大氣污染氣象學(xué)

第三章大氣污染氣象學(xué)教學(xué)內(nèi)容:大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素大氣的熱力過(guò)程大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)重點(diǎn):大氣圈結(jié)構(gòu)、主要?dú)庀笠亍⒋髿夥€(wěn)定度和逆溫的概念、大氣運(yùn)動(dòng)和風(fēng)。教學(xué)目標(biāo)：重點(diǎn)掌握大氣垂直方向的五個(gè)分層,溫度分布特點(diǎn)及原因。理解大氣高度的劃分，理解風(fēng)速擴(kuò)線模式。大氣擴(kuò)散源受體大氣擴(kuò)散酸雨越境轉(zhuǎn)移（日本、南朝鮮……）大氣科學(xué)大氣物理、化學(xué)……大氣氣象學(xué)……污染氣象學(xué)……氣象條件對(duì)污物的稀釋、擴(kuò)散作用污染物對(duì)氣象的影響

第一節(jié)大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素大氣層又叫大氣圈，地球就被這一層很厚的大氣層包圍著。大氣層的成分主要環(huán)境空氣的成分。大氣層的空氣密度隨高度而減小，越高空氣越稀薄。大氣層的厚度大約在1200-1400千米以上，但沒(méi)有明顯的界限。整個(gè)大氣層隨高度不同表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，分為對(duì)流層、平流層、中間層、暖層和散溢層，再上面就是星際空間了。

大氣圈垂直結(jié)構(gòu)對(duì)流層（～10km左右）集中了大氣質(zhì)量的3/4和全部的水蒸氣，主要天氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層溫度隨高度的增加而降低，每升高100m平均降溫0.650C強(qiáng)烈對(duì)流作用溫度和濕度的水平分布不均大氣邊界層——對(duì)流層下層1～2km，地面阻滯和摩擦作用明顯自由大氣——大氣邊界層以上的氣流，地面摩擦可以忽略在這一層中，大氣上下有規(guī)則的對(duì)流和無(wú)規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)都比較盛行，加上水汽充足，直接影響著大氣污染物的傳輸、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化。

近地層——地面上50～100m，熱量和動(dòng)量的常通量層大氣圈垂直結(jié)構(gòu)平流層（對(duì)流層頂～50~55km）同溫層——對(duì)流層頂35~40km，氣溫-550C左右逆溫層——同溫層以上，氣溫隨高度增加而增加臭氧層——20~25km臭氧層濃度達(dá)到最大值臭氧層能強(qiáng)烈吸收波長(zhǎng)200~300nm的太陽(yáng)紫外線。平流層集中了大部分臭氧沒(méi)有對(duì)流運(yùn)動(dòng)，污染物停留時(shí)間很長(zhǎng)，尤其是氟氯烴等大氣污染物，與臭氧層發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。中間層（平流層頂～85km）氣溫隨高度升高而迅速降低對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，垂直混合明顯大氣圈垂直結(jié)構(gòu)暖層（中間層頂～800km）在強(qiáng)烈的紫外光和宇宙射線作用下，氣溫隨高度升高而增高氣體分子高度電離——電離層散逸層（暖層以上）氣溫很高，空氣稀薄空氣粒子的運(yùn)動(dòng)速度很高，可以擺脫地球引力而散逸大氣壓力總是隨高度的升高而降低均質(zhì)大氣層——80～85km以下，以湍流擴(kuò)散為主，成分基本不變主要?dú)庀笠乇硎敬髿鉅顟B(tài)的物理量和物理現(xiàn)象稱為氣象要素。氣象要素：氣溫、氣壓、氣濕、風(fēng)向、風(fēng)速和能見(jiàn)度等。1．氣溫天氣預(yù)報(bào)中：距地面1.5m高、百葉箱內(nèi)氣溫。1714華倫海脫準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)，定為32度，水的沸點(diǎn)定為212度，中間等分為180份，每一份就是1華氏度。1742年，瑞典科學(xué)假攝爾修斯和他的助手斯托瑪用同樣的溫度計(jì)，選取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)定為0度，水的沸點(diǎn)定為100度

