第三章 大气污染气象学

第三章大气污染气象学第一节大气圈结构及气象要素第二节大气的热力过程第三节大气的运动和风第一节大气圈结构及气象要素一、大气圈的垂直结构1、定义：自然地理学将受地心引力而随地球旋转的大气层，称为大气圈大气圈和宇宙空间之间很难确切划分，常把大气圈的上界定为1200-1400km。1400km以外，气体非常稀薄，就是宇宙空间了。2、大气结构的分类大气的化学成分和物理性质在垂直方向上有着显著的差异，根据大气在各个高度上不同的特征可分为若干层次。3种分类方法如下：2、大气结构的分类（1）按压力特性：气压层和外气压层（散逸层）（2）按分子组成：均质层和非均质层。均质层：在80-85km（中间层）以下的大气层中，以湍流扩散为主，大气的主要成分氮和氧的组成比例几乎不变，称为均质大气层。非均质层：在均质层以上的大气层中，以分子扩散为主，气体组成随高度变化而变化。这层中较轻的气体成分有明显增加。（3）大气的热状况：对流层、平流层、中间层、暖层（热成层）和散逸层对流层1、范围：是大气圈最低的一层。高度随纬度增加而降低，由于对流程度在热带比在寒带要强烈。热带16-17km，温带10-12km，两极附近8-9km。2、特征：（1）是天气变化复杂多变（2）气温随高度增加而降低（3）空气具有强烈的对流运动（4）温度和湿度的水平分布不均匀。大气边界层或摩擦层：对流层的下层约1-2km，其中从地面到100m左右的一层又称近地层，上下气温之差很大，可达1-2k。自由大气：在大气边界层以上的气流，几乎不受地面摩擦的影响，称为自由大气。平流层1、范围：从对流层顶到50-55km高度。对流层顶：在对流层到平流层间有一厚度为几百米到一千米的过渡层2、特点：分为两层，大气污染物停留时间长（1）同温层：从对流层顶到35-40km左右的一层，气温几乎不随高度变化，-55℃左右（2）逆温层。从这以上到平流层顶，气温随高度增高而增高，到平流层顶达-3℃左右，几乎没有空气对流运动。臭氧层：在20-25km高度臭氧的浓度达到最大值中间层1、范围：从平流层顶到85km高度的一层2、特点：（1）气温随高度增高而降低，顶部气温达-83℃以下（2）空气具有强烈的对流运动，垂直混合明显。1、暖层范围：从中间层顶到800km2、特点：（1）强烈的太阳紫外线和宇宙射线的作用，温度随高度上升而增高。（2）空气处于高度电离状态，存在大量的离子和电子，又称电离层。1、散逸层范围：暖层以上，大气的外层。2、特点：气温很高，空气极为稀薄，空气粒子的运动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸到太空中。暖层和散逸层二、气象要素气象要素：表示大气状态的物理量和物理现象。主要有气温、气压、气湿、风向、风速、云况、能见度等。1、气温：地面气温指距地面1.5m高度在百叶箱中观测到的空气温度。2、气压：大气的压强。气象学上常用的单位百帕（hPa）。与其他气压单位的关系是：1atm=101325Pa=1013.25hPa=760mmHg3、气湿：空气的湿度。表示方法：绝对湿度、水汽压力、相对湿度、饱和气压、露点等。3、气湿3.1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。由理想状态方程可得：KTKkgJRRPapmkgTRp空气的温度，水汽的气体常数，水汽的分压，湿空气）空气的绝对湿度，其中)./(4.461(/33、气湿3.2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之百分比。PapPapmkgmkgppvwvwvwvw饱和空气的水汽分压，水汽的分压，饱和空气）饱和绝对湿度，湿空气）空气的绝对湿度，其中(/(/100100333、气湿3.3含湿量湿空气中1kg干空气所包含的水汽质量（kg）。