第三章大气污染气象学
染污气象学
冷暖间逆温
5、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）
第三节 大气的运动和风
1、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） 惯性偏向力（大气曲线运动：很小） 摩擦力（近地1～2km内明显）
u u1( Z )m Z1
4、地方性风场
1）海陆风
4、地方性风场
2）山谷风
4、地方性风场
3）城市热岛环流
16o 15oC
15oC 15.9o
100m
C 16.2oC
C 16oC
16oC C
0
F>0,a>0,
不稳定
F=0,a=0 中性
F<0,a<0, 稳定
4、逆温
(1)辐射逆温：
太阳 地球
地球 ：短波 大气吸收长பைடு நூலகம்强
大气层：长波
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
2、近地层气温的垂直变化
(1)气温直减率
T
z (2)干绝热直减率、湿绝热直减率
(3)空气团
一般满足大气绝热过程，系统与周围环境无热交换
（由压力变化引起）
空气块 定性分析
空气块
膨胀（做功）
耗内 能
T
压缩（外气对它做功） 内能
T
3、大气稳定度
（1）定义：
大气在垂直方向上稳定的程度； 反映大气是否容易对流
2、大气边界层中风随高度变化
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）
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3章大气污染气象学
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
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3章-大气污染气象学1
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。
太阳光线
ho
ho
地面
26
二、主要气象要素
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。 降水是清除大气污染物的重要机制之一。
气压的水平分布
16
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。
➢ 绝对湿度－1m3湿空气中含有的水汽质量（kg） ➢ 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（kg） ➢ 水汽体积分数－水汽在湿空气中所占的体积分数
44
四、逆温
5.锋面逆温
冷、暖气团相遇
暖气上爬，形成锋面
冷暖间逆温
45
第三节 大气污染与气象的关系
❖ 边界层的风与湍流对大气污染的影响 ❖ 大气稳定度与大气污染 ❖ 大气温度层结与大气污染 ❖ 降水与大气污染 ❖ 辐射和云与大气污染 ❖ 天气形势与大气污染
一、风对大气污染物扩散和输送 1、风向、风速
国外，将天空分为8等份。
总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层 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。
测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测
定法
24
二、主要气象要素
6．能见度：在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空 背景中看到或辨认出目标物的最大距离级别（0~9级，相应距 离为50～50000米） ，单位：m，Km。 ❖ 能见度的大小反应了大气的混浊现象，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。
第三章大气污染气象学
•
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。
•
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
•
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。
•
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
•
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
• 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
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 。
•
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
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。
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
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1.大气圈结构及气象要素 2.大气的热力过程 3.大气的运动和风
大气圈垂直结构
➢ 平流层（对流层顶～50~55km）
➢ 同温层——对流层顶到30km左右，气温-55℃左右 ➢ 同温层以上，气温随高度增加而增加，亦称逆温层。 ➢ 集中了大部分臭氧。 ➢ 没有对流运动，污染物停留时间很长。 ➢ 大气很干燥，没有云、雨等现象，是飞机理想的飞行区域。 ➢ 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）
