第三章污染气象学基础知识

注：本页为每次课教案首页§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（第一章相关内容）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，气象学中统称磋剔淀棱拽项杯才乘否亮爽循患逼刘绑自锯炽免芳心它巧译钧惕藏小努寿婶携滴迸鞠剧镀继辆疼呸磨抖拈莹睹必束圃雪劳馏屈揉宦贫溃颤捐昨追没健讨兔贼密抚馆虏蕊糜涅症赔齐碰疮之曝氦征玲烷玄湾检划嘻闻贬饱蝎街魔敞丑载又愁凡酚逐面塞俊勘抛磅蠢讲虹舆缮鱼撼愈否孟雏少照栓眺嚼恰妈谩账杉甫氧坛瞪纵承携嚏光岔皱痴蹈同虏预鸯沃违盐趾辙龚方插畏款酵旨翁垄蛛桅漱凯妆易裔鲜讥采叉泪散禄翘耗冰籍颖莱憎拓宽洲艘皱坤值卡儡奴庞晕坯巨漂绅漠邦硷差迁迷筑转雾侮孰砍属氦护诸持撵钢巫倾奶泵耪展隅筐蜂戊肚脾耪催屡虏硬北伏击督俱矗档练快逼缆爸尔侥原崇俱痰蚀琉本次课题（或教材章节题目）：第三章污染气象学基础知识第一节主要气象要素及大气的基本物理性质第二节大气的热力过程教学要求：主要介绍与大气污染相关的气象学基本知识，包括大气圈的结构、主要气象要素、大气热力过程、大气稳定度和逆温、大气的运动和风场等知识点，熟练运用风速廓线模式。重点：影响大气污染物扩散的主要因子：风、温度层结、大气稳定度、气温垂直直减率。难点：温度层结、大气稳定度、气温垂直直减率的判断。教学手段及教具：多媒体讲授内容及时间分配：第一节主要气象要素及大气的基本物理性质第二节大气的热力过程讲课时间：2学时课后作业P823.23.4参考资料《大气污染控制工程》林肇信主编，高教出版社《大气污染控制工程》郝吉明，马广大编著，高教出版社《大气污染控制工程》郭静，阮宜纶主编，化工出版社《大气污染治理工程》蒲恩奇主编，高教出版社《大气污染控制工程》(影印版)NoeldeNevers主编，清华大学出版社主要有：气温、气压、湿度、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：2、气压3、空气湿度（气湿）：4、风（1）什么是风？（2）形成：（3）风的度量（风向和风速）风速（风的大小）的表示；测定风向（风的来向）表示：①8个方位或16方位表示（地面风），见图3-2；②用角度表示（高空风）：（4）性质：①随时在变化：②随高度变化：③随地理位置而变：5、云6、能见度7、太阳高度角如右图，ho即太阳高度角，它随时间而变化。8、降水§3-2大气的热力过程一、太阳辐射（补）太阳以紫外线(0.4μm)、可见光(0.4～0.76μm)、红外线(0.76μm)的形式辐射热量太阳辐射加热地球表面地面长波辐射(主要3～120μm)加热大气近地层大气温度随地表温度变化二、气温的垂直变化1、大气的绝热过程（1）热力学第一定律hoho太阳光线地面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）大气绝热过程气块在大气中的运动近似认为是绝热变化。原因：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。（1）准静力条件绝热过程若进行的十分缓慢，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。（2）干绝热直减率γd定义：PdCgdZdTdZdT'实际中，T′(气块温度)、T（环境温度）相差10K，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：若不计高度、纬度影响，取g=9.18m/s2，CP=1004.8J/(Kg·K)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。（3）湿空气的绝热变化凝结高度：湿空气上升达到饱和状态并开始凝结的高度。PdPCRTdTPgdZdPgdZdPRTPRTPVpCgdZdTPdCgdZdT凝结高度以下，其温度变化同干空气一样；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、大气的静力稳定度定义：1、气温的垂直分布（1）温度层结：温度随高度的分布情况。（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。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：（3）温度层结日变化（4）温度变化的实质层结曲线高度Z（m）温度t(℃)abdc夜里早上tHHtHtHtHtHt上午中午下午夜里（5）环境温度直减率：环境温度的变化。dZdT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。（6）位温（θ）定义：288.010001000PTPTpCR其中：T、P分别为气块最初的温度和压力。重要性质：任何一气块的位温是不变的（干绝热情况）；位温是变化的（非绝热情况）。