大气污染控制工程：第02章 污染气象学原理与大气扩散

1、第二章 污染气象学原理与大气扩散Pollution meteorology and atmospheric diffusion本章提要 了解大气圈层结构；了解主要气象要素，理解干空气绝热直减率、温度层结和大气稳定度的概念，学会判断大气稳定度，理解大气稳定度条件下烟流的不同形状；理解逆温的形成过程，以及逆温对污染物扩散的影响；了解大气扩散的基本概念及基本原理，包括正态分布理论及扩散微分方程、常用大气扩散模式；学会估算烟气抬升高度及大气污染浓度。 1第二章 污染气象学原理与大气扩散2.1 大气层结构及气象要素 The Layers of the atmosphere and Meteorologi

2、cal Element2.2 大气的热力过程与竖向运动 Thermodynamic process and vertical motion2.3 大气的水平运动 horizontal motion2.4 局地气象特征 local meteorological feature2.5 大气扩散模式 atmospheric diffusion model2.6 污染物浓度估算 eatimation of the pollutants concentration2大气扩散研究的对象sourcereceptorAtmospheric diffusionAcid transport across inte

3、rnational boundaries（美国、加拿大）Atmospheric science 大气物理、化学大气气象学 污染气象学 Effects of meteorological condition on the dilution and diffusion of the pollutantsEffects of pollutants on the meteorology32.1 大气层结构及气象要素2.1.1大气圈垂直结构 The atmospherestructureExosphereThermosphereionosphereMesosphereStratospheretropos

4、phere45大氣分層名稱溫度空氣對流程度自然現象外層（散逸層）空氣更為稀薄只受到微小的地心吸力，是地球大氣向星際空間過渡的層次。增溫層（電離層）空氣稀薄大氣處於電離狀態，能反射無線電波。氧原子能吸收波長小於0.175微米的紫外線中氣層（高空對流層）相當強烈缺少氧原子，臭氧很少平流層空氣上熱下冷，不易形成對流，空氣稀薄平靜，含水氣少，天氣晴朗，能見度好最適宜飛機高空飛行。大氣中的臭氧主要分佈於此，能大量吸收波長小於0.175微米的有害紫外線。現有臭氧空洞對流層顯著緊貼地面。風、雪、雲、雨等天氣現象都發生在這一層。氣象複雜多變，與人類關係最為密切大地6大气圈垂直结构对流层（10km左右）Trop

5、osphere集中了大气质量的3/4和全部的水蒸气，主要天气现象都发生在这一层温度随高度的增加而降低，每升高100m平均降温0.650C强烈对流作用温度和湿度的水平分布不均大气边界层对流层下层12km，地面阻滞和摩擦 作用明显自由大气大气边界层以上，地面摩擦可以忽略 近地层地面上50100m，热量和动量的常通量层7大气圈垂直结构平流层（对流层顶5055km）stratosphere同温层对流层顶3540km，气温-550C左右同温层以上，气温随高度增加而增加集中了大部分臭氧没有对流运动，污染物停留时间(RT Retention Time) 很长中间层（平流层顶85km） 气温随高度升高而迅速降

6、低对流运动强烈8大气圈垂直结构暖层（中间层顶800km）气温随高度升高而增高气体分子高度电离电离层散逸层（暖层以上）气温很高，空气稀薄空气粒子可以摆脱地球引力而散逸大气压力总是随高度的升高而降低均质大气层8085km以下，成分基本不变9大气气压场分布10大气水汽分布112.1.2 气象要素(1) 气温 Temperature天气预报中：1.5m高、百叶箱内气温。 12气象要素(2) 气压 Pressure单位：mb（毫巴） 大气的压强1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg静力学方程:13气象要素3气湿 Humidity绝对湿度absolute H1m3湿空气中含有的水汽质量

7、相对湿度Relative H空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度的百分比含湿量 moisture content湿空气中1kg干空气包含的水汽质量水汽体积分数Volume Fraction水汽在湿空气中所占的体积分数露点Dew Point同气压下空气达到饱和状态时的温度14气湿计算示意已知大气压力为101325Pa，气温32，空气湿度76%，确定空气含湿量和水汽体积分数。查表得32 时饱和水蒸气压为4714.2Pa1516气象要素4风向和风速 Direction and velocity 水平方向的空气运动叫做风（垂直方向升降气流） 风的来向叫风向（16个方位圆周等分） 风速：单位时间内