气象中也称为比湿Papmkgmkgkgkgdpppddwddw湿空气的总压力，干空气的密度，湿空气）空气的绝对湿度，干空气）（水汽）空气的含湿量，33vv(/(/pp0622pp622.0p622.03、气湿在工程常将湿空气的含湿量定义为1标准立方米干空气所包括的水汽质量（kg),其单位为kg水汽/m3N干空气干空气（水汽）空气的含湿量，30vv3.4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，说以水汽的体积分数可表示为：p:67例3-1dwpywp3、气湿3.5露点在一定的气压下，空气达到饱和状态时的温度，称为空气的露点。二、气象要素4.风向和风速：风：水平方向上的空气运动，风是一个矢量，有大小和方向。升降气流：垂直方向的空气运动风向：是指风的来向。可以用方位或角度表示。8或16个方位风速：是单位时间内空气在水平方向运动的距离。单位m/s或km/s。通常气象台所测定的风向、风速都是一定时间2min或10min内的平均值。风力：大小来估计风速。根据将风力分为13个等级。风速和风力等级（F）之间的关系：)/(02.33hkmFu风向指的是风的来向风力指的是风的强弱风级和符号名称风速（米/秒）*陆地物象海面波浪浪高（米）0无风0.0-0.2烟直上平静0.01软风0.3-1.5烟示风向微波峰无飞沫0.12轻风1.6-3.3感觉有风小波峰未破碎0.23微风3.4-5.4旌旗展开小波峰顶破裂0.64和风5.5-7.9吹起尘土小浪白沫波峰1.05劲风8.0-10.7小树摇摆中浪折沫峰群2.06强风10.8-13.8电线有声大浪到个飞沫3.07疾风13.9-17.1步行困难破峰白沫成条4.08大风17.2-20.7折毁树枝浪长高有浪花5.59烈风20.8-24.4小损房屋浪峰倒卷7.010狂风24.5-28.4拔起树木海浪翻滚咆哮9.011暴风28.5-32.6损毁普遍波峰全呈飞沫11.512飓风32.7-摧毁巨大海浪滔天14.0风向杆风尾每一道风尾代表风力2级风杆与风尾一起指示风向北风5-6级风力最大为12级，四道风尾表示7-8级风，9~12级风用符号表示表示风力9~12级西东南北东南风7-8级西东南北西北风5-6级5、云5.1定义是由漂浮在空中的水气凝结物，由大量小水滴或小冰晶或两者的混合物构成的。云层使气温随高度的变化减少5.2云量指云遮蔽天空的成数。我国将天空10等分，云遮蔽了几分，云量就是几。国外将天空8等分。两者之间换算：国外云量×1.25=我国云量总云量：所有云遮蔽天空的成数。低云量：低云遮蔽天空的成数。5.3云高：云距地面的高度（1）高云：5000m以上，冰晶构成，透明（2）中云：2500-5000m水滴或小冰晶灰白色（3）低云：云底高度2500m以下黑乌云密布二、气象要素6、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的目标物的最大水平距离。单位用m或km表示。能见度的观测值通常为10级，P:69表3-1能见度级9大于50000米（100里）千里眼10倍二、气象要素第二节大气的热力过程一、太阳、大气和地面的热交换太阳是主要热源，表面温度为6000K,电磁波向外辐射能量。热交换过程：首先，太阳短波辐射加热了地球表面，然后地面的长波辐射加热了大气。见下页图低层大气的增热与冷却：是太阳、地面与大气进行热量交换的结果。但低层大气的增热主要来源于地面的长波辐射，近地层的大气温度随地表温度的增加而增加(大气自下而上被加热)；随地表温度的降低而降低(大气自下而上被冷却)。长波辐射是地面与大气的重要的热交换方式，但不唯一。温差热传导、对流、潜热换热等。太阳、大气和地面的热交换二、气温的垂直变化1、大气的绝热过程与泊松方程绝热过程：如果大气中某一空气块做垂直运动时与周围空气不发生热量交换，则这样的状态变化过程。当空气块从地面绝热上升时，将其周围气压的减小而膨胀，一部分内能用于反抗外压力而做膨胀功，因而它的温度下降；反之，若空气块绝热下降，外压力对它做压缩功，因而它的温度将逐渐上升。实际上，多数情况的大气过程都可以视为绝热过程，它的气温变化完全是由外界压力变化引起的。