大气稳定度

大气稳定度（精选四篇）

大气稳定度 篇1

关键词：环境化学,大气稳定度,污染物扩散

《环境化学》是环境专业大学生的必修课, 具有专业基础课的性质, 教好本课程对提高环境专业学生的培养质量有着非常重要的作用。通过多回合的环境化学课程教学实践, 我们对教学本课程有了一些体会, 形成了一些看法。本文以教学课程中“大气稳定度”这一概念为例, 通过剖析相应的教案, 来表达我们的心得, 以供同仁们参考。

大气稳定度是指大气层的稳定程度。一个地区大气的稳定度决定着该地区污染物能否在大气层中顺利迁移扩散, 最终影响着该地区的污染程度。大气稳定度高, 不利于污染物扩散, 容易导致污染物的浓度增高, 最终可能引发大气污染事件。此外, 大气稳定度还与逆温现象息息相关。所以让学生掌握大气稳定度的概念非常重要。《环境化学》既然是专业基础课, 因而, 它必然具有基础课程和专业课程之间的桥梁作用。课程中的不少概念和方法其实都源于基础课程中的一些更普通的概念和方法。这些概念和方法只不过是那些普通的概念和方法在环境领域中的具体应用。但是, 一方面, 由于学生最初接触稳定性概念是在学习物理时, 当学生接触到大气稳定度概念时, 已过去了很长时间, 许多学生对物理课程中学习的稳定性概念已经模糊或忘却, 误认为大气稳定度是一个完全新的概念。另一方面, 现在比较通行的教材, 很少提及该概念的来龙去脉, 影响学生对该概念的重要性的认识。特别是当用大气温度垂直递减率指标来判断大气层的稳定度时, 学生就更难理解和掌握了。

为了使学生很好地掌握大气稳定度的概念, 首先要让学生明确该概念与大气污染迁移扩散的内在关系, 知道大气稳定度好坏决定着污染物在竖直方向上迁移扩散容易程度。了解该概念在大气环境化学中的地位, 使他们认识该概念的重要性, 引起学生对该概念的重视。

其次, 点出该概念实际上是物理学中有关稳定概念在大气环境化学中的具体应用的结果。为此, 要为学生回顾一下物理学中稳定性的概念。物理学中的稳定性概念是指一个处于平衡状态的物体, 由于某种原因, 物体偏离了原来的平衡状态, 当该原因消除以后, 如果物体能返回原来的平衡态, 我们说该物体处于稳定状态;如果物体不能返回原来的状态, 我们就说该物体处于不稳定状态。同样地, 我们讲大气稳定度好:意味着由于某种原因, 某一气团离开了原来的平衡状态, 当该种原因消失以后, 气团能返回到原来的状态。相反, 讲大气稳定度差, 意味着气团不能返回到原来状态。所以, 环境化学中的稳定度概念实质上就是物理学中的稳定性概念。

那么, 如何描述大气的稳定度呢?这就要告诉同学, 当一气团由于某种原因离开原来的平衡状态后, 会发生什么现象?通过教学描述大气稳定度过程, 以使学生提高提出问题的能力。由于大气层各处的大气压随海拔高度的变化而变化, 当气团离开原来的平衡状态时, 气团所受到的环境压力将发生变化, 气团内外压力不再处于平衡状态, 因而, 气团将产生膨胀或压缩。考虑到大气的传热性能较差, 如果认为气团的压缩或膨胀是瞬间完成, 没有与环境产生热交换, 那么, 该膨胀或压缩过程可以看作是一个绝热过程, 该过程将导致气团的温度变化, 进而改变气团的密度, 最终决定:当导致气团离开平衡状态的因素消失后, 气团是返回还是离开原来的平衡位置。也就是说, 决定了大气的稳定度。由上可知, 要描述大气的稳定度, 关键要知道: (1) 由于某种原因, 导致某一气团竖直离开原来的平衡位置后, 气团发生的绝热膨胀或压缩引起的气团温度降低或升高程度 (用绝热垂直温度递减率Г0表示, 其值为正) ; (2) 气团所处的大气层温度随海拔变化而变化的程度 (用气团所处大气实际垂直温度递减率Г表示) 。当Г<Г0, 表明大气层是稳定的;当Г>Г0, 表明大气层是不稳定的;而Г=Г0, 则表明大气层处于随遇平衡状态。总之, 我们通过比较Г和Г0可以判断大气的稳定度, 进而确定进入大气中的污染物是否容易迁移扩散。大气层处于不稳定状态, 表明进入气团中的污染物容易迁移扩散。相反, 当大气层处于稳定状态时, 气团中的污染物不容易迁移扩散。