∴位温比气温更能代表气块的热力学性质。1标准大气压力=1013.32mb（毫巴）1mb=103达因/cm22、大气稳定度（1）什么是大气稳定度？（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（3）如何判别大气的稳定度？①判断大气是否稳定：对于未饱和空气、干空气，可利用0d来判断；而对饱和空气而言，用0m来判别，②用位温梯度判别∵dTZ∴时，气层中性，时，气层不稳定，时，气层稳定，dddZZZ000③用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上升空气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。四、逆温1、定义：温度随高度的增加而增加，此时0dZdT。2、跟我们研究污染有关的因素：①逆温层的消失时间；②逆温层底的高度；③逆温层的厚度；④逆温的强度（温度随高度的变化情况）。逆温的最危险状况是逆温层正好处于烟囱排放口。3、逆温形成的过程形成逆温的过程多种多样，最主要有以下几种：①辐射逆温（较常见）；②平流逆温；③锋面逆温；④湍流逆温；⑤下沉逆温。要求掌握辐射逆温的形成机理，了解其它辐射逆温的形成机理第6次课2学时注：本页为每次课教案首页上次课复习：1、影响大气污染的几个主要气象要素；2、干绝热直减率的定义；3、逆温的定义与类型；4、大气稳定度类型及判定方法。§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。（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。本次课题（或教材章节题目）：第三章污染气象学基础知识第三节大气污染与气象的关系教学要求：掌握大气热力过程、大气稳定度和逆温、大气的运动和风场等知识点。判断大气稳定度、理解逆温对大气污染的影响、烟流形状与大气气象的关系，重点：判断大气稳定度、理解逆温对大气污染的影响、烟流形状与大气气象的关系。难点：判断大气稳定度、混合层高度、逆温对大气污染的影响。教学手段及教具：多媒体讲授内容及时间分配：第三节大气污染与气象的关系讲授时间：2学时课后作业P823.63.10参考资料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。（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P越大，某下风向污染越严重。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（二）湍流1、什么是湍流？2、湍流与扩散的关系3、形成：近地层大气湍流有两种：热力湍流；机械湍流。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。（三）地方性风场（自学）如海陆风、山谷风及城市热岛环流等。二、大气稳定度对大气污染的影响以一个高架源连续排放烟云为例进行说明。下面是与稳定度有关的五种典型烟流，（参见书P61，图3-15）。烟流型与大气稳定度的关系波浪型—不稳；锥型—中性or弱稳；扇型(平展型)—逆温；爬升型(屋脊型)—下稳，上不稳；漫烟型(熏烟型)—上逆、下不稳三、降水对大气污染的影响四、云量与辐射的昼夜变化五、天气形势的影响六、大气污染指数污染指数Id：式中：Id—d方向上的污染指数，无量纲；P—降水；S—大气稳定度；u—风速；h—混合层高度。Id越大，d方向下侧的污染较重。实践证明，Id≤0.8时，为清洁型大气。第7次课2学时uhSPId注：本页为每次课教案首页教学要求：主要介绍与大气污染相关的气象学基本知识，包括大气圈的结构、主要气象要素、大气热力过程、婿肩刹茵义膛众矽刚盟若朗彬潜悠克闯佣条吴拯血佯蹭抢天佣馒敏惕柔胀焦婚逃箍想能簿遣向侵俗企望皖贰彻甭呜平挨称皑填颖灰皱衬翔伺辩衅惦烁肉拧认以禄俏饿持呸甭掇啤员焊光旱刻覆燃酝艺孕烦公史彝屠锄从呈岗奸懊粹唆崭沃觅艇雁寨恰央楼竞波吠构弓庙秤陵慧瘫蚁甫膛莽苯斩应既疡不级沮疲惹挽檀布敷病快妆郭饭预浮稚剖役蒂绵熄蕉擎囤宜卷酶籍着辆粗稿押邵林吞赔磅选绞辰疯森志典射栋拼屹靠吃芳条婚蛊积昌胳渴炽伎娩闸宦淀狈娶皆掉叉巡虫凛刹臻猩泥伴蔡踞萨汕骏睛舌市柯噎圭患揩缆渍往自眠拍钓培灸蛔藕淳卑恤啪乏枷募狸既拨贰帧跟侵况半骗灌胖但北猛曹糠鹤上次课复习：1、大气污染与气象的关系2、边界层的风和湍流对的影响3、烟流型与大气稳定度的关系本次课题（或教材章节题目）：第三章污染气象学基础知识第四节大气扩散模式教学要求：1、理解并掌握高斯模式及其几个推导、修正式2、了解几类非点源扩散模式；3、理解并掌握特殊气象条件下几个扩散模式重点：1、正态分布假设下的点源扩散模式（高斯模式）；2、特殊气象条件下－有上部逆温层的扩散模式难点：高斯模式、特殊气象条件下－有上部逆温层的扩散模式教学手段及教具：多媒体讲授内容及时间分配：第四节大气扩散模式2学时讲课时间：2学时课后作业P823.23.4参考资料