第三章 大气污染气象学

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(1)辐射逆温 (2)下沉逆温 (3)平流逆温 (4)锋面逆温 (5)湍流逆温
辐射逆温与大气污染
(1)辐射逆温
的关系最为密切。
在晴朗无云(或少云)的夜间, 当风速较 小(<3m/s)时,地面因强烈的有效辐射而很 快冷却,近地面气层冷却最为强烈,较高的气 层冷却较慢,因而形成自地面开始逐渐向上发 展的逆温层,称为辐射逆温。 冬季晴朗无云和微风的白天,由于地面
2:中性层结:γ=γd
3:等温层结:γ=0,即Z↑, T=const 4:逆温:γ<0, 即Z↑,T↑
3.2.3 大气的稳定度及其判据
3.2.3.1 稳定度及其理解
大气稳定度——在垂直方向上大气稳定的程度,即
是否易于发生对流。
污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切的关系。
大气稳定度的理解
如果一空气块由于某种原因受到外力的作用, 产生了上升或下降运动后,外力除去后 气块就减速并有返回原来高度的 趋势,则称这种大气是稳定的 可能发生 三种情况 气块加速上升或下降,称这种大 气是不稳定的 气块被外力推到哪里就停到哪 里或作等速运动,称这种大气 是中性的
3.2.3.2 稳定度的判据----以γ和γd作判据
判别大气是否稳定,可用气块法来说明。 ρg
在此二力作用下单位 环境: 体积气块产生的向上 T,P, 加速度为 Ti,Pi, ρ g ( i ) ρi (式3-9) a
i
-ρig
气块法判别稳定度简图
利用准静力条件:Pi=P和理想气体状态方程,
热量交换的状态变化。
周围气压减 小,一部分 内能作膨胀 功,T降低
周围气压增加, 外界对其作压 缩功,转化为 内能,T升高
空气块绝热运动的两种基本情况简图 膨胀或压缩发生的ΔT >>热交换引起的ΔT
一般可将没有水相变化的空气块的垂直运 动近似地看作绝热过程。
多数情况下的大气过程都可视为绝热过程。
热力学第一定律
气压:大气的压强
气 象 要 素
气湿:空气的湿度反应大气中水汽含量 的多少和空气的潮湿度,表示方
法:绝对,相对 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
初态 T0,P0
式(3-2) 终态 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。
大气绝热过程——大气中进行的热力过程,所
研究的系统与周围空气没有热量交换。
假定空气块的气压等于周围大气压力,即满足所 谓准静力条件: Pi=P Pi+dPi=P+dP 由气体的静力学方程, dP g dZ (式3-5) g—重力加速度 p RT ρ—空气密度,kg/m3
将3-5代入3-4,得
稳 定 度 判 据
γ-γd<0,a<0,气块作减速运动,大气稳定 γ-γd=0,a=0,大气为中性
z

d
( d )
z
d

( d )
o
a
T
o
b
T
图3-7.气块在不同层结中的稳定性
3.2.4 逆温
3.2.4.1 原因及影响
辐射到地球表面的太阳辐射——短波辐射 地面吸收太阳辐射向空中辐射能量——长波辐射
在大气边界层内特别是近地层内,大气温度的
变化主要是受地表长波幅射的影响。
随着地面温度增高而增高,自下而上的增高
近地层 空气温度
随着地表温度降低而降低,自下而上的降低
一般大气温度层结一般是γ>0, 即Z↑,
T↓,但在特定条件下也会发生γ=0或γ<0
的现象,即气温随高度的增加而不变或增加的
逆温现象。
当发生等温或逆温时,大气是稳定的,所
风向的16个方位
风向标
高云(5000m以上) 低 云 ( 25 00 米 以 下 )
中云(2500-5000m)

