大氣污染氣象學

1、大氣圈結構及氣象要素大氣圈結構及氣象要素 大氣熱力過程大氣熱力過程 大氣的運動和風大氣的運動和風理解氣象學基礎知識理解氣象學基礎知識污染物進入大氣后，隨著大氣的運動發(fā)生遷移、擴散稀釋及降污染物進入大氣后，隨著大氣的運動發(fā)生遷移、擴散稀釋及降解轉化。解轉化。源源受體受體大氣擴散大氣擴散酸雨越境轉移（日本、韓國酸雨越境轉移（日本、韓國） 大氣科學大氣科學 大氣物理、化學大氣物理、化學大氣氣象學大氣氣象學 污染氣象學污染氣象學 氣象條件對污染物的稀釋、擴散作用氣象條件對污染物的稀釋、擴散作用污染物對氣象的影響污染物對氣象的影響 大氣圈垂直結構大氣圈垂直結構 大氣邊界層大氣邊界層對流層下對流層下層層1

2、2km，地面阻滯和摩，地面阻滯和摩擦作用明顯擦作用明顯近地層：地面上近地層：地面上50-100m左右的一層，受地面阻滯和左右的一層，受地面阻滯和摩擦的影響非常大，上下氣摩擦的影響非常大，上下氣溫差可達溫差可達1-2度。度。大氣壓力、密度總是隨高大氣壓力、密度總是隨高度的升高而降低度的升高而降低1氣溫氣溫 天氣預報中：天氣預報中：1.5m高、百葉箱內氣溫。高、百葉箱內氣溫。 oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo9325FC2氣壓氣壓單位：單位：（百帕）（百帕） 大氣的壓強大氣的壓強1atm101325Pa1013.25hPa=760mm

3、Hg 靜力學方程靜力學方程: gzP3氣濕氣濕絕對濕度絕對濕度1m1m3 3濕空氣中含有的水汽質量濕空氣中含有的水汽質量(kg)(kg)相對濕度空氣的絕對濕度與同溫度下飽和空氣濕度的百分比相對濕度空氣的絕對濕度與同溫度下飽和空氣濕度的百分比含濕量濕空氣中含濕量濕空氣中1kg1kg干空氣包含的水汽質量干空氣包含的水汽質量(kg)(kg)水汽體積分數(shù)水汽在濕空氣中所占的體積分數(shù)水汽體積分數(shù)水汽在濕空氣中所占的體積分數(shù)露點同氣壓下空氣達到飽和狀態(tài)時的溫度露點同氣壓下空氣達到飽和狀態(tài)時的溫度3氣濕氣濕 Kg/kg(干空氣干空氣) 4風向和風速風向和風速 水平方向的空氣運動叫做風（垂直方向水平方向的空氣

4、運動叫做風（垂直方向升降氣流）升降氣流） 風的來向叫風向（風的來向叫風向（16個方位圓周等分）個方位圓周等分） 風速：單位時間內空氣在水平方向上運動距離（風速：單位時間內空氣在水平方向上運動距離（2或或10min平均）單位用：平均）單位用：m/s或或km/h (km/h) F風力級（風力級（012級）級） 302. 3Fu 風速風速,m/s 4風向和風速風向和風速 風玫瑰圖風玫瑰圖(Wind rose) 某地區(qū)某地區(qū)1988年的風玫年的風玫瑰圖。同心圓表示風的頻瑰圖。同心圓表示風的頻率，例如，吹南風的頻率率，例如，吹南風的頻率約為約為11，其中風速大于，其中風速大于10.82m/s的頻率約為的

5、頻率約為1，風速在風速在3.355.41m/s的頻的頻率為率為3.5左右。左右。一月, 靜風 1 4 . 5 2%NNEESESSWWNW四月, 靜風 1 0 . 1 7%NNEESESSWWNW七月, 靜風 9 . 6 8 %NNEESESSWWNW十月, 靜風 9 . 6 8 %NNEESESSWWNW全年, 靜風 1 0 . 1 5%NNEESESSWWNW圖例( % )NESW6.012.018.024.05云云 大氣中水汽的凝結現(xiàn)象叫做云大氣中水汽的凝結現(xiàn)象叫做云 云量云量: 天空被云遮蔽的成數(shù)（我國天空被云遮蔽的成數(shù)（我國10分，國外分，國外8分）分） 國外云量國外云量1.25我國