我们知道, Г是所研究区域的大气层在研究时段实际的垂直方向上的温度递减率, 影响它的因素很多, 通常由实测方法确定。所以, 确定大气层的稳定度的关键是确定Г0。在大多数现有教材中, 一般只提供它的数值, 而没有详细的推导, 致使学生对其印象不升。另外, 这样安排很难提高学生计算和推导能力。本着为学生复习相关物理化学知识、培养学生分析、解决问题的能力之目的, 我们通常按如下过程为学生推导计算Г0。发现教学效果良好。

由上述可知, Г0的大小取决于任一气团偏离原来平衡位置时产生的绝热过程。通过简化和假设, 将决定Г0归结于求解下面一道物理化学作业题, 以便学生掌握分析、抽象和理论化实际问题的能力。

假设空气因某种原因离开原来平衡位置上升时, 经历了绝热 (因空气导热性小) 准静态膨胀, 空气可视为理想气体 (因暂不考虑空气中的水蒸汽) , 试求出温度随高度 (海拔) 的变化规律, 即每升高1公里, 温度降低多少 (即Г0=—dT/dh) ?

解题:因为:dT/dh= (аT/аp) 绝热· (аp/аh) , 所以, 求得 (аT/аp) 绝热和 (аp/аh) 即可得dT/dh。先求аp/аh。

考虑在高度h与h+dh之间、截面积为A的一个空气气团, 如图所示。对气团进行受力分析:作用在上下两面的力分别是-p (h+dh) ·A和p (h) ·A;设空气密度为ρ (h) , 重力加速度为g, 则作用在气团上的重力为—ρ (h) ·A·g·dh。当这三力平衡时如下等式成立:

由此可得:

如果空气的平均分子量为μ, 则空气的摩尔体积为μ/ρ (h) 。根据理想状态方程:PVm=RT, 可得:p (h) ·μ/ρ (h) =RT, 所以,

将 (3) 式代入 (2) 式得:аp/аh=-μ·g·p (h) /RT (4)

现在来求 (аT/аp) 绝热:

因为, 对于理想气体, PVm=RT, 微分后得:dp/p+dV/V=dT/T (5)

另一方面, 对于理想气体绝热过程有:PVmν=常数, 式中ν空气的恒压热容与恒容热容之比。对该式微分得:

将 (6) 式代入 (5) 式得: (аT/аp) 绝热= (ν-1/ν) ·T/P (7)

最后, 由 (4) 和 (7) 式得出:

查热力学数据手册得:ν=1.41μ=29g=980CM/S2

所以:dT/dh≌-1.00×10-4=-10K/km。

由于, 空气中常有水蒸汽, 它们在气团绝热过程中会有热的放出或吸收, 影响dT/dh值。考虑该因素影响后, 可近似地认为:dT/dh≌-6K/km。

最终, 我们可得出:Г0=-dT/dh≌6K/km。

此外, 为了让学生掌握和巩固上述知识, 给学生留了:“确定受热气团最大混合层高度”的作业题。经过对学生完成作业情况总结分析, 发现利用该作业题, 还能督促和培养学生运用已学知识的能力和自学新知识的能力。

大气稳定度对污染物扩散的彩响 篇2

大气稳定度对污染物扩散的彩响

本文利用哈尔滨市2000～气象与空气质量的监测资料,分析了大气稳定度对污染物扩散影响.其中包括大气逆温、里查逊数对污染物扩散的`影响,并依此进行了大气稳定度和所对应的大气污染等级划分.

作 者：张同智 袁启光 ZHANG Tongzhi YUAN Qiguang 作者单位：黑龙江省气象台,黑龙江,哈尔滨,150030刊 名：黑龙江气象英文刊名：HEILONGJIANG METEOROLOGY年，卷(期)：26(2)分类号：P49关键词：大气稳定度 污染物 扩散影响 污染等级

大气稳定度 篇3

关键词：位温梯度公式,大气稳定度,判定方法

1. 前言

在大气污染预防和治理过程中, 大气污染物扩散状态的研究经常利用当地的大气扩散状态进行分析和判断, 大气扩散的程度直接影响大气污染物的排放、稀释和对周边环境造成的污染状况。大气的扩散与大气稳定度有着非常密切的关系, 借助大气稳定度的判定可以确定大气扩散的程度。

2.1大气稳定度的判定方法

大气稳定度的传统判定方法是比较γ和γd二者的大小 (即温度层结曲线法) , γ表示单位 (通常取100m) 高差气温变化速率的负值, 计算公式为γ=-坠T/坠Z;γd表示干空气块绝热上升或下降100m时, 温度降低或升高的数值, γd=0.98K/100m (g=9.81m/s2, Cp=0.996J/g·K) 。当γ>γd时, 大气是不稳定的;当γ<γd时, 大气是稳定的;当γ=γd时, 大气是中性的。[1]此方法研究对象是同一个空气块在不同高度的温度变化情况, 而无法利用不同高度的两个空气块的状态来判定大气稳定度。也就是说, 对于不同高度上两个气块的热状态 (判定大气是否稳定) , 单纯比较它们的温度是不行的, 因为气压对热状态也有影响, 只有将两气块沿干绝热过程修正到一个相同的气压后才能比较。

