内蒙科大大气污染控制工程教案第3章大气污染气象学

1第三章大气污染气象学3.1大气圈结构及气象要素目的要求：了解大气圈的结构，掌握主要气象要素及其表示方法；重点难点：主要气象要素的表示方法；授课方式：讲授；一、大气圈垂直结构1、大气圈及其垂直结构大气圈：自然地理学将受地心引力而随地球旋转的大气层称为大气圈；在大气物理学和污染气象学研究中，常把大气圈的上界定为1200-1400km；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的垂直分布。2、气温的垂直分布情况根据气温在垂直于下垫面（即地球表面情况）方向上的分布情况，可将大气圈分为五层：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层；（1）对流层指大气圈最低的一层。对流层的厚度随纬度的增加而降低；对流层的主要特征是：a、对流层虽然很薄，但却集中了整个大气质量的3/4和几乎全部水汽，主要的大气现象都发生在这一层，它是天气变化最复杂、对人类活动影响最大的一层；b、大气温度随高度增加而降低，每升高100m平均降温约0.65℃；c、空气具有强烈的对流运动，主要是由于下垫面受热不均匀及其本身特征不同造成的；d、湿度和温度的水平分布不均匀，在热带海洋上空，空气比较温暖潮湿，在高纬度内陆上空，空气比较寒冷干燥，因此也经常发生大规模空气的水平运动。在大气边界层中，由于气流运动受地面摩擦的影响，故风速随高度的增加而增大。在这一层中，大气上下有规则的对流和无规则的湍流运动都比较盛行，加上水汽充足，直接影响着大气污染物的传输、扩散和转化。（2）平流层从对流层顶到50-55km高度的一层称为平流层。从对流层顶到35-40km左右的一层，气温几乎不随高度变化，为-55℃左右，故称为同温层。从这以上到平流层顶，气温随高度增高而增高，至平流2层顶达-3℃左右，也称逆温层。平流层集中了大气中大部分臭氧，并在20-25km高度上达到最大值，形成臭氧层。平流层中，几乎没有大气对流运动，大气垂直混合微弱，极少出现雨雪天气，所以进入平流层中的大气污染物的停留时间很长。（3）中间层从平流层顶到85km高度的一层称为中间层。这一层的特点是，气温随高度的升高而迅速降低，其顶部气温可达-83℃以下。因此大气的对流运动强烈，垂直运动明显。（4）暖层从中间层顶到800km高度为暖层。其特点是，在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，再度出现气温随高度升高而增高的现象。暖层气体分子被高度电离，存在着大量的离子和电子，故又称为电离层。（5）散逸层暖层以上的大气层统称为散逸层。它是大气的外层，气温很高，空气极为稀薄，空气粒子运行速度很高，可以摆脱地球引力而散逸到太空中。二、主要气象要素表示大气状态的物理量和物理现象，称为气象要素。气象要素主要是：气温、气压、气湿、风向、风速、云况、能见度等。1、气温气象上讲的地面气温一般指距离地面1.5m高处百叶箱中观测到的空气温度。它反映了某一条件下空气分子平均动能的大小；表示气温高低常用的温度有两种：摄氏温度和热力学温度。两种温度的换算关系如下：1K=1℃+273.15百叶箱：安装温、湿度仪器用的防护设备。它的内外部分应为白色。白色的，不容易吸热。百叶箱的作用是防止太阳对仪器的直接辐射和地面对仪器的反射辐射，保护仪器免受强风、雨、雪等的影响，并使仪器感应部分有适当的通风，能真实地感应外界空气温度和湿度的变化。白天，空气对太阳辐射的吸收能力弱于任一种温度感应元件；夜晚，空气的红外辐射能力又弱于任一种温度感应元件的表面。任何直接暴露在空气中的测温元件，其测量值在白天将系统偏高于气温，夜间则系统偏低。为避免这种辐射误差，必须对测温元件采取有效的辐射屏蔽措施。百叶箱是其中的一种，广泛安装在气象台站网的气象观测场上。百叶箱通常由木质和玻璃钢两种材料制成。