8、空气在水平方向上运动距离（2或10min平均） (m/s) F风力级（012级） 7级 15.5m/s 12级 34.9 m/s17主要气象要素4风向和风速 风玫瑰图Windrosemap 某地区1988年的风玫瑰图。同心圆表示风的频率，例如，吹南风的频率约为11，其中风速大于10.82m/s的频率约为1，风速在3.355.41m/s的频率为3.5左右。Mean Wind SpeedPrevailing Wind Direction18主要气象要素5云 cloud 大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小） 云量cloud cover:天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分） 云高 c

9、loud level :云底距地面底高度 低云（2500m以下） 中云（25005000m） 高云（5000m以上） 云状:卷云（线）,积云（块）,层云（面),雨层云(无定形） 19云 高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）20主要气象要素6能见度 visibility 正常视力的人，在天空背景下能看清的水平距离 级别（09级，相应距离为5050000米） 212.2 大气的热力过程与竖向运动2.2.1 低层大气的加热和冷却 太阳、大气和地面的热交换 太阳以紫外线ultraviolet、可见光visible light、红外线infrared的形式辐射radi

10、ation热量太阳辐射加热地球表面地面长波辐射long wave radiation 加热大气近地层大气温度主要随地表温度变化22对流、平流层温度层结示意23气温的垂直变化气温直减率Lapse rate （大气）干空气绝热绘制温度递减率 干绝热直减率 Dry adiabatic （空气团）Lapse rate一般满足，大气绝热过程，系统与周围环境无热交换 空气块膨胀（做功）耗内 能 T定性空气块压缩（外气对它做功）T内能（由压力变化引起）24气温的竖直分布（温度层结） 气温的垂直分布温度层结 Temperature Stratification 是大气竖向运动的决定性因素 称高度增加100m温

11、度的降低值为温度直减率(Temperature Lapse rate )25大气稳定度Stability及其判据定义：大气在垂直方向上稳定的程度；反映其是否容易对流定性描述： 外力使气块上升或下降气块去掉外力气块减速，有返回趋势，稳定气块加速上升或下降，不稳定气块停在外力去掉处，中性不稳定instability条件下有利于扩散26判据： 大气稳定度及其判据Unstable , neutral , stable , very stable 27.逆温Temperature inversion逆温层内空气竖直运动很弱,不利于扩散辐射： 1. 辐射逆温： 地面白天加热，大气自下而上变暖； 地面夜间变

12、冷，大气自下而上冷却 太阳 地球 ：短波 地球 大气层：长波 大气吸收长波强28逆温1辐射逆温的生消过程 Radiation Inversiona sunset b sunset+ hours c: dawn d:dawn+2-4h, e:midafternoon29逆温2.下沉逆温 （多在高空大气中，高压控制区内） 很厚的气层下沉 压缩变扁 顶部增温比底部多30逆温3.平流逆温 暖空气平流到冷地面上由于下部降温而形成4.湍流逆温 下层湍流混合达 上层出现过渡层 逆温 31逆温5.锋面逆温 冷、暖气团相遇冷暖间逆温 暖气上爬，形成锋面32逆温影响33 逆温对不同地形城市的影响134烟流型与大气

13、稳定度的关系 波浪型（不稳）锥型（中性or弱稳）扇型（逆温）爬升型（下稳，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳） 352.3 大气的水平运动和风引起大气运动的作用力 直接作用力重力水平气压梯度力（垂直上与重力基本平衡）间接作用力 地转偏向力（相对运动：方向改变）惯性离心力（大气曲线运动：很小）摩擦力（近地12km内明显） 36近地层风速廓线模式 平均风速随高度变化非中性层结： 指数律，稳定度参数372.4 局部气象特征2.4.1 城市气象特征（1）热岛效应urban heat island effect 现象：城区温度高于周围乡村温度 原因：能量使用密度大 建筑物吸热容量大 地面蒸腾作用相对较小，水汽

