城市空氣污染氣象學(xué)第二章大氣輻射

主要?dú)庀笠貧庀笠兀ㄒ蜃樱罕硎敬髿鉅顟B(tài)的物理現(xiàn)象和物理量與大氣污染關(guān)系密切的氣象要素主要有：氣溫氣壓空氣濕度（氣濕）、風(fēng)（風(fēng)向、風(fēng)速）云量云狀能見(jiàn)度降水蒸發(fā)、日照時(shí)數(shù)、

輻射、地面輻射、大氣輻射等。2013-9-2623．濕度反映空氣中水汽含量和空氣潮濕程度的一個(gè)物理量。常用的表示方法有：絕對(duì)濕度、水蒸氣壓力、體積百分比、比濕、相對(duì)濕度、 等。絕對(duì)濕度－1m3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量相對(duì)濕度－空氣的絕對(duì)濕度與同溫度下飽和空氣的絕對(duì)濕度的百分比比濕－濕空氣中1kg干空氣包含的水汽質(zhì)量水汽體積分?jǐn)?shù)－水汽在濕空氣中所占的體積分?jǐn)?shù)－同氣壓下空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度2013-9-2634.風(fēng)向和風(fēng)速（wind

speed

and

direction)風(fēng)？空氣的流動(dòng)就形成風(fēng)。風(fēng)的形成：風(fēng)主要由于氣壓的水平分布不均勻而引起的，而氣壓的水平分布不均是由溫度分布不均造成。P4P3P2P1P4P3P2P1P4P3P2P1At1Bt2At1Bt2BAt1t2t1

=

t2

t1＞

t2

t1

＞

t2風(fēng)的形成除熱力原因外，還有動(dòng)力原因，自然界的風(fēng)是由于這兩種原因綜合作用的結(jié)果，但只要有溫差存在，空氣就不會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。4F－風(fēng)力級(jí)（0～12級(jí)）2013-9-26水平(horizontal)方向的空氣運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)。（垂直方向－升降氣流）風(fēng)的來(lái)向叫風(fēng)向（16個(gè)方位圓周等分）風(fēng)速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)空氣在水平方向上運(yùn)動(dòng)距離（2或10min平均）(km/h)F

3u

3.0256風(fēng)玫瑰圖風(fēng)速,m/s2013-9-267某地區(qū)1988年的風(fēng)玫瑰圖。同心圓表示風(fēng)的頻率，例如，吹南風(fēng)的頻率約為11

％，其中風(fēng)速大于10.82m/s的頻率約為1％，風(fēng)速在3.35～5.41m/s的頻率為3.5左右。1、沙塵暴——由于強(qiáng)風(fēng)將地面大量塵沙吹起，使空氣很泥濁，水平能見(jiàn)度小于1.0千米。2、揚(yáng)沙——由于風(fēng)大將地面塵沙吹起，使空氣相當(dāng)混濁，水平能見(jiàn)度在1.0千米至10.0千米以內(nèi)。3、浮塵——塵土、細(xì)沙均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10.0千米。浮塵多為遠(yuǎn)處塵沙經(jīng)上層氣流 而來(lái)，或?yàn)樯硥m暴、場(chǎng)沙出現(xiàn)后尚未下沉的細(xì)粒浮游空中而成。4、煙幕——大量的煙存在空氣中，使水平能見(jiàn)應(yīng)小于10.0千米。城市、工礦區(qū)上空的煙幕呈黑色、灰色或褐包，濃時(shí)可以聞到煙味。5、霾——大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10.0千米的空氣普遍混濁現(xiàn)象。霾使遠(yuǎn)處光亮物體微帶黃、紅色，而使

物體微帶蘭色。6、塵卷風(fēng)——因地面局部強(qiáng)烈增熱，而在近地面氣層中產(chǎn)生的小旋風(fēng)，塵沙及其它細(xì)小物體隨風(fēng)卷起，形成塵柱。很小的塵卷風(fēng)，直徑在兩米以內(nèi)，高度在十米以下的不記錄。

