1、第一节、污染物在大气中的迁移第一节、污染物在大气中的迁移 气温、气压、湿度、风、云量1 1、气温、气温 一般气象中采用的气温是指离地面1.5m高度处百叶箱中观测到的空气温度。大气预测模型中使用的气温一般也是指该温度。气温在水平方向的差异导致气流水平方向运动的动力，形成风，能够稀释和迁移污染物 气温在垂直方向的差异导致气流的上下强烈对流，有利于形成降水，能够冲刷污染物。2 2、气压、气压:初始状态：初始状态：地面处高度地面处高度0 0：压强压强p1=gzp1=gz高度增加高度增加z,z,则高度则高度z z处：处：压强压强p2=g(z-p2=g(z-z)z)所以，得到：所以，得到：P2-P1=P2
2、-P1=p=-gp=-gz z转化为微分形式则：(1)（密度g/m3，空气=1.29g/L，g重力加速度9.8m/s2）。另外，气象学上用比气体常数来表示状态方程，其推导过程为：pv=nRT =(令 )=(2)gdzdpMmRTpv MRTMRTvmpMRR TRp其中其中R=8.314JR=8.314Jmolmol-1-1K K-1-1,M,M气体摩尔质量（空气的摩尔体积为气体摩尔质量（空气的摩尔体积为22.4l22.4lmolmol-1-1，空气密度，空气密度=1.29g=1.29gl l-1-1,所以所以M=22.4M=22.4*1.29=28.869gmol1.29=28.869gmo
3、l-1 1）,所以所以R=R/M=287 JR=R/M=287 Jkgkg-1-1K K-1-1。由（由（1 1）和（）和（2 2）得到：）得到：=（3）可见只要知道温度随高度的分布函数形式，就可以推得气压随高度的变化函数形式。gdzdpTRpgdzTRgdzTRgpdp1dzTRgpdp1dzTRgpp1ln0dzTRgpp1exp0 风玫瑰图（风玫瑰图（m/sm/s）3 3、风、风 水平方向的空气运动，垂直方向水平方向的空气运动，垂直方向则称为对流或升降气流。则称为对流或升降气流。一般用风向、风速来表示风一般用风向、风速来表示风的特征的特征 风向一般用风向一般用1616个方位表示，个方位表
4、示，(E S W N)(E S W N)风速是单位时间内空气在水风速是单位时间内空气在水平方向移动的距离（平方向移动的距离（m/sm/s）一般风速是地面以上一般风速是地面以上10m10m处风处风速仪观测得到的平均值速仪观测得到的平均值4 4、云、云 大气中水汽凝结的产物大气中水汽凝结的产物 一般用云量、云高来确定大气稳定度一般用云量、云高来确定大气稳定度 云高：云层底部距离地面的高度，高云（云高：云层底部距离地面的高度，高云（5000m5000m）中云（中云（2500-5000m2500-5000m）低云（）低云（2500m2500m）云量：云遮蔽天空的成数。将可见天空分为云量：云遮蔽天空的成
5、数。将可见天空分为1010份，份，被云遮挡了几份，云量就是几。晴空无云，云量为被云遮挡了几份，云量就是几。晴空无云，云量为0 0，乌，乌云遮天，云量为云遮天，云量为10.10.由于上述，可见大气的垂直温度递减率越大，则大气就越不稳定。一般大气层越稳定，则越不利于污染物的扩散 而逆温则使大气的温度变化逆转，随着高度升高，温度也升高（rh,所以HH3 3、湍流逆温（高空逆温）、湍流逆温（高空逆温）低层空气湍流混合而上层空气未混合情况下发生的高空逆温。在下部湍流层，气团上升过程中，温度按干绝热递减率（rd）变化，上升到一定高度后，其温度低于周围环境温度（这样它才不继续上升，而有返回趋势，形成湍流），
6、这样下部湍流层的温度会低于上部未湍流层低部的温度，从而形成高空湍流逆温。lnP C B E D F A下面重点介绍一下辐射逆温下面重点介绍一下辐射逆温 下图白天的层结曲线为下图白天的层结曲线为ABCABC 夜晚近地面空气冷却较快，层结曲线变为夜晚近地面空气冷却较快，层结曲线变为FECFEC，其中，其中FEFE为逆温层。为逆温层。以后随着地面温度降低，逆温层加厚，在清以后随着地面温度降低，逆温层加厚，在清晨达到最厚，如晨达到最厚，如DBDB段。段。日出后地面温度上升，逆温层近地面处首先日出后地面温度上升，逆温层近地面处首先破坏，破坏，自下而上逐渐变薄，最后消自下而上逐渐变薄，最后消 失。失。图图
