第03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）。
大气污染控制工程-03大气污染气象学
大气污染控制工程-刘永德
（2）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
（3）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
大气污染控制工程-刘永德
大气气压场温度分布
在同一气压，纬度越高，温度越低，空气较寒冷
大气污染控制工程-刘永德
大气水汽分布
在同一气压，纬度越高，湿度越小，空气越干燥
大气污染控制工程-刘永德
二、主要气象要素 1、气温
天气预报中：指距地面1.5m高、百叶箱内观测到的空气温度
5 C ( F 32) 9
K C 273.15
绝热过程：运动中跟外部无热交换，由于压力的变化而引
起内部能量的变化
实际中大气的变化是非绝热变化，但计算时我们认为是绝
热变化（气块在大气中的运动）。原因有：
——空气的导热率较小，变化慢 ——气块在大气中运动很快 ——气压变化很大
定性
定性
（由压力变化引起）
空气块 空气块 膨胀（做功） 耗内 能 T 内能 T
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
大气边界层——对流层下层1～2km，地面阻滞和摩擦 作用明显
近地层——地面以上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
（2）定性描述：
气块减速，有返回趋势，稳定 外力使气块上升或下降 气块加速上升或下降，不稳定 气块停在外力去掉处，中性
第03章 大气污染气象学
<3> d 0 a 0 ，中性状态。
用位温梯度判别大气稳定度
Z
T
( d
)
0
Z
> 0
Z
< 0
Z
大气为中性 大气稳定 大气不稳定
用层结曲线和状态曲线判断大气稳定度
Z
γ < γd
Z
γ > γd
γ γd
γd γ
稳定
t
Z γ = γd
γd γ
不稳定
t
不稳定
用层结曲线（大气温度随
（由压力变化引起）
定性
空气块 空气块
膨胀（做功） 耗内 能
T
压缩（外气对它做功） 内能
T
干绝热直减率
准静力条件
pi dpi
vi dvi
Ti dTi
绝热过程中气温z、气dz压都是指大气中气块本身的特性，但是
（大气）对可使（于外气气界块压气）而压言（变，高化一度与般）系情统况p内P≠部dPp气环，压若变过化v 程充d进v分行平的衡十，分每T 缓一d慢瞬T ，间
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：
Q U W
在无非膨胀功时，其微分表达式为：
dQ CvdT PdV
-----------------①
P4
P4
P4
P3
P3
P3
P2
P2
P2
P1
P1
P1
A
B
A
B
第三章 大气污染气象学
（空气团）
一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境 无热交换
定性 空气块 压缩（外气对它做功） 内能 T
（由压力变化引起）
空气块 膨胀（做功） 耗内 能 T
§第二节 大气的热力过程
定量： 热力学第一定律
dT R dp T Cp p
dT R dp k 1 d p （第一定律＋状态方程） T Cp p k p
u* Z u ln k Z0
§第三节 大气的运动与风
非中性层结： 指数律，稳定度参数
§第三节 大气的运动与风 4. 地方性风场
1）海陆风
§第三节 大气的运动与风
2）山谷风
§第三节 大气的运动与风
3）城市热岛环流
>0，
正常分布层结 中性层结（绝热直减率） 等温层结 逆温层结
d ， ＝
＝0 ， <0 ，
参见p75图3-3温度层结曲线
§第二节 大气的热力过程
3. 大气稳定度
定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否 容易对流 定性描述：
外力使气块上升或下降 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
§第三节 大气的运动与风
地转偏向力
由于地球自转而产生的使运动着的大气偏离气压梯 度方向的力。
计算公式： Dn 2 sin （式中各项代表详见教材） 性质特点：
① 伴随风速的产生而产生；
② 方向垂直于大气运动方向，北半球指向运动方向的 右方，南半球指向左边；
