第三章大气污染气象学
大气污染气象学
第三章 大气污染气象学3.1 一登山运动员在山脚处测得气压为1000 hPa ，登山到达某高度后又测得气压为500 hPa ，试问登山运动员从山脚向上爬了多少米？ 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：dP g dZ ρ=-⋅ （1）将空气视为理想气体，即有m PV RT M =可写为 m PMV RTρ==（2） 将（2）式带入（1），并整理，得到以下方程：dP gM dZ P RT=- 假定在一定范围内温度T 的变化很小，可以忽略。
对上式进行积分得：ln gMP Z C RT =-+ 即 2211ln ()P gM Z Z P RT =--（3） 假设山脚下的气温为10。
C ，带入（3）式得：5009.80.029ln10008.314283Z ⨯=-∆⨯ 得 5.7Z km ∆= 即登山运动员从山脚向上爬了约5.7km 。
3.2 在铁塔上观测的气温资料如下表所示，试计算各层大气的气温直减率：105.1-γ，3010-γ，5030-γ，305.1-γ，505.1-γ，并判断各层大气稳定度。
解：d m K z T γγ>=---=∆∆-=-100/35.25.1102988.297105.1，不稳定d m K z Tγγ>=---=∆∆-=-100/5.110308.2975.2973010，不稳定d m K z Tγγ>=---=∆∆-=-100/0.130505.2973.2975030，不稳定d m K z Tγγ>=---=∆∆-=-100/75.15.1302985.297305.1，不稳定d m K zTγγ>=---=∆∆-=-100/44.15.1502983.297505.1，不稳定。
3.3 在气压为400 hPa 处，气块温度为230K 。
若气块绝热下降到气压为600 hPa 处，气块温度变为多少？解：288.00101)(P PT T =， K P P T T 49.258)400600(230)(288.0288.00101===解：由《大气污染控制工程》P80 （3－23），m Z Z u u )(11=，取对数得)lg(lg 11Z Zm u u =设y u u=1lg ，x Z Z =)lg(1，由实测数据得由excel 进行直线拟合，取截距为0，直线方程为：y=0.2442x故m ＝0.2442。
大气污染控制第三章 大气污染气象学
∵ U = H－PV 全微分 dU = dH－PdV－VdP
∴ dq = dH－VdP = CPdT－VdP (dH = CPdT )
对单位质量的空气， V
RT
，故
P
dq
CPdT
RT
dP P
式中：CP = 996.5J/kg.K，R = 287J/kg.K
对于绝热过程：dq = 0，则
dT R dP T CP P
u 3.02 F 3 ( km/h)
5. 能见度 在当时天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到或辨
认出的目标物的最大水平距离 (m) 。 能见度大小反映了大气透明度或混浊程度。
6. 云：
云是发生在高空的水汽凝结现象。 ⑴ 云的分类 高云：5000m以上，由水晶组成，云体成白色，有蚕丝般光泽，
几乃至几十度。 ⑵ 由于气流运动受地面摩擦的影响，故风速随高度增加而增大。 ⑶ 大气上下有规则的对流和无规则的湍流运动都比较盛行，水气也比较充
足。 直接影响污染物的传输、扩散和转化。
二、气象要素
表示大气状态和物理现象的物理量。 1. 气温
指离地面1.5m高处百叶箱中观测到的空气温度。 2. 气压
指大气压强。气象上气压的单位为毫巴 (mb)。 1mb = 1000dyn/cm2 = 100 Pa
也慢。可见云和强风可抑制辐射逆温出现。
2.下沉逆温 下沉逆温范围广、厚度大、持续时间长，在离地数百米至数千
米的高空都可能出现。在冬季，下沉逆温与辐射逆温相结合，形成 很厚的逆温层。
3.平流逆温 当暖空气平流到冷地面时，下层空气受地面影响大，降温多，上层空气
降温少，故形成逆温。 当暖空气平流到低地、盆地内积聚的冷空气上面时，也可形成平流逆温。
第三章污染气象学基础知识
注：本页为每次课教案首页§3~1 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：①8个方位或16方位表示（地面风），见图3-2；②用角度表示（高空风）：（4）性质：①随时在变化：②随高度变化：③随地理位置而变：5、云6、能见度7、太阳高度角如右图，ho即太阳高度角，它随时间而变化。
8、降水§3-2 大气的热力过程一、太阳辐射（补）太阳以紫外线(<0.4μm)、可见光(0.4～0.76μm) 、红外线(>0.76μm)的形式辐射热量太阳辐射加热地球表面地面长波辐射(主要3～120μm)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Q ∆等于该物系内能的变化U ∆和物系对外所做的功W ∆，即：WU Q ∆+∆=∆在无非膨胀功时，其微分表达式为：PdV dT C dQ v += -----------------①将状态方程RT PV =代入上式，并取R C C v p =-，则上式写成PdPRTdT C dQ p -= -----------------② 变形为：PdPC RT C dQ dT p p +=-----------------③ 式中：dQ —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。
