Метеорологія та кліматологія

Міністерство освіти, науки, молоді та спорту України

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

 

 

 

 

 

Кафедра екології

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсова робота з дисципліни

 « Метеорологія та  кліматологія»

 

 

 

 

 

 

Виконала:

 студентка групи 201- СЕ:

Путренко М. О.

      З. К. № 10109

Перевірила: Ілляш О. Е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полтава 2012  
ЗМІСТ

 

     АНОТАЦІЯ …………………………..……………...………..……………….… 4

    Загальна частина …………………………………..…………….………… 5

     Ι. ВИЗНАЧЕННЯ МЕТЕОРОЛОГІЧНИХ і КЛІМАТИЧНИХ  ФАКТОРІВ

     1. Визначення радіаційного балансу діяльного шару землі …………….....7

        1.1. Розрахунок  радіаційного балансу …………………………………….7

   1.2. Побудова діаграми добового розподілу радіаційного балансу…………8

     2. Аналіз теплового режиму атмосфери    ……………………………….…..10

        2.1. Визначення розподілу температури  атмосферного повітря

               по висоті   ……………………………………………………………….10

          2.2. Побудова графіку кривої стратифікації  ……………………………...10

    2.3. Визначення характеру стану атмосфери …………………………………10

    3. Аналіз розподілу водяної пари в атмосфері ...……………………….….13

        3.1. Визначення характеристик вологості повітря   ………………………13

   3.2. Визначення  розподілу вологості повітря по висоті  …………….………13

        3.3. Розрахунок  умов  конденсації   водяної пари 

               в  атмосферному повітрі   ……………………………………………...14

        3.4. Визначення рівня конденсації   …………………………………….......16

        3.5. Визначення висоти шару перемішування   …………………….………18

        3.6. Побудування графіку кривої  стану повітря    ………………………..19

    4. Аналіз  режиму вітрів   ……………………………………………………….21

    5. Кліматична  характеристика місцевості  …………………………………....3

    ΙΙ.  АНАЛІЗ  МЕТЕОРОЛОГІЧНИХ УМОВ  ЗАБРУДНЕННЯ АТМОСФЕРИ

     6. Характеристика об'єкта - джерела забруднення   ……………………........25

    7. Аналіз  впливу метеорологічних факторів  на рівень 

        забруднення атмосфери ………………………………...…………………...25

   7.1. Аналіз  режиму  вітрів  ………………………………………………...…..25

   7.2. Аналіз  стратифікації атмосфери  ………………………………………….27

        7.3. Аналіз повторюваності туманів і атмосферних опадів  ……………...27

        7.4.Аналіз несприятливих метеорологічних умов (НМУ) ………………..27

8.Аналіз метеорологічних  умов поширення домішок   ………………………..28

    ВИСНОВКИ   .…………………………………………………………………………………30

    ЛІТЕРАТУРА  …………………………………………………………………………………31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АНОТАЦІЯ

У сучасних умовах швидкого розвитку промисловості, росту міст посилюється вплив на навколишнє середовище. Атмосфера є однією з основних систем навколишнього середовища. Суттєвий вплив на перенесення речовин в атмосфері справляють метеорологічні умови.

Урахування результатів досліджень забруднення атмосфери і кліматичних  умов, що визначають розсіювання речовин в атмосфері, необхідне також при державному плануванні заходів по охороні атмосферного повітря, для раціонального розташування житлових районів та підприємств, а також для регулювання викидав шкідливих речовин джерелами забруднення в окремі короткі періоди часу при несприятливих умовах для її розсіювання.

Метою цієї курсової роботи є визначення та аналіз метеорологічних і кліматичних  факторів, пов'язаних з фізичними процесами, що формують клімат певної місцевості і впливають на розсіювання домішок в атмосфері.

У ході курсової роботи розв'язуються наступні питання:

      •обробка та аналіз кліматичних спостережень;

•виявлення зв'язків між кліматичними та екологічними процесами;

•визначення метеорологічних умов, що найбільш суттєво впливають на рівень забруднення атмосфери даної місцевості;

•застосування метеорологічних знань при вирішенні завдань оцінки об'ємів;

       •напрямків та швидкостей атмосферних міграцій забруднювачів   довкілля;

•аналіз    найбільш    несприятливих   ситуацій   при    атмосферних   міграціях забруднювачів стосовно до певних умов розташування джерел шкідливих викидів.