③ 只改变风向，不改变风速；
气块： Ti Ti 0 d z 环境： T T0 z
§第二节 大气的热力过程
T0 Ti 0
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
第三章 大气污染气象学
对于绝热过程，dQ=0，式（3-1）变形为
dT R dP
T CP P
式（3-2）
初态
终态
T0,P0
T，P
T ( P )R /CP ( P )0.288
T0 P0
P0
泊松方程
式（3-3）
泊松方程的作用
T ( P )R /CP ( P )0.288
T0 P0
P0
描述了气块在绝热升降过程中，初态（T0，P0）与 终态（T，P）之间的关系，说明了绝热过程中气温的变 化完全是气压的变化引起的。
气压：大气的压强
气
气湿：空气的湿度反应大气中水汽含量
象
的多少和空气的潮湿度，表示方
要
法：绝对,相对
素
风向和风速：u≈3.02F3/2(Km/s)，
F代表风力等级（0～12级）
云：大气中的水汽凝结现象。我国云
量分10级，国外分8级
能见度：单位用m或km表示,其大小反
映大气透明或混浊程度
风向的16个方位
3.2.2.2 干绝热直减率
（1）定义
干绝热直减率——干空气（包括未饱和的湿
空气块）在绝热上升或下降过程中，每升高或下
降单位高差(通常取100m)的温度变化率的负值，
称为干空气温度绝热垂直递减率，简称干绝热直
减率，用γd表示。
d
(
Ti Z
)d
（式3-4）
（2）干绝热直减率γd的计算
大气绝热过程——大气中进行的热力过程，所
(T )
Z
（式3-8）
高度z（m）
气温t(0C)
温度层结曲线——气
温沿垂直高度的分布， 可用坐标图上以高度为 纵坐标以温度为横坐标 作的曲线表示（左图）， 也叫气温沿高度分布曲 线。
第三章 大气污染
第一节 概述
•大气是人类及一切生物赖以生存必不可少的物质和基 本环境要素之一 。 •人缺乏食物约可生存5周；断绝饮水约可生存5天；而 离开空气，则5 min 就会死亡。 •通常认为海平面附近的空气是干燥洁净空气，其组成 基本上不变。 •1000公里的高空以内称为大气层或大气圈，其密度随 着高度的减小而增加，大气质量约99.9％都集中在55km 以下的空间。
• 第一代大气（原始大气）-氢、氦、氖等。 • 第二代大气（还原大气）-氮、二氧化碳、 甲烷、氨和水汽。 • 现代大气（氧气大气）-干洁空气、水汽和 悬浮微粒。
一、大气污染 1. 大气组成 ①干燥洁净的混合气体（空气）：N2（78.09）、O2（20.94）、 Ar（0.934）和CO2（0.032），共占大气总容积的99．996％。 CO2和O3含量甚微，但对大气温度和生物生存起着重要作用。 CO2吸收地表的长波辐射，阻止地球散热。O3吸收太阳紫外辐 射 ，集中在20—25km的高度处，厚度为3mm。 ②悬浮微粒：固体微粒（悬浮灰、尘、花粉、细菌）、颗粒状液 体（水滴、云雾、冰晶）。影响大气的能见度，削弱太阳的辐 射强度。 ③水蒸气：含量不大，构成天气现象（云、雾、雨、霜、露）。
稳定组分： 稳定组分：氮、氧、氩、氖、氦、氪、氢、氙 等，这一组分的比例，从地球表面至90公里的 高度范围内都是稳定的。 不稳定组分：二氧化碳、二氧化硫、甲烷、硫 不稳定组分： 化氢、臭氧、氮氧化物、水汽等。主要来源于 自然界的火山爆发、地震、岩石风化、森林火 灾等和人类活动产生。
人类的生产生活活动可能改变大气组成引 起大气污染。由于大气的整体性和流动性， 大气环境问题常常是全球性的、区域性的。 目前国际关注的三大环境问题：全球性的酸 全球性的酸 浓度的增加（温室效应）、 ）、臭氧层的 雨、CO2浓度的增加（温室效应）、臭氧层的 破坏都成为全球性的环境问题。 破坏
内科大大气污染控制工程教案第3章 大气污染气象学
w d v w w vp R p p p R p p ϕϕ=-- ——湿空气的总压力；——干空气分压，因而p=d p +w p ；d =287.0J/（kg K ），湿空气K =287.0/461.4=0.622，带入式3-4得，RT dP；可以看出，影响气温变化的原因有两个：一P是由于空气与外界有热量交换；一是由于外界压力的变化使空气膨胀或压缩；当空气团作铅直运动时，外界的气压变化很大，且气压变化的影响远远超过气团与周围热交换的影响时，可以认为空气团的温度变化主要受气压变化的影响，而不考虑热交换的影响，及过程视为绝热的；dPP在对高度Z 求偏微分，可以得到：()d Z T θθγγ∂=-∂ （3-19） 可见0Z θ∂∂，即γ＞γd 时，大气不稳定；0Zθ∂∂时，即γ＜γd 时，大气稳定；0Z θ∂∂=时，大气是中性的；四、逆温在边界层中，由于气象和地形等条件的影响，有时会出现气温随高度增加而升高的现象，称为逆温。
