污染物在大气中迁移ppt

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2020年09月09日

  第二章 大气环境化学 * 学习目的: 熟悉大气层结构,主要大气污染物,大气运动的基本规律。 掌握重要污染物参与光化学烟雾和硫酸型烟雾的形成过程和机理。 了解描述大气污染的数学模型和酸雨、温室效应以及臭氧层破坏等全球性环境问题。 第一节 大气的组成、结构和性质 2.1.1大气的组成 可变组分CO2: 0.033, 0.05 恒定组分 Note: 25 km; M平均 = 29.0; N2: 78.09 (V%), 75.52 (M%) O2: 20.95, 23.15 Ar: 0.93, 1.28 He, Ne, Kr, Xe: 2.50?10-3 (V%) 不定组分 尘埃、CH4、H2S、SO2、 NH3、NOx 、CO、O3等( 0.1%); 水:0 - 4% 空气 对流层(Troposphere) :12 km, 气温随高度降低;空气对流运动强烈; 平流层(Stratosphere) : 50 km 气温随高度增加;空气平流运动占优势;臭氧层; 中间层(Meosphere):85 km 温度随高度降低,层顶气温(-100℃) 热成层(Therosphere) :80 km~300 or 800 km 温度随高度增高;分子电离,电离层; 逸散层?(Exosphere) : 300 or 800 km 空气极为稀薄,分子逃逸。 2.1.2 大气的结构和性质 Atmospheric structure Exosphere 第二节 大气污染气象学基础 —— 污染物在大气中的迁移 主要气象要素: 气温、气压、湿度、风、云量、辐射 意义 污染物在大气中的迁移是由于空气的运动而使其传输和分散的过程。 决定空气传输和扩散能力的因素: 2.2.1 基本气象要素 概述 气象的热力因子 气象的动力因子 1、气温 单位:Pa、 bar、mbar 、mmHg。 标准大气压 1标准大气压 = 760 mmHg = 101325 pa = 1013.25 mbar 2、气压 地面气温 气温的水平差异 气温的垂直差异 大气气体状态方程 (其中R’ = 287 J/ kg·K) 气压与高度的关系 (其中? = 1.29 g/L) ds dp dZ dV 压高公式 与气压 相关的两个重要公式 45° N NE 角度法 45°= NE 3、风 风向 方位法:将圆周等分16个方位,相邻两方位的夹角为22.5°。 角度法:正北与风向的反方向的顺时针方向的夹角。 风速 地面风速:地面以上10 m处风速仪观测得到的平均值。 风玫瑰图(m/s) NE S N W E 4、云 云高:云层底部距地面的高度 高云: 5000 m 中云:2500 - 5000 m 低云: 2500 m; 云量:云遮蔽天空的成数。将可见天空分为10份,被云遮挡了几份,云量就是几。晴空无云,云量为0,乌云遮天,云量为10. 云量的记录:总云量 / 低云量 5、辐射 热辐射 物体的温度愈高,其辐射能力(量)E 愈强;且最大辐射能力所对应的波长λm愈短。对于黑体: Wien Displacement Law (1893) Stefan-Boltzmann Law (1879-1884) 电磁波谱 1mm?1m λ 1m 0.76 ? 1000?m 400 ? 760 nm Visible 10 ? 400 nm Ultraviolet 0.01 ? 10 nm 0.03nm 太阳辐射(短波辐射) λm:Ts = 6000 K→483 nm 地面辐射(长波辐射) λm:Ts = 285 ? 300 K→ ? 10 ?m 太阳辐射、地面辐射 400 500 600 700 λ(nm) 紫外 紅外 可见光光谱 太阳辐射能量的组成 可见光 红外 电波 紫外 X射线% 太阳辐射光谱曲线 UV Vis. IR 太阳与地球辐射光谱 ? /?m 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0 太阳通量/Wm-2nm-1 Sun at 6000K; λm= 0.5 mm 海平面太阳辐射 模拟5900K黑体辐射 大气外太阳辐射 H2O, CO2 H2O O2, H2O ?太阳常数(I0) I0 = 1368 W/m2 = 1.98 cal/cm2?min 太阳高度角(h) 太阳光线与水平地面间的夹角叫太阳高度角。 Sinh = S0/S, I0S0 = IS, 太阳辐射强度 I = I0Sinh s0 s h s0 太阳总辐射 = 直接辐射 + 散射辐射 直接辐射计算 太阳有效辐射 = 太阳总辐射 ? 地面反射辐射 大气对太阳辐射的消减作用 吸收作用 O3;紫外区:200 – 320 nm (强) 可见区:450 – 700 nm(弱) O2: 远紫外区: 200 nm(强) 可见光区:690 – 760 nm (弱) H2O: 红外区:930 – 2800 nm(强) CO2: 红外区:4800 nm(强),对太阳辐射影响不大 尘埃:尘埃在大气中的量很小,一般对太阳辐射的影 响很小。 