第三讲 大气污染及控制工程-2

1、大气污染与控制工程大气污染与控制工程环境科学与工程学院环境科学与工程学院胡胡 辉辉 杨家宽杨家宽 Tel 87542224；E-mail: ; 环境工程导论环境工程导论内内 容容p一、大气与大气污染一、大气与大气污染p二、空气质量标准、大气污染物及危害二、空气质量标准、大气污染物及危害p三、大气污染气象学及大气污染模型三、大气污染气象学及大气污染模型p四、颗粒污染物及除尘工艺四、颗粒污染物及除尘工艺p五、五、 VOCs及净化工艺及净化工艺p六、六、SOx及脱硫工艺及脱硫工艺p七、七、NOx及脱氮工艺及脱氮工艺人类活动排放温室气体的贡献人类活动排放温室气体的贡献（19

2、801990）温室气体的主要贡献者温室气体的主要贡献者CO2甲烷的温室效应比甲烷的温室效应比CO2高高25倍倍温室效应的危害温室效应的危害1 1、地球上的病虫害和传染疾病增加、地球上的病虫害和传染疾病增加 史前病毒，虫害加剧史前病毒，虫害加剧2 2、海平面上升、海平面上升 专家预测专家预测2050年全球温升年全球温升24摄氏度摄氏度 ，海平面上升，海平面上升，纽约，上海，东京和悉尼纽约，上海，东京和悉尼 淹没淹没 3 3、气候反常，海洋风暴增多；、气候反常，海洋风暴增多； 98年洪水；年洪水；2004年年7.9级强地震，引发海啸，级强地震，引发海啸， 印尼印尼23万人死亡或失踪，万人死亡或失踪

3、，50万人无家可归万人无家可归 4 4、土地干旱，沙漠化面积增大、土地干旱，沙漠化面积增大 西部干旱，缺水，黄河断流，沙漠化西部干旱，缺水，黄河断流，沙漠化厄尔尼诺厄尔尼诺p厄尔尼诺现象又称厄尔尼诺海流，是太平洋赤道带厄尔尼诺现象又称厄尔尼诺海流，是太平洋赤道带大范围内海洋和大气相互作用后失去平衡而产生的大范围内海洋和大气相互作用后失去平衡而产生的一种气候现象。正常情况下，热带太平洋区域的季一种气候现象。正常情况下，热带太平洋区域的季风洋流是从美洲走向亚洲，使太平洋表面保持温暖，风洋流是从美洲走向亚洲，使太平洋表面保持温暖，给印尼周围带来热带降雨。但这种模式每给印尼周围带来热带降雨。但这种模式

4、每27年被年被打乱一次，使打乱一次，使风向和洋流发生逆转风向和洋流发生逆转，太平洋表层的，太平洋表层的热流就转而向东走向美洲热流就转而向东走向美洲，随之便带走了热带降雨，随之便带走了热带降雨，出现所谓的出现所谓的“厄尔尼诺现象厄尔尼诺现象”。p 厄尔尼诺厄尔尼诺p厄尔尼诺现象的基本特征是太平洋沿岸的海面水厄尔尼诺现象的基本特征是太平洋沿岸的海面水温异常升高，海水水位上涨，并形成一股温异常升高，海水水位上涨，并形成一股暖流暖流向向南流动。它使原属冷水域的太平洋东部水域变成南流动。它使原属冷水域的太平洋东部水域变成暖水域，结果引起暖水域，结果引起海啸和暴风骤雨海啸和暴风骤雨，造成一些地，造成一些地

5、区干旱，另一些地区又降雨过多的异常气候区干旱，另一些地区又降雨过多的异常气候 现象。现象。p在科学上此词语用于表示在秘鲁和厄瓜多在科学上此词语用于表示在秘鲁和厄瓜多尔附近几千公里的东太平洋海面温度的异尔附近几千公里的东太平洋海面温度的异常增暖现象。当这种现象发生时，大范围常增暖现象。当这种现象发生时，大范围的海水温度可比常年的海水温度可比常年高出高出36摄氏度摄氏度。太。太平洋广大水域的水温升高，改变了传统的平洋广大水域的水温升高，改变了传统的赤道洋流和东南信风，导致全球性的气候赤道洋流和东南信风，导致全球性的气候反常。反常。厄尔尼诺厄尔尼诺p“厄尔尼诺厄尔尼诺”一词来源于西班牙语，原意为一词

6、来源于西班牙语，原意为“圣圣婴婴”。19世纪初，在南美洲的厄瓜多尔、秘鲁等西世纪初，在南美洲的厄瓜多尔、秘鲁等西班牙语系的国家，渔民们发现，每隔几年，从班牙语系的国家，渔民们发现，每隔几年，从10月月至第二年的至第二年的3月便会出现一股沿海岸南移的月便会出现一股沿海岸南移的暖流暖流，使表层使表层海水温度明显升高海水温度明显升高。南美洲的太平洋东岸本。南美洲的太平洋东岸本来盛行的是秘鲁寒流，随着寒流移动的鱼群使秘鲁来盛行的是秘鲁寒流，随着寒流移动的鱼群使秘鲁渔场成为世界三大渔场之一，但这股暖流一出现，渔场成为世界三大渔场之一，但这股暖流一出现，性喜冷水的鱼类就会大量死亡，使渔民们遭受灭顶性喜冷水

