气象学基础知识

大气污染控制理论与方法

环境科学与工程学院

第二章 §2~1 §2~2 §2~3 §3~4 §3~5 §3~6

污染气象学基础知识

主要气象要素及大气的基本物理性质； 大气的热力过程； 大气污染与气象的关系； 大气扩散模式； 污染物浓度估算； 厂址选择和烟囱设计。

§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 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： 表示大气温度高低的物理量。通常指距地面 1.5m高处百叶 箱中的空气温度。 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ΔP=-ρgΔZ,其积分式—压高 g 公式： Z 2 Z1 ln P2 ln P1 RTm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。 3、空气湿度(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。

4、风(wind speed and direction) 什么是风？空气的流动就形成风。水平(horizontal)方向的空气 运动称为风。 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。

P4 P3 P2 P1 A t1 t1 = t2 a B t2 A t1 t1> t2 b

P4 P3 P2 P1 B t2 A t1 t1 > t2 c

P4 P3 P2 P1 B t2

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 会停止运动。

风的度量(风向和风速) 风是矢量，有方向和大小，即风向和风速。 风速(风的大小):单位时间内空气在水平方向移动的距离， 常用单位：m/s,Km/s。 风向(风的来向):可用8个方位或16方位表示(地面风),见图2-2; 也可用角度表示(高空风):以北为零点，沿顺时针方向旋转[正北为 360°(或0°) ;正东90°;正南180°;正西270°]。NW NWN N NEN NE WNW W WSW SW SWS S 图 2-2 ENE E ESE SES SE

风的性质： ①随时在变化：如我国季风(北京附近冬天东北风); ②随高度变化：在一定范围内，风随高度的增大而增大。地 面有建筑物，树木的影响。 风速随高度变化的曲线叫风速廓线，其数学表达式叫风速廓 线模

式。在近地层中性层结情况下推导的两个表达式分别为：Z U Z u M ln ln 对数律： Z0 K Z0_

Z—离地面的高度；Z0—粗糙度(m) ;M—系数； —Z1 高度处的平均风速(m/s) ;m—指数；

Z u u 1 Z 指数律： 1

m

u1 Z1—风速仪的高度；

③随地理位置而变：山区会产生山风、谷风、海风，海区 有海陆风(如上海、大连等)。

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。 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。 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

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 景中看到或辨认出目标物的最大距离，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。 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

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。

四、大气的基本物理性质(自学)

§2-2 大气的热力过程一 、太阳辐射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。

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。 U 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 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： 将状态方程 变形为：dT dQ RT dP Cp Cp PPV RT

dQ C v dT PdV

-----------------① 代入上式，并取 C p Cv R ,则上式写成dP P

dQ C p dT RT

-----------------② -----------------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 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) 。 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： dT R dP Q 0 绝热： ,③式变为： T CP P 两边积分，得 T R Pln2

即有： T2

P2 T1 P1

R

T1

CP

ln

2

P1

CP

因 CP - CV = R 又 CP/CV = K,对于空气 K=1.404 K 1 于是得大气绝热方程： 0 .288T2 P2 T1 P1 K

P2 P 1

2、干绝热递减率： 绝热垂直递减率(绝热直减率):气块在绝热过程中，垂直 方向上每升降单位距离时的温度变化值。(通常取100m), 单位：℃/100m。 干绝热垂直递减率γd(干绝热直减率): 干气块(包括未饱和 湿空气)在绝热过程中，垂直方向上每升降单位距离的温度变 化值。(通常取100米),根据计算，得到γd约为0.98℃/100m, 近似1℃/100m。 (1)准静力条件 绝热过程中气温、气压都是指大气中气块本身的特性，但是 对于气压而言，一般情况 P≠P 环 ，若过程进行的十分缓慢，可 使外界气压变化与系统内部气压变化充分平衡，每一瞬间外部 气压与内部气压看成是相等的，即 P=P 环 ，这个条件称为准静 力条件。讨论的大多数过程我们认为满足准静力条件，即P=P′。

