大气污染控制工程气污染气象学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大气污染控制工程气污染气象学,大气污染控制工程气污染气象学大气污染控制工程气污染气象学 第3章 大气污染气象学,1、教学要求,要求了解与大气污染相关的气象学根本知识，,理解和掌握大气圈的构造、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念。,2、教学重点,掌握大气层构造及大气的热力过程。,3、教学难点,大气的热力过程、大气稳定度和逆温。建议学时数：2学时 2,第3章 大气污染气象学,1、教学要求,要求了解与大气污染相关的气象学根本知识，,理解和掌握大气圈的构造、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念。,2、教学重点,掌握大气层构造及大气的热力过程。,3、教学难点,大气的热力过程、大气稳定度和逆温。,建议学时数：2学时,2,3,4,大气扩散,源,受体,大气扩散,酸雨越境转移（日本、南朝鲜）,大气科学,大气物理、化学,大气气象学,污染气象学,气象条件对污物的稀释、扩散作用,污染物对气象的影响,第3章 大气污染气象学,5,6,1大气圈构造及气象要素,一、大气圈垂直构造,第3章 大气污染气象学,7,高度(km),一、大气圈垂直构造,每升高100m，气温降低,0.65,N,2,O,2,Ar,CO,2,Ne,He,Kr,H,2,Xe,O,3,越往上氧、氦等气体的原子态越多,紫外线的强烈照射，,N,2,和,O,2,产生不同程度的离解,8,一、大气圈垂直构造,Ozone layer,大气层的构造。大气层可以分为对流层最贴近地面、密度最大的一层、平流层较高的、气体组成一样但密度较小的气层以及电离层由已电离的气体组成,9,图 行星边界示意图,在对流层内，从动力学的观点可把大气层次划分为:自由大气层、边界层(摩擦层)和近地面层,10,一、大气圈垂直构造,对流层10km左右,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,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,自由大气大气边界层以上，地面摩擦可以忽略,近地层地面上50100m，热量和动量的常通量层,11,一、大气圈垂直构造,平流层对流层顶5055km,同温层对流层顶3540km，气温-550C左右,同温层以上，气温随高度增加而增加,集中了大局部臭氧,没有对流运动，污染物停留时间很长,中间层平流层顶85km,气温随高度升高而迅速降低,对流运动强烈,12,一、大气圈垂直构造,暖层中间层顶800km,气温随高度升高而增高,气体分子高度电离电离层,散逸层暖层以上,气温很高，空气稀薄,空气粒子可以摆脱地球引力而散逸,大气压力总是随高度的升高而降低,均质大气层8085km以下，成分根本不变,13,大气气压场分布,14,大气水汽分布,15,二、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，气象学中统称为。,与大气污染关系密切的气象要素主要有：,气温,气压,空气湿度气湿、,风风向、风速,云量云状,能见度,降水,蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。,16,二、主要气象要素,1气温,表示大气温度上下的物理量。,天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。,17,二、主要气象要素,2气压,任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量.,气压总是随高度的增加而降低的。气压随高度递减关系式可用气体静力学方程式描述，即P=-gZ，其积分式压高公式：,据实测近地层高度每升高100米，气压平均降低约12.4毫巴1mb=100Pa)，在高层小于此值。,单位：mb毫巴 大气的压强,1atm101326Pa1013.26mb=760mmHg,静力学方程:,18,二、主要气象要素,3气湿,反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量。,常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。,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,露点同气压下空气到达饱和状态时的温度,19,二、主要气象要素,3,气湿,20,二、主要气象要素,4.风向和风速wind speed and direction),什么是风？空气的流动就形成风。,风的形成：风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不均是由温度分布不均造成。,风的形成除热力原因外，还有动力原因，自然界的风是由于这两种原因综合作用的结果，但只要有温差存在，空气就不,会停顿运动。,21,二、主要气象要素,4风向和风速,水平(horizontal)方向的空气运动称为风。,垂直方向升降气流,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,(km/h),F风力级012级,22,23,二、主要气象要素,4,风向和风速,风玫瑰图,风速,m/s,某地区1988年的风玫瑰图。同心圆表示风的频率，例如，吹南风的频率约为11，其中风速大于10.82m/s的频率约为1，风速在3.355.41m/s的频率为3.5左右。,24,二、主要气象要素,5、云,云：是发生在高空的水汽凝结现象。,形成的根本条件：水蒸汽和使水蒸汽到达饱和凝结的环境云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为10等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的1/10，云量记为1；在云层中有少量空隙空隙总量不到天空的1/20记为10；当天空无云或云量不到1/20时，云量为0。,国外，将天空分为8等份。,国外云量与我国云量间的关系，国外云量1.25=我国云量总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不管云的层次和高度。,低云量：低云的云掩盖天空的成数。,云量的记录：一般总云量/低云量的形式记录，如10/7。,云状：多种多样，1932年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属。,云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。,测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法,25,云,高云（,5000,m以上）,中云（,2500-5000m,）,低云（,2500米以下）,26,二、主要气象要素,6能见度能见度：在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到或识别出目标物的最大距离级别09级，相应距离为5050000米，单位：m，Km。,能见度的大小反响了大气的混浊现象，反映出大气中杂质的多少。大气中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。,27,二、主要气象要素,7、太阳高度角,太阳高度角为太阳光线与地平线间的夹角，是影响太阳辐射强弱的最主要的因子之一。ho即太阳高度角，它随时间而变化。,8、降水,降水是指大气中降落至地面的液态或固态水的通称。如雨、雪等。降水是去除大气污染物的重要机制之一。,28,2大气的热力过程,一、太阳、大气和地面的热交换,1、什么是辐射？,自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能量，这种传递能量的方式称为辐射，以辐射的方式向四周输送的能量称辐射能，有时简称辐射。