所以, 大气稳定度的判定还可以用位温梯度法, 此方法与温度层结曲线法相比, 更科学、更合理、更准确, 应用也较多。但从我多年的教学和交流情况来看, 这方面的知识在常用的《大气污染控制工程》教材中没有介绍, 学生对这种方法的理解和掌握都很困难, 特别是利用位温的概念进行位温梯度的推导更难掌握。我对位温的相关概念和自己在教学过程中对于位温梯度的推导过程, 以及利用位温梯度法进行大气稳定度的判定作相关介绍。

3. 位温梯度的概念及意义

所谓位温, 就是将气块由其最初的压力P沿绝热过程修正到1000k Pa的标准压力时所具有的温度, 以θ表示:

式中, P、T—分别表示气块最初的压力和温度。

值得注意的是, 虽然气块在绝热升降过程中的温度将改变, 但其位温在该过程中却是不变的, 这是位温的重要性质。所以位温比气温更能代表气块的热力学特性。[2]

4. 位温梯度公式的推导

由于位温、温度和压力都随高度Z的变化而变化, 因此对位温θ求偏导,

由位温的定义可知, 气块的移动过程为绝热过程, 则根据热力学第一定律

式中CV、CP、分别为系统的定容比热容、定压比热容和系统的热量。

根据理想气体状态方程PV=n RT, 令单位气体的摩尔数n=1,

对气体的体积V求偏导 (P、T也是高度Z的函数) ,

其中, 为温度的变化, 为气块的热交换, 为外界压力的变化。

由于是绝热过程, 气块与外界无热量交换, 其内部热量H不随高度而变化, 即,

到此, 位温梯度的公式得证。

5. 利用位温梯度判定大气稳定度

由以上介绍可知, 大气稳定度的判定可以用温度层结曲线法, 但是该方法有其局限性。由于位温梯度考虑的因素相对比较全面合理, 能满足实际大气状况判定的要求, 因此用位温梯度法进行判定, 其准确性、可靠性和科学性较强。

从位温梯度公式和参数意义可以得出结论, 位温θ和温度T的正负号一致, θ/T>0。只要验证γ与γd之间的大小关系即可判定大气是否稳定。

当位温梯度时, 表明γ<γd, 气块的加速度, 加速度α方向与位移方向ΔZ不一致, 判定大气是稳定的;

当位温梯度时, 表明γ>γd, 气块的加速度, 加速度α方向与位移方向ΔZ一致, 判定大气是不稳定的;

当位温梯度时, 表明γ=γd, 气块的加速度, 气块别外力推到哪里就停到哪里或做等速运动, 判定大气是中性的。

6. 结语

判定大气稳定度, 位温梯度法与温度层结曲线法相比, 其实际意义更大, 实际应用更加科学合理。本文根据位温的定义, 对位温梯度公式进行了推导, 整个论证过程的关键就是利用绝热的条件。通过公式推导, 强化对公式中参数意义的更进一步理解和掌握, 从而熟练运用位温梯度公式进行大气稳定度的判定。如果对公式和公式中四个参数的意义不甚了解, 那么判定大气是否稳定就很困难。

参考文献

[1]王丽萍主编.大气污染控制工程.煤炭工业出版社, 2002.8:249-251.

大气稳定度 篇4

激光推进运载器大气飞行稳定性影响因素研究

针对环聚焦的Myrabo构型激光推进飞行器在大气中飞行现象,建立了激光推力器冲量模型,给出了光船飞行六自由度动力学模型.设计算法解决了脉冲力作用下,光船动力学方程的`解算精度与效率折中问题;仿真分析了激光脉冲频率、脉冲能量和升力线斜率大小对光船运动稳定性影响.结果表明:在垂直方向,光船上升速度呈锯齿状,且存在脉冲频率下限;在侧向,激光脉冲频率越高,回复速度越快,回复曲线也越光滑,升力线斜率的增加能够使光船以更短的时间趋于稳定.

作 者：杨昊 程谋森 YANG Hao CHENG Mou-sen  作者单位：国防科技大学,航天与材料工程学院,湖南,长沙,410073 刊 名：飞行力学  ISTIC PKU英文刊名：FLIGHT DYNAMICS 年，卷(期)： 25(3) 分类号：V412.4 V439 关键词：激光推进   Myrabo光船   冲量特性   稳定性