散射作用 分子散射(瑞利散射) :质点直径 λ 粗粒漫射:质点直径 λ 大气散射主要减弱了太阳可见光区的辐射。 反射作用 云层反射: 反射率50 – 55% 尘埃反射: 一般较小 地面反射: 反射率29%~34% 大气辐射与地球的能量平衡 大气辐射 大气吸收地面长波辐射向外辐射 能量,地面是大气的主要热源。 大气窗 (atmospheric window) 8~13 ?m辐射很少被吸收,该波长范围可用于卫星的红外遥感技术,称为大气窗。 地球的能量平衡 Esun? Eearth; dTs ? 0 地球的能量平衡 51 =30 + + 非绝热过程 因温差而与周围空气进行热交换;如气团的水平运动; 绝热过程 膨胀时气团对外做功(降温); 压缩时外界对气团做功(升温); 如气团的垂直运动。 气团运动与温度变化 2.2.2 大气的热力过程 1、绝热过程和非绝热过程 干洁气团:类似理想气体; 湿气团:考虑相变潜热的影响,温度效应缓和; 干洁气团、湿气团温度变化均取决于绝热与非绝热过程之和。 2、气团运动的绝热过程与泊松(Poisson)方程 干洁气团可视为理想气体,其垂直运动近似为绝热过程, 热力学第一定律:dU = ?Q ? ?W; 其中:dU = CvdT, ?Q = 0, ?W = pdV 气体状态方程:pV = RT (1mol) R = 287 J/ kg·K CP = 996.5 J/kg·K R/CP = 0.288 泊松方程推导线索 泊松方程 反映在绝热过程中气团温度随外界气压的变化规律: 其中: 或 3、气团运动的干绝热递减率 泊松方程: 准静力条件: 干绝热递减率:干洁气团温度随高度的变化值。 推导线索 压高方程: 气体状态方程: Pi = P,dPi = dP 2.2.3 大气稳定度 1、温度层结 描述气温随高度的变化曲线叫温度层结曲线,简称温度层结,用气温的垂直递减率表示: 可以γ 0, γ 0, γ = 0; 对流层:γ平均 = 0.65 ℃/100 m 逆温:γ 0这种与通常情况相反的气象条件。 注意: γ与γd的区别 2、大气稳定度及其判据 大气稳定度:大气在垂直方向上运动的强弱。 或 稳定:γ γd ,a 、?z异号 不稳:γ γd ,a 、?z同号 中性:γ = γd, a = 0 注意: 适用于干洁气团 稳定度判据推导线索 气团受力: F = g(? – ?i) 气团运动的加速度:a = g(? - ? i) / ρi 气体状态方程:P = ?RT, 准静力条件:Pi = P 初始条件:Ti0 = T0 γ与γd: γ γd γ γd γ =γd 大气稳定度判据说明 γd理论上适用于干洁气团; 近地层湿空气绝热垂直递减率γw约为0.5 K/100 m,故近地层多用γ与γw的对比来判定大气稳定度; 粗略判据: γ 0,不稳定, γ 0,稳定, γ = 0,中性。 a — 递减层结 b — 中性层结 c — 逆温层结 d — 等温层结 温度层结曲线 γd或γw 温度层结的日变化规律 Z Z Z Z Z Z (K) 大气稳定度对大气污染的影响 扇型 熏烟型 波浪型 锥型 屋脊型 晴,白昼,中午 日落后 阴天 大气稳定度对大气污染的影响(续) 1、辐射逆温(最常见) 晴朗无云,无风夜晚;风速:2-3m/s抑制。 2、下沉逆温(地面逆温) 下沉压缩增温效应引起。 3、湍流逆温(高空逆温) 低层空气湍流混合形成。 2.2.4 逆温 A B C D 混合层 逆温层 rd r1 r2 T Z 湍流逆温的形成 h h’ H H’ h h’, H H’,T2 T1 下沉逆温的形成 T2 T1 2.2.5 混合层的厚度 大气混合层:把不连续面以下能够发生强烈湍流混合的层次,其高度称为混合层厚度。 意义:混合层厚度愈大,污染物垂直扩散的范围越大,体现了大气稀释输送污染物的能力。 混合层厚度确定(Holzworth法):在温度—高度图上,从上午最大地面温度作干绝热线,与早晨温度探空曲线的交点高度即当日最大混合层厚度(MMD, Maxium Mixing Depths) 。 rd 绝热线 MMD r 早晨探空曲线 T Z 日最高地面气温 确定最大混合层厚度示意图 1、海陆风 白天海风:吹向陆地,形成逆温; 夜间陆风:吹向海洋,不易形成逆温。 2、城郊风 由城市热岛效应造成。 3、山谷风 白天:山坡升温快,形成谷风; 夜间:山坡降温快,形成山风。 2.2.6 局地环流对污染物扩散的影响 危害:易造成污染物往返循环,成为局地环流,污染物难以扩散出去,不断累积达到很高的浓度。 郊区 城市 郊区 城市热岛效应 1、何谓大气的温度层结?简述大气垂直结构的主要特征。 2、何谓逆温?逆温的类型及其成因?逆温对污染物扩散的影响? 3、何谓大气垂直递减率和干绝热垂直递减率?如何判断大气稳定度?混合层厚度的意义?如何确定大气混合层厚度? 4、推导大气压强随温度和高度变化的计算公式: 5、设地面处温度为T0=25℃,P0=1.01×105帕.现有一气团从该地绝热上升,用探空气球测得地面以上5km高处气温T=-13℃,求该处压强(P)。 ?思考题

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