环境化学第二章第一节省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第一节、污染物在大气中迁移第一节、污染物在大气中迁移一一一一、基本气象要素、基本气象要素、基本气象要素、基本气象要素二二二二、逆温、逆温、逆温、逆温三、气块绝热过程和干绝热递减率三、气块绝热过程和干绝热递减率三、气块绝热过程和干绝热递减率三、气块绝热过程和干绝热递减率四、大气稳定度四、大气稳定度四、大气稳定度四、大气稳定度五五五五、局地环流对污染物扩散影响、局地环流对污染物扩散影响、局地环流对污染物扩散影响、局地环流对污染物扩散影响迁移迁移迁移迁移：污染物因为空气运动而使其传输和分散过程。：污染物因为空气运动而使其传输和分散过程。：污染物因为空气运动而使其传输和分散过程。：污染物因为空气运动而使其传输和分散过程。原因原因原因原因：空气运动形成风，风形成主要是因为温度差异引发。所以大气中温度：空气运动形成风，风形成主要是因为温度差异引发。所以大气中温度：空气运动形成风，风形成主要是因为温度差异引发。所以大气中温度：空气运动形成风，风形成主要是因为温度差异引发。所以大气中温度差异是空气运动动力源。差异是空气运动动力源。差异是空气运动动力源。差异是空气运动动力源。第1页一一、基本气象要素、基本气象要素 气温、气压、湿度、风、云量1 1、气温、气温 普通气象中采取气温是指离地面1.5m高度处百叶箱中观察到空气温度。大气预测模型中使用气温普通也是指该温度。气温在水平方向差异造成气流水平方向运动动力，形成风，能够稀释和迁移污染物 气温在垂直方向差异造成气流上下强烈对流，有利于形成降水，能够冲刷污染物。第2页2 2、气压、气压:初始状态：初始状态：地面处高度地面处高度0 0：压强压强p1=gzp1=gz高度增加高度增加z,z,则高度则高度zz处：处：压强压强p2=g(z-z)p2=g(z-z)所以，得到：所以，得到：P2-P1=p=-gzP2-P1=p=-gz转化为微分形式则：(1)（密度g/m3，空气=1.29g/L，g重力加速度9.8m/s2）。另外，气象学上用比气体常数来表示状态方程，其推导过程为：pv=nRT =(令 )=(2)第3页其其中中R=8.314JR=8.314Jmolmol-1-1K K-1-1,M,M气气体体摩摩尔尔质质量量（空空气气摩摩尔尔体体积积为为22.4l22.4lmolmol-1-1，空空气气密密度度=1.29g=1.29gl l-1-1,所所以以M=22.4*1.29=28.869gmolM=22.4*1.29=28.869gmol-1-1）,所所以以R=R/M=287 JR=R/M=287 Jkgkg-1-1K K-1-1。由（由（1 1）和（）和（2 2）得到：）得到：=（3）可见只要知道温度随高度分布函数形式，就能够推得气压随高度改变函数形式。第4页 风玫瑰图（风玫瑰图（m/sm/s）3 3、风、风 水水平平方方向向空空气气运运动动，垂垂直直方方向向则则称为对流或升降气流。称为对流或升降气流。普普通通用用风风向向、风风速速来来表表示示风风特征特征 风风向向普普通通用用1616个个方方位位表表示示，(E S W N)(E S W N)风风速速是是单单位位时时间间内内空空气气在在水水平方向移动距离（平方向移动距离（m/sm/s）普普通通风风速速是是地地面面以以上上10m10m处处风风速仪观察得到平均值速仪观察得到平均值第5页4 4、云、云 大气中水汽凝结产物大气中水汽凝结产物 普通用云量、云高来确定大气稳定度普通用云量、云高来确定大气稳定度 云云高高：云云层层底底部部距距离离地地面面高高度度，高高云云（5000m5000m）中中云（云（2500-5000m2500-5000m）低云（）低云（2500m2500m）云云量量：云云遮遮蔽蔽天天空空成成数数。将将可可见见天天空空分分为为1010份份，被被云云遮遮挡挡了了几几份份，云云量量就就是是几几。晴晴空空无无云云，云云量量为为0 0，乌乌云云遮天，云量为遮天，云量为10.10.第6页五、逆温五、逆温 因为上述，可见大气垂直温度递减率越大，则大气就越不稳定。普通大气层越稳定，则越不利于污染物扩散 而逆温则使大气温度改变逆转，伴随高度升高，温度也升高（rh,所以HH3 3、湍流逆温（高空逆温）、湍流逆温（高空逆温）低层空气湍流混合而上层空气未混合情况下发生高空逆温。在下部湍流层，气团上升过程中，温度按干绝热递减率（rd）改变，上升到一定高度后，其温度低于周围环境温度（这么它才不继续上升，而有返回趋势，形成湍流），这么下部湍流层温度会低于上部未湍流层低部温度，从而形成高空湍流逆温。