7、a a为正常气温垂直分布情形为正常气温垂直分布情形:在晴朗无云或少云的夜间在晴朗无云或少云的夜间,地面辐射冷却快，贴近地面的气层也随之降温，离地面地面辐射冷却快，贴近地面的气层也随之降温，离地面越近，降温越快，因此，形成了自地面开始的逆温（图越近，降温越快，因此，形成了自地面开始的逆温（图b b）。日出前后，逆温层最厚（图）。日出前后，逆温层最厚（图c c）；日出后，太阳辐）；日出后，太阳辐射逐渐增温强，地面很快增温，逆温便逐渐自下而上地射逐渐增温强，地面很快增温，逆温便逐渐自下而上地消失（图消失（图d d、e e）。辐射逆温厚度从数十米到数百米，在）。辐射逆温厚度从数十米到数百米，在大陆上常
8、年都可出现，以冬季最强。冬季夜长，逆温层大陆上常年都可出现，以冬季最强。冬季夜长，逆温层厚，消失较慢。厚，消失较慢。1 1、气团运动的绝热过程气团运动的绝热过程 空气移动空气移动,高压区高压区低压，膨胀降温，压缩升温。低压，膨胀降温，压缩升温。当气团在水平方向运动当气团在水平方向运动,非绝热过程。非绝热过程。当气团作垂直升降运动时，近似为绝热过程。当气团作垂直升降运动时，近似为绝热过程。高温暖气团倾向于从地表移动到低压的高处，气团绝热膨胀并降温。若没有水汽凝结，冷却速率为0.98/100m，称为温度的干绝热递减率干绝热递减率（r rd d）。）。然而，一般气团中都含有水蒸气，冷凝放潜热，得到温
9、度的垂直递减率温度的垂直递减率（r r）,冷却速率为0.65/100m。当污染源排放的污染刚进入大气环境的时候，可视为一个绝热过程。膨胀降温20压缩升温21温度垂直递减率，干绝热递减率温度垂直递减率，干绝热递减率2 2、气团运动的绝热方程、气团运动的绝热方程根据热力学第一定律：根据热力学第一定律：dq=du+dw(qdq=du+dw(q外界加于体系的热量，外界加于体系的热量，uu体系内能变体系内能变化，化，ww体系对外做功体系对外做功)绝热过程中：绝热过程中：外界加于体系的热量外界加于体系的热量dq=0dq=0 体系对外做功体系对外做功dw=pdv(dw=pdv(体系膨胀或压缩体系膨胀或压缩)
10、体系内能变化体系内能变化du=nCdu=nCv vdT(dT(体积不变情况下，内能变体积不变情况下，内能变化，定容比热化，定容比热C Cv v)所以：所以：pdv=-nCpdv=-nCv vdT dT （4 4）又由于又由于pv=nRT,pv=nRT,取全微分得到：取全微分得到：pdv+vdp=nRdT pdv+vdp=nRdT （5 5）由（由（4 4）和（）和（5 5）可得：）可得：nRdTvdp=pdv=-nCnRdTvdp=pdv=-nCv vdTdT即：=根据迈耶定律：R+Cv=Cp(定压比热，压力不变情况下，体系 内能变化，Jmol-1K-1)所以：nCvdTdppnRTnRdTd
11、ppnRTnCvdTnRdTdppRTCvdTRdTpdpRTdTCvR)(pdpRTdTCp=对于空气对于空气R=287 JmolR=287 Jmol-1-1K K-1-1 Cp=996.5 Jmol Cp=996.5 Jmol-1-1K K-1-1所以：所以：3 3、干绝热递减率、干绝热递减率气团干绝热气团干绝热升高或降低升高或降低单位距离时，温度单位距离时，温度降低或升高降低或升高的数值，称的数值，称为为干绝热递减率干绝热递减率:推导过程：推导过程：r rd d=-=-因为：因为：（干绝热方程）（干绝热方程）2121pppTTpdpCRTdT1212lnlnppCRTTppCRppTT1
12、212286.01212ppTT ddzdTpdpCRTdTp 所以所以r rd d=-=-=又因为又因为所以：所以：r rd d=又由于又由于p=RTp=RT故故r rd d=0.98K/100m=0.98K/100m （1N=1kg m s1N=1kg m s-2-2,1J=1N m,1J=1N m）dpdpdzdppCRTdzpdpCRT11gdzdpdpgpCRT1dpCgpRTpCg11221121125.9968.95.9968.95.9968.9KmkgkgmsmsKNmkgmsKJkgmsddzdT干绝热递减率常数的推导干绝热递减率常数的推导大气稳定度：是指大气中某一高度上的气
