第五章大氣環(huán)境影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)1and2

§5-1大氣層概述一、低層大氣的組成

大氣：1200km——用熱氣球探測(cè)，上界2000～3000km（衛(wèi)星探測(cè)）大氣圈：低層大氣：55km以下，含50％以上大氣物質(zhì)的質(zhì)量。包括干潔空氣、水汽和雜質(zhì)三部分。1.干潔空氣主要組分:

N2:78.09%；O2:20.95%；Ar：0.93%次要組分:CO2NeHeXeKeO3不變氣體組分：N2

、O2

、Ar可變氣體組分：H2O、CO2、O3等①CO2：0.03％，對(duì)太陽(yáng)短波輻射吸收能力很弱，對(duì)地表的長(zhǎng)波輻射吸收能力很強(qiáng)，同時(shí)能發(fā)射長(zhǎng)波輻射。對(duì)地面和大氣保持一定的溫度起重要作用。“溫室效應(yīng)”②O3：0.000002％，12—35km臭氧層，吸收波長(zhǎng)短于0.29μm的紫外線部分。臭氧：高空O2---→O---→O3含量10-6％，隨高度分布不均勻。保護(hù)動(dòng)植物免受紫外線傷害。2.水蒸氣含量不穩(wěn)定。變化范圍0～4％之間。可導(dǎo)致云、霧、雨、雪、雹等天氣變化。強(qiáng)烈吸收地面輻射，又向周?chē)鷼怏w和地面放射長(zhǎng)波輻射，水的相變化又能吸收和放出熱量，對(duì)氣溫和地面溫度有一定影響。例：海邊日夜溫差小，而干旱地區(qū)溫差大。海洋性氣候。3.雜質(zhì)（大部分是大氣污染物）大氣氣溶膠粒子：有自然界產(chǎn)生的，有人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的。自然界產(chǎn)生：大風(fēng)揚(yáng)塵、火山灰、海鹽粒子、植物花粉等。人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生：煙塵、工業(yè)粉塵、交通運(yùn)輸產(chǎn)生揚(yáng)塵等。固態(tài)雜質(zhì)：煙塵、工業(yè)粉塵、大風(fēng)揚(yáng)塵、火山灰、海鹽粒子、植物花粉等。液態(tài)雜質(zhì)：水汽凝結(jié)物（云、霧滴、水滴等）二、描述大氣的物理量氣象要素：對(duì)大氣狀態(tài)和大氣物理現(xiàn)象給予“定量”或“定性”的描述的物理量，通過(guò)觀測(cè)獲得。1.氣溫：離地面1.5m高度的百葉箱中觀測(cè)的空氣溫度。2.氣壓：大氣作用在單位面積上的作用力，N/m2(Pa)、mmHg，atm等，巴bar，毫巴mbar1atm＝760mmHg＝101325Pa＝1013.25mbar3.氣濕：空氣濕度。絕對(duì)濕度、水蒸氣分壓力、相對(duì)濕度、飽和蒸汽壓。4.風(fēng)：空氣質(zhì)點(diǎn)的水平運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)，矢量（風(fēng)向，風(fēng)速）?？諝赓|(zhì)點(diǎn)的鉛直運(yùn)動(dòng)稱為升、降氣流。風(fēng)向：風(fēng)的來(lái)向，16方位、8方位注：我國(guó)習(xí)慣：東西為基本方位（西北、東北）先說(shuō)單方位再說(shuō)復(fù)方位（西西北、北東北）國(guó)外習(xí)慣：北南為基本方位（NE,SE）先說(shuō)單方位再說(shuō)復(fù)方位（NNE,ENE）報(bào)告時(shí)用英文為Northeast而中文翻譯為東北風(fēng)頻：吹某一風(fēng)向的風(fēng)的次數(shù)，占總的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)次數(shù)的百分比，稱該風(fēng)向的風(fēng)頻。風(fēng)頻最大的風(fēng)向?yàn)橹鲗?dǎo)風(fēng)向。下風(fēng)向受污染的概率最大。靜風(fēng)（風(fēng)速小于0.5m/s)風(fēng)頻：有近距離污染的可能。風(fēng)向玫瑰圖風(fēng)速：空氣在水平方向上移動(dòng)的距離與所需時(shí)間的比值。m/s，Km/s風(fēng)向、風(fēng)速：測(cè)定指安裝于距地面10m高度上的測(cè)風(fēng)儀所觀測(cè)到的一定時(shí)間內(nèi)的平均值。我國(guó)氣象中指某時(shí)的風(fēng)向。風(fēng)速是正點(diǎn)前10min的平均風(fēng)向、風(fēng)速。風(fēng)力；風(fēng)級(jí)：風(fēng)速≈3.02F２/3(km/h)風(fēng)級(jí)（0～12級(jí)）。F為風(fēng)的等級(jí)。5.云：云是大氣中的水汽凝結(jié)現(xiàn)象。云高指云底距地面的高度。分高云（5000m以上）、中云（2500～5000m）和低云（2500m以下）三類(lèi)。云狀：有國(guó)際云圖，由專門(mén)氣象人員去觀測(cè)。卷云（線）,積云（塊）,層云（面）,雨層云(無(wú)定形)。我國(guó)將視野能見(jiàn)的天空分為10等分，其中云遮蔽了幾分，云量狀況是幾。eg：碧空無(wú)云，云量＝0；陰天，云量＝10國(guó)外將天空分為8等分，云遮蔽幾分則云量就是幾。國(guó)外云量×1.25＝我國(guó)云量我國(guó)云量記錄，規(guī)范為總云量/低云量，其中總云量指所有的云遮蔽天空的分?jǐn)?shù)，低云量指低云遮蔽天空的分?jǐn)?shù)。eg：8/3表示：10等分低云遮3份，總云8份。在大氣環(huán)境影響預(yù)測(cè)中用云高、云量等確定“大氣穩(wěn)定度”。6.能見(jiàn)度：在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，正常人的眼睛所能看見(jiàn)目標(biāo)的最大水平距離。反映了大氣的渾濁程度，大氣中雜質(zhì)的多少。級(jí)別：10級(jí)（0~9）三、大氣層的結(jié)構(gòu)1.大氣溫度的垂直分布根據(jù)大氣溫度在垂直于下墊面（地球表面情況）方向上的分布狀況分五層：對(duì)流層；平流層；中間層；熱成層；散逸層

