大气污染气象过程

1、大气污染的气象过程目录n1 大气边界层的特征大气边界层的特征n2 大气湍流扩散的理论基础大气湍流扩散的理论基础n3 大气污染物浓度分布的扩散模式大气污染物浓度分布的扩散模式n4 复杂地形上的大气污染复杂地形上的大气污染n5 城市和区域大气污染扩散城市和区域大气污染扩散1 大气边界层特征名词解释：n湍流切应力：湍流切应力：湍流切应力是与湍流动量输送相伴随的湍流切应力是与湍流动量输送相伴随的表现应力，是由湍流强度涨落引起的。以表现应力，是由湍流强度涨落引起的。以u，v，w分别表示直角坐标三个方向的湍流速度，各湍流速度分量分别表示直角坐标三个方向的湍流速度，各湍流速度分量乘积的平均值再乘上空气密度乘

2、积的平均值再乘上空气密度就是对应方向的湍流动量就是对应方向的湍流动量通量。通量。 n气压梯度力：气压梯度力：由于气压分布不均匀而作用于单位质量由于气压分布不均匀而作用于单位质量空气上的力空气上的力, 其方向由高压指向低压。其方向由高压指向低压。 n科氏力（地转偏向力）：科氏力（地转偏向力）：由于地球自转运动而作由于地球自转运动而作用于地球上运动质点的偏向力。用于地球上运动质点的偏向力。1.1 低层大气的温度与大气稳定度近地层大气中温度随高度分布规律受下垫面影响极大n一般说来，太阳辐射愈一般说来，太阳辐射愈强强、云量、云量愈愈少少、风速愈、风速愈小小、土壤导热性愈、土壤导热性愈差差则气温的垂直变

3、化则气温的垂直变化愈大愈大。压力变化导致的温度变化n 大气的绝热过程：大气的绝热过程：干绝热直减率：n 干气团绝热上升或下降单位高度干气团绝热上升或下降单位高度(通常通常100 m)的温的温度变化量称为干绝热直减率，用度变化量称为干绝热直减率，用 d 表示，单位表示，单位K/100m。 如果如果 g9.81m/s2, Cp1.005J/ (kgK)，则，则 d 0.98K/100m,通常取通常取 d 1K/100m。干空气或未饱和。干空气或未饱和湿空气每上升湿空气每上升 100m，温度下降，温度下降 1K。湿绝热直减率大气稳定度n 定义：大气在垂直方向上稳定的程度；定义：大气在垂直方向上稳定的

4、程度； （反映其是否容易对流）（反映其是否容易对流）n 定性描述：定性描述：外力使气块上升或下降外力使气块上升或下降气块去掉外力气块去掉外力气块减速，有返回趋势，稳定气块减速，有返回趋势，稳定气块加速上升或下降，不稳定气块加速上升或下降，不稳定气块既不加速也不减速，中性气块既不加速也不减速，中性不稳定条件下有利于扩散不稳定条件下有利于扩散气温的垂直分布温度层结 Tz d 0 ，正正常常分分布布层层结结，中中性性层层结结（绝绝热热直直减减率率）0 ，等等温温层层结结 0 ，正正常常分分布布层层结结，中中性性层层结结（绝绝热热直直减减率率）0 ，等等温温层层结结 0 ，逆逆温温层层结结d位温n 干

5、空气团绝热升高或降低到标准气压干空气团绝热升高或降低到标准气压(1000hPa)处的温度称为位温，用处的温度称为位温，用 表示，单位表示，单位K。 n 绝热运动时，位温只取决于初始状态的温度和绝热运动时，位温只取决于初始状态的温度和压力，因此有：压力，因此有：空气团作绝热运动，位温不变空气团作绝热运动，位温不变。 288. 000)1000(PT大气的垂直稳定度可用位温梯度来表示，中性，不稳定，稳定000ZZZ逆温n 逆温不利于扩散逆温不利于扩散辐射：辐射： 1. 辐射逆温：辐射逆温： 地面白天加热，大气自下而上变暖；地面白天加热，大气自下而上变暖； 地面夜间变冷，大气自下而上冷却地面夜间变冷