第9页lnPCBEDFA下面重点介绍一下辐射逆温下面重点介绍一下辐射逆温下列图白天层结曲线为下列图白天层结曲线为ABCABC夜晚近地面空气冷却较快，层结曲线变为夜晚近地面空气冷却较快，层结曲线变为FECFEC，其中，其中FEFE为逆温层。为逆温层。以后伴随地面温度降低，逆温层加厚，在清以后伴随地面温度降低，逆温层加厚，在清晨到达最厚，如晨到达最厚，如DBDB段。段。日出后地面温度上升，逆温层近地面处首先日出后地面温度上升，逆温层近地面处首先破坏，破坏，自下而上逐步变薄，最终消自下而上逐步变薄，最终消 失。失。第10页图图a a为正常气温垂直分布情形为正常气温垂直分布情形:在晴朗无云或少云夜间在晴朗无云或少云夜间,地地面辐射冷却快，贴近地面气层也随之降温，离地面越近，面辐射冷却快，贴近地面气层也随之降温，离地面越近，降温越快，所以，形成了自地面开始逆温（图降温越快，所以，形成了自地面开始逆温（图b b）。日出）。日出前后，逆温层最厚（图前后，逆温层最厚（图c c）；日出后，太阳辐射逐步增温）；日出后，太阳辐射逐步增温强，地面很快增温，逆温便逐步自下而上地消失（图强，地面很快增温，逆温便逐步自下而上地消失（图d d、e e）。辐射逆温厚度从数十米到数百米，在大陆上常年都）。辐射逆温厚度从数十米到数百米，在大陆上常年都可出现，以冬季最强。冬季夜长，逆温层厚，消失较慢。可出现，以冬季最强。冬季夜长，逆温层厚，消失较慢。第11页三、气块绝热过程和干绝热递减率三、气块绝热过程和干绝热递减率 1 1、气团运动绝热过程气团运动绝热过程空空气气移移动动,高高压压区区低低压压，膨膨胀胀降降温温，压压缩缩升升温。温。当气团在水平方向运动当气团在水平方向运动,非绝热过程。非绝热过程。当气团作垂直升降运动时，近似为绝热过程。当气团作垂直升降运动时，近似为绝热过程。第12页高温暖气团倾向于从地表移动到低压高处，气团绝热膨胀并降温。若没有水汽凝结，冷却速率为0.98/100m，称为温度干绝热递减率干绝热递减率（r rd d）。）。然而，普通气团中都含有水蒸气，冷凝放潜热，得到温温度度垂垂直直递递减减率率（r r）,冷却速率为0.65/100m。当污染源排放污染刚进入大气环境时候，可视为一个绝热过程。膨 胀 降 温20压 缩 升 温21温度垂直递减率，干绝热递减率温度垂直递减率，干绝热递减率第13页2 2、气团运动绝热方程、气团运动绝热方程依据热力学第一定律：依据热力学第一定律：dq=du+dw(qdq=du+dw(q外外界界加加于于体体系系热热量量，uu体体系系内内能能改改变变，ww体系对外做功体系对外做功)绝热过程中：绝热过程中：外界加于体系热量外界加于体系热量dq=0dq=0 体系对外做功体系对外做功dw=pdv(dw=pdv(体系膨胀或压缩体系膨胀或压缩)体体系系内内能能改改变变du=nCdu=nCv vdT(dT(体体积积不不变变情情况况下下，内内能能改改变，定容比热变，定容比热C Cv v)第14页所以：所以：pdv=-nCpdv=-nCv vdT dT （4 4）又因为又因为pv=nRT,pv=nRT,取全微分得到：取全微分得到：pdv+vdp=nRdT pdv+vdp=nRdT （5 5）由（由（4 4）和（）和（5 5）可得：）可得：nRdTvdp=pdv=-nCnRdTvdp=pdv=-nCv vdTdT即：=依据迈耶定律：R+Cv=Cp(定压比热，压力不变情况下，体系 内能改变，Jmol-1K-1)所以：第15页=对于空气对于空气R=287 JmolR=287 Jmol-1-1K K-1-1 Cp=996.5 Jmol Cp=996.5 Jmol-1-1K K-1-1所以：所以：3 3、干绝热递减率、干绝热递减率气团干绝热气团干绝热升高或降低升高或降低单位距离时，温度单位距离时，温度降低或升高降低或升高数值，称为数值，称为干绝热递减率干绝热递减率:推导过程：推导过程：r rd d=-=-因为：因为：（干绝热方程）（干绝热方程）第16页所以所以r rd d=-=-=又因为又因为所以：所以：r rd d=又因为又因为p=RTp=RT故故r rd d=0.98K/100m=0.98K/100m （1N=1kg m s1N=1kg m s-2-2,1J=1N m,1J=1N m）干绝热递减率常数推导干绝热递减率常数推导第17页四、大气稳定度四、大气稳定度 大气稳定度：是指大气中某一高度上气块在垂直方向上相对稳定程度。