大气环境学重点复习及部分简答题

1、第三章 大气污染的气象过程 小尺度 大气边界层 自由大气1大气边界层的特征1.1、大气边界层定义1.2 大气边界层垂直分层结构 粘性副层（微观层） 近地边界层（=近地面层+冠层，常通量层） Ekman层（上部摩擦层、外部边界层） 层流、紊流1.3 边界层发展的日变化 海洋 陆地 大气边界层的分类与特征 1.4 大气边界层特征：温度、风和湍流空气的增热和冷却大气中的非绝热过程 传导：贴地气层辐射（主要长波）：地面与空气间对流与乱流：气层之间由于地表性质差异受热不均等引起的空气大规模有规则的升降运动，称对流。（高低层）小规模不规则的涡旋运动称乱流，又称湍流。（近地层大气热量交换的重要方式） 水相变

2、化：潜热交换蒸发吸热，蒸发所带水分多于凝结，大气获得热量，热带（对流层下半部）大气中的绝热过程 没有热量交换，由于压力的变换（1）干绝热过程干空气或未饱和的湿空气块，进行垂直运动时，与外界没有热量交换，只因体积膨胀（或收缩）作功引起内能增减和温度变化过程，称为干绝热过程。 气块绝热上升单位距离时的温度降低值，称绝热垂直减温率，简称绝热直减率干空气或未饱和的湿空气，绝热上升单位距离时的温度降低值，称干绝热直减率，rd据计算： rd=0.98100 m1100 m。 （2）湿绝热过程饱和湿空气作垂直湿绝上升运动时的绝热变化过程，称湿绝热过程 饱和湿空气绝热上升单位距离时的温度降低值，称湿绝热直减率

3、，用m表示。 m d （上升时水汽凝结所放出热量补偿了部分气块膨胀消耗的内能） m是一个变量，它随气温升高和气压降低而减小。 高温时的m比低温时的m小（气温高时，空气达到饱和时的水汽含量较大） 气压高的饱和空气块的m大于气压低的（气压高时空气密度大，释放的潜热所起的补偿增温作用要小一些）低层大气温度的垂直分布日变化 气温直减率的大小与太阳辐射、云况、风速和土壤热性质有关，具有明显的日变化。低层大气温度的垂直分布（1） 大气的绝热过程（2）干绝热直减率 rd= -(dTi/dZ)d=g/Cp重力加速度9.81 ms2 Cp干空气定压比热，Cp1005 J(kgK) 下标i-表示空气块下标d-表示

4、干空气 一干空气块绝热升降到标准气压（1000hPa）处所具有的温度称为它的位温。（3）气温的垂直分布 大气稳定度 判断大气中是否会产生云雾，主要就是看大气中是否会产生上升运动 判断空气是否会产生上升运动，就要看空气在铅直方向上位置稳定的程度，即大气稳定度当外界作用停止后气团有三种可能运动趋势：1、有回到原来位置的倾向稳定2、既无远离平衡位置也无返回原地的倾向中性3、有继续移动的趋势。不稳定 大气静力稳定度 处于静力平衡状态的大气层中，一些空气团块受到动力因子或热力因子的扰动，常会产生向上或向下的垂直运动，这种偏离其平衡位置的运动能否发展成为对流运动，是由大气层结，即温度和湿度的垂直分布所决定

5、。大气层结具有的这种影响对流运动的特性称为大气的静力稳定度。通常采用“气块法”判断静力稳定度大气稳定度的判定方法有 到 令 并取 则即，代入方程准静力条件，有 稳定度的综合判定方法 综合干空气和未饱和湿空气的判定方法，可归纳如下： 大气的垂直稳定度可用位温梯度来表示（如右）：稳定度对污染物扩散的影响 极稳定层结逆温（温度随高度的升高而增高的大气层）ü 辐射逆温：晴朗微风的夜晚，地面因强烈的有效辐射而降温，形成温度上高下低的现象。（学会分析原因，有图如下）ü 乱流（对流）逆温（由于低层空气的乱流混合，在乱流层的顶部所形成）ü 平流逆温：暖空气流到冷的下垫面上而形成的