7、大風(fēng)——瞬間風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)17.0米／秒(或目測(cè)估計(jì)風(fēng)力達(dá)到或超過(guò)8級(jí))的風(fēng)。8、颮——突然發(fā)作的強(qiáng)風(fēng)，持續(xù)時(shí)間短促。出現(xiàn)時(shí)瞬間風(fēng)速突增，風(fēng)向突變，氣象要素隨之亦有劇烈變化，常伴隨雷雨出現(xiàn)。2013-9-2682013-9-2695、云云：是發(fā)生在高空的水汽凝結(jié)現(xiàn)象。形成的基本條件：水蒸汽和使水蒸汽達(dá)到飽和凝結(jié)的環(huán)境云量：指云遮蔽天空的成數(shù)。在我國(guó)，將天空分為10等份，有幾分天空被云遮蓋，云量就是幾。如：云占天空的1/10，云量記為1；在云層中有少量空隙（空隙總量不到天空的1/20）記為10；當(dāng)天空無(wú)云或云量不到1/20時(shí)，云量為0。國(guó)外，將天空分為8等份。國(guó)外云量與我國(guó)云量間的關(guān)系，國(guó)外云量×1.25=我國(guó)云量總云量：指所有云遮蔽天空的成數(shù)，不論云的層次和高度。低云量：低云的云掩蓋天空的成數(shù)。云量的記錄：一般總云量/低云量的形式記錄，如10/7。云高：指云底距地面的垂直距離，以米為單位。測(cè)定方法：激光測(cè)云儀、弧光測(cè)云儀等，目力測(cè)定法6．能見(jiàn)度：在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，視力正常的人能夠從天空背景中看到或辨認(rèn)出目標(biāo)物的最大距離級(jí)別（0~9級(jí)，相應(yīng)距離為50～50000米）

，單位：m，Km。能見(jiàn)度的大小反應(yīng)了大氣的混濁現(xiàn)象，反映出大氣中雜質(zhì)的多少。大氣中的霧、水汽、煙塵等，可使能見(jiàn)度降低。2013-9-2610繪圖方法：一般是先在紙上畫(huà)九個(gè)同心圓。圓心代表觀測(cè)點(diǎn)，自近而遠(yuǎn)地每圈分別代表0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0，20.0，50.0千米的距離。然后把所有目標(biāo)物按其所在方位、距離，分別標(biāo)在相應(yīng)的位置上。近距離的目標(biāo)物也可單獨(dú)繪制，以使圖象更為清晰。117、高度角高度角為光線與地平線間的夾角，是影響 輻射hoho強(qiáng)弱的最主要的因子之一。ho即 高度角，它隨時(shí)間而變化。光線地面8、降水降水是指大氣中降落至地面的液態(tài)或固態(tài)水的通稱。如雨、雪等。降水是清除大氣污染物的重要機(jī)制之一。2013-9-2612空氣狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程干空氣狀態(tài)方程濕空氣狀態(tài)方程虛溫的引入及意義虛溫的意義是在同一壓強(qiáng)下，干空氣密度等于濕空氣密度時(shí)，干空氣應(yīng)有的溫度。虛溫和實(shí)際溫度之差為：可見(jiàn)空氣中水汽壓越大，這一差值也越大。PV

常量TP

RdTP2013-9-2613vT

T

T

0.378

ed

d

vPPV

R

T

(1

0.378

e

)

R

T城市空氣污染氣象學(xué)第二章大氣輻射華東師范大學(xué)資環(huán)學(xué)院樂(lè)

群When

the

flowofing

solar

energy

is

balanced

by

an

equal

flow

ofheat

to

space,Earth

is

in

radiative

equilibrium,

and

globalthat

increases

or

decreases

the

amount

ofEarth’s

radiative

equilibrium;

global

tempererature

is

relatively

stable.

Anythinging

or

outgoing

energy

disturbs

rise

orfall

in

response.一、大氣的熱力狀況2013-9-2615輻射的基本概念自然界中的一切物體都以電磁波的方式向四周放射能量，這種能量的方式稱為輻射。通過(guò)輻射的能量稱為輻射能，也簡(jiǎn)稱為輻射。輻射是能量方式之一，也是能傳輸?shù)降厍虻奈ㄒ煌緩?。輻射能是通過(guò)電磁波的方式傳輸?shù)?。氣象學(xué)中，通常以焦耳（J）作為輻射能的單位。這種輻射能量的現(xiàn)象又叫熱輻射。熱輻射是傳遞熱量的