依据大气垂直递减率（r）和干绝热递减率（rd）对比关系，能够确定大气稳定度。稳定：气团离开原来位置后有回归趋势（rrd）中性：介于上述两种情况之间（r=rd）注意其中rd基本为不变常数0.98k/100m，r则可能改变很大。第18页解释解释：当当rrrrd d时时，气团离开原来位置上升到某一高度时，因为rrd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度大，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度低，所以气团有回归趋势。当当r rr rd d时时，气团离开原来位置上升到某一高度时，因为rrd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度小，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度高，所以气团有继续移动离开趋势。rrd不稳定第19页稳定度判别气块法稳定度判别气块法 通常采取通常采取“气块法气块法”判断静力稳定度。当一气块受外判断静力稳定度。当一气块受外力作用在垂直方向上产生扰动后，周围大气有使它返回起力作用在垂直方向上产生扰动后，周围大气有使它返回起始位置趋势时，这种大气层结是稳定；反之，大气有使它始位置趋势时，这种大气层结是稳定；反之，大气有使它继续远离起始位置趋势时，这种大气层结是不稳定；若气继续远离起始位置趋势时，这种大气层结是不稳定；若气块随时与周围大气取得平衡时，这种大气层结是中性。块随时与周围大气取得平衡时，这种大气层结是中性。影响稳定度改变因子：辐射和温度平流影响稳定度改变因子：辐射和温度平流第20页大气稳定度判据大气稳定度判据干绝热过程：干绝热过程：d d 层结层结稳定稳定 =d d 中中性性 d d 层结层结不稳定不稳定 m m 绝绝对稳定对稳定第21页六、局地环流对污染物扩散影响六、局地环流对污染物扩散影响 海海洋洋和和大大陆陆在在白白天天和和夜夜间间热热力力差差异异，造造成成白白天天和和夜夜间间海海洋洋和和陆陆地地之之间间风风向向转转换。换。白天：海风，夜晚：陆风白天：海风，夜晚：陆风对污染扩散影响：对污染扩散影响：白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温。白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温。夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差异不大，不易形成逆温夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差异不大，不易形成逆温易易造造成成污污染染物物往往返返，海海陆陆风风转转换换期期间间，原原随随陆陆风风吹吹向向海海洋洋污污染染物物又又会会被被吹吹会会陆陆地地。循循环环作作用用，假假如如污污染染源源处处于于海海路路风风交交界界处处，并并处处于于局局地地环环流流，则则污污染染物物极难扩散出去，并不停累积到达很高浓度。极难扩散出去，并不停累积到达很高浓度。1 1、海陆风、海陆风 第22页2 2、城郊风、城郊风主要动力是城市热岛效应造成城市空气从上层流向郊区，郊区温度较低空气从下部流向城市，形成城市和郊区间大气局地环流。使得污染物在城区极难扩散出去，形成城市烟幕，造成市区大气污染加剧。郊区城市郊区3 3、山谷风、山谷风白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡谷风谷风夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底山风山风处于山谷地域污染源极难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，处于山谷地域污染源极难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，马斯河谷烟雾事件。如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不马斯河谷烟雾事件。如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不再是建造工业企业胜地。再是建造工业企业胜地。第23页