6、逆温 。（冬季常 平流雾）雪面逆温ü 下沉逆温：由于空气下沉，绝热增温而形成的逆温。ü 锋面逆温：在冷暖空气的过渡带形成的逆温。（只能在冷气团所控制的地区内观测到） b夜间 c日出前后逆温层最后 d太阳出来了逐渐增温 e恢复正常 逆温对污染物扩散的影响 (?) 贴地逆温对地面源、高架源悬空逆温对地面源、高架源1.5 风的垂直分布 在低层大气中因为受地面摩擦力的影响，风随着高度增加而增大，形成有一定规律的垂直分布或称为风的廓线.1.5.1 近地层、中性层结（对数率） （摩擦速度-湍流切应力与空气密度比值的平方根） 指高处为Z的风速与摩擦速度、卡门常数及高度与地面粗糙度的比值对

7、数有关1.5.2 近地层、非中性层结（指数率） 高处为Z的平均风速与高处为Z1的平均风速及高度比的固定常数幂有关1.5.3 大气边界层风的分布 Ekman螺旋线2. 湍流2.1 、湍流的基本概念 不规则性、脉动性1、流体力学中的经典湍流概念2、湍流成因（两个因素）一般情况下，大气湍流的强弱取决于热力和动力两个因子：（1）在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作用；（2）中性层结，动力因子起主要作用。（3）湍流扩散比分子扩散快105 106倍。3、湍流判据雷诺数 层流和湍流在一定的条件下是可以相互转化的： (1) 增加流速；(2) 增加与流速相关的特征长度； (3) 减少流体的粘性。 U为平均

8、流动速度；L为流动的特征长度（如管直径）；v为运动学的粘滞系数 大气湍流临界雷诺数4、湍流的基本特征 随机性、非线性、扩散性、涡旋性、耗散性、有界性、具备统计上稳定的平均值湍流为一种叠加在平均风上的脉动变化5、理查孙数（判别大气湍流强弱的参数） 以湍能消耗率和湍能补充率的比值定义一个无因次参量Rf称为通量理查孙数： KHz和KMz分别为热量和动量的垂直交换系数定义 为理查孙数，则R(f)=Ri * (K(Hz)/ K(Mz) 其中，Ri为湍能消耗率，那个K的比值为平均动能转变为湍能即湍能补充率Ric=KMz/KHz 临界理查孙数，非常数，与磁场强弱有关 如当湍能消耗率大于湍能补充率，即RiKM

9、z/KHz时，湍能将减弱 理查孙数综合反应了热力因子和动力因子对湍流发展的影响，用它来反应层结大气温度度比单纯用热力因子判断要客观。 ，热力因子和动力因子/湍流加强；=0，热力因子不起作用/动力因子使湍流加强 >0，热力因子使湍流减弱，动力因子使湍流加强，综合效果取决于风速切变6. 低层大气的湍流特征 湍强：表示大气中湍流运动的强弱，为风速标准差与平均风速u之比 垂直湍强、横向湍强、纵向湍强2.2 大气湍流扩散的理论处理对扩散过程进行理论处理： 可得污染物浓度计算公式进行预测和估算描述大气输送与扩散有两种基本途径：1）欧拉方法是相对于固定坐标系描述污染物的输送与扩散；2）拉格朗日方法是跟

10、随流体移动的粒子来描述污染物的浓度及其变化。欧拉方法易于测量，有个闭合问题，能较精确确定所需的粒子统计量 拉格朗日方法的数学处理比欧拉方法容易些，不存在闭合问题。研究平均运动规律，形成了湍流半经验理论，研究脉动运动规律，形成了湍流统计理论。扩散理论1）梯度输送理论（K理论) 湍流半经验理论 梯度输送理论处理空气污染物散布的基本思路,就是利用湍流半经验理论，将速度场的脉动量与平均量联系起来。湍流半经验理论的一个基本假定是：由湍流引起的动量通量与局地风速梯度成正比，如： （比例系数Kz即湍流交换系数亦称湍流扩散系数） 湍流的半经验理论，是根据一些假设及实验结果建立湍流应力与平均速度梯度之间的关系，