,2、大气对太阳辐射的减弱及影响因素,1吸收辐射;2散射作用;3反射;4透过大气层.,3、大气温度依地面温度的变化关系,地面温度土壤温度的日变化是周期性的，具有一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在13点左右，最低温度在日出前后。,气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，但振幅较小。,太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量,太阳辐射加热地球外表,地面长波辐射加热大气,近地层大气温度随地表温度变化,29,太阳能,太阳是一个巨大、长远、无尽的能源。,尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量约为3.751026W的22亿分之一，但已高达173,000TW1012W，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。,地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及局部潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料如煤、石油、天然气等从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能那么限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换,30,太阳常数,地球在日地平均距离处时，和太阳光垂直的大气上界单位面积每单位时间所接收的所有波长的太阳辐射总能量,它常以S表示，其值为：,1.96 卡厘米2分,1 367 瓦米2,多数文献上：1 370 瓦米2,一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4,31,太阳辐射光谱,太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区,可见光区占太阳辐射总量的50,红外区占43,紫外区只占能量的7,32,33,34,辐射的规律,(1)所有物体不管其温度如何，都向外放射辐射能。高温的太阳和地球都在不停地向外辐射能量,(2)温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。如太阳外表温度为6000K，而地球外表的平均温度为288K，因而，太阳外表单位面积上放射的能量要比地球外表放射的能量大几百万倍,(3)物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。例如，太阳放射的最大辐射波长0.5微米，而地球放射的最大辐射波长为10微米。,(4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，放射能力也最强。地球和太阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和放射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地球大气那么是选择性的吸收和辐射体。对于某种确定波长的辐射可让其透过(即不吸收)；对于另外波长的辐射，那么近乎不透明的(即吸收很强),35,太阳辐射在大气中的减弱,太阳辐射通过大气时，分别受到大气中的水汽、二氧化碳、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面,假设大气层顶的太阳辐射是100。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和反射(反射云量反射表示)，向上散射占4，大气吸收占21,云量吸收占3,云量反射占23,30反射和散射回宇宙,20被大气吸收,50被地面吸收,36,大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一局部能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的是云。,不同的云量，不同的云状，云的不同厚度所发生的反射是不同的。,高云：平均反射25,中云：平均反射50,低云：平均反射65,稀薄云：10-20%,很厚的云层：反射可达90,云量反射平均：达5055,大气对太阳辐射的反射,37,二、气温的垂直变化,气温直减率,大气,干空气绝热绘制温度递减率 干绝热直减率,空气团,一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换,空气块,膨胀（做功）,耗内 能,T,定性,空气块,压缩（外气对它做功）,T,内能,（由压力变化引起）,38,定量：,热力学第一定律,第一定律状态方程,其中,39,40,代入上式得：,实际中，Ti、T 相差10K，那么,41,2.气温的垂直分布温度层结,气温的垂直分布,温度层结,42,定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流,定性描述：,外力使气块上升或下降,气块去掉外力,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，中性,不稳定条件下有利于扩散,三、大气稳定度,43,定量判断,三、大气稳定度,44,那么有,判据：,45,四,、,逆温,逆温不利于扩散,辐射：,1.辐射逆温：,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,太阳,地球,：短波,地球,大气层：长波,大气吸收长波强,46,47,48,四,、,逆温,辐射逆温的生消过程,49,四,、,逆温,2.下沉逆温 多在高空大气中，高压控制区内,很厚的气层下沉,压缩变扁,顶部增温比底部多,50,四,、,逆温,暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成,4.湍流逆温,下层湍流混合达 上层出现过渡层 逆温,51,四,、,逆温,5.,锋面逆温,冷、暖气团相遇,冷暖间逆温,暖气上爬，形成锋面,52,五,、,烟流型与大气稳定度的关系,波浪型不稳,锥型中性or弱稳,扇型逆温,爬升型下稳，上不稳,漫烟型上逆、下不稳,53,54,55,56,3大气的运动和风,一,、,引起大气运动的作用力,直接作用力,重力,水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡）,间接作用力,地转偏向力（相对运动：方向改变）,惯性离心力（大气曲线运动：很小）,摩擦力（近地12km内明显）,57,二,、,大气边界层中风随高度变化,Ekman爱克曼螺旋线北半球下视，地偏力指向运动右方，故顺时针；南半球那么相反,高度增高，风速增大，方向逐渐接近地转风。,58,三,、,近地层风速廓线模式,平均风速随高度变化,中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度,59,三,、,近地层风速廓线模式,平均风速随高度变化,非中性层结：,指数律，稳定度参数,60,四,、,地方性风场,1,海陆风,61,四,、,地方性风场,2,山谷风,62,四,、,地方性风场,3,城市热岛环流,63,图3-1城市热岛示意图,64,本章小结,1.影响大气污染的主要气象要素：,气温、气压、空气湿度气湿、风风向、风速、云况、能见度、降水、蒸发、日照时数、太阳辐射、,地面辐射、大气辐射等。,65,作业题,P,82,83,3.1解：,由气体静力学方程式，大气中气压随高度的变化可用下式描述：,1,将空气视为理想气体，即有,可写为 2,将2式带入1，并整理，得到以下方程：,假定在一定范围内温度T的变化很小，可以忽略。对上式进展积分得：,3,假设山脚下的气温为10。C，带入3式得：,得即登山运发动从山脚向上爬了约5.7km。,即,66,作业题,P,82,83,3.3解：,67,作业题,P,82,83,3.7解：,68,气 象,谢谢,!,69,谢谢大家！,结 语,