6、云量我國云量 云高云高:云底距地面底高度云底距地面底高度 低云（低云（2500m以下以下） 中云（中云（25005000m） 高云（高云（5000m以上）以上） 高云（高云（5000 米以上）米以上） 中云（中云（2500-5000 米米）低云（低云（2500米以下）米以下）6能見度能見度 正常視力的人，在天空背景下能看清的水平距離正常視力的人，在天空背景下能看清的水平距離 級別（級別（09級，相應距離為級，相應距離為5050000米）米） 太陽、大氣和地面的熱交換太陽、大氣和地面的熱交換太陽以紫外線、可見光、紅外線波長向外輻射熱量太陽以紫外線、可見光、紅外線波長向外輻射熱量太陽輻射加熱地球表

7、面太陽輻射加熱地球表面地面長波輻射加熱大氣地面長波輻射加熱大氣近地層大氣溫度隨地表溫度變化近地層大氣溫度隨地表溫度變化氣溫直減率氣溫直減率 （大氣）（大氣）干空氣溫度絕熱垂直遞減率干空氣溫度絕熱垂直遞減率 干絕熱直減率干絕熱直減率 （空氣團）（空氣團）一般滿足，大氣絕熱過程，系統(tǒng)與周圍環(huán)境無熱交換一般滿足，大氣絕熱過程，系統(tǒng)與周圍環(huán)境無熱交換 空氣塊空氣塊膨脹（做功）膨脹（做功）耗內耗內 能能 T定性定性空氣塊空氣塊壓縮（外氣對它做功）壓縮（外氣對它做功）T內能內能（由壓力變化引起）（由壓力變化引起） Tzddd iTz位溫：干空氣塊絕熱升降到標準氣壓（位溫：干空氣塊絕熱升降到標準氣壓（100

8、0hPa）處的溫度）處的溫度pR0.288C000010001000TTPP0.286泊泊松松方方程程0.288000()()pRCTPPTPP泊泊松松方方程程0.288000()()pRCTPPTPP0.286 氣溫的垂直分布氣溫的垂直分布溫度層結溫度層結 Tz d 0 ，正常分布層結正常分布層結，中性層結（絕熱直減率）中性層結（絕熱直減率）0 ，等溫層結等溫層結 0 ，正常分布層結正常分布層結，中性層結（絕熱直減率）中性層結（絕熱直減率）0 ，等溫層結等溫層結0, a0 不穩(wěn)定不穩(wěn)定0, a0 穩(wěn)定穩(wěn)定中性層中性層0，a=0 中性中性穩(wěn)定層穩(wěn)定層0 ， a0, a0 不穩(wěn)定不穩(wěn)定0, a0

9、 穩(wěn)定穩(wěn)定中性層中性層0，a=0 中性中性穩(wěn)定層穩(wěn)定層0 ， a0 逆溫，非常穩(wěn)定逆溫，非常穩(wěn)定 課堂討論課堂討論如下圖所示，分別判斷大氣處于何種狀態(tài)，穩(wěn)定還是不穩(wěn)定？如下圖所示，分別判斷大氣處于何種狀態(tài)，穩(wěn)定還是不穩(wěn)定？ d d逆溫不利于擴散逆溫不利于擴散輻射：輻射： 1. 輻射逆溫：輻射逆溫： 地面白天加熱，大氣自下而上變暖；地面白天加熱，大氣自下而上變暖； 地面夜間變冷，大氣自下而上冷卻地面夜間變冷，大氣自下而上冷卻 太陽太陽 地球地球 ：短波：短波 地球地球 大氣層：長波大氣層：長波 大氣吸收長波強大氣吸收長波強輻射逆溫的生消過程輻射逆溫的生消過程2.2.下沉逆溫下沉逆溫 （多在高空大

10、氣中，高壓控制區(qū)內）（多在高空大氣中，高壓控制區(qū)內） 很厚的氣層下沉很厚的氣層下沉 壓縮變扁壓縮變扁 頂部增溫比底部多頂部增溫比底部多3.3.平流逆溫平流逆溫 暖空氣平流到冷地面上而下部降溫而形成暖空氣平流到冷地面上而下部降溫而形成dd4.4.湍流逆溫湍流逆溫 下層湍流混合達下層湍流混合達 上層出現(xiàn)過度逆溫上層出現(xiàn)過度逆溫 5.鋒面逆溫鋒面逆溫 冷、暖氣團相遇冷、暖氣團相遇冷暖間逆溫冷暖間逆溫 暖氣上爬，形成鋒面暖氣上爬，形成鋒面波浪型（不穩(wěn)）波浪型（不穩(wěn)）錐型（中性）錐型（中性）扇型（逆溫）扇型（逆溫）爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）爬升型（下穩(wěn)，上不穩(wěn)）漫煙型（上逆、下不穩(wěn)）漫煙型（上逆、下不穩(wěn)）