出现逆温的气层，称为逆温层。
逆温出现时γ＜0，大气处于非常稳定状态，大气的垂直运动很难发展，污染物质的输送和扩散受到抑制，因此可能造成严重的大气污染。
所以逆温层又称为阻挡层。
根据逆温形成原因可将其分为5种。
1、辐射逆温 由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温，称为辐射逆温。
2、下沉逆温 由于空气下沉受到压缩增温而形成的逆温称为下沉逆温。
图3-6 下沉逆温形成示意图3、平流逆温 由暖空气平流到冷地面上而形成的逆温称为平流逆温。
4、湍流逆温 低层空气因湍流混合形成的逆温，称为湍流逆温。
5、锋面逆温 锋面逆温是由大气中冷暖空气团相遇形成的一个倾斜过度层（称为锋面），较暖的空气总是位于较冷空气之上而形成的逆温。
五、烟流形状与大气稳定度的关系大气污染状况与大气稳定度有密切关系。
大气稳定度不同，高架点源排放的烟流扩散形状和特点不同，造成的污染状况差别很大。
典型的烟流形状有五种：但是，也应指出，边界层内的风向足随高度增加而向右偏转的。
《大气污染控制工程》第三章大气污染气象学第四章大气扩散浓度估算模式
变平阶段:在环境湍流作用下，烟流继续扩散膨胀并随风飘移的。
烟囱高度的计算
计算方法2:按地面绝对最大浓度计算
Cmax
2q ( z uH 2e y
)
（4-10）Cmax
u
H H (3 21) Cmax
的技术方法》
（P点源排放控制系数，表4-9,4-10）
二、烟囱设计中的几个问题
对于设计的高烟囱（大于200m），若所在地区上部逆温 出现频率较高时，则应按有上部逆温的扩散模式（封闭型 或熏烟型模式）校核地面污染物浓度
烟气抬升公式的选择也是烟囱设计的重要一环 优先采用国家标准中的推荐公式
气象参数的选取 多年平均值；某一保证频率的值
1. 大气稳定度的概念 指在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流。
定性理解：
外力使气块上升或下降 气块去掉外力
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
不稳定条件下有利于扩散
大气稳定度与烟流 型的关系
波浪型（不稳） 锥型（中性or弱稳） 扇型（逆温） 爬升型（下稳，上
考虑地面轴线浓度模式
c(x,
y,
z,
H
)
q
u y
z
exp(
H2
2
2 z
)
上式，x增大，则 、y 增z 大，第一项减小，第二 项增大，必然在某x 处有最大值
第三章 大气污染气象学 第四章大气扩散浓度估算模式
扩散的要素
水平方向：风（平流输送）为主 垂直方向：湍流（脉动风速） 风速越大，湍流越强，大气污染扩散速度越快
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高度（km）
80 70 60 50 40 30 20
紫外线的强烈照 射，N2和O2产生 不同程度的离解
N2
O2
平流层顶
Ar
CO2
Ne
平流层
He
（+）
Kr
H2
臭氧 吸收
Xe
对流层 200
每升高100m， ， 每升高 气温降低0.65℃ 气温降低 ℃
10 0
O 3 对流层顶
（-） 250 绝对温度（K） 300
中间层（平流层顶～85km） 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
大气圈垂直结构
暖层（中间层顶～800km） 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－ 气体分子高度电离－电离层
散逸层（暖层以上) 散逸层（暖层以上)
气温很高， 气温很高，空气稀薄 空气粒子可以摆脱地球引力而散逸
云
低 云 （ 米 以 下 ）
云
云
能见度
主要气象要素
正常视力的人， 正常视力的人，在天空背景下能看清的最大水平距离 级别（ 级别（0-9级，相应距离为50～50000米） 相应距离为50～50000米 50
第二节 大气的热力过程
太阳、大气和地面的热交换 太阳、 气温的垂直变化 大气稳定度 逆温 烟流形状与大气稳定度的关系
大气边界层中风随高度变化