百叶箱里一般放四只温度计：两个竖着放的，即干球温度计和湿球温度计，干球温度计的读数就是当时的气温。而用这两个温度计的读数经过简单计算就可以计算出来当时的空气湿度3另外还有两个躺着放的温度计，即最高温度计和最低温度计。用他们可以得出一天内的最高温度和最低温度。2、气压大气的压强。静止大气中某观测高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量；气压一般用水银气压柱或空盒气压表测定；气象上常采用百帕（hPa）作单位，1hPa=100Pa。国际上规定：温度0℃、纬度45°的海平面上的气压为一个标准大气压。3、气湿空气的湿度简称气湿，表示空气中水汽含量的多少。气湿常用的表示方法有绝对湿度、水汽压、饱和水汽压、相对湿度、含湿量、水汽体积分数及露点等。大气的湿度是决定云、雾、降水、蒸发等天气状况的重要因素。（1）绝对湿度在1m3湿空气中含有的水汽质量（kg），称为湿空气的绝对湿度。w/TwwpR（3-1）（2）相对湿度空气的绝对湿度（w）与同温度下饱和空气的绝对湿度（v）之百分比，称为空气的相对湿度。由式（3-1）可知，它等于空气的水汽分压与同温度下饱和空气的水汽分压v之百分比，即wvwv/100p/p100（3-2）（3）含湿量湿空气中1kg干空气所包含的水汽质量（kg）称为空气的含湿量，气象中也称为比湿，其定义式为wdd/（3-3）其中：d为干空气的密度，kg/m3；由理想气体状态方程及式3-1、3-2、3-3，可将含湿量表示成wddwdwdvvwd（3-4）p——湿空气的总压力；dp——干空气分压，因而p=dp+wp；干空气的气体常数dR=287.0J/（kgK），湿空气wR=461.4J/（kgK），则dR/wR=287.0/461.4=0.622，带入式3-4得，d0.6220.6220.622wwvdwvpppppppp（3-5）在工程中常将湿空气的含湿量定义为1标准立方米（1mN3）干空气所含的水汽质量（kg）其单位为kg水汽/mN3干空气，并用d0表示，则得0Nddd（3-6）4Nd为标准状态（273.15K，101325Pa）下干空气的密度（kg/mN3）。考虑到Rd/Rw=0.804Nd，则得00.8040.8040.804wwvdwvpppdppppp（3-7）（4）水汽体积分数对于理想气体来说，混合气体中某一气体的体积分数等于其摩尔分数，所以水汽的体积分数可表示为000.8040.804wvNdwNdppddyppdd（3-8）例3-1通过例题对气温、气压尤其是气湿的几种常用表示方法进行巩固掌握；（5）露点在一定气压下空气达到饱和状态时的温度，称为空气的露点。4、方向和风速（1）风向气象上把空气的水平运动称为风，垂直方向的空气运动称为升降气流；风向是指风的来向；风向可用8个方位或16个方位来表示；（2）风速单位时间内空气在水平方向运行的距离，单位用m/s或km/h表示；通常气象台站所测定的风向和风速，都是指一定时间的平均值；根据自然现象将风力分为13个等级（0-12级），若用F表示风力等级，则风速u（单位：km/h）为33.02uF；由于地面对风产生摩擦，起阻碍作用，所以风速随高度升高而增加。100m高处的风速约为1m高处风速的3倍；5、云云是漂浮在空气中的水汽凝结物；这些水汽凝结物是由大量小水滴或小冰晶或两者的混合物构成的。云的生成与否、形成特征、量的多少、分布及演变，不仅反映了当时大气的运动状态，而且预示着天气演变的趋势；云对太阳辐射和地面辐射起反射作用，反射的强弱视云的厚度而定；从污染物扩散的观点看，主要关心的是云的云量及云高；（1）云高是指云底距离地面的高度；根据云底高度可将云分为：高云：云底高度一般为5000m以上；中云：云底高度一般在2500-5000m之间；低云：云底高度一般在2500m5以下；（2）云量云量是指云遮蔽天空的成数；我国将天空分为10份，云遮蔽了几份，云量就是几；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：指低云遮蔽天空的成数；云量记录：一般总云量和低云量以分数的形式计入观测记录。