东南大大气污染控制工程教案03污染气象学基础知识.docx

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1、第5次课学时注：本页为每次课教案首页上次课复习：1 .燃烧过程烟气量及污染物排放量的计算。2 .燃烧过程中Sox、颗粒污染物的形成机理。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

2、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，清华大学出版社第一节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，气象学中统称主要有：气温、气压、湿度、风（风向、风速）、云况、能见

3、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：8个方位或16方位表示（地面风），见图3-2；用角度表示（高空风）：（4）性质：随时在变化：随高度变化：随地理位置而变：5、云6、能见度7、太阳高度角如右图，h。即太阳高度角，它随时间而变化。太阳光线8、降水第二节大气的热力过程一、太阳辐射（补）A太阳以紫外线（0.4m）可见光（0.40.76m）、红外线（0.76m）的形式辐射热量A太阳辐射加热地球表面，地面长波辐射（主要3120um）

4、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AQ等于该物系内能的变化和物系对外所做的功AW,即：Q=t+W在无非膨胀功时，其微分表达式为:,dQ=CvdT+PdV将状态方程PV=Rr代入上式，并取Cp-C=R,则上式写成dQ=CpdT-RT-变形为：江=逗+包吧CllC11P式中：dQ一加入物系的热量；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：空气的导热率较小，变化慢；气块大气中运动很快；气压变化很大。大气的绝热方程

5、：打RdP-绝热：AQ=,式变为：%pp一,ln-=-In-两边积分，得TxCpPx因CP-CV=R又CP/CV=K,对于空气K=L404于是得大气绝热方程:K-I0.22、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Ioom）,单位：C100m0（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=Ph,这个条件称为准静力条件。（2）干绝热直减率ddTdTg定义：Yd=dZdZCp实际中，T（气块温度）、T（环境温度）相差GOK,T,/Tlo推导过程

6、如下：根据热力第一定律，导出绝热过程方程式为：dT_RdPT=c7V又气压随高度变化规律：=一Pg=dP=一PgdZ又理想气体状态方程：PV=RTnP=PRT将代入，则得：竺=一旦dZCp若不计高度、纬度影响，取g=9.18ms2,Cp=1004.8J（KgK）干绝热垂直递减率Yd（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IOO米），根据计算，得到,约为0.98C100m,近似IC/lOOm。（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。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

7、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，称为湿绝热递减率外,约为O.5CI00m0三、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）温度层结类型温度随高度的增加而降低（Zt）,正常分布，或递减层结。温度梯度等于或近似于lC100m,称中性层结。温度随高度增加而升高（Zt）,称为逆温层结。温度不随高度变化，称为等温层结。见下图所示：（4）温度变化的实质（5）环境温度直减率：环境温度的变化。z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0.65oC100mo（6）位温（）定义：IOOO产精00088其中：T、P分别为

8、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）Imb=IO3达因/皿？2、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：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。气块仍然加速上升或下降，此时大气是不稳定的。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？判断大气是否稳定：对于未饱和空气、干空气，

9、可利用Y-九=0来判断;而对饱和空气而言，用y-九1=0来判别,0, / /d 时，气层稳定0, 70。dZ2、跟我们研究污染有关的因素：逆温层的消失时间；逆温层底的高度；逆温层的厚度；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：辐射逆温（较常见）；平流逆温；锋面逆温；湍流逆温；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次课学时上次课复习：1、河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。本次课题（或教材章节题目）

10、：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P823.63.10参考资料第三节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

11、对污染物的作用体现为风向和风速两方面的影响。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。4高度1km（2）风向频率和污染系数风向频率某风向出现次数各风向的总次数XIOO %污染系数P=风向频率该风向的平均风速P越大，某下风向污染越严重。不同粗利度地区风随潮度变化的情况图中数字是占梯度风的比例注，自由大气的圆形气压场中，当气质轿度力、地转偏向力和惯性离心力达平衡时，空气沿曲段等压我的水平等速运动，称为梯度风。（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