Ekman 螺 旋 线 北半球下视， （ 北半球下视 ， 地偏力指向运动 右方， 故顺时针； 右方 ， 故顺时针 ； 南半球则相反） 南半球则相反） 高度增高，风 速增大， 速增大 ， 方向逐 渐接近地转风。 渐接近地转风。
近地层风速廓线模式
平均风速随高度变化
中性层结：对数律， 中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度
第二节 大气的热力过程
1、太阳、大气和地面的热交换 、太阳、 太阳以紫外线、可见光、红外线的形式辐射热量 太阳以紫外线、可见光、 太阳辐射加热地球表面 地面长波辐射加热大气 近地层大气温度随地表温度变化
温室效应
2、气温的垂直变化 、 大气的绝热过程和泊松方程
描述气块在绝热升降过程中,气块的初态 描述气块在绝热升降过程中 气块的初态(T0,P0)与终态 气块的初态 与终态 (T,P)之间的关系。 之间的关系。 之间的关系
第三节 大气的运动和风
引起大气运动的作用力
重力 直接作用力 水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡） 水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡）
地转偏向力（相对运动：方向改变） 地转偏向力（相对运动：方向改变） 间接作用力 惯性离心力（大气曲线运动：很小） 惯性离心力（大气曲线运动：很小） 摩擦力（近地1 2km内明显） 摩擦力（近地1～2km内明显） 内明显
4、逆
温
辐射逆温： 地面白天加热，大气自下而上变暖； 辐射逆温： 地面白天加热，大气自下而上变暖；
地面夜间变冷， 地面夜间变冷，大气自下而上冷却
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
下沉逆温
逆温
多在高空大气中， 多在高空大气中，高压控制区内
很厚的气层下沉
压缩变扁
顶部增温比底部多
逆温
平流逆温
暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成
湍流逆温
静力学方程: 静力学方程
∂P = −ρg ∂z
3、气湿
主要气象要素
绝对湿度：1m3湿空气中含有的水汽质量 绝对湿度： 相对湿度：空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的 相对湿度： 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 含湿量：湿空气中1kg干空气包含的水汽质量 1kg 水汽体积分数：水汽在湿空气中所占的体积分数 水汽体积分数： 露点：一定气压下空气达到饱和状态时的温度 露点：
大 气 圈 的 垂 直 结 构
大气圈垂直结构
对流层（～10km左右） 对流层（～10km左右） （～10km左右
集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气， 集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气，主要天气现象 3/4和全部的水蒸气 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 温度随高度的增加而降低，每升高100m平均降温 100m 0.650C 强烈对流作用 温度和湿度的水平分布不均
T P =( ) T0 P 0
R Cp
P 0.288 =( ) －泊松方程 P 0
Cp是干空气的定压比热， Cp =1005J/kg K 是干空气的定压比热， 是干空气的定压比热
位温
气温的垂直变化
干绝热直减率
由压力变化引起 空气块 定性 空气块 干绝热直减率： 干绝热直减率：
压缩(外气对它做功 压缩 外气对它做功) 外气对它做功
不稳定条件下有利于扩散
判别 由 T = T0 得： 0 i
判据： 判据：
混 层 合 中 层 性 稳 层 定
(γ −γ d ) a = g⋅ ⋅∆z T
γ −γ d >0, a>0 γ −γ d <0, a<0 γ −γ d ＝ ， 0， a=0 γ <0 ， a<0
不 稳定 稳 定 中 性 逆温 非常 定 温， ， 稳
大气压力总是随高度的升高而降低 均质大气层: 80～85km以下 以下， 均质大气层: 80～85km以下，大气成分基本不变
高度(km) 3000
散逸层
1、大气圈垂直结构 、
（+） （+）
500 400 热成层 300 200 100 90
越往上氧、 越往上氧、氦等气体的原子态越多
中间层顶 电离层 中间层 （-）