11、引起大氣運動的作用力引起大氣運動的作用力 直接作用力直接作用力重力重力氣壓梯度力氣壓梯度力間接作用力間接作用力 地轉偏向力（相對運動：方向改變）地轉偏向力（相對運動：方向改變）慣性離心力（大氣曲線運動：很小）慣性離心力（大氣曲線運動：很?。┠Σ亮Γń啬Σ亮Γń? 12km2km內明顯）內明顯） 水平氣壓梯度力水平氣壓梯度力大氣運動大氣運動垂直氣壓梯度力（垂直氣壓梯度力（垂直方向上垂直方向上與重力基本平衡與重力基本平衡）Ekman螺旋線（北半球螺旋線（北半球下視，地偏力指向運動右下視，地偏力指向運動右方，故順時針；南半球則方，故順時針；南半球則相反）相反）n高度增高，風速增大高度增高，風速增

12、大n風向與等壓線的交角風向與等壓線的交角隨高度增加而減少；隨高度增加而減少；n方向逐漸接近地轉風方向逐漸接近地轉風對數(shù)律風速廓線模式對數(shù)律風速廓線模式中性層結：粗糙度和摩擦速度中性層結：粗糙度和摩擦速度*0uzu =zkln對數(shù)律風速廓線模式對數(shù)律風速廓線模式中性層結：粗糙度和摩擦速度的求解中性層結：粗糙度和摩擦速度的求解 作圖作圖 lnZ是一條直線，可求得是一條直線，可求得u*和和Z00*lnlnZkuZkuuu指數(shù)律風速廓線模式指數(shù)律風速廓線模式非中性層結：非中性層結： m，穩(wěn)定度參數(shù)穩(wěn)定度參數(shù)11()mZuuZ指數(shù)律風速廓線模式指數(shù)律風速廓線模式非中性層結：非中性層結： 在氣象上測得的風

13、速常為在氣象上測得的風速常為10m高度的風速高度的風速11lnlnlnlnZZuum10lnlnlnln10Zuum1海陸風海陸風2山谷風山谷風 3城市熱島環(huán)流城市熱島環(huán)流 在氣象學和人們的生活中，常用攝氏溫標。但是在說英語的國家，如英在氣象學和人們的生活中，常用攝氏溫標。但是在說英語的國家，如英國、美國、加拿大等國，多采用華氏溫標。而在科學研究中，通常使用國、美國、加拿大等國，多采用華氏溫標。而在科學研究中，通常使用開氏溫標開氏溫標(絕對溫標、熱力學溫標絕對溫標、熱力學溫標)。絕對溫標以理論上所說的分子熱運。絕對溫標以理論上所說的分子熱運動將完全停止時的溫度，即動將完全停止時的溫度，即-27

14、3.15作為零度，用作為零度，用K表示。表示。華氏溫標也叫華氏溫度，是由德國物理學家華倫海特在華氏溫標也叫華氏溫度，是由德國物理學家華倫海特在1714年發(fā)明的。年發(fā)明的。他根據(jù)物體的熱脹冷縮原理，用水銀制出了溫度表，并以人的體溫和冰他根據(jù)物體的熱脹冷縮原理，用水銀制出了溫度表，并以人的體溫和冰鹽混合物為上下定點。具體做法是：把所制的溫度表放在冰雪和食鹽的鹽混合物為上下定點。具體做法是：把所制的溫度表放在冰雪和食鹽的混合物里，觀察溫度表玻璃管里的水銀柱下降到了哪里，就立即刻上一混合物里，觀察溫度表玻璃管里的水銀柱下降到了哪里，就立即刻上一條線；爾后再將溫度表放入口中，看水銀升到哪里，又刻上一條線

15、。在條線；爾后再將溫度表放入口中，看水銀升到哪里，又刻上一條線。在這兩條線之間均勻地劃分了這兩條線之間均勻地劃分了96個等份，并以此距離將上線以上與下線以個等份，并以此距離將上線以上與下線以下，繼續(xù)劃上了許多等份。華倫海特根據(jù)他的實驗，把冰點定為下，繼續(xù)劃上了許多等份。華倫海特根據(jù)他的實驗，把冰點定為32度，度，沸點定為沸點定為212 度，這就是華氏溫度，用度，這就是華氏溫度，用F 表示。表示。地轉風是指自由大氣中空氣地轉風是指自由大氣中空氣的水平等速直線運動，是自的水平等速直線運動，是自由大氣中水平氣壓梯度力和由大氣中水平氣壓梯度力和地轉偏向力相平衡時的空氣地轉偏向力相平衡時的空氣的水平運動。的