(重點(diǎn)掌握對(duì)流層、平流層的特點(diǎn))三、大氣層的結(jié)構(gòu)對(duì)流層平流層中間層外逸層臭氧熱成層（1）對(duì)流層：

平均高度12km，上界面高度是變化的，夏季>冬季，赤道高17-18km，溫帶10-12km，兩極8-9km。氣溫隨高度的升高而降低，高度增加100m，氣溫降低0.65℃。強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)?？諝饷芏茸畲?，集中了全部空氣質(zhì)量的3/4。氣象要素水平分布不均勻，復(fù)雜天氣現(xiàn)象。（2）平流層：對(duì)流層頂～55km分兩層：對(duì)流層頂?shù)?0～35km，氣溫不隨高度變化，同溫層；同溫層頂?shù)狡搅鲗禹?，氣溫隨高度的升高而上升，逆溫層（暖層）沒(méi)有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，氣流平穩(wěn)。大氣透明度良好。（3）中間層：55～88km之間高度升高，氣溫下降，高度增加1km，則氣溫降低1℃。空氣強(qiáng)烈對(duì)流運(yùn)動(dòng)，垂直混合明顯，稱高空對(duì)流層。（4）熱成層：85～800km。高度升高，氣溫迅速上升，300km處，氣溫達(dá)1000℃以上。在強(qiáng)烈的太陽(yáng)紫外線和宇宙射線作用下，處在高度的電離狀態(tài)，有電離層之稱，具有反射無(wú)線電波的能力。（5）散逸層：熱成層頂以上的大氣層。氣溫極高，空氣稀薄，大氣粒子運(yùn)動(dòng)速度很高。2.大氣壓力和密度的垂直分布對(duì)一個(gè)地點(diǎn)，氣壓總是隨著高度的增加而降低，近地層，高度升高100m，氣壓降低1240Pa，高層小于該值。（1）大氣壓力的垂直分布（2）大氣密度的垂直分布