第三章 大气污染气象学
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
3.2 大气的热力过程
3.2.1 太阳、大气和地面的热交换
首先,太阳短波辐射加热了地球表面; 其次,地面长波辐射加热了大气。
结果将使大气中包含的热量、水分和动量以及
污染物质得以充分的交换和混合,这种因湍流
运动引起的属性混合为湍流混合。
当气层的气温直减率小于干绝热直减 率时,经湍流混合后,气层的温度分布逐 渐接近干绝热直减率。 因湍流上升的空气按干绝热直减率降 低温度。空气上升到混合层顶部时,它的 温度比周围的气温低,混合的结果,使上 层气温降低;空气下沉时,情况相反,致 使下层气温升高。这样就在湍流减弱层, 出现逆温。
dP dQ C p dT RT (式3-1) P
式中:Q—加入体系的热量,J; CP—干空气的定压热容,CP=1005J/(kg· K); R—干空气的气体常数,R=287.9 J/(kg· K) ; T—气块温度,K; P—气块压力,hPa。
对于绝热过程,dQ=0,式(3-1)变形为
dT R dP T CP P
(四)气温的垂直分布
气温直减率——气温随高度的变化。
T ( ) Z
高度z(m)
(式3-8)
温度层结曲线——气
气温t(0C)
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。
大 气 中 温 度 层 结
1:正常温度层结或递减层结:γ>0,即Z↑,T↓
则有
a
g i
p g
i
RT pi