11、从而建立起湍流运动的封闭方程组。半经验理论在理论上有很大的局限性和缺陷，但在一定条件下往往能够得出与实际符合得较满意的结果，因此在工程技术中得到广泛的应用。 湍流扩散问题 由湍流运动引起的污染物局地质量通量输送与污染物的平均浓度梯度成正比 Kx、Ky、Kx则分别为x、y、z三个方向的湍流扩散系数，故称K理论。这就是梯度输送理论（也称K理论）的基本关系式，也是导出湍流扩散方程的基础。 考虑由湍流引起的速度脉动和浓度涨落，即将速度和浓度写为平均值与脉动值之和 右端项的意义是，单位时间通过单位面积向x，y，z方向输送的扩散物质的平均质量，即局地质量通量。 运用梯度输送理论的闭合形式，对湍流脉动量用平

12、均量表示，即有 Kx、Ky、Kz分别表示坐标x、y、z方向的湍流扩散系数。即为根据梯度输送理论导出的普遍形式湍流扩散方程，它说明流体中某物质的散布是由湍流扩散所引起的。 为处理大气扩散问题，需求解扩散方程，一个主要问题: 如何定 Kx、Ky、Kz存在的问题： Kx、Ky、Kz为常数，u与高度无关，这些都与实际不符； K理论把湍流扩散类比分子扩散，缺乏严格物理依据； 假定湍流场均匀定常，实际大气很难满足。 优越性：能利用实际的风场资料而不必求助于假设；亦能比较系统、客观地求解出空气污染物的浓度分布；最后，它易于加入源变化、化学变化和其它迁移清除过程，故适于区域性较大尺度的大气输送与扩散沉积问题的

13、处理2）湍流扩散的统计理论 它把描写湍流的扩散参数 Y2(t)，和另一统计特征量相关系数 R 建立起关系，只要能找到相关系数的具体函数，通过积分就可求出扩散参数Y2(t)，污染物在湍流中扩散问题就得到解决。寻求扩散粒子的概率分布，进而求出扩散物质浓度的空间和时间的分布属于拉格朗日途径的处理方法。 高斯烟流 泰勒公式 把扩散参数和湍流脉动场的统计特征量联系起来，导出了适用于连续运动扩散过程 湍流强度 脉动速度的拉氏相关性RL（） 式中相关意思是流场同一点在不同时刻的脉动速度的相关性。 3）湍流扩散的相似理论 湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程

14、一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决扩散问题。4）比较 基本原理 、基本参数、适用范围、受限条件、气象资料3. 大气污染物浓度分布的模式计算3.1 高斯扩散公式3.2 大气扩散参数的确定3.3 烟气抬升高度3.4 污染物在大气中的清除3.1 高斯扩散模型 污染物浓度符合正态分布 平稳和均匀湍流的假设 实际排放源位于地面或接近地面的大气边界层内梯度理论导出的有风连续点源在无界情形下的扩散公式： 横向铅直向扩散参数 有界情形高架连续点源的高斯模式或烟流模式 有效源高H m ，它包含烟囱高度hs

15、和烟流的抬升高度h 有界高架源的地面浓度可令z=0得到，地面轴线上的浓度可令y=0，其高于两侧浓度。地面轴线上的浓度： 高架源的地面最大浓度qm和它离源的距离xm： 令y和z之比为常数 在某一风速下会出现地面最大浓度的极大值，称为地面绝对最大浓度qmaxabs，对应风速值称为临界风速uc，有时亦称为危险风速。模式计算参数 大气扩散参数又称大气扩散标准差、浓度分布均方差。它表示扩散质点随浓度中心轴距离的浓度分布的均方差，是大气扩散能力的度量，常以表示。1）萨顿模式 找出泰勒公式中的拉氏相关系数与一些可测气象参数的联系，然后代入泰勒公式，得出萨顿扩散参数Cy和Cz，再用Cy和Cz表示出y和 z，

16、而Cy和Cz是可以观测确定的。2）稳定度扩散级别与扩散曲线法（P-G-T法） 首先由气象观测资料判定稳定度级别（A、B、C、D、E、F），然后总结分析得出相应级别中扩散参数随距离源下风距离x的变化曲线（扩散曲线），再用扩散曲线读出不同离源距离处的扩散参数y和 z。 P：云况日射（确立辐射状况）；风速辐射（稳定度）T引入太阳高度角3）其他稳定度分类方法 a 风向脉动标准差法b 温度递减率法c 我国的扩散曲线法d 边界层湍流参量法 地面大气稳定度常用P-T 垂直大气稳定度常用温度递减率和风速法。风速的计算 计算公式中的风速，理论上指烟气有效高度处的风速，由于不方便给定，实用中取烟囱口处的风速。（P