7、的鱼类就会大量死亡，使渔民们遭受灭顶之灾。由于这种现象最严重时往往在圣诞节前后，之灾。由于这种现象最严重时往往在圣诞节前后，于是遭受天灾而又无可奈何的渔民将其称为上帝之于是遭受天灾而又无可奈何的渔民将其称为上帝之子圣婴。子圣婴。拉尼娜拉尼娜 p拉尼娜是西班牙语拉尼娜是西班牙语“La Nina”-“小女孩小女孩,圣圣女女”的意思的意思,是是厄尔尼诺现象的反相厄尔尼诺现象的反相，指赤道，指赤道附近东太平洋水温反常下降的一种现象，表附近东太平洋水温反常下降的一种现象，表现为东太平洋明显变冷，同时也伴随着全球现为东太平洋明显变冷，同时也伴随着全球性气候混乱，总是出现在厄尔尼诺现象之后。性气候混乱，总是

8、出现在厄尔尼诺现象之后。p气象和海洋学家用来专门指发生在赤道太平气象和海洋学家用来专门指发生在赤道太平洋东部和中部海水大范围持续异常变冷的现洋东部和中部海水大范围持续异常变冷的现象（海水表层温度低出气候平均值象（海水表层温度低出气候平均值0.5以以上，且持续时间超过上，且持续时间超过6个月以上）。拉尼娜个月以上）。拉尼娜也称反厄尔尼诺现象。也称反厄尔尼诺现象。拉尼娜拉尼娜 p最近一次拉尼娜现象出现在最近一次拉尼娜现象出现在1998年，持续到年，持续到2000年春季趋于结束。年春季趋于结束。 厄尔尼诺与拉尼娜厄尔尼诺与拉尼娜现象通常交替出现，对气候的影响大致相反，现象通常交替出现，对气候的影响大

9、致相反，通过海洋与大气之间的能量交换，改变大气通过海洋与大气之间的能量交换，改变大气环流而影响气候的变化。从近环流而影响气候的变化。从近50年的监测资年的监测资料看，厄尔尼诺出现频率多于拉尼娜，强度料看，厄尔尼诺出现频率多于拉尼娜，强度也大于拉尼娜。也大于拉尼娜。p中国海洋学家认为，中国在中国海洋学家认为，中国在1998年遭受的特年遭受的特大洪涝灾害大洪涝灾害，是由，是由“厄尔尼诺厄尔尼诺拉尼娜现象拉尼娜现象”和长江流域生态恶化两大成因共同引起的。和长江流域生态恶化两大成因共同引起的。 4、全球气候（、全球气候（Global Climate II: Stratospheric ozone de

10、pletion)Ozone layerO2 + hv - O + O(1)O + O2 - O3 (2)臭氧层破坏形成原因臭氧层破坏形成原因臭氧层破坏原因臭氧层破坏原因臭氧层破坏原因臭氧层破坏原因CFCs破坏臭氧层机理破坏臭氧层机理(I)ClO + ClO + M -Cl2O2 + MCl2O2 + hv-Cl + ClO2ClO2 + M-Cl + O2 + Mthen:2 x (Cl + O3)-2 x (ClO + O2)net:2 O3-3 O2and(II)ClO + BrO -Br + Cl + O2Cl + O3-ClO + O2Br + O3-BrO + O2net:2 O3-

11、3 O2The Halley Research Station The Ozone HoleMonthly Ozone Averages for OctoberMPEG movie of TOMS ozone measurements from Nov 1978 to Jan 1992q CFCs Simcat 3D Model臭氧层空洞的危害臭氧层空洞的危害皮肤癌与白内障皮肤癌与白内障三、大气污染气象学及大气污染模型三、大气污染气象学及大气污染模型大气圈垂直结构大气圈垂直结构均质层：至均质层：至80-85km80-85km，主，主要成分氮和氧要成分氮和氧的组成比例几的组成比例几乎不变乎不变同

12、温臭氧层同温臭氧层臭氧 吸收300平流层顶（+ ）（- ）平流层对流层对流层顶散逸层（+ ）（- ）（+ ）热成层电离层中间层中间层顶200250绝对温度（K ）50030007080506020409030040020010001030高 度 （ km ）高度（k m ）高度(km)大气圈垂直结构大气圈垂直结构N2O2ArCO2NeHeKrH2XeO O3 3越往上氧、氦等气体的原子态越多越往上氧、氦等气体的原子态越多紫外线的强烈照紫外线的强烈照射，射，N2和和O2产生产生不同程度的离解不同程度的离解对流层对流层平流层平流层/同温层同温层中间层中间层热层热层/暖层暖层/电离层电离层逃逸层逃逸

