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同学们好！今天这一讲我们介绍大气的运动和风
大气运动可以分为水平运动和垂直运动
我们前面介绍的对流
就是空气团在热力或动力作用下的垂直上升运动
在这一讲里我们重点讨论大气的水平运动
也就是我们常说的风
大气的运动受到各种力的影响，除重力外
水平气压梯度力、地球自转引起的地转偏向力
曲线运动中产生的惯性离心力和粗糙地面产生的摩擦力
都会影响到大气的运动
水平气压梯度力是由压力场水平方向上气压梯度所产生的力
只要水平方向存在气压梯度
大气就会从高压侧向低压侧运动
这是形成风的直接动力
风的大小是由压力梯度决定的，压力梯度越大，则风速越高
反之压力梯度较小，容易产生静风天气
水平梯度力的大小与气压梯度成正比
地转偏向力是由地球自转引起的一种惯性力
地球上一切运动的物体都会受到它的影响
它会使运动着的大气偏离水平气压梯度的方向
这种力的作用方向与运动的方向垂直
因此只改变风向，而不改变风速
地转偏向力在北半球指向运动方向的右方
在南半球指向运动方向的左方
地转偏向力的大小可以根据风速
地球自转角速度和当地的纬度计算
从这个公式可见，地转偏向力与风速呈正比
并且随纬度的增大而增大
惯性离心力是由于大气的曲线运动
产生的与运动方向垂直、指向曲线外侧的力
它的大小与大气运动线速度的平方成正比
与曲率的半径成反比
摩擦力是相邻大气层之间
以及大气层与地面间由于相对运动而产生阻碍大气运动的力
摩擦力和相对运动的方向相反
并且随着相对运动速度的增大而增大
摩擦力大小随大气层高度不同而异，近地层最大
高度上升，作用力减弱
一般在距地面 1～2km 范围内，摩擦力总是存在
那么上述各种力综合起来
会对大气的运动产生什么样的影响呢
我们以北半球一个规则的低压场为例来进行分析
假设这个气压场在边界层以上，摩擦力可以忽略
气压梯度力指向低压中心
小气块开始是静止的，由于受到气压梯度力的作用
开始向低压中心运动
在运动过程中
气块受到与运动方向垂直的地转偏向力和惯性离心力的作用
运动方向将向右偏
随着偏转的幅度越来越大，气块的运动方向与等压线平行
气压梯度力与地转偏向力和惯性离心力平衡
这时气块将沿着与等压线平行的轨迹
绕低压中心做匀速圆周运动
因此，在边界层以上，风速通常是平行于等压线
而不是垂直于等压线的
这种特殊的风向是由于地转偏向力导致的，称作地转风
对于近地层而言，则需要考虑摩擦力的影响
由于摩擦力的方向始终与速度方向相反
也始终与地转偏向力和惯性离心力的方向垂直
气块在运动时发生的偏转就比没有摩擦力(时)要小一些
最终平衡时，气块的运动方向将与(等)压线成一定的夹角
因此在近地层，风速方向与等压线方向有一定的夹角
既不平行于等压线，也不垂直于等压线
在实际大气中，由于受到地转偏向力、摩擦力的影响
风速的方向是比较复杂的
并且，由于摩擦力的不同
近地层和边界层以上的风速是不同的
风速在垂直方向上会发生变化
那么，风速在垂直方向上的变化符合什么规律呢
由于地表摩擦力的作用，靠近地表部分的风速减缓
当气压梯度力不变时，随高度增加风速也相应增大
同时风向与等压线的夹角也会减小
在北半球，将边界层中不同高度的风矢量用矢量图表示
并把它们投影到同一水平面上
将风矢量顶点连接，就可以得到一个风矢量的轨迹线
它通常呈现出螺旋线的状态
这一规律是瑞典海洋学家埃克曼在1905年首先提出的
我们称之为埃克曼螺旋线
这个图就是埃克曼螺旋线的一个示意图
在北半球，埃克曼螺旋线以顺时针方向转动
地面风与高空风的夹角大约为20~30°
埃克曼螺旋线描述了风矢量随高度的变化
平均风速随高度的变化曲线称为风速廓线
其数学表达式称为风速廓线模式
近地层风速廓线模式有许多种
其中常用的是对数律风速廓线模式和指数律风速廓线模式
在中性层结、近地面的风速廓线
可以用对数律风速廓线模式来描述
即高度Z处的平均风速等于Z与地面粗糙度比值的对数
乘以摩擦速度再除以卡门常数
摩擦速度通常由观测数据确定，卡门常数一般取0.4
地面粗糙度主要受不同地面条件的影响
草原的粗糙度很低，而有密集大楼的大城市粗糙度很高
对于非中性条件、或者300~500m高度处的中性大气层
我们通常采用指数律的风速廓线模式
即高度Z处的平均风速等于已知高度Z1处平均风速乘以一个指数项
这里的幂指数m是稳定度参数，m总是小于1的正数
其大小取决于大气稳定度和地面粗糙度
层结越不稳定，m值越小
有关大气稳定度分级的知识，我们会在第四章进行详细介绍
除了受气压和高度影响外，风还与地形地貌紧密相关
风与地形的关系主要体现在海陆风、山谷风和城市热岛效应上
海陆风是海风和陆风的总称
是由于海洋和陆地受热不均匀
从而在海陆交界处发生的、以24小时为周期的局地性大气环流
白天在太阳的照射下，由于陆地热容小，升温快，海洋热容大，升温慢
陆地上空空气受热上升，在底部形成低压
海洋上空空气下沉，形成高压
于是低空白天吹海风
到了夜间，由于陆地降温快、海洋降温慢，大气环流与白天相反
于是晚上海岸附近吹陆风
陆风在夜间可以将污染物带到海上
但这些污染物又会在第二天被海风带回岸边
造成严重的污染
山谷风是山风和谷风的总称
它主要发生在山区，是由于山坡和山谷
受热不均匀造成的以24小时为周期的局地大气环流
白天，山坡和山顶受热快，空气上升
风由谷地吹向山坡，在山坡上形成谷风
夜间，山顶和山坡降温快
空气下沉，在山坡上形成山风
在山风和谷风的转化时期
风向很不稳定，时而山风时而谷风
这时若有大量污染物排入山谷中
由于风向的摆动，污染物不易扩散
在山谷中停留时间较长，就可能造成严重的大气污染
1930年12月的比利时马斯河谷事件
1948年10月的美国多诺拉烟雾事件
都受到了山谷风的影响
城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风
在城市中，由于交通、建筑空调等产生大量热源
使得城市上空气温比乡村高
平均温差一般为0.4-1.5℃，有时可以达到3-4℃
由于城市温度比乡村高，城市气流上升
近地面形成由周围乡村吹向城市的局地性气流
因此，若城市周围有较多排放污染物的工厂
就会使污染物向市区输送，造成严重的污染
至此，我们第三章大气污染气象学的知识就全部介绍完了
谢谢大家
-1-1 大气污染的定义和分类
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-第一章 绪论--1-1 大气污染的定义和分类
-1-2 大气污染物和排放源
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-第一章 绪论--1-2 大气污染物和排放源
-1-3 大气污染的影响
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-第一章 绪论--1-3 大气污染的影响
-1-4 大气污染防治法规及标准体系
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-第一章 绪论--1-4 大气污染防治法规及标准体系
-第一章 绪论--第一章 作业习题
-2-1 燃料的性质与分类
-第二章 燃烧与大气污染--2-1 燃料的性质与分类
-2-2 燃烧过程和计算
--燃烧过程和计算
-第二章 燃烧与大气污染--2-2 燃烧过程和计算
-2-3 硫氧化物的生成
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-第二章 燃烧与大气污染--2-3 硫氧化物的生成
-2-4 氮氧化物的生成
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-第二章 燃烧与大气污染--2-4 氮氧化物的生成
-2-5 颗粒物的生成
-2-5 颗粒物的生成--作业
-2-6 其他污染物的生成
--其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-6 其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--第二章 作业习题
-3-1 概述
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-第三章 大气污染气象学--3-1 概述
-3-2 大气的垂直结构
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-第三章 大气污染气象学--3-2 大气的垂直结构
-3-3 大气的热力过程
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-第三章 大气污染气象学--3-3 大气的热力过程
-3-4 大气稳定度与逆温