17、PT中没说清楚，是国家标准指导下的实际测量）源强Q的计算 源强Q是单位时间内从污染源排放污染物的质量。g 估算方法有：现场实测对有组织排放源；物料衡算法；经验估算法3.3、烟气有效高度H 烟流的有效高度比烟囱实际高度要高， 有效高度H为烟囱几何高度hs与烟气抬升高度h之和。1、烟气抬升过程 造成抬升的原因：烟气出口速度（初始动量）+ 烟气比周围空气温度高（浮力） 一般烟气抬升能将烟源的实际排放高度提高到210倍的有效源高高度上，从而可能使地面最大浓度降低3100倍。 有风弯曲烟流模型，抬升大致经历4个阶段:喷出阶段、浮升阶段、瓦解阶段（环境湍流作用强）和变平阶段，最后达到烟流抬升高度h的终极抬

18、升阶段。 影响热烟流抬升的基本因子可归纳成以下3类: 1）排放源及排放烟气的性质。初始动量和浮力 2）环境大气的性质。平均风速和环境湍流强度，温度层结 3）下垫面性质。地形，地面粗糙度 弯曲烟云抬升路径(中性大气) (Briggs抬升公式)1）中性层结条件下，S=0, Fz=F0Z=常数 Fm为初始垂直通量，后者为浮力通量，为挟卷系数 只有动量作用，；只有热量作用， (?，与课本不同)（实际情况浮力为主） 称为中性大气弯曲烟气抬升Briggs2/3路径方程 中性条件下，动量抬升与抬升时间1/3成正比，浮力抬升与抬升时间2/3成正比2）稳定无风抬升 (S 为大气稳定度参数，非稳定层结时，S<

19、;0)3）稳定有风抬升 2、实用经验抬升公式 Holland公式（复杂地形） QH-烟气的热释放率(卡/秒)；Ts- 烟囱出口处的烟气温度，K；Ta-环境大气温度，K； 布里格斯（Briggs）公式（推荐） 我国标准推荐形式：以三分之二次律为基础（一般） 补：3.4 污染物在大气中的清除 干沉积、湿沉积、化学转换干沉积 对于直径大于20um的较大粒子就有明显的重力沉降，应考虑重力沉降修正。即以 代替有效源高H。 地面任意一点（x，y）的沉降率ws： 4、复杂地形上的大气污染4.1 局地建筑物对大气污染散布的影响 位移区、空腔区、尾流区4.2 山地地形影响与扩散处理4.2.1几种典型的山区大气污

20、染过程4.2.2 山区污染气象特征与污染分布 山区特殊的气象条件主要表现在山区的温度场，风场，湍流特征与平原不同。 温度场：地面受热不均匀，局部环流，逆温 ；风场：山谷风（夜天山风，白天谷风）；过山气流；山谷凹地中的小风；风廓线4.2.3 山区扩散特性4.2.4 山区扩散模式1. NOAA（高斯）模式 未考虑烟流随地形的变化，未考虑山区湍流比平原强。 2. EPA的CRSTER单源模式和VALLEY山谷模式 CRSTER单源模式，适用于计算地形高度低于有效源高时，采用高斯公式将有效源高减去地形高度作为烟流中心高度。即，采用高斯扩散公式和P-G扩散参数体系。 VALLEY模式主要用来估计当烟流低

21、于附近地形高度时在不利条件下的日平均浓度。 3. 美国ERT的PSDM模式4.3 沿岸地区气象学特征沿岸地区内边界层特征热力内边界层（ TIBL ）形成5、城市和区域大气扩散 城市的空气污染与城市边界层气象特性及城市污染源状况有关第四章 大气环境评价、预测及管理第一节 大气环境评价1.1 大气环境影响评价的意义1、为生产合理布局提供科学依据2、为经济发展方向和规模提供科学依据3、为环境科学管理提供科学依据1.2 大气环境影响评价的内容 选用几种污染物质作为对象，选取扩散参数；大气环境现状的监测，取得本底浓度，并对评价区的环境的现状进行评价；评价区地形和气象资料的收集和观测，取得大气环境预测所必