288.0000)()(PPPPTTCpRCP：干空气的定压比热1005J／(kgK)；R:干空气的气体常数,287J／(kgK)，P——气块压力，hPaT——气块温度K泊松方程气温直减率2、干绝热直减率:干空气在绝热上升或下降单位高度（通常取100米）的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。定义式为：mKCgdZdTpdid100/98.0100581.9)(其中，Ti表示干空气块的温度，它不同于周围空气的温度d：干空气。3、位温一干空气块绝热升降到标准气压1000hPa处的温度，称位温，用θ表示，且θ=常数288.00000)1000()1000(PTPTPCR气温直减率4、气温的垂直分布若气温随高度增加而递减，气温递减率是正值，反之，则为负值。（2）、温度层结：气温沿垂直高度的分布，可用坐标图上的曲线表示，这种曲线称气温沿高度分布曲线或温度层结曲线ZT/（1）、气温直减率：气温随高度的变化特征可以用气温垂直递减率表示（2）、温度层结温度层结有四种类型：1、正常分布层结或递减层结气温随高度增加而递减，即γ＞γd2、中性层结气温直减率等于或近似等于干绝热直减率γ=γd3、等温层结气温不随高度变化，即γ=04、逆温气温随高度增加而增加，即γ＜0，称气温逆转。（2）、温度层结P：73图3-3三、大气的稳定度1、大气稳定度：指在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流。关于大气稳定度的理解有三种情况：如果空气块受到外力的作用，产生了上升或下降的运动，当外力去除后发生三种情况：（1）气块减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气稳定的（2）气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的（3）气块被推倒某一高度后，即不减速也不加速，保持不动称这种大气为中性的dZTgad2、大气稳定度的判别4个条件：准静力学条件、理想气体状态方程、气块运动绝热、气块与大气的起始温度相同2、大气稳定度的判别dZTgad四、逆温逆温层：气温随高度增加而增加的气层称为逆温层。在发生等温或逆温时，大气是稳定的，所以逆温层的存在阻碍了气流的运动，所以也称为阻挡层。许多大气污染事件多发生在有逆温及静风的气象条件下。逆温类型：1、辐射逆温2、下沉逆温3、平流逆温4、湍流逆温5、锋面逆温四、逆温逆温的存在可以阻碍空气垂直运动的发展，使逆温层下的烟雾、杂质不易穿过逆温层向上扩散，污染物无路可走，只好“流毒人间”。同时，有逆温时，一般风速都很小，污染物更不易扩散。因此，逆温层强度越大，层次越厚，维持时间越长，其污染就越重。专家研究指出，冬雾中的有毒物质和致病微生物是浓雾和逆温危害人体健康的根本原因，酸、胺、酚、苯等有毒物质及各种病原微生物滞留其中，积聚浓度达到一定程度，就会刺激人体的某些敏感部位，引起气管炎、喉炎、结膜炎和一些过敏性疾病，对于年老体衰者，可能危及生命。专家建议，在空气污染严重的地区和城市，当浓雾出现时，应尽量减少外出；养成雾日出门戴口罩、手套及防护衣的习惯，以防有毒物及致病微生物从口腔、皮肤侵入.四、逆温科学家发现，世界上发生的重大污染事件，除了污染严重外，还与大气发生“逆温”现象有关。比如，美国洛杉矶被称为“烟雾城”，一是由于汽车排放的尾气持多，再者就是该市上空每年约有三百天发生“逆温”。伦敦烟雾事件，除了燃煤污染严重外，也与“逆温”有关。那几天伦敦处于冷高压控制之下，静风，近地面层空气温度低于高空气温；家庭取暖燃煤猛增，加之工厂烟囱林立、黑烟滚滚，城市上空的烟雾越积越浓。结果，整个城市笼罩在一片浓烟之中，酿成了一万多人死亡的“世纪悲剧”。冬天里“逆温”现象时有发生，在“逆温”造成大雾茫茫或污染严重时，人们应减少晨练及室外活动时间，尽力避免“逆温”带来的危害。四、逆温逆温类型：1、辐射逆温2、下沉逆温3、平流逆温4、湍