6、，大气自下而上冷却 太阳太阳 地球地球 ：短波：短波 地球地球 大气层：长波大气层：长波 大气吸收长波强大气吸收长波强逆温n辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程逆温2.2.下沉逆温下沉逆温 （多在高空大气中，高压控制区内）（多在高空大气中，高压控制区内） 很厚的气层下沉很厚的气层下沉 压缩变扁压缩变扁 顶部增温比底部多顶部增温比底部多逆温3.3.平流逆温平流逆温 暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成暖空气平流到冷地面上而下部降温而形成4.4.湍流逆温湍流逆温 d 下层湍流混合达下层湍流混合达d 上层出现过上层出现过渡层渡层 逆温逆温 逆温5.锋面逆温锋面逆温 冷、暖气团相遇冷、暖气团相遇冷暖间

7、逆温冷暖间逆温 暖气上爬，形成锋面暖气上爬，形成锋面1.2 风的垂直分布平均风速随高度变化平均风速随高度变化中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度中性层结：对数律，粗糙度和摩擦速度1.1.对数率对数率0u*lnZZ高度为高度为Z处的风速处的风速（m/s）摩擦速度摩擦速度卡门常数卡门常数高度（高度（m）地面粗糙度地面粗糙度地面粗糙度越大，风速梯度越小地面粗糙度越大，风速梯度越小近地层风速廓线模式 2.2.指数率：指数率：非中性层结：非中性层结： 指数律，稳定度参数指数律，稳定度参数高度为高度为Z处的平均风速处的平均风速（m/s）高度为高度为Z1米处的平均风速米处的平均风速（ m/s ）常数常数实验确

8、定实验确定nzzuu)(11大气边界层风的分布 n Ekman螺旋线（北半螺旋线（北半球下视，地偏力指向运球下视，地偏力指向运动右方，故顺时针；南动右方，故顺时针；南半球则相反）半球则相反） 高度增高，风速增大，高度增高，风速增大，方向逐渐接近地转风。方向逐渐接近地转风。 近地层风速廓线模式 1.3 大气湍流1.3.1 湍流与雷诺数湍流与雷诺数n 大气湍流的形成和发展取决于两种因素：大气湍流的形成和发展取决于两种因素：n机械湍流机械湍流垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度n热力湍流热力湍流温度垂直分布不均（不稳定）温度垂直分布不均（不稳定）n 在气温垂直分布呈强

9、递减时，热力因子起主要作在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作用，在中性层结情况下，动力因子起主要作用。用，在中性层结情况下，动力因子起主要作用。n 湍流扩散比分子扩散快湍流扩散比分子扩散快105106倍。倍。雷诺数：n UU平均流动速度平均流动速度n LL流动特征长度流动特征长度n vv运动学粘滞系数运动学粘滞系数vULRe雷诺数：n ReRe*(1200013800)湍流湍流n Re*Re像源法像源法n 实源：实源： n 像源：像源：( , , ,)c x y z Hz( , , ,)c x y z Hz2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu

10、 n实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yyyzqyzHc x y z Hu n实源的贡献实源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的贡献像源的贡献2222()( , , ,)exp ()222yzyzqyzHc x y z Hu n像源的贡献像源的贡献222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n实实际际浓浓度度222222()()( , , ,)exp()expexp2222yyzyzqyzHzHc x y z Hu n实实际际浓浓度度高

11、架连续点源扩散模式2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地地面面浓浓度度模模式式：取取z z0 0代代入入上上式式，得得2222( , ,0,)exp()exp()22yzyzqyHc x yHu 地地面面浓浓度度模模式式：取取z z0 0代代入入上上式式，得得22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu 地面轴线浓度模式：再取地面轴线浓度模式：再取y y=0=0代入上式代入上式22( ,0,0,)exp()2zyzqH