12、越大，湍流越强，污染物扩散速度越快，污染物浓度越低。（）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P6L图3-15）。烟流型与大气稳定度的关系今波浪型一不稳；套锥型一中性Or弱稳；扇型（平展型）一逆温；.爬升型（屋脊型）一下稳，上不稳；漫烟型（熏烟型）一上逆、下不稳波浪型爬升型上次课复习：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：Id=式中：I

13、dd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，IdW0.8时，为清洁型大气。第7次课2学时本次课题（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浓度估算模式教学要求：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、特殊气象条件下一有上部逆温层的扩散模式难点：高斯模式、特殊气象条件下一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P

14、823.23.4参考资料注：本页为每次课教案首页第四节大气扩散浓度估算模式O一、污染源从污染源考虑污染物浓度主要有以下几方面：（1）污染物指的化学组分及性质，各组分间是否易发生化学反应形成二次污染物等；（2）源的几何形状和排放方式；（3）源强，即污染物的排放速率；（4）源的高度。二、大气扩散试验方法简介（补充参考内容）1、示踪剂浓度测量法：优点：可直接测得数据，只要网点布置得当，就可对整个浓度场进行分析。缺点：人力、物力耗费大，不经济。2、光学轮廓法：优点：简便、经济；缺点：精度差，研究范围小。常在研究烟羽抬升高度时应用。3、“标记粒子”轨迹法：优点：精度高、适于大尺度扩散研究；缺点：工作量大

15、，不经济，多次观察等。此外还有风洞试验研究等。三、正态分布假设下的扩散模式（补充参考内容）研究湍流场中物质扩散的理论体系有三种：梯度输送理论；统计理论；相似理论。高斯模式的有关假定，坐标系取排放源在地面的投影点（若无界源，则以源）为原点，右手坐标系:食指一X轴（主风向）；中指一丫轴（横风向）；拇指一Z轴（垂直向）。烟流中心与X轴重合或烟流在oxy平面的投影为X轴。A四点假设 A.污染物浓度在KZ风向上分布为正态分布 B.全部高度风速均匀稳定 C,源强是连续均匀稳定的 D.扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）高斯扩散模式的坐标系z/onplumecenterline根据假设的连续性条件可写出Q=f

16、ucdydz(4)J-OOJ-OD式、组成一方程组，四个方程式有四个未知数，故方程式可解。由查表或将式级数展开可得：-“办=委JoVe3分=4442代入式：4=哈,=!2;同理得：b=2?将、代入中，得：Q=Juxe町e10zdydz=mA(x)e肛dye2!=2A(x)uzv其中：A(X)=_2yzu再将、代入式得无界状况下，下风向任意位置的污染物浓度(gm3)3、无界情况下的扩散模式有正态分布假设可写出浓度分布函数C(.y,z)=AM)j由统计理论可写出方差表达式fZ1cdzJofcdzJO4、高架连续点源扩散模式按全反射原理，“像源法”：把P点污染物浓度看成为两部分作用之和，一部分实源作

17、用，一部分是虚源作用。见下图：相当于位置在（O,0,H）的实源和位置在（0,0,-H）的像源，当不存在地面时在P点产生的浓度之和。（I）实源作用：由于坐标原点原选在地面上，现移到源高为H处，相当于原点上移H,即原式中的Z在新坐标系中为（Z-H）,不考虑地面的影响，贝J:C-QexJy2（Z）22,vL2y2J（2）像源作用：源高H,P点距像源产生的烟流中心线的距离为Z+H,则:CQy2（z+a）2C2=exPV2-2yz22f（3）P点的实际浓度为两源作用之和：C=C+C2exp-2RQ,。二(N-)?2皮+exp 一即高架连续点源正态分布假设下的扩散模式。（4）高架连续点源正态分布下地面浓度