У курсову роботу входить пояснювальна записка у супроводженні відповідного графічного матеріалу, яка складається з анотації та двох частин.

Перша частина направлена на засвоєння  знань фізичної суті процесів, що формують клімат, і на їх практичне застосування при визначенні метеорологічних та кліматичних факторів, які впливають на розсіювання домішок в атмосфері. Ця частина містить такі розділи:

1. Визначення радіаційного балансу діяльного шару землі.
2. Аналіз теплового режиму атмосфери.
3. Аналіз розподілу вологості в атмосфері.
4. Визначення кількості та інтенсивності опадів.
5. Аналіз режиму вітрів.
6. Побудування картограми.

Графічний матеріал, яким супроводжується  пояснювальна записка 1-ої частини, повинен містити: графік добового розподілу сумарної сонячної радіації та радіаційного балансу, графік кривої стратифікації, графік кривої стану атмосферного повітря, розу вітрів. В кінці 1-ої частини будується загальна картограма для заданої місцевості.

Друга частина курсової роботи присвячена аналізу впливу метеорологічних  факторів на рівень забруднення атмосфери в районі розташування заданого промислового підприємства і населеного пункту. Ця частина містить такі підрозділи:

1. Аналіз режиму вітрів.
2. Аналіз стратифікації атмосфери.
3. Аналіз повторюваності туманів та атмосферних опадів.
4. Аналіз несприятливих метеорологічних умов (НМУ).
5. Аналіз метеорологічних умов поширення домішок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основні дані фізико-географічної та кліматичної  характеристики міста Лубни:

 

Фізико-географічне  районування

Місто Лубни розташовані у Центрі України, у Полтавській області, яка межує  із Київською, Черкаською, Кіровоградською, Дніпропетровською, Харківською, Сумською та Чернігівською областями.

Адміністративне розташування

     Лубни розташовані на широті  місцевості 50⁰.

Геоморфологічна карта

     Акумулятивні  рівнини. Плоскі і терасовані  алювіальні низовини та долини  річок.

Характер  земної поверхні

Придніпровська низовина.

Переважний  напрямок вітру за рік

У січні переважний напрямок вітру  південно-західний, а у липні –  північно-західний.

Основні шляхи переміщення циклонів та антициклонів.

Зима: Лубни знаходиться на шляху руху холодних циклонів.

Літо: Лубни влітку циклонів не мають.

Температура атмосферного повітря

     Абсолютний максимум t_a^max – 37 ⁰C;

     Абсолютний мінімум t_a^min – -35 ⁰C.

Збір  та систематизація кліматичних для  даних заданої місцевості:

 

1. Середньомісячна відносна вологість повітря.

 

I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	рік
87	85	82	70	61	64	65	68	70	79	86	87	75

 

2. Середньомісячна сума опадів , мм.

 

I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	рік
34	33	29	36	46	63	62	60	41	46	43	40	533

 

3. Середньомісячна температура повітря, ⁰ С

 

I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	рік
-6,7	-6,1	-1,2	7,4	14,8	18,0	20,0	19,0	13,8	7,2	0,7	-4,3	6,9

                               

 

 

 

 

4. Середньомісячна температура  ґрунту, ⁰ С

 

I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	рік
-7	-6	-1	8	18	22	24	22	15	7	1	-4	8

 

Грунт – чорнозем середньо суглинистий

 

5. Потік сонячної радіації (прямої і розсіяної) на горизонтальну поверхню.