12、c xHu yz上上式式，x增增大大，则则、 增增大大，第第一一项项减减小小，第第二二项项增增大大，必必然然在在某某x 处处有有最最大大值值地地面面最最大大浓浓度度模模式式：考考虑虑地地面面轴轴线线浓浓度度模模式式22( ,0,0,)exp()2zyzqHc xHu yz上上式式，x增增大大，则则、 增增大大，第第一一项项减减小小，第第二二项项增增大大，必必然然在在某某x 处处有有最最大大值值yz上上式式，x增增大大，则则、 增增大大，第第一一项项减减小小，第第二二项项增增大大，必必然然在在某某x 处处有有最最大大值值地地面面最最大大浓浓度度模模式式：考考虑虑地地面面轴轴线线浓浓度度模模式式高

13、架连续点源扩散模式 yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设设（实际中成立）（实际中成立）由此求得由此求得yzconstd ( ,0,0,)0dzc xHmax22zyqcuH emax|2czx xH地面最大浓度模式（续）：地面最大浓度模式（续）：设设（实际中成立）（实际中成立）由此求得由此求得2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地地面面源源高高斯斯模模式式（令令H H0 0）：相相当当于于无无界界源源的的2 2倍倍（镜镜像像垂垂直直于于地地面面，源

14、源强强加加倍倍）2222( , , ,0)exp ()22yzyzqyzc x y zu 地地面面源源高高斯斯模模式式（令令H H0 0）：相相当当于于无无界界源源的的2 2倍倍（镜镜像像垂垂直直于于地地面面，源源强强加加倍倍）2.2 大气扩散参数n PG曲线法曲线法PG曲线曲线Pasquill常规气象资料估算常规气象资料估算Gifford制成图表制成图表扩散参数的确定PG曲线法n PG曲线的应用曲线的应用n根据常规资料确定稳定度级别根据常规资料确定稳定度级别扩散参数的确定PG曲线法n PG曲线的应用曲线的应用n利用扩散曲线确定利用扩散曲线确定 和和yz扩散参数的确定PG曲线法nPG曲线的应用

15、曲线的应用n地面最大浓度估算地面最大浓度估算Hmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxC由由和和由由曲曲线线（图图4-5）反反查查出出由由曲曲线线（图图4 4- -4 4）查查由由式式（4 4- -1 10 0）求求出出yHmax|2czx xzHzxmaxcxyxmaxC由由和和由由曲曲线线（图图4-5）反反查查出出由由曲曲线线（图图4 4- -4 4）查查由由式式（4 4- -1 10 0）求求出出y扩散参数的确定中国国家标准规定的方法n 稳定度分类方法稳定度分类方法n 改进的改进的PT法法 太阳高度角太阳高度角 （式（式4-29，地理纬度，倾角），地理纬度，倾角） 辐射等级辐射等

16、级 稳定度稳定度 云量云量（加地面风速）（加地面风速） 扩散参数的确定中国国家标准规定的方法n 扩散参数的选取扩散参数的选取n 扩散参数的表达式为（取样时间扩散参数的表达式为（取样时间0.5h，按表，按表4-8查算）查算）n 平原地区和城市远郊区，平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级向不稳定方向提半级n 工业区和城市中心区，工业区和城市中心区，C提至提至B级，级，D、E、F向不稳定方向提向不稳定方向提一级一级n 丘陵山区的农村或城市，同工业区丘陵山区的农村或城市，同工业区n 取样时间大于取样时间大于0.5h， 不变，不变，1221,aayzxx2121()qyyz3.3 烟流抬升

17、高度n影响热烟流抬升的因子：影响热烟流抬升的因子：n1、排出烟流本身的性质、排出烟流本身的性质n2、周围大气的性质、周围大气的性质n3、下垫面影响、下垫面影响sHHHsHH烟烟囱囱几几何何高高度度抬抬升升高高度度有有效效源源高高sHHHsHH烟烟囱囱几几何何高高度度抬抬升升高高度度有有效效源源高高3.4 污染物在大气中的清除n干沉积干沉积n湿沉积湿沉积n化学转换化学转换干沉积：n 污染物质通过重力沉降、碰撞和吸收等过程从大污染物质通过重力沉降、碰撞和吸收等过程从大气中清除并降落到地面上的过程。气中清除并降落到地面上的过程。n 对于直径大于对于直径大于20um的较大粒子就有明显的重力沉的较大粒子

