大气污染控制工程-大气污染气象学.ppt

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1、大气污染控制工程,(AIR POLLUTION CONTROL ENGINEERING),第三章 大气污染气象学,大气圈结构及气象要素 大气热力过程 大气的运动和风理解气象学基础知识,建议学时数：2学时,污染源,大气中迁移、扩散,受体,气象条件,风向、风速大气湍流气温垂直分布大气稳定度,Sources,Transports,Sinks,人群其他生物体,工业交通生活,大气污染系统与途径,问题：为什么同一地区大气污染存在季节性(天)差异？,第三章 大气污染气象学,大气科学,大气物理、化学大气气象学污染气象学,环境科学,(1)各种气象条件对大气污染物的传输与扩散作用(2)大气污染物质对天气和气候的影

2、响,Meteorology for Air Pollution 大气污染气象学研究大气运动与大气中污染物相互作用的学科,污染气象学的发展简史,第三章 大气污染气象学,教学内容：第一节 大气圈结构及气象要素第二节 大气的热力过程第三节 大气的运动和风,第三章 大气污染气象学,大气圈的垂直结构,一、大气圈垂直结构,集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层温度随高度的增加而降低，每升高100m平均降温0.65强烈对流作用温度和湿度的水平分布不均,大气边界层：对流层下层12km，地面阻滞和摩擦作用明显,气温日变化明显自由大气：大气边界层以上，地面摩擦可以忽略,对流层（10km左

3、右）,一、大气圈垂直结构,1 大气边界层特征,同温层对流层顶35-40km，气温-55左右同温层以上，气温随高度增加而增加集中了大部分臭氧没有对流运动，污染物停留时间很长气温随高度升高而迅速降低对流运动强烈,平流层（对流层顶50-55km）,中间层（平流层顶85km）,气温随高度升高而增高气体分子高度电离电离层气温很高，空气稀薄空气粒子可以摆脱地球引力而散逸,暖层（中间层顶800km）,散逸层（暖层以上),大气压力总是随高度的升高而降低 均质大气层:8085km以下，大气成分基本不变,一、大气圈垂直结构,高度(km),每升高100m，气温降低0.65,N2,O2,Ar,CO2,Ne,He,Kr

4、,H2,Xe,O3,越往上氧、氦等气体的原子态越多,紫外线的强烈照射，N2和O2产生不同程度的离解,一、大气圈垂直结构,气温 气压 气湿 风向 风速 云况 能见度,天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。,1、气 温,单位：mb（毫巴）大气的压强：1at101326Pa1013.26mmb=760mmHg 静力学方程:,2、气 压,绝对湿度：1m3湿空气中含有的水汽质量相对湿度：空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度的百分比含湿量：湿空气中1kg干空气包含的水汽质量水汽体积分数：水汽在湿空气中所占的体积分数露点：一定气压下空气达到饱和状态时的温度,3、气 湿,风：水平方向的空气运动叫做风（垂

5、直方向为升降气流）风向：风的来向叫风向（16个方位圆周等分）风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2或10min平均值）(km/h)F风力级（012级）,4、风向、风速,风玫瑰图,风玫瑰图,某城市年及各季风向频率,风玫瑰图制作方法：做一个极坐标（16位，8位）；将观测的风频按一定比例点在相对应方位的一定线段；将各点用折线连接起来；将静风频率记在图的中心。,风玫瑰图,某城市年及各季风向频率,课堂练习：制作风玫瑰图,某城市污染系数表,新建工厂应建在市区的东北(NE)方向上，有利于大气污染向市区外部扩散。,云：大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小）云量:天空被云遮蔽的成数（我国10分，

6、国外8分）云高:云底距地面底高度云量的记录：以总云量/低云量的形式记录，如10/7,低云（2500m以下）中云（25005000m）高云（5000m以上）,5、云,云,高云（5000m以上）,中云（2500-5000m）,低云（2500米以下）,正常视力的人，在天空背景下能看清的最大水平距离 级别（0-9级，相应距离为5050000米）,5、能见度,第三章 大气污染气象学,教学内容：第一节 大气圈结构及气象要素第二节 大气的热力过程第三节 大气的运动和风,第三章 大气污染气象学,太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量太阳辐射加热地球表面地面长波辐射加热大气近地层大气温度随地表温度变化,温室

7、效应,（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）的热量等于该物系内能的变化和物系对外所做的功，即：在无非膨胀功时，其微分表达式为：将状态方程 代入上式，并取，则上式写成 变形为：式中：dQ加入物系的热量；R气体常数；Cp恒压比,第三章 大气污染气象学,1、大气的绝热过程与泊松方程,第三章 大气污染气象学,1、大气的绝热过程与泊松方程,（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：绝热：,将 变为,两边积分，得即有：因CP-CV=R 又 CP/C

