第三章气象学基础知识

大气污染控制理论与方法环境科学与工程学院第二章污染气象学基础知识•§2~1主要气象要素及大气的基本物理性质；•§2~2大气的热力过程；•§2~3大气污染与气象的关系；•§3~4大气扩散模式；•§3~5污染物浓度估算；•§3~6厂址选择和烟囱设计。§3~1主要气象要素及大气的基本物理性质一、低层大气的成分：干洁空气、水汽、气溶胶粒子二、大气的垂直结构三、影响大气污染的主要气象要素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～。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。1、气温：表示大气温度高低的物理量。通常指距地面1.5m高处百叶箱中的空气温度。2、气压：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体静力学方程式描述，即ΔP=-ρgΔZ，其积分式—压高公式：据实测近地层高度每升高100米，气压平均降低约12.4毫巴（1mb=100Pa)，在高层小于此值。3、空气湿度（气湿）：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、水蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。1212lnlnZZRTgPPm4、风（windspeedanddirection)什么是风？空气的流动就形成风。水平(horizontal)方向的空气运动称为风。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均是由温度分布不均造成。P4P4P4P3P3P3P2P2P2P1P1P1ABABABt1t2t1t2t1t2t1=t2t1＞t2t1＞t2abc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，空气就不会停止运动。风的度量（风向和风速）风是矢量，有方向和大小，即风向和风速。风速(风的大小)：单位时间内空气在水平方向移动的距离，常用单位：m/s，Km/s。风向(风的来向)：可用8个方位或16方位表示(地面风),见图2-2；也可用角度表示(高空风):以北为零点，沿顺时针方向旋转[正北为360°(或0°);正东90°;正南180°;正西270°]。NWNWNNNENNEWNWENEWEESEWSWSWSWSSSESSE图2-2风的性质：①随时在变化：如我国季风（北京附近冬天东北风）；②随高度变化：在一定范围内，风随高度的增大而增大。地面有建筑物，树木的影响。风速随高度变化的曲线叫风速廓线，其数学表达式叫风速廓线模式。在近地层中性层结情况下推导的两个表达式分别为：③随地理位置而变：山区会产生山风、谷风、海风，海区有海陆风（如上海、大连等）。对数律：Z—离地面的高度；Z0—粗糙度（m）；M—系数；指数律：Z1—风速仪的高度；1u—Z1高度处的平均风速（m/s）；m—指数；00_lnlnZZKUZZMumZZuu115、云云：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。云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为10等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的1/10，云量记为1；在云层中有少量空隙（空隙总量不到天空的1/20）记为10；当天空无云或云量不到1/20时，云量为0。国外，将天空分为8等份。国外云量与我国云量间的关系，国外云量×1.25=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。低云量：低云的云掩盖天空的成数。云量的记录：一般总云量/低云量的形式记录，如10/7。云状：多种多样，1932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6、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，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、水汽、烟尘等，可使能见度降低。7、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。四、大气的基本物理性质（自学）hoho太阳光线地面§2-2大气的热力过程一、太阳辐射1、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。2、大气对太阳辐射的减弱及影响因素（1）吸收辐射;（2）散射作用;（3）反射;（4）透过大气层.3、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，具有一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在13点左右，最低温度在日出前后。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。二、气温的垂直变化1、大气的绝热过程（1）热力学第一定律大气中的热力学过程遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。表示加于任一封闭物系（气体）的热量Q等于该物系内能的变化U和物系对外所做的功W，即：WUQ在无非膨胀功时，其微分表达式为：PdVdTCdQv-----------------①将状态方程RTPV代入上式，并取RCCvp，则上式写成PdPRTdTCdQp-----------------②变形为：PdPCRTCdQdTpp-----------------③式中：dQ—加入物系的热量；R—气体常数；Cp—恒压比（2）大气绝热过程实际中大气中的变化是非绝热变化，但计算时我们近似认为是绝热变化（气块在大气中的运动）。