式，以光速，既不靠介質(zhì)，也不靠對(duì)流。2013-9-2616溫度升高，輻射的總功率就會(huì)增大，并且輻射的電磁波的波長(zhǎng)將移向短波。例：鐵棒的加熱2013-9-26172013-9-2618物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射投射到物體上的總輻射能為

Qo,，被分成三部分，即吸收Qa

、反射Qr

、透射Qd

。根據(jù)能量守恒定律：Qo=Qa+Qr+Qd第一項(xiàng)，吸收的輻射能量與投射到其上的總輻射能量之比，是吸收率第二項(xiàng)，反射出的輻射能量與投射到其上的總輻射能量之比，是反射率第三項(xiàng)，透射過(guò)的輻射能量與投射到其上的總輻射能量之比，是透射率即：

a+r+d=1對(duì)于一般物體來(lái)講是不透明的，則用于透射的能量為零，d=0,則公式變?yōu)閍+r=1對(duì)于同一物體，吸收率大則反射率小，反之，吸收率小則反射率大。物體的吸收率、反射率和透射率大小隨著輻射的波長(zhǎng)和物體的性質(zhì)而改變。2013-9-2619絕對(duì)黑體在理想狀態(tài)下，為了研究方便，假設(shè)某種物體對(duì)所有波長(zhǎng)電磁波都一視同仁，吸收率為同一個(gè)小于1的值，這種物體叫灰體；若吸收率不但一致，而且為1，即全部吸收，這種物體為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。2013-9-2620有關(guān)輻射的三個(gè)基本定律：基爾荷夫定律（Kirchhoff）斯蒂芬—玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzman）維恩位移定律（Wein）有此三個(gè)輻射定律，絕對(duì)黑體的輻射規(guī)律就容易確定，因?yàn)樗鼈儼押隗w的溫度與其輻射光譜聯(lián)系起來(lái)了。即使對(duì)非黑體，只要知道它們的溫度和吸收率，利用基爾荷夫定律，它們的輻射能力也可以確定?；鶢柡煞蚨桑↘irchhoff）在一定波長(zhǎng)、一定溫度下，一個(gè)物體的吸收率等于同溫度、同波長(zhǎng)的反射率。同一物體在溫度T時(shí)它放射某一波長(zhǎng)的輻射，那么在同一溫度下也吸收這一波長(zhǎng)的輻射?；鶢柡煞蚨蛇m用于處于輻射平衡的任何物體。對(duì)流層和

平流層大氣以及地球表面都可以認(rèn)為是處于輻射平衡狀態(tài)，因此可直接應(yīng)用這一定律。T2013-9-2621

eITb

ITKT斯蒂芬—玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzman）黑體的總放射能力與它本身的絕對(duì)溫度的四次方成正比，即：ETB

σT

4σ

5.67

108

w(m2

k

4

)斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)可以根據(jù)此計(jì)算黑體在溫度T時(shí)的輻射強(qiáng)度，也可以由黑體的輻射強(qiáng)度求得其表面溫度。2013-9-26222013-9-2623維恩位移定律（Wein）λmT

C

2896

μm

k黑體單色輻射強(qiáng)度極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與其絕對(duì)溫度成反比。物體的溫度愈高，其單色輻射極大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)愈短；反之，物體的溫度愈低，其輻射的波長(zhǎng)愈長(zhǎng)。輻射光譜和

常數(shù)按 輻射光線的波長(zhǎng)順序而成的波譜叫做輻射光譜。表面溫度6000K，

輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)為0.457微米，稱短波輻射，

中心為2萬(wàn)多度。大氣約250K，大氣輻射稱長(zhǎng)波輻射地面約300K，地面輻射稱長(zhǎng)波輻射三個(gè)光譜區(qū)：紫外線光譜區(qū)（波長(zhǎng)小于0.4μm）可見(jiàn)光光譜區(qū)（波長(zhǎng)在0.4~0.76μm）紅外線光譜區(qū)（波長(zhǎng)大于0.76μm）242013-9-2624The

Sun’s

surface

temperature

is

5,500°

C,

and

its

peakradiationis

in

visible

wavelengths

of

light.