总云量作分子，低云量作分母，如10/7，5/5等；任何情况下，低云量不得大于总云量；6、能见度能见度是指视力正常的人在当时的天气条件下，能够从天空背景中看到或辨认出目标物（黑色，大小适度）的最大水平距离，单位用m或km；能见度表示了大气清洁、透明的程度，观测值通常分为10级，如表3-1所示；7、降水降水是指从大气中降落至地面的液态或固态水的通称。如雨、雪等。降水量是指从大气中降落至地面未经蒸发、渗透和流失而在水平面上积聚的水层厚度，以毫米为单位。降水是清除大气污染物的重要机制之一。3.2大气的热力过程目的要求：了解大气热力过程、逆温，掌握大气稳定度及其判别；重点：大气稳定度的判别，逆温的类型；授课方式：讲授一、太阳、大气和地面的热交换太阳是地球和大气的主要热源，低层大气的增热和冷却，是太阳、大气和地面之间进行热量交换的结果。太阳、大气和地面之间的热量交换过程，首先是太阳短波辐射加热了地球表面，然后是地面长波辐射加热大气。因此，近地层大气温度随地表温度的升高而增加（自下而上地被加热）；随地表温度的降低而降低（自下而上地被冷却）；地表温度的周期性变化引起低层大气温度随之周期性的变化；二、气温的垂直变化气温的垂直分布与空气污染有密切关系，这是因为气温的垂直分布决定大气稳定度，而大气稳定度影响空气运动，进而影响污染物的扩散6稀释。1、大气的绝热过程与泊松方程如果大气中某一空气块作垂直运动时与周围空气不发生热量交换，则将这样的状态变化过程称为大气的绝热过程。绝热上升时，气块内能减少，温度降低；绝热下降时，内能增加，温度升高；空气块的升降过程中因膨胀或被压缩引起的温度变化，要比它与外界进行热交换引起的温度变化大得多，所以一般可将没有水相变化的空气块的垂直运动近似地看作为绝热过程。根据热力学第一定律和理想气体状态方程，可以推导出描述大气热力过程的微分方程：dPdQ=CpdT-RTP（3-10）其中：Q—加入体系的热量；Cp-干空气的定压比热，Cp=1005J/（kg·K）；R—干空气的气体常数，R=287.0J/（kg·K）；【辐射能的吸收和转换，空气的增热与冷却，蒸发与凝结等，实质上是一种热能的转换，它服从热力学系统的能量守恒定律，即热力学第一定律，其表达式为dQ=CvdT+PdV，它表示加入任一热力学系统的热量dQ，应等于系统本身内能的增加值CvdT，以及系统对外力做的功PdV。其中Cv为比定容热容，V、T分别为系统的容积和温度，P为外界压力。将状态方程PV=RT代入上式，并取Cp-Cv=R，则上式改写为pdPdQ=CdT-RTP，该式为气象上常用的热力学第一定律形式，将此式改写为ppdQRTdPdT=CCP；可以看出，影响气温变化的原因有两个：一是由于空气与外界有热量交换；一是由于外界压力的变化使空气膨胀或压缩；当空气团作铅直运动时，外界的气压变化很大，且气压变化的影响远远超过气团与周围热交换的影响时，可以认为空气团的温度变化主要受气压变化的影响，而不考虑热交换的影响，及过程视为绝热的；】对于大气的绝热过程，dQ=0，上式变为dTRdP=TCpP（3-11）7将此式从气块升降前的状态（T0，P0）积分到气块升降后的状态（T，P），则得到：0.288000TPP=TPPRCp（3-12）上式称为泊松方程（Poisson），他描述了气块在绝热升降过程中，气块的初始状态与终态之间的关系，说明绝热过程中气温的变化完全是由气压变化引起的。2、干绝热直减率干空气块（包括未饱和的湿空气块）绝热上升或下降单位高度（通常取100m）时，温度降低或升高的数值，称为干空气温度绝热垂直递减率，简称干绝热直减率，以γd表示，其定义式为：diddTdZ（3-13）式中：下标i—表示空气块；下标d—表示干空气；利用式（3-11）和（3-13）及气压随高度变化的气体静力学方程等关系式，可以得出：didpgdTCdZ（3-14）式中重力加速度g=9.81m/