 

Години дня до полудня
2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8	8-9	9-10	10-11	11-12
-	-
21-22	20-21	19-20	18-19	17-18	16-17	15-16	14-15	13-14	12-13
Години дня після полудня

 

6. Середньомісячна швидкість вітру,  м/с 

 

Висота флюгера	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	рік
15	3,6	4,0	4,0	3,5	3,2	2,8	2,6	2,5	2,2	3,0	3,4	3,7	3,2

 

7. Повторюваність вітрів за напрямками

 

місяць	Пн	ПН.Сх	Сх	Пд.Сх	Пд	Пд.Зх	Зх	Пн.Зх	Штиль
I	9	12	13	14	12	12	15	13	7
VI	16	15	10	9	9	8	12	21	14
Рік	12	13	13	13	10	10	13	16	11

 

8. Найбільша місячна кількість опадів, мм

 

I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Рік
79	87	74	94	109	192	190	171	190	143	108	104	1541

 

9. Середня кількість днів з туманами

 

I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Рік
20	17	18	10	3	3	2	3	3	14	22	22	94

 

 

 

 

 

 

 

 

Ι. ВИЗНАЧЕННЯ МЕТЕОРОЛОГІЧНИХ і КЛІМАТИЧНИХ  ФАКТОРІВ.

 

      1. Визначення радіаційного балансу діяльного шару землі

 

1.1 Розрахунок  радіаційного балансу

Радіаційний баланс діяльного шару землі   R  являє собою суму короткохвильової радіації   R_К   та довгохвильової радіації   R_Д  і залежить від  складових його потоків

 

                        R = R_K + R_Д = (S_Г + D) · (1 - A) - B_ЕФ   ,                       (1.1)

де  S_Г - потік сонячної радіації на горизонтальну земну поверхню, Вт/м², [1,2] ; 

      D -  потік розсіяної радіації на земну поверхню, Вт/м², [1,2] ;

      В_ЕФ -  ефективне випромінювання, узяте зі зворотнім знаком, Вт/м² .

Величина   В_ЕФ   у свою чергу визначається як

 

                   В_ЕФ  =  σ · δз ·[ T₃⁴ - T_A⁴ · ( 0.61 + 0.05 √е )]  ,                   (1.2)

 

де   σ   -   постійна Стефана-Больцмана, що дорівнює  5.7·10^-11 кВт/(м² К⁴);

      δз  - відносна випромінююча властивість земної поверхні чи коефіцієнт випромінювання , δз=0,97;

      Т_З - температура земної поверхні ,⁰К,  що дорівнює  Т_З = 273 + t₃ .

Температура земної поверхні   t₃  ,⁰С,  приймається  за [1];   

Т_З = 273 +24=297;

Т_А  - середнє значення температури повітря найбільш теплого місяця року, ⁰К; 
T_A = 273 +20=293;

       е  -  парціальний тиск водяної пари (пружність водяної пари), гПа, [1,2].Пружність водяної пари визначається за формулою

 

е =φ*Е/100,

де φ – відносна вологість  повітря, φ=65%;

     Е – тиск насиченої  пари,гПа,Е=19,86 гПа.

 

е =23,37*65/100=15,19 гПа

 

В_ЕФ  =  5.7·10^-11*0,975*[297⁴ – 293^4*(0,61+0,05 *

)]=0,1 Вт/м²

 

R =34*(1-0,13)-0,1=29,48 Вт/м²

R =161*0,87-0,1=139,97 Вт/м²

R =300*0,87-0,1=260,9 Вт/м²

R =462*0,87-0,1=401,84 Вт/м²

R =607*0,87-0,1=528 Вт/м²

R =712*0,87-0,1=619,34 Вт/м²

R =798*0,87 -0,1=694,16 Вт/м²

R =859*0,87-0,1=747,23 Вт/м²

 

 

Розрахунок величин  радіаційного балансу К. зводиться у табличну форму:

 

Таблиця 1.1

Величина потоків	Значення потоків, Вт/м2
	Години доби
	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8	8-9	9-10	10-11	11-12
SГ	-	-	17	56	84	98	112	126	129	133
I	-	-	17	105	216	364	495	586	669	726
Q	-	-	34	161	300	462	607	712	798	859
R	-	-	29,48	139,97	260,9	401,84	528	619,34	694,16	747,23
	21-22	20-21	19-20	18-19	17-18	16-17	15-16	14-15	13-14	12-13
	Години доби

 

 

1.2.    Побудова  діаграми добового розподілу  радіаційного балансу.