5.5km以下，大氣質(zhì)量占1/2；30km以下，大氣質(zhì)量為99％。3.大氣成分的垂直分布大氣中任一高度上各種氣體組分的比例主要取決于分子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散兩種物理過(guò)程的強(qiáng)者。分子擴(kuò)散：湍流擴(kuò)散：100km湍流擴(kuò)散為主，氣體成分均勻（勻和層）分子擴(kuò)散為主，較輕氣體（非勻和層）轉(zhuǎn)換高度（湍流層頂）說(shuō)明：100km以下，以湍流擴(kuò)散為主，勻和層100km以上，以分子擴(kuò)散為主，非勻和層100km以下：N2、O2500km：O、H2、He1000km：H2、He5.2大氣邊界層的溫度場(chǎng)大氣邊界層：受下墊面影響的低層大氣，其厚度約為1～2km，稱為大氣邊界層或行星邊界層。下墊面以上100m左右的一層大氣稱為近地層或摩擦邊界層。中間一層（近地層到大氣邊界層頂）的一層稱為過(guò)渡區(qū)。過(guò)渡層100m近地層1-2Km大氣邊界層一、氣溫的垂直分布1.氣溫層結(jié)氣溫沿鉛直高度的變化，稱氣溫層結(jié)或?qū)咏Y(jié)。氣溫隨高度變化快慢這一特征可用氣溫垂直遞減率來(lái)表示。氣溫垂直遞減率的數(shù)學(xué)定義式,γ＝-dT/dz；它系指單位(通常取100m)高差氣溫變化速率的負(fù)值。如果氣溫隨高度增高而降低，γ為正值，如果氣溫隨高度增高而增高，γ為負(fù)值。1243溫度高度看懂此圖，會(huì)解釋1：正常層結(jié)2：中性層接3：逆溫層結(jié)4：等溫層結(jié)二、干絕熱直減率a.問(wèn)題的提出ｐ’，ｖ’Ｔ’ｐ’＋ｄｐ’，ｖ’＋ｄｖ’Ｔ’＋ｄＴ’氣塊氣塊ＺＺ＋ｄＺ二、干絕熱直減率a.問(wèn)題的提出一個(gè)質(zhì)量恒定的空氣塊，從地面絕熱上升時(shí)，將因周?chē)鷼鈮旱臏p小而膨脹，一部分內(nèi)能用于反抗外壓力膨脹，而做了功，因而它的溫度將逐漸下降；上升：Q=△u＋w令Q=0→－△u＝w，△u下降內(nèi)能減少，t下降，干空氣的絕熱溫度下降其中：Q—加入熱量；△u—內(nèi)能；w—功反之，當(dāng)一個(gè)質(zhì)量恒定的空氣塊從高空絕熱下降時(shí)，由于外界氣壓逐漸增大，外壓力對(duì)氣塊做壓縮功，并轉(zhuǎn)化為它的內(nèi)能，因而它的溫度將逐漸上升。下降：Q=△u＋（－w）令Q=0→△u＝w，△u升高，t升高。這種性質(zhì)可用干絕熱直減率γd表示。定義：干空氣在絕熱升降過(guò)程中，每升降單位距離（通常取100m），氣溫變化速率的負(fù)值，稱為干空氣溫度絕熱垂直遞減率，簡(jiǎn)稱干絕熱直減率（γd）。2.計(jì)算γd：數(shù)值推導(dǎo)前提條件：準(zhǔn)靜力條件（假設(shè)空氣塊的氣壓P’與周?chē)髿鈮毫ο嗟龋≒’＝P，當(dāng)某氣塊到達(dá)某一高度時(shí)，氣塊本身的壓力與大氣壓力很快就會(huì)達(dá)到平衡）氣塊作絕熱上升，應(yīng)符合絕熱過(guò)程方程式（5-7）由于準(zhǔn)靜力條件P’=P，P’+dP‘=P+dP，則：（5-8）將靜力學(xué)方程（5-3）（dρ＝－ρgdz）和狀態(tài)方程P＝ρRT帶入（5-8），并考慮T’/T接近1，得：

