空气污染气象学重点初稿

1、一. 简答1. 简述大气稳定度的主要判据和分别表示气块和环境气层的垂直减温率。且假设是常数。、则气块加速度为由于干绝热线和假绝热线同时是等位温线和等相当位温线，所以也有以下判据: 2. 影响热烟流抬升的主要因子(1)排放源及排放烟气的性质：源排放烟气的初始动量和浮力是决定其上升高度的基本因素。前者决定于烟气出口速度和源出口半径;后者决定于烟气密度和周围环境空气的密度差。(2)环境大气的性质：烟气与周围空气混合的速率对烟流抬升的影响十分重要。与混合速率有关的因子主要是平均风速和环境湍流强度，尤以前者作用更为明显。烟流所在气层的温度层结表征大气稳定度状况，是影响烟流抬升的又一个重要因子。(3)下垫

2、面性质：首先是地形的影响，地面粗糙度是影响湍流强弱的因素之一。另外，复杂的地形，如坡、谷等会形成局部热力状况的特殊分布，从而影响烟流抬升。3. 干沉降, 湿沉降硫酸盐颗粒是大气气溶胶粒子的一个重要成分，是很好的凝结核，它往往又溶于水滴而被降水带回到地面和海洋中.降水清除了大气中的S02和硫酸盐，这称为湿沉降. 硫酸盐颗粒本身还会逐渐沉落到地面，这些过程称为干沉降.4. 气溶胶及其分类 气溶胶指悬浮在气体中的固体和(或)液体微粒与气体载体组成的多相体系。大气中含有悬浮着的各种固体和液体粒子，例如尘埃、烟粒、微生物、植物的孢子和花粉，以及由水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子，所以可以把空气看成是

3、一种气溶胶.习惯上，按尺度大小将气溶胶粒子分成三类: 爱根核(半径r< 0.1µm)、大粒子(0. 1µm <r<l. 0µm)、巨粒子(r>1µm)5. 气溶胶粒子的来源(1)土壤、岩石风化及火山喷发的尘埃. (2)烟尘及工业粉尘. (3)海沫破裂干枯成核. 海沫产生的海盐颗粒是海洋上气溶胶粒子的主要来源. 在海浪的冲击下，海面上形成很多空气泡并且很快破裂，破裂后生成大大小小的众多盐水滴，盐水滴蒸发干以后就成为一些大于2µm的海盐巨核及大量的大于0.3µm的爱根核.(4)气-粒转化. 爱根核还常常由大气中微量

4、气体转化而来. 例如，二氧化硫经光化学氧化作用，在高温下能生成硫酸盐溶液微滴，微滴蒸发后就成为硫酸盐质点. 城市大气中爱根核和大粒子的浓度大，说明了污染气体转化形成的粒子是城市大气气溶胶的一个重要来源. (5)微生物、孢子、花粉等有机物质点. (6)宇宙尘埃6. 大气运动和经典流体的流动的差别(1)地球表面围绕地轴做圆周运动,若把观察大气运动的坐标系固定在地球表面上，这一坐标系就是旋转坐标系. 相对于固定于空间的惯性坐标系，旋转坐标系上每一点都在做加速度运动，就使得大气动力学的动量方程中比经典流体力学的多出了一个科里奥利加速度项.(2)大气运动发生在地球重力场中，大气温度在垂直方向上的分布呈现

5、多种层结形态. 垂直运动的气块移到新位置后，其温度可能高于或低于周围环境大气，于是产生了浮力，这是驱动大气垂直运动的重要因子. (3)大气是湍流的，特别是在接近地表面的部分. 湍流运动的复杂程度远超过了经典流体力学规律的范畴.(4)大气不是单一气体，其中水汽的相变过程，使大气运动高度复杂化.注：在大气动力学中，都是假定大气是层流的未饱和理想气体，采用经典流体力学的方式去处理大气运动.7. 地表粗糙度地表粗糙度zo是作为下边界出现的几何长度，它是对数风速廓线公式中平均风速等于零的高度. 传统的确定zo的方法就是利用对数风速廓线公式，在近中性的情况下用平均风速观测资料在 坐标中进行线性拟合，的高度