大气污染控制工程_第三章_大气污染气象学解读
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
一、大气圈垂直结构
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
Sinks
污染源
工业 交通 生活 ……
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 ……
大气污染系统与途径
人群 其他生物体 ……
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
大气科学 环境科学
大气物理、化学…… 大气气象学…… 污染气象学 (1)各种气象条件对大气污染物的传输与扩散作用
z
二、主要气象要素 3、气 湿
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
ห้องสมุดไป่ตู้
4、风向、风速
二、主要气象要素
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，中性
污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切关系
三、大气稳定度
2、大气稳定度的判别
定量判断:
气块： pi vi Ti 环境： p v T
（单位体积块）加速度 a g( i ) ，
大气污染气象学
第三章大气污染气象学讲授2学时教学要求要求了解与大气污染相关的气象学基本知识，理解和掌握大气圈的结构、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念。
教学重点掌握大气层结构及大气的热力过程。
教学难点大气的热力过程、大气稳定度和逆温。
教学内容：§3-1大气圈结构及气象要素§3-2大气的热力过程§3-3大气的运动和风污染物排入大气后是否引起严重大气污染除取决于污染物的排入量外与污染物在大气中的扩散稀释速度关系极大。
各区域常常进行环境监测，测定各污染物的情况，我们会发现在同天大气监测值差别很大。
而统一污染源不可能差别很大，有时监测值会几百倍，造成这种现象的原因是与污染物的传输扩散与气象条件有着密切的关系。
近年来，在研究各种气象条件对大气污染物的传输扩散作用和大气污染物质对天气和气候的影响条件中逐渐形成了一门新的分支学科——大气污染气象学。
本章只讨论气象条件对大气污染物的传输扩散作用，初步掌握厂址选择和烟囱设计中的一些问题，为进一步学习污染气象学知识打下基础。
§3-1 概述一．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）：表示大气状态和物理现象的物理量在气象上称之。
气象要素的数值是直接观测获得的，主要有：气温、气湿、气压、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，下面分别介绍几个：1. 气温：空气湿度是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。
2.风a)定义：什么是风？空气水平方向的流动叫风。
b)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湿度分布不均造成。
风的特性用风向与风速表示，它是一向量。
由于温度分布不均而形成的风从图a看出地面AB上，t1 = t2 ,水平方向上的温度和气压到处相等，AB上空各高度在水平方向上的T、P也到处相等，则等压（各处气都相等的面）与地面平行，此时大气静止状（无风）。
第三章 大气污染气象学分析
2
3
大气扩散
大气扩散
源
受体
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…… 气象条件对污物的稀释、扩散作用
污染气象学…… 污染物对气象的影响
4
第3章 大气污染气象学 §1大气圈结构及气象要素
➢ 一、大气圈垂直结构
5
高度(km) 3000
散逸层
（+）
一、大气圈垂直结构
500 400 热成层 300 200
（+）
100 越往上氧、氦等气体的原子态越多
90 中间层顶
80
电离层
高度（km）
紫外线的强烈照
射，N2和O2产生 不同程度的离解
70 中间层
60
N2
50
（-）
O2
Ar
平流层顶
CO2
40
Ne He
Kr H2
平流层
（+）
30
臭氧 吸收
20
Xe
O3
每升高100m， 气温降低0.65℃
近地层－地面上50～100m，热量和动量的常通量层
自由大气－大气边界层以上，地面摩擦可以忽略
9
一、大气圈垂直结构
➢ 平流层（对流层顶～50~55km）
➢ 同温层－对流层顶35~40km，气温-550C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
风速,1m9/s
二、主要气象要素