（5-9）干空氣溫度：絕熱垂直遞減率的定義式。取g＝9.81m/s2，Cp＝1004J/（kg·K）Cp—空氣的定壓比熱.表示：在作絕熱上升（或下降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，干空氣每上升（或降低）100m，氣溫約降低或升高1K3.對(duì)于濕空氣：①未飽和濕空氣在絕熱升降過(guò)程中，如果終態(tài)未達(dá)到飽和狀態(tài)，則遵循上述規(guī)律。

升濕空氣（未飽和）---→終態(tài)（未飽和）降②上升過(guò)程中，當(dāng)達(dá)到凝結(jié)高度時(shí)（即濕空氣中有凝結(jié)水產(chǎn)生），由于水汽凝結(jié)釋放出一些熱能，因此，在濕空氣上升到凝結(jié)高度，繼續(xù)作絕熱上升運(yùn)動(dòng)，則每升高100m，氣溫下降小于1℃。③飽和濕空氣下降分兩種情況：A：如含有水滴，由于水滴蒸發(fā)消耗熱量，故下降100m，氣溫升高小于1℃；B：如不含水滴則等于1℃。一空氣塊受到外力的作用，獲得了初始運(yùn)動(dòng)速度后，氣塊可能發(fā)生三種情況：(1)當(dāng)外力去除后，氣塊逐漸減速并有返回原來(lái)高度的趨勢(shì)，稱這種大氣是穩(wěn)定的；

(2)當(dāng)外力去除后，氣塊加速上升或下降，稱這種大氣是不穩(wěn)定的；(3)當(dāng)外力去除后，氣塊被外力推到哪就停到哪，或做等速直線運(yùn)動(dòng)，稱這種大氣是中性的。三、大氣靜力穩(wěn)定度及其判據(jù)大氣穩(wěn)定度的判據(jù)假設(shè)：初態(tài)T’=T，P’=P，ρ’=ρ末態(tài)：T’﹥T，P’=P，ρ’﹤ρ

對(duì)氣塊：F-G=ma，ρgV-mg=ma對(duì)于靜止氣塊F=G=ρ’gV=mg∴V=mg/ρ’g∴ρgm/ρ’-mg=maF=ρgVG=mg氣塊T’，P’，ρ‘環(huán)境T，P，ρ當(dāng)γ-γd>0，氣塊加速運(yùn)動(dòng)，大氣不穩(wěn)定；當(dāng)γ-γd<0，氣塊減速運(yùn)動(dòng)，大氣穩(wěn)定；當(dāng)γ-γd=0，大氣為中性。

因此，大氣靜力穩(wěn)定度可以用氣溫直減率與干絕熱直減率之差來(lái)判斷，即γ-γd大于、小于和等于零為大氣靜力穩(wěn)定度的判據(jù)。對(duì)于γ和γd的物理意義應(yīng)具有較確切認(rèn)識(shí)。

