第三章 污染气象学基础知识Word下载.docx
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●《大气污染控制工程》(影印版)NoeldeNevers主编,清华大学出版社
注:
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§
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(第一章相关内容)
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
主要有:
气温、气压、湿度、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:
2、气压
3、空气湿度(气湿):
4、风
(1)什么是风?
(2)形成:
(3)风的度量(风向和风速)
风速(风的大小)的表示;
测定
风向(风的来向)表示:
①8个方位或16方位表示(地面风),见图3-2;
②用角度表示(高空风):
(4)性质:
①随时在变化:
②随高度变化:
③随地理位置而变:
5、云
6、能见度
7、太阳高度角
如右图,ho即太阳高度角,它随时间而变化。
8、降水
3-2大气的热力过程
一、太阳辐射(补)
Ø
太阳以紫外线(<
0.4μm)、可见光(0.4~0.76μm)、红外线(>
0.76μm)的形式辐射热量
太阳辐射加热地球表面
地面长波辐射(主要3~120μm)加热大气
近地层大气温度随地表温度变化
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。
表示加于任一封闭物系(气体)的热量
等于该物系内能的变化
和物系对外所做的功
,即:
在无非膨胀功时,其微分表达式为:
-----------------①
将状态方程
代入上式,并取
,则上式写成
-----------------②
变形为:
-----------------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
气块在大气中的运动近似认为是绝热变化。
原因:
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:
,③式变为:
两边积分,得
即有:
因CP-CV=R又CP/CV=K,对于空气K=1.404
于是得大气绝热方程:
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。
(1)准静力条件
绝热过程若进行的十分缓慢,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。
(2)干绝热直减率γd
定义:
实际中,T′(气块温度)、T(环境温度)相差<
10K,
T′/T≈1。
推导过程如下:
根据热力第一定律,导出绝热过程方程式为:
……①
又气压随高度变化规律:
……②
又理想气体状态方程:
……③
将②③代入①,则得:
若不计高度、纬度影响,取g=9.18m/s2,CP=1004.8J/(Kg·
K)
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。
(3)湿空气的绝热变化
凝结高度:
湿空气上升达到饱和状态并开始凝结的高度。
凝结高度以下,其温度变化同干空气一样;
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
定义:
1、气温的垂直分布
(1)温度层结:
温度随高度的分布情况。
(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。
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:
(3)温度层结日变化
(4)温度变化的实质
(5)环境温度直减率:
环境温度的变化。
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。
(6)位温(θ)
其中:
T、P分别为气块最初的温度和压力。
重要性质:
任何一气块的位温是不变的(干绝热情况);
位温是变化的(非绝热情况)。
∴位温比气温更能代表气块的热力学性质。
1标准大气压力=1013.32mb(毫巴)1mb=103达因/cm2
2、大气稳定度
(1)什么是大气稳定度?
(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
(3)如何判别大气的稳定度?
①判断大气是否稳定:
对于未饱和空气、干空气,可利用
来判断;
而对饱和空气而言,用
来判别,
②用位温梯度判别
∵
∴
③用层结曲线(大气温度随高度变化曲线)和状态曲线(即上升空气块的温度随高度的变化曲线)的分布来判断大气稳定度。
四、逆温
1、定义:
温度随高度的增加而增加,此时
。
2、跟我们研究污染有关的因素:
①逆温层的消失时间;
②逆温层底的高度;
③逆温层的厚度;
④逆温的强度(温度随高度的变化情况)。
逆温的最危险状况是逆温层正好处于烟囱排放口。
3、逆温形成的过程
形成逆温的过程多种多样,最主要有以下几种:
①辐射逆温(较常见);
②平流逆温;
③锋面逆温;
④湍流逆温;
⑤下沉逆温。
要求掌握辐射逆温的形成机理,了解其它辐射逆温的形成机理
第6次课2学时
上次课复习:
1、影响大气污染的几个主要气象要素;
2、干绝热直减率的定义;
3、逆温的定义与类型;
4、大气稳定度类型及判定方法。
第三节大气污染与气象的关系
掌握大气热力过程、大气稳定度和逆温、大气的运动和风场等知识点。
判断大气稳定度、理解逆温对大气污染的影响、烟流形状与大气气象的关系,
判断大气稳定度、理解逆温对大气污染的影响、烟流形状与大气气象的关系。
判断大气稳定度、混合层高度、逆温对大气污染的影响。
讲授时间:
2学时
P823.63.10
3-3大气污染与气象的关系
一、边界层的风和湍流对大气污染的影响
风、湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接最本质的因素。
(一)风对大气污染物扩散和输送的影响
风对污染物的作用体现为风向和风速两方面的影响。
1、风向影响污染物的水平迁移扩散方向。
2、风速的大小决定了大气扩散稀释作用的强弱。
(1)风速随高度的分布:
对数律;
指数律。
(2)风向频率和污染系数
P越大,某下风向污染越严重。
(二)湍流
1、什么是湍流?
2、湍流与扩散的关系
3、形成:
近地层大气湍流有两种:
热力湍流;
机械湍流。
归纳而言:
风速越大,湍流越强,污染物扩散速度越快,污染物浓度越低。
(三)地方性风场(自学)
如海陆风、山谷风及城市热岛环流等。
二、大气稳定度对大气污染的影响
以一个高架源连续排放烟云为例进行说明。
下面是与稳定度有关的五种典型烟流,(参见书P61,图3-15)。
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(平展型)—逆温;
爬升型(屋脊型)—下稳,上不稳;
漫烟型(熏烟型)—上逆、下不稳
三、降水对大气污染的影响
四、云量与辐射的昼夜变化
五、天气形势的影响
六、大气污染指数
污染指数Id:
Id—d方向上的污染指数,无量纲;
P—降水;
S—大气稳定度;
u—风速;
h—混合层高度。
Id越大,d方向下侧的污染较重。
实践证明,Id≤0.8时,为清洁型大气。
第7次课2学时
1、大气污染与气象的关系
2、边界层的风和湍流对的影响
3、烟流型与大气稳定度的关系
第三章污染气象学基础知识第四节大气扩散模式
1、理解并掌握高斯模式及其几个推导、修正式
2、了解几类非点源扩散模式;
3、理解并掌握特殊气象条件下几个扩散模式
1、正态分布假设下的点源扩散模式(高斯模式);
2、特殊气象条件下-有上部逆温层的扩散模式
高斯模式、特殊气象条件下-有上部逆温层的扩散模式
第四节大气扩散模式2学时