风向、风速 风向、
主要气象要素
水平方向的空气运动叫做风（垂直方向为升降气流） 水平方向的空气运动叫做风（垂直方向为升降气流） 风的来向叫风向（16个方位圆周等分） 风的来向叫风向（16个方位圆周等分） 个方位圆周等分 风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2或10min 风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（ 10min 平均值） 平均值）
大气边界层：对流层下层1 2km，地面阻滞和摩擦作用明显, 大气边界层：对流层下层1～2km，地面阻滞和摩擦作用明显, 气温日变化明显 自由大气：大气边界层以上， 自由大气：大气边界层以上，地面摩擦可以忽略
大气圈垂直结构
平流层（对流层顶～50-55km） 平流层（对流层顶～50-55km）
同温层－对流层顶35-40km，气温同温层－对流层顶35-40km，气温-55℃左右 35 同温层以上， 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， 没有对流运动，污染物停留时间很长
γ < γd
下层湍流混合达 γ d
上层出现过渡层逆温
逆温 锋面逆温
冷、暖气团相遇 暖气上爬， 暖气上爬，形成锋面 冷暖间逆温
5、烟流型与大气稳定度的关系
波浪型（不稳） 波浪型（不稳） 锥型（中性or弱稳） 锥型（中性or弱稳） or弱稳 扇型（逆温） 扇型（逆温） 爬升型（下稳，上不稳） 爬升型（下稳，上不稳） 漫烟型（上逆、下不稳） 漫烟型（上逆、下不稳）
u ≈ 3.02 F3
(km/h)F－风力级（ (km/h)F－风力级（0～12级） 12级
风玫瑰图
风玫瑰图
云
主要气象要素
大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小） 大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小） 云量: 云量: 云高: 云高: 天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分） 天空被云遮蔽的成数（我国10分 国外8 10 云底距地面底高度 低云（2500m以下） 低云（2500m以下） 中云（2500～5000m 中云（2500～5000m） 高云（5000m以上） 高云（5000m以上）
γ ＝d，
＝ ， 0 <0 ，
Z
温度层结曲线
T
3、大气稳定度
大气稳定度及其判据
定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流。 定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流。 定性描述： 定性描述： 外力使气块上升或下降 气块减速，有返回趋势， 气块减速，有返回趋势，稳定 当气块去掉外力时 气块加速上升或下降， 气块加速上升或下降，不稳定 气块停在外力去掉处， 气块停在外力去掉处，中性
u* Z u = ln k Z0
近地层风速廓线模式
平均风速随高度变化
非中性层结：指数律， 非中性层结：指数律，稳定度参数
Z m u = u1( ) Z1
地方性风模式
海陆风
山谷风
城市热岛环流
城市热岛示意图
谢谢大家！ 谢谢大家！
lnwangjuan@
主要气象要素: 2、主要气象要素
气温 气压 气湿 风向 风速 云况 能见度
1、气温
主要气象要素
天气预报中： 百叶箱内气温。 天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。
o
5 o C = ( F − 32) 9
o
K = C + 273.15
o
9o F= C + 32 5
2、气压
主要气象要素
单位： （毫巴） 单位：mb（毫巴） 大气的压强： 大气的压强： 1at＝101326Pa＝1013.26mmb = 760mmHg ＝ ＝
第三章 大气污染气象学
大气扩散
源
大气物理、化学…… 大气物理、化学…… 大气科学 大气气象学…… 大气气象学…… 污染气象学…… 污染气象学……
受体
气象条件对污物的稀释、 气象条件对污物的稀释、扩散作用 污染物对气象的影响
第三章 大气污染气象学
大气圈结构及气象要素 大气的热力过程 大气的运动和风
第一节 大气圈结构及气象要素
膨胀(做功 膨胀 做功) 做功
耗内 能 内能
T T