14、蒸 发显热少 受污染空气对地面长波辐射增强38（2）城市混合层 晴朗的白天，城市和乡村一般均为随高度递减的温度层结，只是城市气温递减率更大；夜间，乡村出现辐射逆温的空气流到城市上空，下部仍维持递减温度层结，因而形成不厚（几十米至几百米）的混合层 39（3）城市风场与湍流 4041地方性风场 2.4.3 水陆交界处气象特征 (1) 海陆风 (Land and sea breeze) 422.5 大气污染物扩散模式1).湍流扩散turbulent diffusion的基本理论(简要)2).高斯扩散模式Gaussian diffusion model431) 湍流扩散的基本理论扩散的要素风：平流输送

15、为主，风大则湍流大湍流turbulence：扩散比分子扩散快105106倍湍流的基本概念 湍流大气的无规则运动random motion 风速的脉动pulsation风向的摆动swing起因与两种形式 热力：温度垂直分布不均（不稳定）机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度44湍流扩散理论主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系1.梯度输送理论类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比2.湍流统计理论泰勒正态分布萨顿实用模式高斯模式 3.相似理论similarity theory 452) 高斯扩散模式高斯模式的有关假定assumption坐标系 Coordinates 右手坐

16、标，y为横风向，z为垂直向四点假设 a污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布b全部高度风速均匀稳定c源强是连续均匀稳定的d扩散中污染物是守恒的（不考虑转化） 46高斯扩散模式高斯扩散模式的坐标系Coordinates472.5.1 无界空间连续点源扩散模式由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布方差的表达式由假定d 源强积分式 （单位时间物料守恒） 48高斯烟流的形态49高斯烟流的浓度分布高斯烟流中心线上的浓度分布502.5.2 高架连续点源扩散模式镜像全反射-像源法实源： 像源：51高架连续点源扩散模式52高架连续点源扩散模式 532.5.3 地面点源扩散模式 当高架点源的源高为零，即相当于

17、地面点源。故令式（2.16）中的H0，即得地面点源扩散模式 比较式（2.21）和式（2.13）可知，地面连续点源排放造成的污染物浓度正好是无界连续点源所造成的污染物浓度的两倍。 54颗粒物扩散模式粒径小于15m的颗粒物可按气体扩散计算大于15m的颗粒物：倾斜烟流模式 地面反射系数552.5.4 线源扩散模式 在横向风作用下，无限长线源下风向与线源距离相等处的污染物浓度均相等。所以将点源模式沿Y方向积分，即得线源扩散计算模式。 1) 当风向与线源垂直时，无限长线源下风向污染物地面浓度计算模式为：56 线源扩散模式2)当风向与线源夹角 ，下风向污染浓度计算模式（ 不适用）为 57线源扩散模式3)有

18、限长线源 有限长线源两端存在边缘效应。以通过计算点沿平均风向的直线为X轴，线源由Y1至Y2（Y1浮力烟气抬升62烟气抬升高度的计算抬升高度计算式 （1） Holland公式：适用于中性大气条件（稳定时减小，不稳时增加1020） Holland公式比较保守，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下63烟气抬升高度的计算抬升高度计算式（续）（2）Briggs公式：适用不稳定及中性大气条件 64烟气抬升高度的计算抬升高度计算式 （续）（3）我国“制订地方大气污染物排放标准的技术方法”(GB/T13201-91)中的公式 652.6.2 扩散参数的确定 Dispersion CoefficientPG曲线

19、法PG曲线Pasquill常规气象资料估算Gifford制成图表66扩散参数的确定PG曲线法PG曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别表2.4 稳定度等级划分 距地面10m处风速）/ms-1白天太阳辐射阴天的白天或夜间有云的夜间强中弱薄云遮天或低云5/10云量4/102AABBD23ABBCDEF35BBCCDDE56CCDDDDD6CDDDDD67扩散参数的确定PG曲线法PG曲线的应用利用扩散曲线确定 和图2.19 水平扩散参数与下风向距离的关系图2.20 铅直扩散参数与下风向距离的关系68扩散参数的确定中国国家标准规定的方法稳定度分类方法改进的PT法 太阳高度角 （式2-40，地理纬度，倾角） 辐射等级 稳定度 云量（加地面风速） 表2.5 太阳辐射等级总云量/低云量夜间太阳高度角h0h01515h03535h065h0654/4-2-1+1+2+357/4-10+1+2+38/4-100+1+17/570000+18/80000069扩散参数的确定中国