第二章氣象與大氣擴散大氣污染的形成:

源強氣象條件下墊層條件大氣擴散:源受體大氣擴散酸雨越境轉移大氣科學大氣物理、化學……大氣氣象學……空氣污染氣象學…氣象條件對污物的稀釋、擴散作用污染物對氣象的影響

大氣污染物排入大氣之后，在大氣湍流作用之下，使污染物與周圍環境清潔空氣混合稀釋的過程。第一節大氣圈結構及氣象要素大氣圈垂直結構大氣圈垂直結構對流層（～10km左右）集中了大氣質量的3/4和全部的水蒸氣，主要天氣現象都發生在這一層溫度隨高度的增加而降低，每升高100m平均降溫0.650C強烈對流作用溫度和濕度的水平分布不均大氣邊界層－對流層下層1～2km，地面阻滯和摩擦作用明顯自由大氣－大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略

近地層－地面上50～100m，熱量和動量的常通量層大氣圈垂直結構平流層（對流層頂～50~55km）同溫層－對流層頂35~40km，氣溫-550C左右同溫層以上，氣溫隨高度增加而增加集中了大部分臭氧沒有對流運動，污染物停留時間很長中間層（平流層頂～85km）氣溫隨高度升高而迅速降低對流運動強烈大氣圈垂直結構暖層（中間層頂～800km）氣溫隨高度升高而增高氣體分子高度電離－電離層散逸層（暖層以上）氣溫很高，空氣稀薄空氣粒子可以擺脫地球引力而散逸第二節主要氣象要素氣象要素：表示大氣狀態的物理量和物理現象的物理量。包括：日照、氣壓、氣溫、濕度、降水、風、云況等。1．氣溫:

天氣預報中：1.5m高、百葉箱內氣溫。攝氏溫標℃華氏溫標℉絕對溫標K主要氣象要素2．氣壓：靜止大氣中某觀測高度上的氣壓值等于單位面積上承受的大氣柱的重量。單位：帕Pa,mmHg,百帕hPa(氣象)標準大氣壓:溫度為0℃時，在緯度是45度的平均海平面上的氣壓為一個標準大氣壓，記作atm，關系:1Pa=1N/m21atm＝101325Pa＝1013.25hPa=760mmHg

靜止狀態下:

主要氣象要素3．氣濕（濕度）:空氣中水汽含量的多少。絕對濕度－1m3濕空氣中含有的水汽質量（kg）。相對濕度－空氣的絕對濕度與同溫度下飽和空氣的絕對濕度的百分比。含濕量（比濕）－濕空氣中1kg干空氣包含的水汽質量。水汽體積分數－水汽在濕空氣中所占的體積分數。露點－同氣壓下空氣達到飽和狀態時的溫度。主要氣象要素

4．風向和風速

水平方向的空氣運動叫做風（垂直方向－升降氣流）風向：風的來向，可用方位（8或16）或角度表示。

16個方位圓周等分，見下頁。

風速：單位時間內空氣在水平方向上運動距離（m/s，km/h）氣象報告中，指一定時間（2或10min）的平均值；有時也需測瞬時風向、風速。風速和風力的關系：

(km/h)F－風力級（0～12級）

主要氣象要素

4．風向和風速

風速隨高度的變化值:

注意:靜風u<1.0m/s

及微風u=1~2m/s時，不利于污染物的擴散，易造成污染。

高度/m0.5121632100風速/m.s-12.42.8164.75.58.2主要氣象要素

4．風向和風速風玫瑰圖

風速,m/s

某地區1988年的風玫瑰圖。同心圓表示風的頻率，例如，吹南風的頻率約為11％，其中風速大于10.82m/s的頻率約為1％，風速在3.35～5.41m/s的頻率為3.5左右（3-6.5）。主要氣象要素

5．湍流風速、風向無規則的陣性和擺動叫做大氣湍流。機械湍流：由機械或動力因素形成機械湍流。熱力湍流：由于地表受熱不均，或大氣層結不穩定，使空氣發生垂直運動和使垂直運動發展而形成的湍流。大氣湍流是兩種因子共同作用的結果。主要氣象要素6．云