18、扩散模式Z=O时即得地面浓度模式：Ov2(H2C(x,=expexp-IgQzI2y)I2zj(5)高架连续点源正态分布下地面轴线浓度模式C(X,0,0,H)=_Qexp-里7ttyzI2z)(6)高架连续点源正态分布下地面最大浓度模式及位置dedQ(H1由-7-=-=expd.d.uyz2z)且最大浓度出现于满足下列关系的下风处：HX=XCmaX=U则风速不变时，可导出GmaxQeuH5、地面连续点源扩散模式令H=O的地面连续点源扩散模式C= -epu.yl2JexpZ22:可见地面源所造成的浓度为无界情况下浓7、倾斜姻云模式Orv2/)=(0,1 , 2uv.称之为“封闭型扩散”。污染源浓

19、度可看成度的2倍。6、地面源下风向地面轴向浓度当y=0,z=0,H=O得：c(x000)=四、非点源扩散模式(应述)1、线源扩散模式；2、简单箱模式；3、面源扩散模式；4、山区扩散模式。五、特殊气象条件下的扩散模式(一)有上部逆温层的扩散模式rQQv.2./)- exP 2, )*+“=-00(z-+ 22)22?+exp(zH+2P)22-扩散只能在地面和逆温间进行,是实源和无穷多个虚源作用之和。式中：D一逆温层底高度，即混合层高度，m；n烟流在两界间的反射次数，一般n=3或4已包括主要反射。实际计算往往要进行简化，设XD为烟羽边缘刚好达逆温底层时离烟源的水平距离。当XWXD时，按原扩散模式

20、（一般高斯模式）计算；当x22XD时，水平方向仍呈正态分布，Z方向浓度渐趋均匀；Q（y2C.o./）=exp-2y2uLx2vJ当xdx20920KJs时：x10HsAH=L55Q.jv23.Z1当Qh20920KJs时：（/=0.33Q产.产5.65）x3x*H=0.33Q5.”5-uc.康凯维（CoIlCaWe）今式：H=2.70嫁/方适用于Qh200m,u=u）w式中：UL附近气象台（站）高度5年平均风速，m/s；m-见书P55表3-5。Zl-附近气象台（站）高度5年平均风速，m/s；Z2-烟囱出口处高度，m；b.当1700kJsQh21OOkJZs时,H=H,+（H.-Mi.）（g17

21、00）1 2400式中：1=2（1.5uxD+0.0Qh）u-0.048（0,-1700）/uH2-由布里吉斯公式求得。X(缪+ 0.0098)3/8C.当QhW1700kJs或者a35K时，H=2(1.5usD+0.0Qh)ud.凡地面以上IOm高处1.5ms的地区，=5.5Qr4、烟云抬升高度的测定目前已知的测定方法有照相法、气球测高法、激光雷达法等。5、有效源高对地面最大浓度的影响高架连续点源地面最大浓度计算式Cimx=%=从CmaX公式看出：风速对CmaX有两种作用结果：风速增大，地面最大浓度减小；从各种抬升公式看，风速增大时抬升高度减小，地面最大浓度增大。因此可以设想在某一风速下会出

22、现地面最大浓度的极大值，称为地面绝对最大浓度,相对此时的风速称为危险风速,地面最大浓度CmaX不是随风速增加而单纯的减小，而是先随风速增加而增大，当Ca达到最大值后再减小。下面举一种地面绝对最大浓度表达式，说明有效源高对地面最大浓度的影响。大多数烟流抬升公式可概括为AH=B的形式，其中B为某一抬升公式中除u以外的一切量。例如用霍兰德公式计算AH时，8=1.5/d+9.79xl0-6g。若将上述抬升公式代入地面最大浓度公式Cmax中，对口求导（B视为常数），并令AmaX/=0则得到U=BZHs，即当U=BZHs时，Cmax达极大。（二）大气扩散参数（叫，z）的确定1、扩散参数的性质随着扩散距离的