18、就有明显的重力沉降，应考虑重力沉降修正。降，应考虑重力沉降修正。n 即以即以 代替有效源高代替有效源高Hn 地面任意一点（地面任意一点（x，y）的沉降率）的沉降率wsuxvHs)0 ,(yxqvwss湿沉积：n云雾以及雨、雪等降水都能对空气污染物，云雾以及雨、雪等降水都能对空气污染物，包括气体和粒子起到清除作用，称为降水包括气体和粒子起到清除作用，称为降水清除或湿沉积。清除或湿沉积。化学转换：化学转换：n空气中的污染物与空气中的其他成分以及空气中的污染物与空气中的其他成分以及其他污染物发生化学变化生成二次污染物，其他污染物发生化学变化生成二次污染物，也是污染物从大气中清除的一种形式。也是污染物

19、从大气中清除的一种形式。4 复杂地形上的大气污染n 4.1 局地建筑物对大气局地建筑物对大气污染散布的影响污染散布的影响位移区位移区空腔区：空腔区：高度为建筑高度为建筑物高度的物高度的1.5倍，长倍，长度为建筑物高度的度为建筑物高度的2.53.0倍。倍。尾流区：尾流区：延伸至延伸至530倍的建筑物高度。倍的建筑物高度。4.2 山地地形影响与扩散处理n4.2.1几种典型的山几种典型的山区大气污染过程区大气污染过程l山谷中的污染山谷中的污染l下坡风污染下坡风污染l迎风坡污染迎风坡污染l背风区污染背风区污染l小风条件下的污染小风条件下的污染4.2.2 山区扩散特性n 给出定量表示扩散速率的方法，研究

20、它随地形和给出定量表示扩散速率的方法，研究它随地形和气象条件的变化，建立相应的模式和经验关系。气象条件的变化，建立相应的模式和经验关系。 高斯模式高斯模式n 1 近地面源的扩散近地面源的扩散 山区日间和夜晚平均接近平原地区山区日间和夜晚平均接近平原地区B类稳定度的扩散类稳定度的扩散参数值。参数值。 扩散特征受局地地形影响，在同一离源距离上，山扩散特征受局地地形影响，在同一离源距离上，山脊浓度等于山谷浓度的脊浓度等于山谷浓度的1.2510倍，平均倍，平均2倍左右。倍左右。2. 起伏地形上空的高架源扩散n烟流超过地形高度未被阻挡，可假设符合高斯模烟流超过地形高度未被阻挡，可假设符合高斯模式，应取山

21、区扩散参数，式，应取山区扩散参数，10km范围平均可差范围平均可差5倍倍左右。左右。3 山谷里的扩散山谷里的扩散n污染物直接进入地形风流场中，输送和扩散由地污染物直接进入地形风流场中，输送和扩散由地形风决定，并受到地形限制形风决定，并受到地形限制n不稳定不稳定B类条件下，平原与峡谷实测值相差不大。类条件下，平原与峡谷实测值相差不大。n中性中性D和稳定和稳定F条件下可差条件下可差5倍和倍和1015倍。倍。4.2.3 山区大气扩散模式烟流发生变形或扰流等，改变了烟流中心轴线的烟流发生变形或扰流等，改变了烟流中心轴线的高度和扩散强度。高度和扩散强度。已有的几种大气扩散模式都是对已有的几种大气扩散模式

22、都是对高斯模式高斯模式进行修进行修正，即改变模式中的正，即改变模式中的烟流抬升高度烟流抬升高度和和扩散参数扩散参数等。等。1. NOAA模式模式中性和不稳定层结：中性和不稳定层结：烟流移行路线与地面烟流移行路线与地面平行平行稳定层结：稳定层结：烟流中心线与海平面平行，当烟流中心线与海平面平行，当地形高度超过烟流中心线高度时，地面浓地形高度超过烟流中心线高度时，地面浓度取烟流中心线浓度。度取烟流中心线浓度。2.EPA模式n 1. 地形高度低于有效源高：地形高度低于有效源高：有效源高减去地形高有效源高减去地形高度作为烟流中心线高度度作为烟流中心线高度n 2. 地形高于烟流中心线高度：地形高于烟流中