На основі даних таблиці 1.1. будуємо сумісну діаграму добового розподілу сумарної сонячної радіації та радіаційного балансу у теплий період (липень). По горизонтальній осі відкладаємо часи доби, а по вертикальній -значення величини Q, (Вт/м²) та величини R, (Вт/м²) - мал. 1.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Аналіз теплового режиму атмосфери

 

2.1 Визначення розподілу температури  атмосферного повітря по висоті

Розподіл  температури атмосферного повітря  по висоті характеризується вертикальним температурним градієнтом, ⁰С/м ,

                   γ =  - (∆ t /∆ z) ·100  ,                                              (2.1.)

де  ∆ t = t_ВРⁿ  - t_ВР ^n-1 -  різниця температур повітря на верхньому (заданому) та нижньому рівнях, ⁰С;

      ∆ z  - різниця рівнів, м ( див. завдання);

     γ  - вертикальний температурний градієнт відповідно до кожного рівня висоти ( див. завдання).

Визначення  розподілу  температури по висоті t_ВР¹¸ t_ВР⁵ проводять за формулою

                     t_ВРⁿ = - [ ( γ · ∆ z) / 100 ] + t_ВР ^n-1                               (2.2.)

 

1)  t_ВР¹ = - [(0 · 30 ) / 100] + 13,8= 13,8 ⁰С ;         Z₁ =30

2)  t_ВР² = - [( 1,0 · 50 ) / 100] +13,8 = 13,3 ⁰С ;                              Z₂ =80

3)  t_ВР³ = - [(-1,0 · 420 ) / 100]  + 13,3 = 17,5 ⁰С ;                        Z₃ =500

4) t_ВР⁴ = - [(-0,5 · 500) / 100] +17,5 = 20 ⁰С;                                Z₄ =1000

5) t_ВР⁵ = - [(1.3·800)/ 100] + 20= -9,6 ⁰С.                                      Z₅ =1800

 

2.2  Побудова графіка кривої  стратифікації

Користуючись  визначеними даними зміни температури  повітря з висотою у заданий  період року, будують графік кривої стану атмосферного повітря (рис.2.1) – кривої стратифікації. На горизонтальній осі координат відкладають значення температур (⁰С) ,а на вертикальній – висоту (м).

 

3.   Визначення характеру стану атмосфери

Визначення  характеру стану атмосфери на заданих рівнях можна проводити, користуючись двома методами.

Ι метод  передбачає порівняння динаміки зміни кривої стратифікації (1) з кривою стану суміші повітря, що адіабатично підіймається (2), яка додатково будується на  рис.2.1.

Крива (2) характеризується величиною адіабатичного вертикального  градієнта

               γ_а = (∆ t /∆ z) ·100 = 1 ⁰С/ 100м                (2.3)  

За формулою (2.3) визначаються температури t_ВР¹¸ t_ВР⁵ і будується крива стану суміші повітря (2), що адіабатично підіймається, відповідно до заданих рівней  z (рис. 2.1).

 

 

 

 

 

За даними рис.2.1 проводиться аналіз характеру стану атмосфери на кожному рівні:

 

Z₁ = 30 м       (γ ₁ =0 )                                       -  ізотермія ;

Z₂ = 80 м       (γ ₂ = 1,0 )                                  -  рівноважна ;

Z₃ = 500 м     (γ ₃ = -1.0 )                                  -  сильно інверсія ;

Z₄ = 1000 м   (γ ₄  = -0,5 )                                  - слабо інверсія;

          Z₅ = 1800 м   ( γ₅ = 1.3 )                                    -неусталена.

 

 Визначаємо розподіл температури суміші повітря:

 

1. t_ВР¹ = - [(1 · 30) / 100] + 13,8 = 13,5 ⁰С ;
2. t_ВР² = - [ (1 · 50)  / 100] + 13,5 = 13 ⁰С ;
3. t_ВР³ = - [ (1 · 420 ) / 100]  + 13 = 8,8 ⁰С ;
4. t_ВР⁴ = - [ (1 · 500) / 100] +8,8 = 3,8 ⁰С;
5. t_ВР⁵ = - [ (1 · 800) / 100] +13,8 = -4,2 ⁰С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            3. Аналіз розподілу водяної пари в атмосфері