大氣中水汽的凝結現象叫做云（使氣溫隨高度變化小）

云量:天空被云遮蔽的成數（我國10分，國外8分）

云高:云底距地面底高度低云（2500m以下）：不穩定：孤立大云塊穩定：云層低、黑，結構稀松中云（2500～5000m）：（灰）白色、稠密、無光澤高云（5000m以上）：白色、蠶絲光澤、薄而透明

云狀:卷云（線）,積云（塊）,層云（面),雨層云(無定形）云高

高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云2500m以下主要氣象要素7．太陽高度角太陽光線與地平面之間的夾角。

判斷大氣穩定度級別的一個條件。主要氣象要素8．能見度：大氣的清潔程度。

正常視力的人，在天空背景下能看清的水平距離。氣象學定義：在指定方向上，僅能用肉眼看見和辨認的最大距離。

在白天能看見地平線上直指天空的一個顯著的深色物體；在夜間，能看見一個已知的、最好未經聚焦的中等強度的光源。主要氣象要素8．能見度：級別（0~9級，相應距離為50～50000米）

主要氣象要素9．降水：

從大氣中降落至地面的液態的或固態的水的通稱。降水量：大氣中降落至地面未經蒸發、滲透和流失而在水面上積聚的水層厚度。（mm）第三節大氣穩定度及其分類太陽、大氣和地面的熱交換太陽以紫外線、可見光、紅外線的形式輻射熱量太陽輻射加熱地球表面地面長波輻射加熱大氣近地層大氣溫度隨地表溫度變化一、氣溫的垂直變化氣溫直減率

（℃/100m）溫度層結曲線:

在T-Z坐標圖上,用曲線來表示氣溫隨高度的分布,此曲線叫溫度層結曲線.四種形式：P72圖3-3：溫度層結曲線

遞減層結：γ﹥0，正常分布層結；中性層結：γ=1℃/100m；等溫層結：γ=0；逆溫層結：γ＜0，大氣處于非常穩定狀態逆溫在邊界層中,由于氣象和地形等條件的影響,有時出現氣溫隨高度增加而升高的現象,稱為逆溫。出現逆溫的氣層,稱為逆溫層，或稱為阻擋層。逆溫不利于擴散類型（形成原因）：輻射逆溫：由于地面強烈輻射冷卻而形成的逆溫。

地面白天加熱，大氣自下而上變暖；

地面夜間變冷，大氣自下而上冷卻。逆溫類型輻射逆溫的生消過程下午日落前1小時黎明日出后上午9~10點逆溫類型1、輻射逆溫：最常出現，與大氣污染關系最密切。

特點：逆溫層的厚度大陸地，冬季最強山谷、盆地區域受天氣條件影響逆溫類型2、平流逆溫：由于暖空氣到冷地面上而形成的逆溫。

暖空氣平流到冷地面上而下部降溫而形成。

強弱程度取決于暖空氣與冷地表面的溫差。發生：冬季，中緯度沿海地區；

低地、盆地。逆溫類型3.下沉逆溫：由于空氣下沉壓縮增溫形成的逆溫。（多在高空大氣中，高壓控制區內；范圍大，厚度大）很厚的氣層下沉

壓縮變扁

頂部增溫比底部多逆溫類型4.湍流逆溫：低層空氣因湍流混合形成的逆溫。下層湍流混合達上層出現過渡層逆溫

逆溫類型5、鋒面逆溫冷、暖氣團相遇冷暖間逆溫

暖氣上爬，形成鋒面逆溫類型6、地形逆溫：

局部地區的特殊地形。如：盆地和谷地，山脈背風側的逆溫等。實際大氣中出現的逆溫，由幾種原因共同形成的，需具體分析。二、干絕熱直減率：干絕熱過程：與外界不發生熱量交換而引起的空氣溫度的變化，稱作空氣的絕熱交換過程。一般將沒有水相變化的空氣塊的垂直運動近似地看作絕熱運動。一般滿足，大氣絕熱過程，系統與周圍環境無熱交換