13、块在垂直方向上相对稳定的程度。根据大气垂直递减率（r）和干绝热递减率（rd）的对比关系，可以确定大气稳定度。稳定：气团离开原来位置后有回归的趋势（rrd）中性：介于上述两种情况之间（r=rd）注意其中rd基本为不变常数0.98k/100m，r则可能变化很大。解释解释：当当rrrrd d时，时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于rrd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度大，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度低，所以气团有回归趋势。当当r rr rd d时，时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于rrd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）
14、幅度小，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度高，所以气团有继续移动离开趋势。rrd不稳定稳定度判别的气块法稳定度判别的气块法 通常采用通常采用“气块法气块法”判断静力稳定度。当一气块受判断静力稳定度。当一气块受外力作用在垂直方向上产生扰动后，周围大气有使它返回外力作用在垂直方向上产生扰动后，周围大气有使它返回起始位置的趋势时，这种大气层结是稳定的；反之，大气起始位置的趋势时，这种大气层结是稳定的；反之，大气有使它继续远离起始位置的趋势时，这种大气层结是不稳有使它继续远离起始位置的趋势时，这种大气层结是不稳定的；若气块随时与周围大气取得平衡时，这种大气层结定的；若气块随时与周围大气取得平
15、衡时，这种大气层结是中性的。是中性的。影响稳定度变化的因子：辐射和温度平流影响稳定度变化的因子：辐射和温度平流大气稳定度判据大气稳定度判据干绝热过程：干绝热过程：d d 层结层结稳定稳定 =d d 中中性性 d d 层结层结不稳定不稳定 m m 绝绝对稳定对稳定海洋和大陆在白天和夜间的热力差异，导致的白天和夜间海洋和陆地之间的海洋和大陆在白天和夜间的热力差异，导致的白天和夜间海洋和陆地之间的风向转换。风向转换。白天：海风，夜晚：陆风白天：海风，夜晚：陆风对污染扩散的影响：对污染扩散的影响：白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温。白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成
16、逆温。夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差别不大，不易形成逆温夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差别不大，不易形成逆温易造成污染物往返，海陆风转换期间，原随陆风吹向海洋的污染物又会被吹易造成污染物往返，海陆风转换期间，原随陆风吹向海洋的污染物又会被吹会陆地。循环作用，如果污染源处于海路风交界处，并处于局地环流，则污染会陆地。循环作用，如果污染源处于海路风交界处，并处于局地环流，则污染物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度。物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度。1 1、海陆风、海陆风 2 2、城郊风、城郊风主要动力是城市热岛效应造成的城市空气从上层流向郊区，郊区温度较低的空
17、气从下部流向城市，形成城市和郊区间的大气局地环流。使得污染物在城区很难扩散出去，形成城市烟幕，导致市区大气污染加剧。郊区城市郊区3 3、山谷风、山谷风白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡谷风谷风夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底山风山风处于山谷地区的污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，处于山谷地区的污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，马斯河谷烟雾事件。如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不马斯河谷烟雾事件。如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不再是建造工业企业的胜地。再是建造工业企业的胜地。