6、就是zo.8. 位温，虚温位温就是把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气压时对应的温度。根据(7)式，未饱和湿空气位温的定义式是:上式中, p00是标准气压(常取1000 hPa). 若空气是干洁大气，则位温的定义是由于 故一般小于0.1 K，与气温常规观测的误差相当。故未饱和湿空气位温值常用干空气位温值代替，即未饱和湿空气位温可写为 虚温是一种假设的空气温度，指在气压不变的情况下，使干空气密度等于湿空气密度时，干空气所具有的温度。虚温总比湿空气的实际温度高些。9. 逆温层逆温层是对流层大气的温度一般随高度而降低，但在某些条件下，某些气层的温度会随高度而增加，即<0 ，称为逆温层。 逆温层是绝

7、对稳定的层结，它对上下空气的对流起着削弱抑制作用. 特别是低空的逆温层，它像一个“盖子”，使悬浮在大气中的烟尘、杂质及有害气体都难以穿过它向上空扩散，使空气质量下降，能见度恶化，因此也称为阻塞层. （以下可省略）在研究大气的污染扩散问题时，常需测定逆温层的高度、厚度以及出现和消失的时间. 主要形成原因(1) 辐射逆温.白天由于地表吸收太阳辐射而迅速增温，导致低层大气温度升高;夜晚由于地面长波辐射降温使近地气层形成逆温层. (2)下沉逆温. 由于空气下沉增温而形成的逆温。一般出现在高气压区，范围广，厚度大，且常不接地而从空中某一高度开始. 大范围的下沉逆温相当于近地面层上空的一个盖子，极不利于污

8、染物的扩散. (3)地形逆温. 由于局部特殊的地形条件形成的，例如盆地和谷地的逆温，山脉背风侧的逆温等. 夜间山坡附近的空气因辐射冷却而向谷地下沉，暖空气被挤上升浮在冷空气上面，形成谷地逆温。(4)平流逆温. 当较暖的空气流经较冷的地面或水面上时，使上层空气温度比低层温度高，形成暖平流逆温. 例如，冬季沿海地区常出现这种逆温，是海洋上的较暖空气流到大陆上时产生的，厚度不大，水平范围较广. 此外，夜间城市的近地面气层仍有弱的温度递减率，当农村因辐射冷却而产生的厚逆温层随气流移到城市上空时，会形成空中逆温层; 经过城市后，在下风方向的农村近地面层又会建立起逆温，城市的烟气层也将被带到地面逆温层中，

9、污染大气。(5)锋面逆温. 锋面是一个倾斜的面，无论冷锋还是暖锋，其较暖空气总是在较冷空气的上面，所以在冷空气区能观测到逆温. 由于锋面在移动，所以除移动缓慢的暖锋以外，一般对大气污染影响不大10. 边界层大气运动的基本物理规律 （动学、动力学、能量转化）大气边界层与一般流体边界层不同，要考虑大气层结、地球重力场和地球自转的影响. 湍流交换在大气的动量、热量、水汽及其他微量气体的平衡中起重要作用. 大气中的热量和水分主要来源于下垫面，而动量主要来源于上层气流的运动.动量输送到低层，以补偿下垫面的不光滑而摩擦消耗的动量.（1）气象要素明显的日变化通过湍流交换，自昼地面获得的太阳辐射能以感热和潜热