中間等分100份。1854年，英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文選定“水的三相點(diǎn)”，即水、冰、水蒸氣三相共存的溫度，把絕對(duì)零度到水的三相點(diǎn)溫度等分為273.16份，每一份就是1開(kāi)氏度，這就是開(kāi)氏溫標(biāo)，用K表示。開(kāi)氏溫標(biāo)的分度間隔和攝氏溫標(biāo)的間隔是一致的。主要?dú)庀笠?．氣壓（大氣的壓強(qiáng)）氣壓的大小與海拔高度、大氣溫度

、大氣密度等有關(guān)，一般隨高度升高按指數(shù)律遞減。氣壓有日變化和年變化。一年之中，冬季比夏季氣壓高。一天中，氣壓有一個(gè)最高值、一個(gè)最低值，分別出現(xiàn)在9～10時(shí)和15～16時(shí)，還有一個(gè)次高值和一個(gè)次低值，分別出現(xiàn)在21～22時(shí)和3～4時(shí)。氣壓日變化幅度較小，一般為0.1～0.4千帕，并隨緯度增高而減小。氣壓變化與風(fēng)、天氣的好壞等關(guān)系密切，因而是重要?dú)庀笠蜃?。通常所用的氣壓?jiǎn)挝挥信?Pa)、毫米水銀柱高(mm·Hg)、毫巴(mb)。它們之間的換算關(guān)系為：100帕＝1毫巴≈3／4毫米水銀柱高。氣象觀測(cè)中常用的測(cè)量氣壓的儀器有水銀氣壓表、空盒氣壓表、氣壓計(jì)。101.325千帕的氣壓，稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，它相當(dāng)于在重力加速度為9.80665米／秒2，溫度為0℃時(shí)760毫米垂直水銀柱高的壓力。

氣體靜力學(xué)方程：主要?dú)庀笠?．氣濕（空氣的濕度，空氣的干燥程度）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，空氣的干濕程度和相對(duì)濕度有關(guān)，而和絕對(duì)濕度卻無(wú)直接關(guān)系。例如，空氣中所含有的水汽的壓強(qiáng)同樣等于1606.24Pa（12.79毫米汞柱）時(shí)，在炎熱的夏天中午，氣溫約35℃，人們并不感到潮濕，因此時(shí)離水汽飽和氣壓還很遠(yuǎn)，物體中的水分還能夠繼續(xù)蒸發(fā)。而在較冷的秋天，大約15℃左右，人們卻會(huì)感到潮濕，因這時(shí)的水汽壓已經(jīng)達(dá)到過(guò)飽和，水分不但不能蒸發(fā)，而且還要凝結(jié)成水。含濕量——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)露點(diǎn)——同氣壓下空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度主要?dú)庀笠?．氣濕