23、加长，。增大。随着水平和垂直湍流的强烈交换，大气处于不稳定状态，O较大，即。与稳定度密切相关。o=f（稳定度）。稳定度、扩散距离一定时，与粗糙度有关。粗糙度越趋于稳定，。越小。2确定的方法示踪实验法风标法经验方法：3、帕斯奎尔（F.PasquiH）吉福特（EAGifford）扩散曲线法（简：P-G扩散曲线法）帕斯奎尔在1961年首先提出应用观测到的风速、云量、云状和日照等天气资料，将大气扩散稀释能力分为6个等级：A-极不稳定，B不稳定，C-弱不稳定，D-中性,E-弱稳定，F-稳定。若稳定级别为AB,则表示按A、B级的数据内插。详见书P77,表3-8。该法的要点：首先根据帕斯奎尔划分大气稳定度的

24、方法来确定大气稳定度级别；然后从图3-21和图3-22中查得对应的扩散参数Oy和z;最后将、5代入前面介绍的一系列扩散模式中，就可估计出各种情况下的浓度值。须指出：（犯4P79表3-9）直接列出了不同稳定度时，一些e与。/的具体数值，用内插法可求出20Km距离内a，、OZ的值。当估算地面最大浓度Cnm和它出现的距离XCmaX时，先按q=”/、反计算出zX=Xcmax,结合当时的大气稳定度级别由图3-22上查出对应的X值，此即该稳定度下的XCrnaX.。然后从图3-21上查出与XClnaX对应的值，代入本章节3.33式即可算出CmaX值。适用条件：该法在D、C级稳定度下误差较小；在E、F级稳定度

25、下误差较大；H越大,误差越小。4、帕斯奎尔曲线法的发展1964年，特纳尔（D.B.tumer）：提出先根据太阳高度角、云高和云量确定辐射等级，再根据辐射等级和地面风速来划分稳定度级别。P-G扩散曲线法比较适用于开阔平坦的下垫面（如平原地区），对于粗糙度较大的地区,则应向不稳定方向提高1-2级后再查表或图。5、布里吉斯扩散参数布里吉斯提出了适用于估算平原地区和城市地区的扩散参数公式。适用于高烟囱排放下风向2030Km左右的范围。书P98表4-8列出了估算a、6的公式。6、“国标”推荐的扩散参数在我国国标制定地方大气污染物排放标准的技术方法（GB/T13021-91）中规定，取样时间在30min时

26、，扩散参数按下原则选取。（1）平原、农村地区及城市远郊区的扩散参数的选取：（2）工业区或城区中点源的扩散参数选取：（3）丘陵山区的农村或城市：同城市工业区。（4）大于30min的取样时间，OZ不变，Oy按下式计算：%=ytl（9式中：q一时间稀释指数。计算举例（书P82）例题3.1：点源解题思路：1）确定大气稳定度；2）计算烟囱出口处风速u；3）计算有效源高H；4）计算烟羽边缘刚好达逆温底层时，离烟源的水平距离XD:5）判断X与X。、2X）之间关系，选择合适公式七、厂址选择和烟囱设计（一）选择厂址所需的气候资料气候资料是指气象资料的常年统计形式。1、厂址选择所需的气候资料（1）风向和风速气候资

27、料：（2）大气稳定度的气象资料（3）混合层高度的确定2、长期平均浓度的计算气象随提供的风向资料是按16方位给出的，每个方位相当于一个22.5的扇形。因此,可按每个扇形计算长期平均浓度。推导时作以下假定:(1)同一扇形内各角度的风向频率相同，即在同一扇形内同一距离上，污染物浓度在y方向是相等的。(2)当吹某一扇形风时，全部污染物都落在这个扇形里。如果某个方位的风向频率在考虑时段内为f%,则整个时段内该风向的平均浓度为:2.2C=偿F3也/一读16以相邻两扇形中心线浓度为基准作线性内插,就可得到较合理的浓度分布,也就对假定作了修订。推导一下:某地面浓度是相邻两扇形按比例贡献的和，即6=G+e2。如图2-20所示，a表示该点所在扇形的宽度，y表示该点与扇形中心线的横向距离，线性比例项可用a-yo/a表示。(20.01(2J2外-uo.ft、16“a1eexDItcx-uona.He2b)+Ja分别求出该风向不同稳定度，不同风速时的浓度，再按频率加权平均，则可求出该风向的长度平均浓度。