23、心线高度：中性和不稳定层结：烟流高度平行于地面中性和不稳定层结：烟流高度平行于地面稳定层结：烟流高度不变，当地形抬升时，烟流稳定层结：烟流高度不变，当地形抬升时，烟流将靠近地面，并假设烟流中心线离地不低于将靠近地面，并假设烟流中心线离地不低于10 m3. PSDM模式4. CTMD模式4.3 水陆交界下垫面影响与扩散处理n 水上湍流强度往往水上湍流强度往往低于低于陆地陆地不稳定层结不稳定层结y和和z小于小于P-G的的C-D类的值类的值稳定层结稳定层结y和和z小于小于P-G的的E-F类的值类的值水上稳定气流中水上稳定气流中y的值比的值比P-G的的F类曲线平均小类曲线平均小2倍，倍，z的值平均小的

24、值平均小1.6倍。倍。4.3.1 水陆交界处的空气污染过程n海路风环流引起的污染海路风环流引起的污染n局局地地气气团团变变性性引引起起的的污污染染4.3.1 沿岸地区大气扩散模式风场及气流轨迹的三维特性风场及气流轨迹的三维特性边界层结构边界层结构逆温层变化逆温层变化稳定度稳定度扩散速率扩散速率扩散参数扩散参数GLUMP模式n 模拟湖岸地区日间向岸气流变性生成热力内边界模拟湖岸地区日间向岸气流变性生成热力内边界层，造成岸边高架点源排放烟流持续熏烟扩散。层，造成岸边高架点源排放烟流持续熏烟扩散。n 第一阶段第一阶段0 0 xxxxB B（烟流下缘和热边界层界面相交点的离（烟流下缘和热边界层界面相交

25、点的离源距离）：扩散与一般高架点源相同源距离）：扩散与一般高架点源相同n 第二阶段第二阶段x xB BxxxxE E（烟流上缘与热边界层相交的离源距（烟流上缘与热边界层相交的离源距离）：垂直方向均匀分布，离）：垂直方向均匀分布，y y方向符合高斯分布方向符合高斯分布n 第三阶段第三阶段x xx xE E，封闭型扩散，混合层厚度随下风向距离，封闭型扩散，混合层厚度随下风向距离而变，在不稳定混合条件下进行。而变，在不稳定混合条件下进行。5 城市和区域大气扩散n 5.1 城市大气扩散城市大气扩散城市热岛形成的主要原因：n城市工业及居民的生产和生活释放热量大城市工业及居民的生产和生活释放热量大n城市建

26、筑物的热容量大，同时地面水域少，城市建筑物的热容量大，同时地面水域少，蒸发消耗热量少，热量大部分以湍流方式蒸发消耗热量少，热量大部分以湍流方式传给大气层传给大气层n大气污染物吸收地面长波辐射大气污染物吸收地面长波辐射城市气温的垂直分布与周围乡村不同5.1.1 城市边界层气象特征n 城市气温比周围乡间开阔地区高城市气温比周围乡间开阔地区高n 城市边界层的低层温度高，气温垂直分布与农村城市边界层的低层温度高，气温垂直分布与农村不同不同n 城市下垫面粗糙，上空平均风速小城市下垫面粗糙，上空平均风速小n 城市风场复杂城市风场复杂n 地面粗糙，热容量和热释放量大，湍流强度大地面粗糙，热容量和热释放量大，湍流强度大n 城市污染物扩散速率比乡间大城市污染物扩散速率比乡间大5.1.2 城市空气污染特征城市污染的日变化：城市污染的日变化：n地面浓度的两个峰值地面浓度的两个峰值n日出之后高峰（日出之后高峰（8:00）n傍晚以后次高峰（傍晚以后次高峰（18:0020:00）城市污染的季节变化：城市污染的季节变化：SO2和和TSP：冬季高，春秋次之，夏季低：冬季高，春秋次之，夏季低5.1.3 城市空气污染模式n多源体系多源体系n引入气象参数引入气象参数n实测污染浓度数据校核数学模式实测污染