Earth’s

effective

temperature—thetemperature

it

appears

when

viewed

from

space—is

-20°

C,

and

itradiates

energy

that

peaks

in

thermal

infrared

wavelengths.(Illustration

adapted

from

Robert

Rohde.)2013-9-2625常數(shù)：1370w/m2必須在日地平均距離條件下，在地球大氣上界，垂直于

光線的1cm2面積上，1min內(nèi)接受的太常數(shù)。陽(yáng)輻射能量稱為注意：日地平均距離大氣上界到達(dá)大氣上界的輻射2013-9-2626The

amount

ofsolar

radiation

received

at

Earth’s

surface

varies

by

time

and

latitude.This

graph

illustrates

the

relationship

between

latitude,

time,

and

solar

energyduring

the

equinoxes.

The

row ustrations

beneath

the

graph

shows

how

the

time

of

day(A-E)

affects

the

angleof ing

sunlight

(revealed

by

the

length

of

the

shadow)

andthelight’s

intensity.

On

the noxes,

the

Sun

rises

at

6:00

a.m.

everywhere.

The

strengthof

sunlight

increases

from

sunrise

until

noon,

when

the

Sun

is

directly

overhead

alongthe

equator

(casting

no

shadow).

After

noon,

the

strength

of

sunlight

decreases

until

theSun

sets

at

6:00

p.m.

During

the

equinoxes,the

tropics

(from0

to

23.5°

latitude)receive

about90%

of

the

energy

that

falls

on

the

equator,

the

mid-latitudes

(45°)roughly

70%,

and

at

the

Arctic

and

Antarctic

Circles

(66.6°)

about40%.

(NASAillustration

by

Robert

Simmon.)2013-9-2627

輻射光譜穿過(guò)大氣后：總輻射明顯減弱輻射能隨波長(zhǎng)的分布變得極不規(guī)律波長(zhǎng)短的輻射能減弱得更為明顯。2013-9-26281、大氣對(duì)輻射的吸收——有選擇性輻射的吸和臭氧可占大氣體積的99%以上的氮、氧對(duì)收微弱，而含量不多的水氣、以吸收某些波段的

輻射能。地面大氣通過(guò)輻射增溫每天不足1℃，例如：秋天最高氣溫20

℃，最低氣溫5

℃，日較差15

℃；可見(jiàn)，大氣溫度升高不是通過(guò)吸收輻射來(lái)的。2013-9-26292、散射輻射通過(guò)大氣時(shí)遇到空氣分子、塵埃、云滴等介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)時(shí)，都要發(fā)生散射，但散射并不像吸收那樣把輻射變成熱能，而是改變了輻射的方向，使輻射的以質(zhì)點(diǎn)為中心向四面八方。分子散射（瑞利散射）：對(duì)一定大小的分子而言，散射能力與波長(zhǎng)的四次方成反比，這種散射具有選擇性。波長(zhǎng)愈小散射能力越強(qiáng)，波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光為青藍(lán)紫光，這是天空藍(lán)色的原因。米散射（粗粒散射）：質(zhì)點(diǎn)往往是直徑較大的灰塵、冰晶等。輻射遇到粗粒，散射沒(méi)有選擇性，輻射的各種波長(zhǎng)都同樣地被散射。當(dāng)空中存在較多的塵埃、或霧等粗粒時(shí)，輻射的長(zhǎng)短波都被同等的散射，使天空呈現(xiàn)灰白色，漫射。2013也-9-2叫6303、反射——無(wú)選擇性云層、塵埃具有反射作用對(duì)各種波段的光都反射，因而呈白色。隨著云層增厚反射能力也增強(qiáng)。平均為50%——55%。反射率：高云25％；中云50％；低云65％薄云10－20％；厚云90％2013-9-2631輻射在大氣中的減弱主要是大氣中的水汽、CO2、微塵、氧、O3、及云滴、霧、冰晶、空氣分子的吸收、散射、反射。大氣對(duì) 輻射的減弱，依次為：反射>散射>吸收為什么雨后天晴時(shí)，天空多呈現(xiàn)青藍(lán)色？當(dāng)天空中存在較多塵?；蜢F粒時(shí)，天空為什么會(huì)呈現(xiàn)灰白色？2013-9-2632到達(dá)地面的

輻射33一般來(lái)講，全球平均而言：輻射30%被散射和漫射——稱行星反射率20%被大氣、云層吸收50%到達(dá)地面被吸收（稱總輻射，它包括兩個(gè)部分：直接輻射和散射輻射。