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-3-4 大气稳定度与逆温--作业
-3-5 大气的运动和风
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-第三章 大气污染气象学--3-5 大气的运动和风
-第三章 大气污染气象学--第三章 作业习题
-4-1 概述
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-1 概述
-4-2 点源扩散的高斯模式
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-2 点源扩散的高斯模式
-4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
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-第四章--4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
-4-4 点源扩散浓度的估算
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-4 点源扩散浓度的估算
-4-5 线源和面源扩散模式（选修）
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-第四章--4-5 线源和面源扩散模式（选修）
-4-6 空气质量模型的研究进展
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-4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
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-第四章--4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
-第四章 大气污染浓度估算模式--第四章 作业习题
-5-1 粒径与粒径分布
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-1 粒径与粒径分布
-5-2 颗粒物的形貌特征
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-2 颗粒物的形貌特征
-5-3 化学组成和光学性质
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-5-3 化学组成和光学性质--作业
-5-4 粉尘的物理性质
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-4 粉尘的物理性质
-5-5 净化装置的性能
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-5 净化装置的性能
-5-6 流体阻力和颗粒的沉降
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-第五章--5-6 流体阻力和颗粒的沉降
-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）
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-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）--作业
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-第六章 除尘装置--6-1 重力沉降室
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-6-2 旋风除尘器--作业
-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）
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-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）--作业
-6-4 荷电颗粒的运动和捕集
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-第六章 除尘装置--6-4 荷电颗粒的运动和捕集
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-第六章 除尘装置--6-5 电除尘器的结构和设计
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-6-6 袋式除尘器的工作原理--作业
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-第六章--6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
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-6-8 袋式除尘器的设计和应用--作业
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-第六章 除尘装置--6-9 湿式除尘器的工作原理
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-第六章 除尘装置--6-10 文丘里洗涤器（选修）
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-6-11 除尘器的选择与发展--作业
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-期中测试--期中测试
-7-1 物理吸收传质计算
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-第七章 --7-1 物理吸收传质计算
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-7-2 化学吸收传质计算--作业
-7-3 吸收设备和工艺
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-7-3 吸收设备和工艺--作业
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-7-4 气体吸附原理与速率--作业
-7-5 吸附设备与工艺
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-7-5 吸附设备与工艺--作业
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-第七章 --7-6 吸附器的设计计算
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-7-7 催化原理--作业
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-7-8 气固催化反应动力学--作业
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-8-4 高浓度二氧化硫回收--作业
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-第八章 --8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-12-2 气候变化的应对措施--作业
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-12-4 臭氧层破坏的应对措施
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-第十二章 全球性大气环境问题--第十二章作业习题
-Lecture 01
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-Lecture 02
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-Conversation
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