第3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。
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）。
大气污染控制技术第三章习题及答案
《大气污染控制技术》习题三 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。
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
大气污染气象学
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 。
定量判断 ：
气 块 ： p i iT i 环 境 ： pT
（单位体积块）加速度ag(i) i
，将
pi
pRTiRTi
代入上式得：
ag(Ti T) g(Ti 1)
T
T
高 度z zz （ 一 般 均 满 足 绝 热 条 件 ）
气 块 ： Ti Ti0dz
环 境 ：TT0 z
大气稳定度及其判据
T 0 T i 0
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
湍流逆温：
锋面逆温：冷暖空气相遇，暖空气上爬，形成的逆温区。
烟流型与大气稳定度的关系 波浪型（不稳）γ〉γd
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）
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臭氧层：在20-25km高度臭氧的浓度达到最大值
第3章大气污染气象学
中间层
1、范围：从平流层顶到85km高度的一层
2、特点：
（1）气温随高度增高而降低，顶部气温达-85 ℃以下 （2）空气具有强烈的对流运动，垂直混合明显。
第三章 大气污染气象学
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3章大气污染气象学
第一节 大气圈结构及气象要素
一、大气圈的垂直结构
1、定义：自然地理学将受地心引力而随地球旋 转的大气层，称为大气圈
大气圈和宇宙空间之间很难确切划分，常 把 大 气 圈 的 上 界 定 为 1 2 0 0 - 1 4 0 0 km。 1400km以外，气体非常稀薄，就是宇宙空间 了。
第3章大气污染气象学
暖层和散逸层
1、暖层范围：从中间层顶到800km 2、特点：
（1）强烈的太阳紫外线和宇宙射线的作用，温度随 高度上升而增高。 （2）空气处于高度电离状态，存在大量的离子和电 子，又称电离层。
1、散逸层范围：暖层以上，大气的外层。 2、特点：气温很高，空气极为稀薄，空气粒子的运
动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸到太空中。
3.4 水汽体积分数
对于理想气体来说，混合气体中某一气体的体积分数等 于其摩尔分数，说以水汽的体积分数可表示为：
yw
pw pd
第3章大气污染气象学
3、气湿
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。
第3章大气污染气象学
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
大气边界层或摩擦层：对流层的下层约1-2km，其中从地面到
100m左右的一层又称近地层，上下气温之差很大，可达1-2k。
自由大气：在大气边界层以上的气流，几乎不受地面摩擦的影
响，称为自由大气。 第3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、大气结构的分类
大气的化学成分和物理性质在垂直方向上 有着显著的差异，根据大气在各个高度上不同 的特征可分为若干层次。3种分类方法如下：
第3章大气污染气象学
2、大气结构的分类
（1）按压力特性：气压层和外气压层（散逸层） （2）按分子组成：均质层和非均质层。
均质层：在80-85km（中间层）以下的大气层 中，以湍流扩散为主，大气的主要成分氮和氧 的组成比例几乎不变，称为均质大气层。 非均质层：在均质层以上的大气层中，以分子 扩散为主，气体组成随高度变化而变化。这层 中较轻的气体成分有明显增加。
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：
u3.02F3(km /h)
第3章大气污染气象学
风向指的是风的来向 风力指的是风的强弱
第3章大气污染气象学
风级和符号 名称 风速（米）* 陆地物象 海面波浪 浪高 （米） 0 无风 0.0-0.2 烟直上 平静 0.0 1 软风 0.3-1.5 烟示风向 微波峰无飞沫 0.1 2 轻风 1.6-3.3 感觉有风 小波峰未破碎 0.2 3 微风 3.4-5.4 旌旗展开 小波峰顶破裂 0.6 4 和风 5.5-7.9 吹起尘土 小浪白沫波峰 1.0 5 劲风 8.0-10.7 小树摇摆 中浪折沫峰群 2.0 6 强风 10.8-13.8 电线有声 大浪到个飞沫 3.0 7 疾风 13.9-17.1 步行困难 破峰白沫成条 4.0 8 大风 17.2-20.7 折毁树枝 浪长高有浪花 5.5 9 烈风 20.8-24.4 小损房屋 浪峰倒卷 7.0 10 狂风 24.5-28.4 拔起树木 海浪翻滚咆哮 9.0 11 暴风 28.5-32.6 损毁普遍 波峰全呈飞沫 11.5 12 飓风 32.7- 摧毁巨大 海浪滔天 14.0
p 湿空气的总压力P， a
第3章大气污染气象学
3、气湿
在工程常将湿空气的含湿量定义为1标准立方米干 空气所包括的水汽质量（kg),其单位为kg水汽/m3N干空
气
d04pw ppw
0.80p 4 pvpv
d0空气的含 kg （ 湿水 量/汽 m ， N 3干 ）空气
第3章大气污染气象学
3、气湿
3.3 含湿量
湿空气中1kg干空气所包含的水汽质量（kg）。 气象中也称为比湿
d w 0.622pw 0.622 pw 0622 pv
d
pd
p pw
p pv
d 空气的含湿量k，g（水汽） / k g(干空气）
w 空气的绝对湿度k， g/ m3(湿空气） d 干空气的密度k，g/ m3
第3章大气污染气象学
3、气湿
3.2 相对湿度
空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿 度之百分比。
w 100 p w 100
v
pv
其中 w 空气的绝对湿度， kg / m 3 (湿空气）
v 饱和绝对湿度， kg / m 3 (饱和空气）
p w 水汽的分压， Pa pv 饱和空气的水汽分压， Pa
（3）大气的热状况：对流层、平流层、中间
层、暖层（热成层）和散逸层
第3章大气污染气象学
第3章大气污染气象学
对流层
1、范围：是大气圈最低的一层。高度随纬度增
加而降低，由于对流程度在热带比在寒带要强烈。 热带16-17km，温带10-12km，两极附近89km。
2、特征：
（1） 是天气变化复杂多变 （2） 气温随高度增加而降低 （3） 空气具有强烈的对流运动 （4）温度和湿度的水平分布不均匀。
第3章大气污染气象学
3、气湿
3.1 绝对湿度
在1m3 湿空气中含有的水汽质量kg, 称为湿空 气的绝对湿度。由理想状态方程可得：
w
pw RwT
其中w 空气的绝对湿度k，g/ m3(湿空气）
pw 水汽的分压，Pa
Rw 水汽的气体常数R，w 461.4J /(k g.K)
T 空气的温度，K
第3章大气污染气象学
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=760mmHg 3、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。