(2)干绝热直减率 γd

dT ' dT g 定义： d dZ dZ C PT′—气块温度； T —环境温度。实际中，T′与 T 之差不超过 10℃, T′/T≈1。实际中 T′与 T 之差不超过 10℃,T′/T≈1。 推导过程如下： dT R dP ① 根据热力第一定律，导出绝热过程方程式为： T CP P 又气压随高度变化规律： dP ② 又理想气体状态方程： PV RT g 将②③代入①,则得： dT dZ Cp d

dZ

g dP gdZ

P RTg CP

③

dT dZ

干绝热：气团是未饱和状态，不会有状态的变化，负号 “—”表示气块在干绝热上升过程中温度随高度的升高而降低， 若不计高度、纬度影响，取 g=9.18m/s2,CP=1004.8

J/(Kg· K) 则 γd=0.98K/100m ≈1K/100m。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) 1℃。 (3)湿空气的绝热变化 湿空气团作绝热升降时情况较复杂，在升降过程中若无相变 化，其温度直减率和干绝热直减率一样，每升降100m,温度变 化1℃ ;若有相变化，每升高100m,温度变化小于1℃。湿空气 上升达到饱和状态并开始凝结的高度称为凝结高度，在凝结高 度以下，其温度变化同干空气一样；在凝结高度以上，温度变 化小于干空气的变化值，饱和空气每上升(或下降)单位距离 空气的温度变化，称为湿绝热递减率γm,约为0.5℃/100m。

三、大气的静力稳定度大气的静力稳定度：指大气垂直运动的气团是加速、抑制， 还是无影响的一种热力学性质。大气稳定度影响大气污染物 的扩散能力。 1、气温的垂直分布 (1)温度层结：温度随高度的分布情况。它影响大气垂直方 向的流动情况，由于地面构筑物不同，温度层结不同。 (2)温度层结类型 ①温度随高度的增加而降低(Z↗ t↘),正常分布，或递减 层结，一般情况是这种规律。 ②温度梯度等于或近似于1℃/100m,称中性层结。 ③温度随高度增加而升高(Z↗ t ↗ ),称为逆温层结。 ④温度不随高度变化，称为等温层结。 见下图所示：

图： 层结曲线d c

高 度Z

b

(m

)

a

a — 递减层结 b — 中性层结 c — 逆温层结 d — 等温层结

温度 t (℃) 层结曲线

(3)温度层结日变化H 夜里 H 早上 H 上午

t H 中午 H 下午

t H 夜里

t

t

t

t

(4)温度变化的实质： 温度变化的实质是内能变化。 (5)环境温度直减率(定义与干绝热直减率相同),环境温度 dT 的变化。 dZ

γ不是一常数，随太阳辐射、气候等而变化，对流层中环境温 度直减率的平均值为0.65℃/100m。 大气环境的各种状态： (见下一页图示) (6)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。 1000 T P R Cp

1000 T P

0.288

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。 1标准大气压力=1013.25mb(毫巴) 1mb=103达因/cm2

大气环境的各种状态：

① H ① ②

dT dZ

④ ③

⑤

t

(平均状态) ② γ=γd = 1℃/100m (干绝热状态) ③ γ = 0 (等温状态) ④ γ < 0 (逆温状态) ⑤ γ > γd (超绝热状态)

2、大气稳定度 (1)什么是大气稳定度？ 是指大气中任一高度上的一空气块在铅直方向上的稳定程度。 (2

)大气稳定度的分类(3类) 如果一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或者 下降的运动，当外力消除后，可能发生三种情况： ①气块逐渐减速并有返回原来高度的趋势，此时大气是稳定的。 ②气块仍然加速上升或下降，此时大气是不稳定的。 ③气块停留在外力消失时所处的位置，或者做等速运动，这时大气 是中性的。 (3)如何判别大气的稳定度？ ①设气块状态为T′、P′、ρ′,环境大气状态为T、P、ρ,气块受到的浮 力为F1=mg =ρVg,重力为：G =ρ′ Vg。 因而它的静浮力为：F1-G = (ρ-ρ′) Vg ………………① ∵P=ρRT P′=ρ′ RT′ 到达某一位置时P= P′(达准静力条件)