8、V=K，对于空气K=1.404于是得大气绝热方程：这就是绝热方程，亦称泊松（Poisson）方程。,定义：干空气块（包括未饱和的湿空气块）上升或下降单位高度（通常取100m）时，温度降低或升高的数值，称为干空气温度绝热垂直递减率，简称干绝热直减率。表示方法：定义式：,第三章 大气污染气象学,2、干绝热直减率,推导：根据热力第一定律，导出绝热过程方程式为：又气压随高度变化规律：又理想气体状态方程：,第三章 大气污染气象学,2、干绝热直减率,将代入，则得：整理得：,定义：气温随高度的变化特征可以用气温垂直递减率来表示，简称气温直减率，指单位（通常取100m）高差气温变化率的负值。表示方法：定义式：

9、,第三章 大气污染气象学,3、气温的垂直分布,二者区别：1、d表示干空气团绝热升降过程温度的变化 表示环境大气稳定的变化 2、d为常数 为变量,3、气温的垂直分布,温度层结：气温沿垂直高度的分布，可用坐标图上的曲线表示（图），气温沿高度分布曲线或温度层结曲线，简称温度层结大气中的温度层结有四种类型：,1、正常分布层结（递减）2、中性层结3、等温层结4、逆温层结,3、气温的垂直分布,定义：大气稳定度是指垂直方向上大气的稳定程度，即是否易于发生对流。定性描述：外力使气块上升或下降,1、大气稳定度的概念,当气块去掉外力时,气块减速，有返回趋势，稳定,气块加速上升或下降，不稳定,气块停在外力去掉处，中

10、性,污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切关系,定量判断:,气块：环境：,进行受力分析，得（单位体积块）加速度，将 代入上式得：,2、大气稳定度的判别,则得：,G,F,判据：,2、大气稳定度的判别,1、大气稳定度的判别（1），a0,气块加速度与其位移方向相同，气块加速运动，大气不稳定（2），a0,气块加速度与其位移方向相反，气块减速运动，大气稳定（3），a=0,大气是中性的,2、大气稳定度的判别,10.8,11,13,12,0.7,13.2,12.0,300,100,200,11.3,12.7,12.0,1.0,1.2,高度/米,：d 不稳定,空气块运动趋势示意图,2、大气稳定度的判别,d=1

11、,2、大气稳定度分类（1）不稳定类：A、B、C；（2）中性类：D（3）稳定类：E、F,A B C D E F强不稳定 不稳定 弱不稳定 中性 较稳定 稳定,二、大气稳定度,逆温定义与分类：,定义：近地层空气温度随高度增加而上升的一种现象分类：辐射逆温 下沉逆温 平流逆温 湍流逆温 锋面逆温,地面白天加热，大气自下而上变暖；地面夜间变冷，大气自下而上冷却,辐射逆温的生消过程,1、辐射逆温,（多在高空大气中，高压控制区内）,2、下沉逆温,暖空气平流到冷地面上，由于下部降温快而形成,3、平流逆温,4、湍流逆温,下层湍流混合达 上层出现过渡层逆温,5、锋面逆温,波浪型（不稳）锥型（中性or弱稳）扇型（

12、逆温）爬升型（下稳，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳）,4、烟流形状与大气稳定度的关系,第三章 大气污染气象学,教学内容：第一节 大气圈结构及气象要素第二节 大气的热力过程第三节 大气的运动和风,第三章 大气污染气象学,引起大气运动的作用力,Ekman螺旋线（北半球下视，地偏力指向运动右方，故顺时针；南半球则相反）高度增高，风速增大，方向逐渐接近地转风。,大气边界层中风随高度变化,平均风速随高度变化中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度,近地层风速廓线模式,高度为Z处的风速（m/s）,摩擦速度,卡门常数,高度（m）,地面粗糙度,地面粗糙度越大，风速梯度越小,1、对数律风速廓线模式,近地层风速廓线模式,

13、1、对数律风速廓线模式,非中性层结：指数律，稳定度参数,高度为Z处的平均风速（m/s）,高度为Z1米处的平均风速（m/s）,常数,实验确定,近地层风速廓线模式,2、指数律风速廓线模式,当气流沿地面流过时，必然要同各种地形地物发生摩擦作用，使风向风速发生变化，其影响程度与各种障碍物的体积、形状、高低有密切关系。,第三章 大气污染气象学,1、地形和地物的影响,（1）山谷风；（2）海陆风；（3）城市热岛环流。,2、地方性风场,三、地方性风场,1、海陆风,高温（低压）,三、地方性风场,2、山谷风,比利时马斯河谷事件1930年12月，美国多诺拉事件1948年10月。出现条件：山谷，无风，有逆温层、烟雾，工厂区有铁厂、锌厂，硫酸厂等,三、地方性风场,3、城市热岛环流,a.城市热岛效应:城市气温比乡村高的现象b.城市环流：由于城区气温比乡村高，形成从周围农村吹向城市的一种局地风城市风.,思考题：1、什么是风玫瑰图，如何绘制？2、实际空气气温垂直分布一般有哪几种情况？3、大气稳定度分为几类？4、p82习题中的3.、3.5题。,第八章 大气污染气象学,