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1、第三章 大气污染气象学,1. 大气圈结构及气象要素 2. 大气的运动和风 3. 大气的热力过程,第一节 大气圈结构及气象要素,与大气扩散有关的气象要素 1气温 指距离地面1.5m高度、在百叶箱中观测到的空气温度,与大气扩散有关的气象要素 2气压：指单位面积上所承受的大气柱的压力 单位：标准大气压atm 毫米汞柱mmHg 毫巴mb 或 百帕hPa 关系：1atm101325Pa=760mmHg1013.25mb1013.25hPa 1mb1hPa100Pa 气压的变化用静力学方程描述：,与大气扩散有关的气象要素,3气湿：反应大气中水汽含量和空气的潮湿程度 表示方法： 绝对湿度每m3湿空气中含有的
2、水汽质量，w（kg/m3） 水汽压力Pw （Pv饱和水汽压力） 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， =w/N = Pw / PN 含湿量（或比湿）湿空气中1kg干空气包含的水汽质量，d（kg水汽/kg干空气） 露点在一定气压下空气达到饱和状态时的温度，F（）,与大气扩散有关的气象要素,4风 风：水平方向的空气运动（垂直方向升降气流） 风向：风的来向 方位法：16个方位或8个方位圆周等分 角度法：以N为00，顺时针转 风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2或10min平均），um/s或km/h F风力级（012级）,与大气扩散有关的气象要素,5云：大气中水汽的凝结
3、现象（使气温随高度变化小） 云量: 天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分） 阴云密布，云量为10；碧空万里无云，云量为0 云高: 云底距地面底高度 低云（2500m以下） 中云（25005000m） 高云（5000m以上） 云状:卷云（线）,积云（块）,层云（面）,雨层云(无定形),与大气扩散有关的气象要素,6能见度： 正常视力的人，在天空背景下能看清的最远水平距离 级别共10级：09级，相应距离为5050000米,大气层结构 垂直分层,对流层 （010km左右）,特点： 虽然薄，集中了整个大气质量的3/4，主要天气现象都发生在这一层 集中了几乎全部的水蒸气 大气的温度随高度的增加而降低，
4、每升高100m平均降温0.65 空气垂直气流强烈，水平气流相对较弱，由下垫面受热不均引起 温度和湿度的水平分布不均， 例如热带海洋温暖潮湿，高纬度内陆寒冷干燥 污染物的扩散均在对流层（或近地层）中进行,对流层 （010km左右）,概念： 大气边界层 对流层下层12km，地面阻滞和摩擦作用明显 近地层 地面上50100m，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,平流层（对流层顶5055km）,特点： 同温层对流层顶3540km，温度不随高度变化，气温-550C左右 逆温层同温层顶5055km，气温随高度增加而增加 集中了大部分臭氧 没有空气对流运动，大气稳定，污染物停留
5、时间很长,中间层（平流层顶85km）,特点： 气温随高度升高而迅速降低 大气对流运动强烈,暖层（中间层顶800km）,特点： 气温随高度升高而增高 气体分子高度电离，存在大量的离子和电子电离层,特点： 空气温度很高 空气稀薄 空气粒子运动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸到太空中 附注： 大气压力总是随高度的升高而降低 均质大气层8085km以下，成分基本不变,散逸层（暖层以上）,第二节 大气的运动和风,引起大气运动的作用力 1重力 2水平气压梯度力G 定义：由于水平方向气压差的存在而作用在单位质量空气上的力，叫水平气压梯度力 说明： 1）实际气体中，水平气压梯度力很小，约为1mb/100km
6、2）垂直气压梯度力约为水平气压梯度力104倍，垂直气压梯度力虽大，但因重力与其平衡，所以大气实际受到的垂直分力并不大 3）水平气压梯度力虽小，但却是大气水平运动的主要作用力,引起大气运动的作用力,3地转偏向力（地球自转偏向力）DN 定义：由于地球自转而产生的使运动着的空气偏离气压梯度力方向的力，即 DN = 2vsin v 风速 地球自转角速度 当地纬度 说明：1）DN是伴随风速的产生而产生的 2）北半球垂直指向运动方向的右方 3）由于与运动方向垂直，所以只改变风向，不改变风速 4）正比于，随纬度的增大而增加，赤道为零，两极最大， DN max=2v,引起大气运动的作用力,4惯性离心力C 以曲
7、率半径r作曲线运动的单位质量空气所受的惯性离心力C为： C= v2/r 5摩擦力（或粘滞力）R 包括： 外摩擦力：运动空气所受到的下垫面的阻力 大小：与运动速度和下垫面的粗糙度成正比 方向：与运动方向相 内摩擦力：方向不同或速度不同的两层空气之间因存在粘 性而产生的摩擦力,引起大气运动的作用力,小结： 以上除重力以外的四个水平力中，水平气压梯度力是引起大气水平运动的原动力，而其他三个力是在空气开始运动之后才产生并起作用的； 所起作用视具体情况而不同，如在近地层或低纬度地区，地转偏向力可忽略；近于直线的空气运动，惯性离心力可忽略；对自由大气，摩擦力可忽略。 所以对大气的运动，根据牛顿第二运动定律