4．風(fēng)風(fēng)向和和風(fēng)速速氣象上上把風(fēng)風(fēng)吹來(lái)來(lái)的方方向確確定為為風(fēng)的的方向向。南南風(fēng)、、偏北北風(fēng)、、風(fēng)向向不定定。風(fēng)向的的測(cè)量量單位位，我我們用用方位位來(lái)表表示。。如陸陸地上上，一一般用用16個(gè)方方位表表示，，海上上多用用36個(gè)方方位表表示；；在高高空則則用角角度表表示。。用角角度表表示風(fēng)風(fēng)向，，是把把圓周周分成成360度度，北北風(fēng)(N)是0度(即360度)，東東風(fēng)(E)是90度度，南南風(fēng)(S)是180度，，西風(fēng)風(fēng)(W)是是270度度，其其余的的風(fēng)向向都可可以由由此計(jì)計(jì)算出出來(lái)。。風(fēng)速是是指單單位時(shí)時(shí)間內(nèi)內(nèi)空氣氣在水水平方方向上上運(yùn)動(dòng)動(dòng)的距距離，m/s或km/h。。13個(gè)等級(jí)。。主要?dú)鈿庀笠?．云云大氣中中水汽汽的凝凝結(jié)現(xiàn)現(xiàn)象叫叫做云云（使使氣溫溫隨高高度變變化小?。┰屏?天空被被云遮遮蔽的的成數(shù)數(shù)（我我國(guó)10分分，國(guó)國(guó)外8分））估計(jì)云云量的的地點(diǎn)點(diǎn)必須須能見(jiàn)見(jiàn)全部部天空空。云云量量觀測(cè)測(cè)包括括總云云量和和低云云量。?？傇圃屏渴鞘侵赣^觀測(cè)時(shí)時(shí)天空空被所所有的的云遮遮蔽的的總成成數(shù)，，低云云量是是指天天空被被低云云所遮遮蔽的的成數(shù)數(shù)，均均記整整數(shù)。。一一、總總云云量的的觀測(cè)測(cè)全全天無(wú)無(wú)云，，總云云量記記0；；天空空完全全為云云所遮遮蔽，，記10；；天空空完全全為云云所遮遮蔽，，但只只要從從云隙隙中可可見(jiàn)青青天，，則記記10-；；云占占全天天十分分之一一，總總云量量記1；云云占全全天十十分之之二，，總云云量記記2，，其余余依次次類推推。二二、低低云云量的的觀測(cè)測(cè)觀觀測(cè)低低云量量的方方法與與總云云量同同。云高:云底距距地面面的高高度低云（（2500m以以下））；中中云云（2500～～5000m））；高高云（（5000m以以上））。云狀:卷云（（線））,積積云（（塊））,層層云（（面),雨雨層云云(無(wú)無(wú)定形形）主要?dú)鈿庀笠?．能能見(jiàn)度度正常視視力的的人，，在天天空背背景下下能看看清的的目標(biāo)標(biāo)物的的最大大水平平距離離。級(jí)別（0~9級(jí)，相應(yīng)應(yīng)距離為為50～50000米）第二節(jié)大大氣的的熱力過(guò)過(guò)程一、太陽(yáng)陽(yáng)、大氣氣和地面面的熱交交換太陽(yáng)以紫紫外線、、可見(jiàn)光光、紅外外線的形形式輻射射熱量太陽(yáng)輻射射加熱地地球表面面地面長(zhǎng)波波輻射加加熱大氣氣(76%-95%)太陽(yáng)短波波輻射加加熱地球球表面，，然后是是地面長(zhǎng)長(zhǎng)波輻射射加熱大大氣，所所以近地地層大氣氣溫度隨隨地表溫溫度變化化太陽(yáng)輻射射能是地地球大氣氣最重要要的能量量來(lái)源；；太陽(yáng)輻輻射穿過(guò)過(guò)大氣層層到達(dá)地地面；太太陽(yáng)輻射射能被地地面吸收收而使地地面增溫溫；地面面輻射同同時(shí)又以以長(zhǎng)波輻輻射的形形式把熱熱量傳遞遞給大氣氣；所以以地面是是近地面面大氣主主要的直直接熱源源。二、氣溫溫的垂直直變化1、大氣氣的絕熱熱過(guò)程與與泊松方方程氣溫直減減率（大氣））干空氣絕絕熱繪制制溫度遞遞減率———干絕熱直直減率（空氣團(tuán)團(tuán)）一般滿足足，大氣氣絕熱過(guò)過(guò)程，系系統(tǒng)與周周?chē)h(huán)境境無(wú)熱交交換空氣塊膨脹（做功）耗內(nèi)能T定性空氣塊壓縮（外氣對(duì)它做功）T內(nèi)能（由壓力變化引起）氣溫直減減率定量：熱力學(xué)第第一定律律其中氣溫直減減率氣溫直減減率代入上式式得：實(shí)際中，，Ti、T相差<10K，則氣溫的垂垂直分布布（溫度度層結(jié)））氣溫的垂垂直分布布－溫度層結(jié)結(jié)三、大氣氣穩(wěn)定度度及其判判據(jù)定義：大大氣在垂垂直方向向上穩(wěn)定定的程度度；反映映其是否容易對(duì)對(duì)流定性描述述：外力使氣塊上升或下降氣塊去掉外力氣塊減速，有返回趨勢(shì)，穩(wěn)定氣塊加速上升或下降，不穩(wěn)定氣塊停在外力去掉處，中性不穩(wěn)定條條件下有有利于擴(kuò)擴(kuò)散三、大氣氣穩(wěn)定度度及其判判據(jù)定量判斷斷：則有判據(jù)：大氣穩(wěn)定定度及其其判據(jù)四、逆溫溫逆溫不利利于擴(kuò)散散，容易易造成大大氣污染染輻射：輻輻射逆溫溫、下沉沉逆溫、、平流逆逆溫、鋒鋒面逆溫溫及湍流流逆溫輻射逆溫溫：由于于地面強(qiáng)強(qiáng)烈輻射射冷卻而而形成的的逆溫，，地面白白天加熱熱，大氣氣自下而而上變暖暖；地面面夜間變變冷，大大氣自下下而上冷冷卻。四、逆溫溫下沉逆溫溫：由于于下沉所所受到的的壓縮增增溫而形形成的逆逆溫。（（多在高高空大氣氣中，高高壓控制制區(qū)內(nèi)））很厚的氣氣層下沉沉壓壓縮變扁扁頂頂部增溫溫比底部部多。四、逆溫溫平流逆溫溫：暖空氣平平流到冷冷地面上上而形成成的逆溫溫為平流流逆溫，，由于低低層空氣氣受地面面影響大大，降溫溫多，上上層空氣氣降溫少少而形成成。湍流逆溫溫：鋒面逆溫溫：冷暖空氣氣相遇，，暖空氣氣上爬，，形成的的逆溫區(qū)區(qū)。煙流型與與大氣穩(wěn)穩(wěn)定度的的關(guān)系波浪型（（不穩(wěn)））γ〉γd錐型（中中性or弱穩(wěn)）扇型（逆逆溫）爬升型（（下穩(wěn)，，上不穩(wěn)穩(wěn)）漫煙型（（上逆、、下不穩(wěn)穩(wěn)）第三節(jié)大大氣的的運(yùn)動(dòng)和和風(fēng)一、引起起大氣運(yùn)運(yùn)動(dòng)的作作用力直接作用力