➢ 气温随高度升高而增高 ➢ 气体分子高度电离－电离层。发电报是靠这层反射回来。
➢ 散逸层（暖层以上）
➢ 气温很高，空气稀薄。星际空间内每m3空间有数十个离 子存在。
➢ 空气粒子可以摆脱地球引力而散逸 研究重点：对流层，平流层 大气压力总是随高度的升高而降低。 气体静力学方程：ΔP=-ρgΔZ 均质大气层－80～85km以下，成分基本不变
风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（一定时 间如2或10min的平均值）
u3.02F3 (km/h) F－风力级（0～12级）
主要气象要素
5．云 云是飘浮在空中的水汽凝结物，由大量小水滴或小冰晶或两者 混合物组成。云高和云量对污染物扩散具有重要意义。 云量:天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分） 云高:云底距地面底高度 低云（2500m以下） 中云（2500～5000m） 高云（5000m以上）
可见ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ和红外线，波长在0.15～4μm之间的射线辐射能占
全部太阳能量的99％以上。 【地球】
地球表面的陆地、海洋、植物等直接吸收太阳辐射的能力 很强，太阳辐射到地球上的能量约有21%直接被地面吸收。 同时，地球表面可以按自身温度向外辐射。地球辐射以低 温长波辐射为主，波长集中在3～120μm之间。
【大气】
原因有三：①空气的导热率较小，变化慢；②气块大气中运
动很快；③气压变化很大。
大气的绝热方程： 绝热：Q 0 ，③式变为： 两边积分，得
即有：
T2 T1
R
P2 P1
CP
dT R dP T CP P ln T2 R ln P2
T1 CP P1
因 CP - CV = R 又 CP/CV = K，对于空气 K=1.404
1atm＝101325Pa＝1013.25mb=760mmHg
主要气象要素
3．气湿
气湿是大气中水汽含量的物理量，可以用水蒸气分压或 单位湿空气水蒸气含量表示。 表示气湿的物理量主要有：绝对湿度、相对湿度、含湿 量、水气体积分数和露点。
主要气象要素
4．风向和风速
水平方向的空气运动叫做风（垂直方向－升降气流） 风的来向叫风向（16个方位圆周等分）
主要气象要素
1．气温
✓ 表示大气温度高低的物理量。反映一定条件下空气分
子平均动能大小。通常指距地面 1.5m高处百叶箱中的空气温度。
oC 5 ( oF 3 2 ) 9
K oC 2 7 3 .1 5
2．气压——大气的压强
oF 9 oC 3 2 5
✓ 单位：1Pa=1N/m2，mb—毫巴
1mb=100Pa=1hPa
于是得大气绝热方程： K1
0.288
T2 T1
P2 P1
K
P2 P1
2、干绝热直减率γd
干气团绝热上升或下降单位高度(通常100m)的温度变化量称为
干绝热直减率，用γd表示，单位K/100m。
定义：
d
dT' dT dZ dZ
g CP
T′—气块温度； T —环境温度。实际中 T′与 T 之差不超过 10℃，
虽然太阳辐射很强，但直接被地面接受的却不多，这是 因为大部分太阳辐射被地球表面的大气层吸收、散射和 反射 。
大气还能吸收地面长波辐射。其中水汽、二氧化碳等吸 收长波辐射能力较强，水滴、臭氧和颗粒物也能选择吸 收一些长波辐射。最终约有75％～90％的地面长波辐 射被大气吸收。
大气吸收太阳辐射和地面辐射的同时，也能向上或向下 辐射。大气向下辐射称为逆辐射，以长波辐射为主，这 是地面的主要加热方式。
表示干空气在作干绝热上升（或下降）运动时，每升高（或下降）
100m，温度降低（或升高）约1℃。
气温直减率
3、位温（θ）
位温：把各层中的气块由最初的压力P循着干绝热的程序订正到 一个标准压力1000hPa时所具有的温度。
T100RC 0p T1000.2088
P
P
任何一气块的位温是不变的（干绝热情况）；而非绝热情况下， 位温是变化的。∴位温比气温更能代表气块的热力学性质。
dQ
C pdT
RT
dP P
变形为：
-----------------②
dT dQ RT dP Cp Cp P
-----------------③
式中：dQ—加入物系的热量； R—气体常数； Cp—恒压比热
泊松方程
实际中大气中的变化是非绝热变化，但计算时我们近似认为
是绝热变化（气块在大气中的运动）。
云
低 云 （ 25 00 米 以 下 ）
高云（5000m以上）
中云（2500-5000m）
主要气象要素
6．能见度
正常视力的人，在天空背景下能看清的水平距离 级别（0~9级，相应距离为50～50000米）
第二节 大气的热力过程
一、太阳、大气和地面的热交换
【太阳】 地球上所有的能量最终都来自于太阳。太阳表面温度达 6000K,不断向外辐射能量。太阳辐射线主要有：紫外线、
二、气温的垂直变化
1、大气的绝热过程
大气中的热力学过程遵循热力学第一定律。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： Q U W 在无非膨胀功时，其微分表达式为：
dQ CvdT PdV
-----------------①
将状态方程 PV RT 代入上式，并取 Cp Cv R ，则上式写成
T′/T≈1。
推导过程如下：
由热力第一定律导出绝热过程方程式： dT R dP
又气压随高度变化规律：
T CP P
气体静力学方程： dP g dP gdZ
dZ
又理想气体状态方程： PV RT P RT
……① ……② ……③
将②③代入①，则得： dT g
dZ
Cp
d
dT dZ
g CP