8、： mdv/dt = mg + G + DN + C + R,大气边界层中风随高度的变化规律 Ekman螺旋线,结论： 高度增高，风速增大； 当到了大气边界层顶时，风速和风向完全接近了地转风 自由大气中的风常常和地转风接近 地转风：指气压梯度力和地转偏向力达平衡时的风，此时空气团沿等压线（直线）作等速直线运动,近地层中风随高度的变化规律,1对数规律（中性层结） 式中： 高度Z处的平均风速，m/s； u* 摩擦速度，m/s； k 卡门常数，大气中k=0.40（0.350.44）； Z0 地面粗糙度，m,近地层中风随高度的变化规律,求解粗糙度和摩擦速度： 实际的u*和Z0值，可根据不同高度上测得的
9、风速按上式求得，将上式变形为：,作图lnZ是一条直线，可求得u*和Z0,近地层中风随高度的变化规律,式中： 高度Z处的平均风速，m/s； 1 高度Z1处的平均风速，m/s； m 稳定度参数 注意： 1）参数m的变化取决于温度层结和地面粗糙度 2）层结越不稳定，m越小，表3-3给出了六种稳定度时的m值,2指数规律（非中性层结）,近地层中风随高度的变化规律,求解稳定度参数m，将上式变形为：,在气象上测得的风速常为10m高度的风速，所以上式可写为：,例题 已知一组实测数据，试计算该地区高度分别为25m、250m处的平均风速。（假设为非中性层结）,例题 解：（1）用对数规律求解25,以lnZ为横坐标，
10、为纵坐标作图，得=0.9206 lnZ + 0.8186 故u*/k=0.9206 u*/klnZ0=0.8186 因k=0.40，则u*=0.9206 k=0.37m/s lnZ0=0.8186/0.9206=0.8892 Z0=0.41m 则25=0.9206 lnZ + 0.8186=0.9206 ln25 + 0.8186=3.78 m/s,例题,解；（2）用指数规律求解250,地方性风局地风 1海陆风,地方性风局地风,2山谷风,地方性风局地风,3城市热岛环流,第三节 大气的热力过程,干绝热直减率 1定义：干空气（或未饱和的湿空气）在绝热上升或下降过程中，每升高或降低单位高差(通常取1
11、00m)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d表示，/100m或K/100m Ti 干空气块的温度,干绝热直减率的计算,热力学第一定律：dQ = dE + dW 准静力条件：P = P 气体状态方程：P V = n R T 绝热过程：dQ = 0 干绝热直减率定义： 气体静力学方程： 联立以上六式得，d = A g /Cp A 功热当量，2.3910-8cal/erg G 重力加速度，9.8m/s2 Cp 空气的定压比热，对于单位质量的干空气，= 0.238cal/g 故d = 2.3910-8981104/0.238 =0.985 /100m 实际计算中取d
12、=1 /100m，即气块在干绝热升高100m，温度递减1,气温垂直递减率,1定义：空气每升高或降低单位高度（通常取100m），气温变化率的负值，用表示，单位为/100m或K/100m 2温度层结气温沿垂直高度的分布曲线 类型：,大气稳定度及其判据,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：,大气稳定度及其判据,定量判断： 将体积为V的气块上抬Z高度作干绝热运动，此时 气块：P（气压）、T（温度）、（密度） 环境：P （气压）、 T （温度）、（密度） 气块受到两个力： 重力G= mg =V g 浮力F1=V g 合力F： F= F1G=V gV g =（）V
13、g =（/1）mg 气块上抬Z高度后，很快和周围气体达到平衡，即P=P,大气稳定度及其判据,由气态方程：P=RT P=RT 则RT=RT即/= T/T 代入上式得，F=（T/T1）mg =（TT）mg/T 对干绝热运动，气块在外力作用下上抬Z高度后， 气块的温度：T= T0+ T= T0dZ 周围的温度：T= T0+ T = T0 Z 因起始温度相同，T0= T0 则TT = （d）Z 故,大气稳定度及其判据,讨论： 1）当d0，即d时，若Z0，则F0，若Z0，则F0，即外力F与位移Z方向不一致，气块有返回原来位置的趋势，此时湍流减弱，大气稳定； 3）当d=0，即=d时，则F=0，气块可停留在
14、任何一个位置，或作等速直线运动，大气处于中性状态。,课堂讨论：,如下图所示，分别判断大气处于何种状态，稳定还是不稳定？,逆温,1. 辐射逆温： 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,逆温,2.下沉逆温 （多在高空大气中，高压控制区内）,逆温,3.平流逆温 暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成,逆温,5.锋面逆温,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）,总结,【掌握重点】 1干绝热直减率、气温垂直递减率 2近地层中风随高度的变化规律对数规律和指数规律 3判断大气稳定度的方法 4辐射逆温、下沉逆温、湍流逆温的形成过程,作业,课本 P82第2、4、5题,