5、云 云：是发生在高空的水汽凝结现象。 形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境 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。
第三章-大气污染气象学
平流层
1、范围：从对流层顶到50-55km高度。对流层顶：在对流层到平流层间有一厚度为几百米到一千米的过渡层2、特点：分为两层，大气污染物停留时间长（1）同温层：从对流层顶到35-40km左右的一层，气温几乎不随高度变化，-55℃左右（2）逆温层。从这以上到平流层顶，气温随高度增高而增高，到平流层顶达-3 ℃左右，几乎没有空气对流运动。 臭氧层：在20-25km高度臭氧的浓度达到最大值
暖层和散逸层
二、气 象 要 素
气象要素：表示大气状态的物理量和物理现象。 主要有气温、气压、气湿、风向、风速、云况、能见度等。1、气温：地面气温指距地面1.5m高度在百叶箱中观测到的空气温度。2、气压：大气的压强。气象学上常用的单位百帕（hPa）。与其他气压单位的关系是：1atm=101325Pa=1013.25hPa=760mmHg3、气湿：空气的湿度。表示方法：绝对湿度、水汽压力、相对湿度、饱和气压、露点等。
2、大气稳定度的判别
4个条件：准静力学条件、理想气体状态方程、气块 运动绝热 、气块与大气的起始温度相同
2、大气稳定度的判别
四、逆温
逆温层：气温随高度增加而增加的气层称为逆温层。在发生等温或逆温时，大气是稳定的，所以逆温层的存在阻碍了气流的运动，所以也称为阻挡层。许多大气污染事件多发生在有逆温及静风的气象条件下。 逆温类型：1、辐射逆温 2、下沉逆温 3、平流逆温 4、湍流逆温 5、锋面逆温
3.5 露点 在一定的气压下，空气达到饱和状态时的温度，称为空气的露点。
二、气 象 要 素
4. 风向和风速： 风：水平方向上的空气运动，风是一个矢量，有大小和方向。 升降气流：垂直方向的空气运动 风向：是指风的来向。可以用方位或角度表示。8或16个方位 风速：是单位时间内空气在水平方向运动的距离。单位m/s或km/s。 通常气象台所测定的风向、风速都是一定时间2min或10min内的平均值。风力：大小来估计风速。根据将风力分为13个等级。风速和风力等级（F）之间的关系：
大气污染控制工程(郝吉明版) 课后习题答案：Unlock-3
dP = −g ρ ⋅dZ （1）
将空气视为理想气体，即有
PV = m RT 可写为 ρ = m = PM （2）
M
V RT
将（2）式带入（1），并整理，得到以下方程：
dP gM = − dZ
P RT
假定在一定范围内温度 T 的变化很小，可以忽略。对上式进行积分得：
gM ln P = − Z + C
=
−0.72K
/
100m
，故γ
2
= −G2
= 0.72K / 100m < γ d ，稳定；
G3
=
∆T3 ∆z3
=
8.9 −15.6 580
= −1.16K
/100m ，故γ 3
= −G3
= 1.16K / 100m
> γ d ，不稳定；
G4
=
∆T4 ∆z4
=
5.0 − 25.0 2000
= −1K / 100m ，故 γ 4
放后陆续发回相应的气温和气压记录如下表所给。1）估算每一组数据发出的高度；2）以高
度为纵坐标，以气温为横坐标，作出气温廓线图；3）判断各层大气的稳定情况。
测定位置 2
3
4
5
6
7
8
9
10
气温/。C 9.8
12.0 14.0 15.0 13.0 13.0 12.6 1.6
0.8
气压/hPa 1012 1000 988 969 909 878 850 725 700
=
3.33m / s
u5
=
u
0
(
Z Z
5 0
) 0.15
=
2 × ( 400) 0.15 10
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F
9o C 32 5
主要气象要素
2．气压（大气的压强）
气压的大小与海拔高度、大气温度 、大气密度等有关，一般随 高度升高按指数律递减。气压有日变化和年变化。一年之中， 冬季比夏季气压高。一天中，气压有一个最高值、一个最低值， 分别出现在9～10时和15～16时，还有一个次高值和一个次低值， 分别出现在 21 ～ 22 时和 3 ～ 4 时。气压日变化幅度较小，一般为 0.1 ～ 0.4 千帕，并随纬度增高而减小。气压变化与风、天气的 好坏等关系密切，因而是重要气象因子。通常所用的气压单位 有帕 (Pa) 、毫米水银柱高(mm·Hg)、毫巴 (mb) 。它们之间的换 算关系为： 100 帕＝ 1 毫巴≈ 3 ／ 4 毫米水银柱高。气象观测中常 用的测量气压的仪器有水银气压表、空盒气压表、气压计。 101.325千帕的气压，称为标准大气压，它相当于在重力加速度 为 9.80665 米／秒 2 ，温度为 0℃时 760 毫米垂直水银柱高的压力。
大气压力总是随高度的升高而降低 均质大气层——80～85km以下，以湍流扩散为主，成分基本不变
主要气象要素
表示大气状态的物理量和物理现象称为气象要素。 5 o C ( o F 32) 气象要素：气温、气压、气湿、风向、风速和能见度等。 9 1．气温
K oC 273.15
o