γd是以質(zhì)量恒定的一塊空氣團(tuán)為對(duì)象在干絕熱條件下垂直上升而導(dǎo)出的氣溫垂直遞減率，是一個(gè)由氣態(tài)方程給定的確定值。γ則是氣溫的環(huán)境層結(jié),是在太陽(yáng)、地球的熱量幅射和其他氣象因素作用下形成的實(shí)際環(huán)境狀況。干絕熱直減率與大氣溫度直減率的區(qū)別方面類(lèi)別對(duì)象運(yùn)動(dòng)狀態(tài)溫差取值對(duì)象時(shí)間地面以上大氣層靜止大氣不同層間的氣溫差理論上應(yīng)是同時(shí)刻不同高度的溫差變數(shù)。各層、各地一天中也不同干空氣絕熱過(guò)程運(yùn)動(dòng)著的氣塊同一氣塊不同高度的溫差氣塊本身不同時(shí)刻不同高度的溫差常數(shù)。1℃/100m用層結(jié)曲線（大氣溫度隨高度變化曲線）和狀態(tài)曲線（即上升空氣塊的溫度隨高度的變化曲線）的分布來(lái)判斷大氣穩(wěn)定度。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？

四、位溫

1、定義：未飽和的空氣塊絕熱地移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)氣壓100000Pa處所具有的溫度，稱為這一未飽和空氣的位溫。記作θ。位溫是一種假想的溫度，為了比較不同氣壓情況下氣塊之間的溫度，而定義了一種不受運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響的溫度，即位溫。位溫是一個(gè)保守量。目的：用位溫梯度來(lái)判斷大氣靜力穩(wěn)定度100000Pa與變化過(guò)程無(wú)關(guān)五.氣溫層結(jié)與煙流形狀煙流形狀估計(jì)大氣穩(wěn)定度（氣溫層結(jié)）1.波浪型（翻卷型）2.錐型：3.平展型：4.爬升型（屋脊型）5.漫煙型（熏煙型）6.受限型類(lèi)型發(fā)生條件發(fā)生時(shí)機(jī)煙流特點(diǎn)地面污染情況波浪型>0，煙流位于不穩(wěn)定大氣中多發(fā)生在太陽(yáng)光較強(qiáng)、晴朗的白天，此時(shí)熱力流為主，風(fēng)速較小煙流上下波動(dòng)地面最大濃度落地點(diǎn)距離煙囪較近，濃度較大錐型≈0，中性多發(fā)生在多云或陰天的白天，強(qiáng)風(fēng)的夜晚圓錐型，煙流軸線近乎水平，擴(kuò)散能力較波浪型差地面最大濃度較波浪型遠(yuǎn)，濃度較波浪型小，范圍較大平展型<－1，煙流位于逆溫層晴朗的夜晚和早上，（逆溫沒(méi)破壞以前）扇型，鉛直方向厚度較小，擴(kuò)散能力很差高煙囪近距離不會(huì)造成污染，遠(yuǎn)處濃度低，污染范圍較大。爬升型<0多發(fā)生在日落前后（0.5～1h）煙流不向下擴(kuò)散，只向上擴(kuò)散，此種煙流持續(xù)時(shí)間較短對(duì)地面產(chǎn)生污染較小類(lèi)型發(fā)生條件發(fā)生時(shí)機(jī)煙流特點(diǎn)地面污染情況漫煙型>0日出后，地面增溫，近地層空氣被加熱，逆溫自地面向上破壞，當(dāng)破壞到煙流中時(shí)發(fā)生（8～11點(diǎn)）大氣污染物向下方擴(kuò)散，煙流持續(xù)時(shí)間短約0.5h造成短時(shí)間的地面高濃度受限型上下逆溫層之間的不穩(wěn)定大氣中晴朗天氣，微風(fēng)的早上，夏天較多見(jiàn)。煙流被限制在狹小的空間中地面不受污染。六、逆溫1.發(fā)生背景太陽(yáng)輻射短波，地面在吸收太陽(yáng)輻射后，也向外輻射，但主要是長(zhǎng)波輻射。大氣吸收短波輻射能力弱，而吸收長(zhǎng)波能力極強(qiáng)。被太陽(yáng)輻射加熱的地面，靠熱傳導(dǎo)把貼近地表層加熱，然而，通過(guò)湍流作用把熱量向上傳遞。近地層氣溫隨著地面溫度的增加而增加，而且是自下而上被