22、须的气象和地形资料。 评价区大气扩散规律的研究；评价区污染浓度预测，数值模拟大气环境影响评价等级与范围 每一种污染物的最大地面浓度占标率Pi Pi= Ci /Coi×109Ci采用估算模式计算出的第i 个污染物的最大地面浓度，mg/m3； Coi第i类污染物环境空气质量标准，mg/m3（1h平均取样时间的二级标准的浓度限值 及第i 个污染物的地面浓度达标准限值10%时所对应的最远距离D10% 结合项目的初步工程分析结果，选择正常排放的主要污染物及排放系数，采用估算模式计算各污染物的最大影响程度和最远影响范围，按评价工作分级判据进行分级。 判定等级： 一级：Pmax80，且D10 5K

23、m（500m？） ； 二级，其他 ； 三级：Pmax 10 或D10 污染源距厂界最近距离 评价范围的确定 评价范围的直径或边长一般不应小于5 km；以排放源为中心点，以D10为半径的圆或2×D10为边长的矩形作为大气环境影响评价范围；最远不过25km1.6 大气环境影响预测 预测拟建工程投产后对评价区大气环境质量带来的影响；定量给出评价区里大气污染物在地面的浓度分布。（一）用于大气环境影响预测的模式有各种扩散模式，随评价区域的大小和污染物平均浓度的计算时间不同选择不同模式。 计算短期浓度，用烟流和烟囱模式适合于计算1次浓度或小时平均浓度，还可以换算成日平均浓度。（二）大气环境影响评

24、价中，一般需要预测短期平均浓度分布和长期地面浓度分布。（三）大气环境影响评价应给出各类污染源在一般气象条件及不利气象条件下对评价区内大气环境质量的预测。（不利、复杂地形、高建筑物）第二节 大气污染预报按内容分：污染浓度预报（污染源参数及气象）；污染潜势预报（只涉及气象参数。）2.1 大气污染潜势预报 是指根据事先确定的气象因子判据，预报未来出现严重污染的可能性。（一）用气象参数作指标，预报将出现不利于扩散的天气： 主要的气象参数：混合层高度（气象要素随高度分布趋于均匀的大气边界层）； 风速；稳定度；通风系数；其他（下沉运动、12h变温、绝对涡度、降水、相对湿度等。）（二）几种污染潜势预报2.2

25、 大气污染物浓度预报 主要包括大气中主要污染物的浓度。颗粒物/硫氧/氮氧/碳氧/碳氢 统计预报 + 数值模式（欧拉）第三节 大气环境质量管理剩余章节1、臭氧 自然界中主要分布在20-50km，主要由紫外线，也有雷电作用。 大气中的臭氧总量是指某地区单位面积上空整层大气柱中所含臭氧的总量通常用厚度厘米。假定整层大气柱中所含的全部臭氧集中起来形成一个纯臭氧层，在标准状况下（一个大气压，温度150C），这个纯臭氧层的厚度即为大气臭氧总量的度量单位，基本单位为“大气厘米”。一般情况下，臭氧总量的变化范围为0.10.5。除了“大气厘米”外还用多布森单位，记为DU，它等于千分之一厘米 。1）一些分布就纬度

26、而言，臭氧总量的极小值在赤道附近，极大值在纬度60°附近。 就季节而言，在春季出现极大值，秋季出现极小值。 白天剩下的氧原子在夜间与氧分子结合成为臭氧，所以夜间臭氧浓度比白天大。 臭氧总量日际变化的振幅和季节变化有同等的量级。2）时空变化的原因 光化学反应； 大气运动 臭氧主要在赤道上空生成，通过大气环流向高纬输送;在大气环流过程中，臭氧的辐散和辐合，使部分臭氧从平流层扩散到对流层中而被破坏。对臭氧浓度的影响，在高层以光化作用为主，在低层以大气动力输送为主。20公里高度以下，动力输送占优势；30公里高度以上，光化作用占优势;而在2030公里高度之间，则存在一个两种作用同样重要的过渡区。3）破坏后果 人类健康：皮肤病、眼癌、细胞DNA转变，免疫机能； 陆地植物：植物受UV-B（280-315nm），形态改变 水生生态系统：浮游生物生产力下降，食物链 周边生物； 对材料的影响：