空氣塊膨脹（做功）耗內能T定性空氣塊壓縮（外氣對它做功）T內能（由壓力變化引起）二、干絕熱直減率：干絕熱直減率：

近地表面干空氣塊在絕熱的條件下，在垂直方向上，每上升（或下降）100米時，在氣塊與外界無熱交換時，溫度降低（或升高）的數值，稱為干空氣溫度的絕熱垂直遞減率，簡稱干絕熱直減率。

負號的意思是表示干氣塊在絕熱上升的過程中，溫度隨高度而降低。氣溫直減率

Cp:干空氣定壓比熱；描述氣塊在絕熱升降過程中，氣塊的初始狀態（T0、P0）和終止狀態參數（T、P）之間的關系，說明絕熱過程中氣溫的變化完全是由氣壓變化引起的。二、干絕熱直減率：氣溫垂直遞減率：

變量，表示大氣溫度隨高度的分布；干絕熱直減率：

物理常數，表示干空氣的某種熱力學性質。

邊界層氣溫的垂直分布：三、大氣穩定度1、定義：大氣在垂直方向上穩定的程度；反映其是否容易對流。

2、定性描述（含義）：

外力使氣塊上升或下降氣塊去掉外力氣塊減速，有返回趨勢，穩定氣塊加速上升或下降，不穩定氣塊停在外力去掉處，中性不穩定條件下有利于擴散3、大氣是否穩定的判斷方法：（1）比較γ和γd的值：定量判斷

浮力ρg重力ρiga假設起始溫度相同，即則有判據：

3、大氣是否穩定的判斷方法：3、大氣是否穩定的判斷方法：（2）用層結曲線和狀態曲線的分布來判斷大氣穩定度

狀態曲線：在T-Z坐標上，表示氣塊在絕熱條件下升降過程中溫度的變化曲線，（即上升空氣塊的溫度隨高度變化曲線）稱為狀態曲線。

溫度層結曲線：在T-Z坐標圖上用直線描述氣溫直減率的直線，（即大氣溫度隨高度變化曲線）稱為溫度層結曲線。4、大氣穩定度的分類方法：（1）帕斯奎爾分類法：（P-G法）

依據：離地面10米處的平均風速太陽的輻射強度云量

分類方法：表4-3（P93）

，A~F六個級別。

A——極不穩定；B——不穩定；C——弱不穩定；

D——中性；E——弱穩定；F——穩定

4、大氣穩定度的分類方法：（1）帕斯奎爾分類法：幾點說明：穩定度級別A~B表示按A、B級的數據內插；夜間的定義為日落前1h至日出后1小時；不論何種天空狀況，夜間前后1小時算作中性，即D級穩定度；仲夏晴天中午為強日照，寒冬晴天中午為弱日照；強弱太陽輻射與太陽高度角對應，并考慮云量。4、大氣穩定度的分類方法：（2）帕斯奎爾分類法的改進和補充：（P-T法）修訂我國GB/T13201-91

步驟:

根據某時某地的太陽角和云量，按表4-5（P96）

確定太陽輻射的等級數；根據太陽的輻射等級和地面10m處的風速查表4-6來確定穩定度等級。第四節大氣污染與氣象的關系一、氣象要素對大氣污染的影響：1、風的影響：風速：決定污染物的稀釋程度風向：決定污染物的擴散、移動方向1、風的影響——風速風速廓線：平均風速隨高度變化的曲線。風速廓線模式：描述風速廓線的數學表達式。①對數律模式：中性層結時近地層的風速廓線