天气预报中：距地面1.5m高、百叶箱内气温。 1714 华伦海脱准大气压下冰的熔点，定为32度，水的沸点定为212 度，中间等分为180份，每一份就是1华氏度。 1742年，瑞典科学假摄尔修斯和他的助手斯托玛用同样的温度计， 选取标准大气压下冰的熔点定为0度，水的沸点定为100度 中间等分 100份。 1854年，英国物理学家开尔文选定“水的三相点”，即水、冰、水 蒸 气三相共存的温度，把绝对零度到水的三相点温度等分为 273.16 份， 每一份就是1开氏度，这就是开氏温标，用K表示。开氏温标的分度 间隔和摄氏温标的间隔是一致的。
主要气象要素
3．气湿
4．风向和风速 气象上把风吹来的方向确 定为风的方向。南风、偏 北风、风向不定。 风向的测量单位，我们用 方位来表示。如陆地上， 一般用16个方位表示，海 上多用36个方位表示；在 高空则用角度表示。用角 度表示风向，是把圆周分 成360度，北风(N)是0度 (即360度)，东风(E)是90 度，南风(S)是180度，西 风(W)是270度，其余的风 向都可以由此计算出来。 风速是指单位时间内空气 在水平方向上运动的距离 ，m/s或km/h。13个等级。
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，垂直混合明显
大气圈垂直结构
暖层（中间层顶～800km）
在强烈的紫外光和宇宙射线作用下，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 空气粒子的运动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸
主要气象要素
5．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，国外8分） 估计云量的地点必须能见全部天空。 云量观测包括总云量和低云量。总云量是指观测时天空被所有的云遮蔽的总 成数，低云量是指天空被低云所遮蔽的成数，均记整数。 一、 总云量的观测 全天无云，总云量记0；天空完全为云所遮蔽，记10；天空完全为云所遮蔽， 但只要从云隙中可见青天，则记10-；云占全天十分之一，总云量记1；云占 全天十分之二，总云量记2，其余依次类推。 二、 低云量的观测 观测低云量的方法与总云量同。 云高:云底距地面的高度 低云（2500m以下）； 中云（2500～5000m）；高云（5000m以上）。 云状:卷云（线）,积云（块）,层云（面),雨层云(无定形）
大气圈垂直结构
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
温度随高度的增加而降低，每升高100m平均降温0.650C
强烈对流作用 温度和湿度的水平分布不均
近地层——地面上50～100m，热量和动量的常通量层
大气边界层——对流层下层1～2km，地面阻滞和摩擦 作用明显 自由大气——大气边界层以上的气流，地面摩擦可以忽略 在这一层中，大气上下有规则的对流和无规则的湍流运动都比较 盛行，加上水汽充足，直接影响着大气污染物的传输、扩散和转 化。
大气扩散
源
受体
酸雨越境转移（日本、南朝鲜……）
大气物理、化学……
大气科学
大气气象学……
Байду номын сангаас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
第一节 大气圈结构及气象要素
大气层又叫大气圈，地球就 被这一层很厚的大气层包围 着。大气层的成分主要环境 空气的成分。大气层的空气 密度随高度而减小，越高空 气越稀薄。大气层的厚度大 约在1200-1400千米以上，但 没有明显的界限。整个大气 层随高度不同表现出不同的 特点，分为对流层、平流层、 中间层、暖层和散溢层，再 上面就是星际空间了。
大气圈垂直结构
平流层（对流层顶～50~55km）
同温层——对流层顶35~40km，气温-550C左右 逆温层——同温层以上，气温随高度增加而增加 臭氧层——20~25km臭氧层浓度达到最大值 臭氧层能强烈吸收波长200~300nm的太阳紫外线。 平流层集中了大部分臭氧 没有对流运动，污染物停留时间很长，尤其是氟氯烃等大气污染 物，与臭氧层发生光化学反应。
气体静力学方程：
P g z
主要气象要素
3．气湿（空气的湿度，空气的干燥程度） 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，空气的干湿程度和相对湿度有关，而和绝对湿度却 无直接关系。例如，空气中所含有的水汽的压强同样等于 1606.24Pa（12.79毫米汞柱）时，在炎热的夏天中午，气温约 35℃，人们并不感到潮湿，因此时离水汽饱和气压还很远，物 体中的水分还能够继续蒸发。而在较冷的秋天，大约15℃左右， 人们却会感到潮湿，因这时的水汽压已经达到过饱和，水分不 但不能蒸发，而且还要凝结成水 。 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——同气压下空气达到饱和状态时的温度
第三章 大气污染气象学
教学内容:
大气圈结构及气象要素 大气的热力过程 大气的运动和风 重 点: 大气圈结构、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念、 大气运动和风。 教学目标： 重点掌握大气垂直方向的五个分层,温度分布特点及原因 。 理解大气高度的划分，理解风速扩线模式。
大气扩散