCpippddiippppdd pgz对对气气团团：流流体体准准静静力力学学条条件件：，由由代代入入式式(1)可可得得：(1)ddiipTRg zTCp41代入上式得：代入上式得：实际中，实际中，Ti、T相差相差0，正正常常分分布布层层结结，中中性性层层结结（绝绝热热直直减减率率）0，等等温温层层结结0，正正常常分分布布层层结结，中中性性层层结

26、结（绝绝热热直直减减率率）0，等等温温层层结结0,a0不稳定不稳定0,a0稳定稳定中性层中性层0，a=0中性中性稳定层稳定层0，a0,a0不稳定不稳定0,a0稳定稳定中性层中性层0，a=0中性中性稳定层稳定层0，a0逆温，非常稳定逆温，非常稳定46逆温不利于扩散逆温不利于扩散辐射：辐射：1.辐射逆温：辐射逆温：地面白天加热，大气自下而上变暖；地面白天加热，大气自下而上变暖；地面夜间变冷，大气自下而上冷却地面夜间变冷，大气自下而上冷却 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474849辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程502.2.下沉

27、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513.3.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dd4.4.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 525.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53波浪型（不稳）波浪型（不稳）锥型（中性锥型（中性or弱稳）弱稳）扇型（逆温）扇型（逆温）爬升型（下稳，上不稳）爬升型（下稳，上

28、不稳）漫烟型（上逆、下不稳）漫烟型（上逆、下不稳）545556T Z Z Z T T d -d0 0 d -d-1 稳 定 晴 夜、早 晨 下 部 不 稳 定，上 部 稳 定 早8-10 时，时 间 短，危 害 重 不 稳 定 Z Z T T -d 0 中 性 稳 定 强 风、阳 光 下 部 稳 定，上 部不 稳 定，污 染 小 57一一、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：方向改变）地转偏向力（相对运动：方向改变）惯性离心力（大气曲线运动：

29、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）58Ekman（爱克曼（爱克曼）螺旋线（北半球下视，螺旋线（北半球下视，地偏力指向运动右方，地偏力指向运动右方，故顺时针；南半球则故顺时针；南半球则相反）相反）高度增高，风速增大，高度增高，风速增大，方向逐渐接近地转风。方向逐渐接近地转风。591.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*0lnuZukZ602.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

30、层结：指数律，稳定度参数指数律，稳定度参数11()mZuuZ611海陆风海陆风622山谷风山谷风633城市热岛环流城市热岛环流64651.影响大气污染的主要气象要素：气温、气压、空气湿度（气湿）、风（风向、风速）、云况、能见度、降水、蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。等。2.热力因子热力因子影响大气污染的主要原因3.动力因子动力因子影响大气污染的主要原因作业题作业题P82831.3.7663.1解：解：由气体静力学方程式，大气中气压随高度的变化可用下式描述：由气体静力学方程式，大气中气压随高度的变化可用下式描述：（1）将空气视为理想气体，即有将空气视为理想气体，即有可写为可写为（

31、2）将（将（2）式带入（）式带入（1），并整理，得到以下方程：），并整理，得到以下方程：假定在一定范围内温度假定在一定范围内温度T的变化很小，可以忽略。对上式进行的变化很小，可以忽略。对上式进行积分得：积分得：（3）假设山脚下的气温为假设山脚下的气温为10。C，带入（，带入（3）式得：）式得：得即登山运动员从山脚向上爬了约得即登山运动员从山脚向上爬了约5.7km。dPgdZ mP VR TMmPMVRTd Pg Md ZPR T lngMPZCRT 2211ln()PgMZZPRT5009.8 0.029ln10008.314 283Z5.7Zkm即即673.3解：解：288.00101)(PPTTKPPTT49.258)400600(230)(288.0288.00101683.7解：解：0100/22.14581.217.26111mKzTG011 GmKzTG100/72.07631.216.15222dmKG100/72.022mKzTG100/16.15806.159.8333dmKG100/16.133mKzTG100/120000.250.5444dmKG100/144mKzTG100/25000.300.20555dmKG100/2550100/43.07000.250.28666mKzTG066G69谢谢谢谢!谢谢！