10、的形式向上输送，加热上面的空气。夜间地面的辐射冷却同样也逐渐影响到它上面的大气，这种热量输送过程造成大气边界层内温度的日变化.大型气压场形成的大气运动动量通过湍流切应力的作用源源不断向下传递，经大气边界层到达地面并由于摩擦而部分损耗，相应地造成大气边界层内风的日变化.下垫面的变化传递到边界层顶的过程将受到涡旋的空间和时间尺度的影响. 在大气边界层处于不稳定的情况下，其涡旋主尺度在空间上与边界层厚度相当，下垫表面的影响达到边界层顶只需20 min左右. 大气边界层处于较稳定的情况下，其涡旋主尺度一般小于边界层的厚度.大气边界层处于相当稳定的情况下，湍流表现为时间上的间歇性和空间上的不连续性，使下

11、垫表面的影响达到边界层顶的时间明显减慢，最慢可能需要几个小时，而且稳定大气边界层的发展速度明显慢于不稳定大气边界层. 存在各种尺度的湍流，湍流输送起着重要作用并导致气象要素日变化显著的低层大气。边界层的发展具有明显的日变化，其厚度低的时候只有几十米，高的时候可达2km以上甚至更高。近地面层从粘性副层到50 100 m，这一层内大气运动呈明显的湍流性质.科氏力和气压梯度力的作用相对于湍流切应力可略去不计，大气结构主要依赖于垂直方向的湍流输送。该层中动量、热量和水汽垂直通量随高度的变化与通量值本身相比很小，因此可认为各种通量近似为常值. 各个气象要素随高度变化比边界层的中、上部要显著. 大气运动尺

12、度较小，科氏力随高度的变化可略去不计，风向随高度几乎无变化.上部摩擦层或称埃克曼层(Ekman layer)范围是从近地面层到11.5 km，特点是湍流摩擦力、气压梯度力和科氏力的数量级相当，都不能忽略.11. 高斯烟流扩散公式的主要假设理论一：在大气湍流扩散方程中，假设扩散系数K为常数(即斐克扩散)，便可以得到正态分布形式的解。理论二 ：从统计理论出发，在平稳、均匀湍流的假定下，也可以证明粒子扩散位移的概率分布符合正态分布形式。高斯烟流扩散公式的主要假设(1)湍流场均匀定长(2)地面平坦(3)污染物保守(4)地面无吸收、吸附作用(5)污染物本身无沉降，应视作一个全反射体(6)坐标选择：原点是

13、排放口，x轴是平均风向二. 论述1. 大气扩散的三种基本理论及主要优缺点比较大气扩散的三种理论：梯度输送理论、湍流统计理论和相似理论。它们分别考虑不同的物理机制，采用不同的参量，利用不同的气象资料，在不同的假定条件下建立起来的。因此它们具有不同的优缺点，只能在一定的范围内使用。优缺点：（扩散理论对高架源垂直扩散不同阶段的适应性分析（H为扩散源高） 2. 描述大气输送和扩散的两种基本方法及优缺点描述大气输送和扩散的两种基本方法包括欧拉方法和拉格朗日方法。欧拉方法是相对于固定坐标系描述污染物的输送与扩散。拉格朗日方法是由跟随流体移行的粒子来描述污染物的浓度及其变化。采用不同类型的描述空气污染物浓度

14、的数学表达式，都能正确地描述湍流扩散过程，然而，每种方法都有一定的困难。其优缺点如下：欧拉方法统计量易于测量，而且表达式直接应用于发生化学反应的情形。运用欧拉方法的主要问题和困难就是方程的闭合问题。拉格朗日方法数学处理比欧拉方法容易，但是，由于不易精确确定所需的粒子统计量，所以最终方程的应用受到限制。另外，方程亦不能直接用来解决涉及非线性化学反应的问题。 3. 气块(微团)模型气块(微团)模型气块或空气微团是指宏观上足够小而微观上含有大量分子的空气团，其内部可包含水汽、液态水或固态水. (这些与外界温度、湿度及密度稍有不同的大大小小的未饱和气块，不断生成又不断消失)气块(微团)模型就是从大气中