重力水平氣壓梯度力（垂直上與重力基本平衡）間接作用力地轉(zhuǎn)偏向力（相對(duì)運(yùn)動(dòng)：方向改變）慣性離心力（大氣曲線運(yùn)動(dòng)：很?。┠Σ亮Γń?～2km內(nèi)明顯）

二、近地地層中風(fēng)風(fēng)速擴(kuò)線線模式1、對(duì)數(shù)數(shù)律風(fēng)速速廓線模模式2、指數(shù)數(shù)律風(fēng)速速廓線模模式三、地方方性風(fēng)場(chǎng)場(chǎng)1．海陸風(fēng)風(fēng)2．山谷風(fēng)風(fēng)3．城城市熱島島環(huán)流課后思考考與復(fù)習(xí)習(xí)1、大氣氣圈垂直直結(jié)構(gòu)是是如何劃劃分的，，各層的的氣體密密度和垂垂直氣溫溫變化率率各有何何特點(diǎn)？？2、以污污染源類類型、排排放污染染物的種種類以及及污染物物在大氣氣中的遷遷移轉(zhuǎn)化化行為等等為主要要因素，，論述對(duì)對(duì)流層和和平流層層的大氣氣污染的的特點(diǎn)。。3、主要要的氣象象要素有有哪些，，其中對(duì)對(duì)大氣污污染狀況況影響較較大？4、造成成低層大大氣增熱熱和冷卻卻的主要要原因是是什么，，大氣中中有哪些些氣體組組分對(duì)大大氣增熱熱和冷卻卻的影響響最大。。5、解