4污染气象学基础知识-1

污染气象学基础知识概述大气扩散源受体大气扩散大气科学大气化学……大气物理……大气热力学大气动力学大气光学与大气辐射气溶胶力学和云微物理学大气电学。。。•主要气象要素及大气的基本物理性质•大气的热力过程•大气污染与气象的关系•大气扩散模式•污染物浓度估算•厂址选择和烟囱设计§主要气象要素及大气的基本物理性质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大气圈垂直结构边界层1公里左右近地层100米左右地-气系统的辐射平衡低层大气温度的垂直分布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：（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（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。因湍流混合作用而形成的逆温。多出现于地面摩擦层顶部非湍流层及其下面的湍流层之间。在湍流层内,上升空气绝热降温,下降空气绝热升温,从而使层内的气温直减率渐趋于干绝热直减率,湍流逆温由此形成。一般厚度在几十米内平均风与湍流大气边界层的垂直分层结构自由大气：大气边界层顶（逆温层顶）（1000米以上）风是怎样形成的？气压梯度：对于同一水平面上的大气来说，有的地方气压高，有的地方气压低。这样，在地区之间就出现了气压差，我们把单位距离间的气压差叫气压梯度。水平气压梯度力：促使大气由高压区流向低压区的力。在这力的作用下，大气由高压区向低气压区作水平运动，这就形成了风。可见它是大气水平运动的原动力，是形成风的直接原因。100810101006（百帕）高压低压在同一水平面上气压相等的各点连线，叫等压线水平气压梯度力垂直于等压线并由高压指向低压地转偏向力（科氏力）地转偏向力只改变风的方向，不改变风的速度;并且始终与风向垂直。南半球向左偏转北半球向右偏转初始方向100810101006100410021000（百帕）高空风的形成在水平气压梯度力与地转偏向力共同作用下形成的风－－风向平行于等压线北半球地转偏向力：方向垂直于运动方向，北右南左，大小与风速成正比地转风：高空大气中的风向，在没有摩擦力的情况下，在水平气压梯度力和地转偏向力的共同作用下，风向可以一直偏转到与等压线平行时为止。大气沿着等压线流动，即风向平行于等压线；在北半球，背地转风而立，高压在右，低压在左。高空北风大气边界层的垂直分层结构上部摩擦层、Ekman层、：近地层顶至大气边界层顶（100米-1000米）湍流粘性力、气压梯度力、科氏力同等重要；风随高度变化明显，需要考虑风随高度的切变100810101006100410021000（百帕)风向水平地转偏向力摩擦力水平气压梯度力近地面风的形成北半球摩擦力：方向与运动方向相反，大小取决于地表的粗糙程度，且随高度增加而减小。作用：减小风速，同时影响风向三种力共同作用下,风向与等压线成一夹角，并且摩擦力越大，夹角越大。湍流粘性力、气压梯度力、科氏力三力近似平衡根据这个公式，可以求得各高度上的风矢量在地面上，风与等压线成45度角，吹向低压随着高度增加，风向右旋Ekman螺线示意图近海面的的风向：在实际的海平面等压线分布图上，等压线是弯曲的，形成一个个低压和高压中心。风向和前面所述规律一样，以北半球为例，低压中的空气，在气压梯度力、地转偏向力和摩擦力的共同作用下，按逆时针方向旋转辐合，象水里的旋涡一样，所以称为气旋；相反，高压中的空气，在这三个力的共同作用下，按顺时针旋转辐散，与气旋方向相反所以称为反气旋。近地边界层（常通量层，surfacelayer）=近地层+冠层（100米左右）大气受地表动力和热力影响强烈，气象要素随高度变化剧烈，运动尺度小，科氏力可忽略常通量：由于该层很薄，湍流扩散强烈混合，动量、热量和水汽的垂直输送通量可认为不随高度变化物理属性湍流输送通量的大小与单位空气质量所含物理属性的平均值的梯度大小成正比中性层结条件下，风速随高度呈对数分布ZuKm非中性层结条件下，稳定度对廓线有影响，没有解析解采用莫宁-奥布霍夫相似理论及量纲分析建立模式，也可通过观测实验确定平均风向、风速风速决定污染物稀释程度和烟气抬升高度风向决定污染物的输送方向污染系数=某风向出现的频率该风向下的平均风速滨海新区污染系数玫瑰图湍流湍流即叠加在平均风速上的方向和速度迅速变化的阵风，它是由一些不规则涡流运动组成的。热力对流湍流：白天阳光加热地面使得暖空气成为热泡上升，形成湍涡。动力机械湍流：地物（如树木和建筑物）等对气流的摩擦使风速和风向发生变化，在其下风方产生湍流尾流。主要气象要素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5(32)9CF15.273CK3259CF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1212lnlnZZRTgPPm空气湿度（气湿）：反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的物理量。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。绝对湿度－单位体积湿空气中含有的水汽质量混合比：一团空气中水汽与干空气的质量比比湿：水汽与湿空气的质量比水汽压：水汽的分压强相对湿度：一定温度和压强下，水汽的摩尔分数与饱和水汽（对水面）的摩尔分数之比。露点：湿空气等压降温达到饱和状态时的温度5、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§3-3大气污染与气象的关系一、边界层的风和湍流对大气污染的影响风、湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接最本质的因素。风速越大，湍流越强，污染物扩散速度越快，污染物浓度越低。（一）风对大气污染物扩散和输送的影响风对污染物的作用体现为风向和风速两方面的影响。1、风向影响污染物的水平迁移扩散方向。2、风速的大小决定了大气扩散稀释作用的强弱。通常，污染物在大气中的浓度与平均风速成反比，风速增大1倍，下风向污染物将减少一半。（1）风速随高度的分布：对数律；指数律。（2）风向频率和污染系数为综合考虑风向、风速对空气污染物的输送扩散影响，往往要用风向频率和污染系数。风向频率是指一定时间内（年或月），某风向出现次数占各风向出现总次数的百分率。污染系数表示风向、风速综合作用对空气污染物扩散影响程度。P越大，某下风向污染越严重。（二）湍流1、什么是湍流？除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点象分子的热运动）2、湍流与扩散的关系把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似。该风向的平均风速风向频率污染系数各风向的总次数某风向出现次数风向频率P%100不同的是，分子的运动以分子为单位，湍流以湍涡为单位，湍涡运动速度比分子运动速度大的多，比分子扩散快105—106倍。没有湍流运动，污染物的扩散就成了问题。这是因为无湍流时，污染物单靠分子扩散，扩散速度很小；有湍流时，由于其靠湍流扩散，运动的方向和大小都极不规则，使流场各部分间强烈混合，混合加快了扩散速度。若只有风无湍流，从烟囱中排出的废气像一条“烟管”一样几乎保持着同样粗细，吹向下方，很少扩散。3、形成：近地层大气湍流有两种：热力湍流；机械湍流。①热力湍流：主要由于大气的铅直稳定度而引起，大气的铅直稳定度是由于气温的垂直分布决定的。②机械湍流：有动力因子产生，由于大气垂直方向上的风速梯度不同和地面粗糙度不同而产生。归纳而言：风速越大，湍流越强，污染物扩散速度越快，污染物浓度越低。风、湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接因素。（三）地方性风场（自学）二、大气稳定度对大气污染的影响大气稳定度对烟流扩散有很大的影响，不同稳定度导致从烟囱排出的烟羽形状不同。下面是与稳定度有关的五种典型烟流，。平展型漫烟型波浪型熏烟型扇型锥型爬升型屋脊型TZZZTTγdγγ