15、取一体积微小的空气块(或空气微团) ，作为对实际空气块的近似.规定：(1) 此气块内温度、压强和湿度等都呈均匀分布，各物理量服从热力学定律和状态方程. (2) 气块运动时是绝热的，遵从准静力条件，环境大气处于静力平衡状态.气块运动时，一方面，过程进行得足够快而来不及和环境空气作热交换，即绝热;另一方面，过程又进行得足够慢，使气块压力不断调整到与环境大气压相同，即满足以下准静力条件: 但应指出，气块内部的温度、密度、湿度不一定与外界的相等.评价： 气块(微团)模型是实际大气简单的、理想化的近似，它要求气块在移动过程中保持完整，不与环境空气混合，而这只能在移动微小距离时可以满足.另外，在此模型中未

16、考虑气块移动对环境空气的影响，这也是不符合实际的.上述绝热过程和准静力条件的假定是合理的，因此气块(微团)模型对了解和分析实际大气中发生的一些物理过程很有帮助.4. 何谓大气边界层，简述其主要结构和特征.存在各种尺度的湍流，湍流输送起着重要作用并导致气象要素日变化显著的低层大气. 根据湍流摩擦力、气压梯度力和科氏力对不同层次空气运动作用的大小，可以把大气边界层分为三层：(1)粘性副层. 紧靠地面的一个薄层，该层内分子粘性力比湍流切应力大得多.但这一层的典型厚度小于1m，在实际问题中可以忽略(2) 近地面层(surface layer).从粘性副层到50 100 m，这一层内大气运动呈明显的湍流

17、性质.科氏力和气压梯度力的作用相对于湍流切应力可略去不计，大气结构主要依赖于垂直方向的湍流输送. (3) 上部摩擦层或称埃克曼层(Ekman layer). 这一层的范围是从近地面层到11.5 km，特点是湍流摩擦力、气压梯度力和科氏力的数量级相当，都不能忽略. 依据不同的稳定度类型，又可称为稳定边界层、中性边界层和对流边界层(混合层). 大气边界层的基本特征：1.气象要素明显的日变化.2.下垫面的变化传递到边界层顶的过程将受到涡旋的空间和时间尺度的影响.三. 三、计算题：高斯公式烟流抬升高度计算： : 源高处平均风速 : 烟气上升速度 R0: 排放出口半径 R : 烟流半宽 vs: 卷夹速度

18、以及体积重量 （弯曲烟流）（竖直烟流 ） 对弯曲烟流 单位时间流入的空气体积随离源距离的变化(左端)与由于卷夹作用进入烟流的空气量(右端)有关，即维持质量守恒关系。 单位时间烟气的垂直动量增量(左端)与浮力通量(以Fz表征)和风速有关，即维持动量守恒关系。 物理意义：单位烟气的浮力通量随高度的变化(左端)与烟气体积通量和大气稳定度(右端)有关。 对竖直烟流 Briggss 公式(1)中性和不稳定层结,有风条件下 或(2)稳定层结 四. 证明1. 运用雷诺平均法则，推导简单的平均量关系随机应变 平均量与脉动量相加。2. 高斯烟流扩散公式假定：理想条件下，湍流场均匀定常。设点源位于无界空间，即不考虑地面的存在及其影响。x轴与平均风向(风速 )一致并以它为烟流浓度分布轴线。烟流呈锥形向下风向扩散，浓度在y方向和z方向对称并符合正态分布。排放烟流的点源源强为Q (g/s)。 由此令浓度分布形如 。又：代入上式假设污染物在大气中是保守的。根据质量守恒原理，在源的下风方任意垂直面上污染物的总通量应等于排放源强，即有将(1)式代入此式并积分，可得就可得到无界情形连续点源高斯扩散公式5大气静力学方程假设：大气在水平方向的压强、温度、湿度变化都很 小，等压面、等温面近于水平，且空气无水平运动. 如右图，厚