(3-22)②指數律模式：非中性層結時的風速廓線

（3-23）1、風的影響——風向頻率和污染系數風向頻率：指一定時間內(年或月)，某風向出現次數占各風向出現次數的百分數。風向頻率用風玫瑰圖：

主要氣象要素1、風的影響——風向頻率和污染系數污染系數：風向、風速綜合作用對空氣污染物擴散影響程度。污染系數越大，其下風方向污染越嚴重。

靜風（u﹤1.0米/秒）微風（u在1~2米/秒）容易引起高濃度的大氣污染。

2、湍流對大氣污染物的擴散作用風速、風向無規則的陣性和擺動叫做大氣湍流。（1）大氣湍流的形成和發展：機械湍流熱力湍流（2）湍流擴散：

小渦流：煙團受小尺寸湍流攪動，緩慢地擴散；

大渦流：尺寸比煙團大，這時煙團可能被大尺寸的湍流夾帶，本身截面尺寸變化不大，前進路線呈曲線狀作曲線運動；

復合尺寸湍流：湍流由大小與煙團尺寸相似的渦流組成，煙團被渦流迅速撕裂，沿著下風向不斷擴大，濃度逐漸稀釋。3、大氣穩定度對大氣污染的影響波浪型（不穩）錐型（中性or弱穩）扇型（逆溫）爬升型（下穩，上不穩）漫煙型（上逆、下不穩）

4、大氣溫度層結與大氣污染當γ﹥0時，對污染物擴散有利；當γ=0時，大氣較穩定，不利于污染物的擴散與稀釋；當γ﹤0時，逆溫層形成，污染物極難輸送擴散。逆穩越強，逆溫層越厚，維持時間越長，污染物越不容易擴散和稀釋，危害也越大。5、降水與大氣污染清除大氣污染物的重要機制之一。降水凈化大氣的作用主要有兩個方面：①降水凝結核，隨降水降落到地面；②雨滴等在下降過程中，碰撞、捕獲了一部分顆粒污染物。

這兩種作用既發生在云中，也發生在云下降水下落過程中。大雨是凈化城市空氣的重要因素。6、輻射和云對大氣污染的影響晴天白晝，特別是午后，太陽輻射最強，地面強烈增溫，溫度層結是遞減的，大氣極不穩定。晴夜，地面有效輻射大，地面降溫快，因而形成逆溫，大氣極為穩定。日出日落前后為轉換期，大氣接近中性狀態。云對輻射起屏障作用，使白天遞減和夜間逆溫均受到削減。減弱的程度決定于云量的多少。陰天，溫度層結的晝夜變化幾乎消失，大氣接近中型狀態。7、天氣形勢與大氣污染所謂天氣形勢，主要是指大范圍的氣壓分布狀況。低壓（氣旋）控制區內，有利于稀釋擴散。在高壓（反氣旋）控制下，天氣晴朗，風速較小，大范圍內空氣做下沉運動，在幾百米或一兩千米上空形成下沉逆溫。二、地形、地物對大氣污染的影響：地方性風場：局部地區由于地形、地物的影響，引起近地層大氣的增溫和冷卻速度不同，從而形成了局部空氣環流，即形成了特殊的風場，稱為局地風。如：海陸風、山谷風（地形的影響）城市熱島效應、城市風（地物的影響）地形對大氣污染的影響

海洋平地陸地丘陵山地

地形對煙氣的擴散有直接或間接的影響。

地形山、丘陵對煙氣運行的影響渦流地形對大氣污染的影響—海陸風什么是海（湖）陸風？

海陸風是海（湖）風和陸風的總稱。地形對大氣污染的影響—海風白天：由海洋吹向陸地的海風。地形對大氣污染的影響—陸風夜間：由陸地吹向海洋的陸風。地方性風場海陸風地形對大氣污染的影響—海陸風

當陸面出現海風時，高空是陸風；當地面出現陸風時，高空出現海風，從而形成鉛直的閉合環流，即海陸風。地形對大氣污染的影響—海陸風發生地點：海與陸地的交界地帶（活動范圍大）、內陸湖泊、江河的水陸交界處（活動范圍小）發生周期：24小時，以日為單位形成原因：陸地和海洋（或大湖）對熱量反應的差異，即地形的熱力效應。總之，海陸風對大氣污染的影響很大。如：洛杉磯光化學煙霧地形對大氣污染的影響—山谷風發生地點：山區發生周期：24小時，以日為單位形成原因：地形熱力作