13、层/逸散层逸散层主要气象要素主要气象要素气象要素（因子）：气象要素（因子）： 表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为。表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为。与大气污染关系密切的气象要素主要有：与大气污染关系密切的气象要素主要有： 气温气温 气压气压 空气湿度（气湿）、空气湿度（气湿）、 风（风向、风速）风（风向、风速） 云量云状云量云状 能见度能见度 降水降水 蒸发、日照时数、蒸发、日照时数、太阳辐射太阳辐射、地面辐射、大气辐射等。、地面辐射、大气辐射等。风向和风速主要气象要素风向和风速主要气象要素 水平水平(horizontal)方向的空气运动称为风。方向的空气运动称为风。

14、 （垂直方向升降气流）（垂直方向升降气流） 风的来向叫风向（风的来向叫风向（16个方位圆周等分）个方位圆周等分）风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（风速：单位时间内空气在水平方向上运动距离（2或或10min平均）平均） (km/h) F风力级（风力级（012级）级） 302. 3Fu 风向和风速风玫瑰图风向和风速风玫瑰图风速风速,m/s 某地区某地区1988年的风玫瑰图。年的风玫瑰图。同心圆表示风的同心圆表示风的频率，例如，吹频率，例如，吹南风的频率约为南风的频率约为11，其中风速，其中风速大于大于10.82m/s的的频率约为频率约为1，风 速 在风 速 在 3.35 5.41m/s的频

15、率的频率为为3.5左右。左右。大气稳定度及气团垂直运动模型大气稳定度及气团垂直运动模型 .Tpp.T._周围环境空气周围环境空气 gmfavgvgweightbuoyancyfvvgvg污染物气团污染物气团浮力浮力重力重力密度密度与大气稳定度与大气稳定度 ga temperature.TTaTdensity.gTTTappgTTTgTRMPRTMPTRpMaTRpMRMmTpvnRTpv111相同海拔高度，近似相等相同海拔高度，近似相等温度温度T与大气稳定度与大气稳定度 大气垂直运动的稳定度决定于温度差，大气垂直运动的稳定度决定于温度差，温度的分布（温度的分布（T, T）随高度如何变化呢？）随

16、高度如何变化呢？讨论问题？讨论问题？gTTTa干绝热直减率干绝热直减率 ( Dry adiabatic lapse rate )绝热条件下，干污染物气团每上升绝热条件下，干污染物气团每上升1km，气温下降，气温下降10 为什么污染物气团上升过程，气温会下降？为什么污染物气团上升过程，气温会下降？zTTd010/km dzdT=干绝热直减率（干绝热直减率（ ）可逆可逆绝热绝热假设假设重力重力气压气压体积体积能量消耗能量消耗温度温度d标准绝热直减率（标准绝热直减率（ ）skmCdZdTkmCdZdTs/5 . 6/5 . 6为什么正常环境大气温度随高度增加，会为什么正常环境大气温度随高度增加，会下

17、降？下降？标准绝热直减率（标准绝热直减率（ ）al 地球的所有的能量来自于太阳地球的所有的能量来自于太阳l 地球相当于黑体，吸收辐射和辐射地球相当于黑体，吸收辐射和辐射 能力都很强能力都很强l 大气层是选择性吸收和辐射体大气层是选择性吸收和辐射体l 实际绝热直减率会受地域和时间影实际绝热直减率会受地域和时间影响而变化响而变化s大气稳定度与温度分布关系大气稳定度与温度分布关系ZTTZTTgTTTaad00ZTgadaT()Z(m)周围环境温度周围环境温度污染气团温度污染气团温度0实际环境大气温度直减率实际环境大气温度直减率T()Z(m)ZTgada0干绝热直减率保持恒定干绝热直减率保持恒定10/

18、km d然而，实际环境大气温度然而，实际环境大气温度直减率随时间的变化，直减率随时间的变化，随地理条件的变化不随地理条件的变化不同同a( a ) 不稳不稳 Z0ZTT0ZTgadaaZad.adT1Z1T1气团上升气团上升 T1 T1 气团将越升越高气团将越升越高气团下降气团下降 T2 T2 气团将越降越低气团将越降越低T2T2( b ) 中性中性TZad a = 0ZTgada( c ) 稳定稳定 TZadZaadZTgada气团上升气团上升T1 T2 气团上升至稳定点气团上升至稳定点T1T1T2T2( d ) 非常稳定非常稳定 TZ 逆温逆温0dZdTZa0dZdTZTgada逆温逆温(Temperature inversion)1、辐射逆温、辐射逆温ZZTT300m10C21C( a ) 黎明( b ) 黎明