原因有三：①空气的导热率较小，变化慢；②气块大气中运动很快；③气压变化很大。大气的绝热方程：绝热：0Q，③式变为：两边积分，得即有：因CP-CV=R又CP/CV=K，对于空气K=1.404于是得大气绝热方程：1212lnlnPPCRTTPPdPCRTdTPPCRPPTT1212288.01211212PPPPTTKK2、干绝热递减率：绝热垂直递减率（绝热直减率）：气块在绝热过程中，垂直方向上每升降单位距离时的温度变化值。（通常取100m），单位：℃/100m。干绝热垂直递减率γd（干绝热直减率）:干气块（包括未饱和湿空气）在绝热过程中，垂直方向上每升降单位距离的温度变化值。（通常取100米），根据计算，得到γd约为0.98℃/100m，近似1℃/100m。（1）准静力条件绝热过程中气温、气压都是指大气中气块本身的特性，但是对于气压而言，一般情况P≠P环，若过程进行的十分缓慢，可使外界气压变化与系统内部气压变化充分平衡，每一瞬间外部气压与内部气压看成是相等的，即P=P环，这个条件称为准静力条件。讨论的大多数过程我们认为满足准静力条件，即P=P′。（2）干绝热直减率γd定义：PdCgdZdTdZdT'T′—气块温度；T—环境温度。实际中，T′与T之差不超过10℃，T′/T≈1。实际中T′与T之差不超过10℃，T′/T≈1。推导过程如下：根据热力第一定律，导出绝热过程方程式为：……①又气压随高度变化规律：……②又理想气体状态方程：……③将②③代入①，则得：PdPCRTdTPgdZdPgdZdPRTPRTPVpCgdZdTPdCgdZdT干绝热：气团是未饱和状态，不会有状态的变化，负号“—”表示气块在干绝热上升过程中温度随高度的升高而降低，若不计高度、纬度影响，取g=9.18m/s2，CP=1004.8J/(Kg·K)则γd=0.98K/100m≈1K/100m。表示干空气在作干绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降）100m，温度降低（或升高）1℃。（3）湿空气的绝热变化湿空气团作绝热升降时情况较复杂，在升降过程中若无相变化，其温度直减率和干绝热直减率一样，每升降100m，温度变化1℃；若有相变化，每升高100m，温度变化小于1℃。湿空气上升达到饱和状态并开始凝结的高度称为凝结高度，在凝结高度以下，其温度变化同干空气一样；在凝结高度以上，温度变化小于干空气的变化值，饱和空气每上升（或下降）单位距离空气的温度变化，称为湿绝热递减率γm，约为0.5℃/100m。三、大气的静力稳定度大气的静力稳定度：指大气垂直运动的气团是加速、抑制，还是无影响的一种热力学性质。大气稳定度影响大气污染物的扩散能力。1、气温的垂直分布（1）温度层结：温度随高度的分布情况。它影响大气垂直方向的流动情况，由于地面构筑物不同，温度层结不同。（2）温度层结类型①温度随高度的增加而降低（Z↗t↘），正常分布，或递减层结，一般情况是这种规律。②温度梯度等于或近似于1℃/100m，称中性层结。③温度随高度增加而升高（Z↗t↗），称为逆温层结。④温度不随高度变化，称为等温层结。见下图所示：图：层结曲线a—递减层结b—中性层结c—逆温层结d—等温层结层结曲线高度Z（m）温度t(℃)abdc（3）温度层结日变化夜里早上tHHtHtHtHtHt上午中午下午夜里（4）温度变化的实质：温度变化的实质是内能变化。（5）环境温度直减率（定义与干绝热直减率相同），环境温度的变化。γ不是一常数，随太阳辐射、气候等而变化，对流层中环境温度直减率的平均值为0.65℃/100m。大气环境的各种状态：（见下一页图示）（6）位温（θ）位温：把各层中的气块由最初的压力P循着干绝热的程序订正到一个标准压力1000hPa时所具有的温度。任何一气块的位温是不变的（干绝热情况）；而非绝热情况下，位温是变化的。∴位温比气温更能代表气块的热力学性质。1标准大气压力=1013.25mb（毫巴）1mb=103达因/cm2dZdT288.010001000PTPTpCR大气环境的各种状态：①（平均状态）②γ=γd=1℃/100m（干绝热状态）③γ=0（等温状态）④γ0（逆温状态）⑤γγd（超绝热状态）tH③①④②⑤dZdT2、大气稳定度（1）什么是大气稳定度？是指大气中任一高度上的一空气块在铅直方向上的稳定程度。（2）大气稳定度的分类（3类）如果一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或者下降的运动，当外力消除后，可能发生三种情况：①气块逐渐减速并有返回原来高度的趋势，此时大气是稳定的。②气块仍然加速上升或下降，此时大气是不稳定的。③气块停留在外力消失时所处的位置，或者做等速运动，这时大气是中性的。（3）如何判别大气的稳定度？①设气块状态为T′、P′、ρ′,环境大气状态为T、P、ρ,气块受到的浮力为F1=mg=ρVg，重力为：G=ρ′Vg。因而它的静浮力为：F1－G=(ρ－ρ′)Vg………………①∵P=ρRTP′=ρ′RT′到达某一位置时P=P′（达准静力条件）∴''RTRT=TT''gmTTTgmgmVgGF'''1'''''1……②设气块在起始位置高度的温度和环境温度相同，均等于T0，于是：''0dTTTdTTT0将dZdTd'与dZdT代入上式有：dZTTd0'，dZTT0（对于未饱和空气干空气按γd变化）∴dZTTd)('………………………………………③将③代入②式，得gdZmTGFd'1讨论：10d气块上升时，dZ↗，001aGF，符合不稳定条件；气块下降时，dZ↘。001aGF，符合不稳定条件。∴0d无论上升、下降均属于不稳定状态。20d气块上升，dZ↗，001aGF，稳定状态；气块下降，dZ↘。001aGF，稳定状态。在此状态