pi
RTi
Ti 0 d Z (T0 Z ) g
T g
RTi
Ti T g T
Ti0=T0
d
T
Z
ag
d
Tห้องสมุดไป่ตู้
Z
ΔZ>0,a有三种情况
γ-γd>0,a>0,气块作加速运动,大气不稳定
图3-12 爬升型(d)
back
图3-12 漫烟型(e)
back
表3-1 五种典型的烟流说明
烟流
波 浪 型 锥 型 平 展 型 爬 升 型 漫 烟 型
特点
地面最大浓度落地点距 烟囱较近,浓度较大 烟流为圆锥形,垂直扩 散好于平展型,较波浪 性差 烟流垂直扩散小,从上 看呈扇形;烟囱高,近 处地面不污染;反之, 则污染 持续时间短,对近处地 面污染小
C
D B H
h
A
C'
D' B'
H'
h’
A'
图3-9.下沉逆温形成示意图
H>H’
(3)平流逆温
有暖空气平流到冷地表面上而形成 的逆温称为平流逆温。 这是由于低层空气受地表面影响大、 降温多,上层空气降温少所形成的。
(4)湍流逆温
低层空气湍流混合形成的逆温称为湍流
逆温。
实际空气的运动都是一种湍流运动,其
3.3 大气的运动和风
3.1 大气圈结构及气象要素
3.1.1 大气圈垂直结构
3.1.2 气象要素
3.1.1 大气圈垂直结构
大气圈—大气污染气象学和大气物理学中,指从
地面到1200~1400km的大气。
大气圈的垂直结构——气象要素的垂直分布情
况,如气温、气压、大
气密度和大气成分等。
本节主要介绍气温的垂直分布。
dTi dTi RTi g R gdZ Ti Cp pi dZ Cp p
P RTi g dTi RT g d 0.0098K / m 1K / 100m Cp dZ Cp p
Ti T
(式3-6)
干空气(或未达到饱和状态的湿空气) 在作绝热上升(或下降)运动时,每升 高(或下降)100m温度约降低(或上 升)1K。
第三章 大气污染气象学
Meteorology for Air Pollution
大气扩散 源 受体 酸雨越境转移(韩国、朝鲜……)
大气物理、化学……
大气科学
大气气象学…… 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
[目的]:因为污染物从排放到对人体和生态环
境产生切实的影响,中间经历了复杂的大气过
近地层大气温度随地表温度的升高而升高(自下而上被加热);
地面温度的降低而降低(自下而上被冷却);
地表温度的周期性变化引起低层大气温度随之周期性变化。
3.2.2 气温的垂直变化
3.2.2.1大气的绝热过程与泊松方程
大气的升降过程总伴有不同形式的能量交换。
大气的绝热过程——大气中某一空气块作垂直
运动时与周围空气不发生
大 气 圈 的 垂 直 结 构
气温很高,空气稀薄, 空气离子的运动速度 很高,可以摆脱地球 引力散逸到太空中
又叫电离层 H↑,T↑ 空气处于电离状态, 存在大量的离子和电 子
H↑,T↓,有强烈的对 流运动,垂直混合明显
(1)从对流层顶到35~ 40km左右的一层,气温 不随高度变化,约为55℃;从这(同温)到平 流层顶,H↑T↑ (2)几乎没有空气对流 运动,空气垂直混合微 弱
程:迁移、扩散、沉降、化学反应等,它们与
排放源本身的特性、气象条件、地面特征和周
围地区建筑物分布等因素有关,特别是与气象
条件,如风向、风速、大气湍流运动、气温垂
直分布及大气稳定度等关系密切。本章主要对
大气污染气象学的基本知识作一扼要介绍。
第三章 大气污染气象学
3.1 大气圈结构及气象要素
3.2 大气的热力过程
以某一高度的逆温层、等温层的存在,就像一
个盖子一样,大大阻碍了气流的垂直运动,所
以逆温层又称为阻挡层。
若逆温层存在于空中某高度,由于上升的污
染气流不能穿过逆温层而在它的下面进行积聚 或扩散,可能会造成严重的大气污染现象。
3.2.4.2 逆温的分类
逆温层可发生在近地层中,也可发生在
较高气层中。根据逆温发生的过程,可将逆温 分为:
小气块从外界获得的能量dQ应等于其内 能的增加值。 ' dQ dv Cv p dQ Cv dT pdv' dT dT
' m R T m 1Kg pv RT v M p
dp p T dQ d RT / p dT C v p C v pR 2 dT dT p RT dp RT dp Cv R Cp P dT p dT
(1)集中了大气质量的3/4和几乎全部水汽 (2)H↑T↓,ΔT/100m=0.65℃ (3)强烈的对流运动,下垫层受热不均
(4)温度和湿度分布不均
是直接影响污染物的传输、扩散和转化的一层
3.1.2 气象要素
气象要素——表示大气状态的物理量和
物理现象。
气温:指距地面,1.5m高处在百页箱中观
测到的空气温度。
辐射超过太阳辐射,也会形成逆温层。
辐射逆温的生消过程
下午
日落前 一个小时
日出前
日出后 上午10左右
(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。 下沉逆温多出现在高压控制区内,范围很 广,厚度也很大,一般可达数百米。下沉气流 一股达到某一高度就停止了,所以下沉逆温常 发生在高空大气中。
层结曲线 T4 T3 T2 T1 暖空气 冷空气 锋面层
图3-11. 峰面逆温的形成过程
3.2.5 烟流形状与大气稳定度的关系
烟流扩散的形状与大气稳定度有密切的关系。
图3-12. 五种典型的烟流形状
图3-12 波浪型(a)
back
图3-12 锥型 (b)
back
图3-12 扇型(c)
back
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。
Ti d ( )d (式3-4) Z
(2)干绝热直减率γd的计算
B Z B Z
d
湍流混合层 A (a) T D
E
湍流混合层 A C (b) T
湍流混合前的气温分布
湍流混合后的气温分布
图3-10.湍流逆温的形成过程
(5)峰面逆温
在对流层中的冷空气团与暖空气团相遇 时,暖空气因其密度小就会爬到冷空气上面去, 形成一个倾斜的过渡区称为锋面。在锋面上, 如果冷暖空气的温差较大,也可以出现逆温。 这种逆温称为锋面逆温(图3-11),锋面逆温仅 在冷空一边可以看到。
稳定度
发生情况
大气不稳定
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