 

  3.1  Визначення характеристик вологості повітря

Пружність (парціальний  тиск) водяної пари   визначається за формулою , гПа,

 е= φ · Е/100 ,         (3.1)    

  

де φ – відносна вологість повітря, φ=88 %;

     Е – тиск насиченої пари, гПа, приймається за додатком  1 відповідно до  значення t_а .(Е=15,78гПа)

 

е=15,78 · 70/100=11,05 гПа

 

Абсолютна вологість  повітря  визначається за формулою , г/м³,

 

        а = 217 · е / Т ,               (3.2)

де  Т = 273 + t_а , ^оК .

 

а =217 · 11,05/(273+13,8)=8,36 г/м³

 

Питома вологість  повітря , г/кг, визначається як

 

s = 622 · е / p ,                       (3.3)

 

де   p – атмосферний барометричний тиск приймається рівним 1013.3 гПа.

 

s =622· 11,05/1013,3=6,78 г/кг

 

3.2  Визначення розподілу  вологості повітря по висоті

Розподіл  вологості по висоті характеризується величинами відносної  φ_z або абсолютної а_z вологості на відповідних рівнях

 

φ_z = е_z / Е_z · 100 % ,       (3.4) 

                  а_z = 217 · е_z / Т_ВР ,                                                    (3.4а)

 

де   е_z  - парціальний тиск  ненасиченого вологого повітря, гПа, на висоті  Z   визначається за формулою

 

                          е_z = е_о · 10 ^-z/6300 ,          (3.5)

 

 а  Е_z – тиск насиченої пари, гПа, при температурі повітря  t_ВР   на  висоті  Z (див. дод.1), е₀ – пружність водяної пари на рівні  z_о; Т_ВР - температура повітря на відповідних рівнях Z.

 

 

 

 

е_z1=11,05 · 10^-30/6300=10,93 гПа

е_z2=11,05 · 10^-80/6300=10,73 гПа

е_z3=11,05 · 10^-500/6300=9,20 гПа

е_z4=11,05 · 10^-1000/6300=7,67 гПа

е_z5=11,05 · 10^-1800/6300=5,72 гПа

 

φ_z1 =10,93/15,78 · 100%=69 %

φ_z2 =10,73/15,28 · 100%=70 %

φ_z3 =9,20/20 · 100%=46 %

φ_z4 =7,67/23,37 · 100%=33 %

φ_z5 =5,72/11,95 · 100%=48 %

 

а_z1 =217 · 10,93/286,8=8,27 г/м³

а_z2 =217 · 10,73/286,3=8,13 г/м³

а_z3 =217 · 9,20/290,5=6,86 г/м³

а_z4 =217 · 7,67/293=5,68 г/м³

а_z5 =217 · 5,72/282,6=4,39 г/м³

 

Розрахунок розподілу вологості повітря зводиться в таблицю 3.1.

Таблиця 3.1

Висота, м	tВР , 0С	Еz , гПа	еz , гПа	φz , %	аz, г/м3
30	13,8	15,78	10,93	69	8,27
80	13,3	15,28	10,73	70	8,13
500	17,5	20,0	9,20	46	6,87
1000	20	23,37	7,67	33	5,68
1800	9,6	11,95	5,72	48	4,39

 

3.3 Розрахунок  умов конденсації водяної пари  в атмосферному повітрі

1. При радіаційному охолодженні земної поверхні охолоджується і прилеглий до неї шар повітря, що в багатьох випадках приводить до конденсації водяної пари.

Проводиться розрахунок умов конденсації  насиченого вологого повітря з температурою t вп = t_а , яке охолоджується до температури tох =-(5-10)° С=(-2,6) -5= -7,6 °С:

 

                          Δа = а_ВП – а_ОХ  ,       (3.6)

 

де  абсолютна вологість насиченого повітря   а_ВП  чи  а_ОХ   визначається відповідно

а_ВП = 0.8 · Е_ВП /(1 + 0.004 · t_ВП ) ,     (3.7)

а_ОХ = 0.8 · Е_ОХ /(1 + 0.004 · t_ОХ ).     (3.8)