【环境化学】第2.2章 大气环境化学-第二节 大气中污染物的迁移

1、第二节 大气中污染物的迁移2.1 逆温和辐射逆温2.2 大气稳定度2.3 影响大气污染物迁移的因素第二章 大气环境化学10/2/20221Department of Geochemistry and Environmental Science大气污染物的迁移定义：污染物由于空气的运动使其传输和分散的过程，称为污染物在大气中的迁移。研究思路研究大气污染物迁移要从空气的运动规律入手。 空气运动规律受温度、压力和地形等因素的影响，其中温度是最重要的因素。10/2/20222Department of Geochemistry and Environmental Science2.1 逆温和辐射逆温1

2、. 温度垂直递减率温度层结和温度垂直递减率（=dT/dz）对流层温度层结：气温随高度增加而降低（一般情况）, 0。反常现象（一定条件下出现）当0时，称为等温气层； 当 0时，称为逆温气层。第二章 大气环境化学 / 第二节 大气中污染物的迁移10/2/20223Department of Geochemistry and Environmental Science2. 近地面层的逆温(1) 平流逆温：形成机制：暖空气水平移动到冷的地面或气层上，由于暖空气的下层受到冷地面或气层的影响而迅速降温，上层受影响较少，降温较慢，从而形成逆温。影响因素：逆温的强弱，主要由暖空气和地面的温差决定。温差越大，逆

3、温越强。实例：中纬度沿海地区的冬季，由于海陆温差显著，当海上暖空气流到大陆上时，常常出现平流逆温。 第二章 大气环境化学 / 第二节 大气中污染物的迁移2.1 逆温和辐射逆温10/2/20224Department of Geochemistry and Environmental Science(2) 地形逆温：形成机制：由地形造成，主要发生在盆地和谷地中。由于（夜间）山坡散热快，冷空气循山坡下沉到谷底，谷底原来的较暖空气被冷空气抬挤上升，从而出现逆温现象。实例天山：北坡从12月次年2月在近地层存在一层深厚的逆温层，它的形成主要是由于冷空气受阻积累，在形成的“冷空气湖”上有较暖的空气层。天山

4、北坡逆温层厚度至少有1500米，在南坡只有700米。中国南部的山地：冬季常有地面逆温，在谷底或山坡下方因为气温低，不宜种植热带经济作物。 10/2/20225Department of Geochemistry and Environmental Science(3) 辐射逆温 形成机制 地面白天升温，近地面温度升高 夜间地面冷却降温，近地面层气温迅速下降 高处大气层降温较少，出现上暖下冷的逆温现象。CABEFDTH10/2/20226Department of Geochemistry and Environmental Science(3) 辐射逆温 形成条件 晴朗的夜空 无风或风速小：小

5、于23m/s 距离地面约100150m的高度10/2/20227Department of Geochemistry and Environmental Science（4）下沉逆温形成机制：是由于稳定气层整层空气下沉压缩增温而形成的逆温，又称为压缩逆温。形成条件：极地冷高压或副热带高压控制下的晴好天气，高压中心附近有持久而强盛的下沉运动。下沉逆温出现在距地面12千米以上的气层中，厚度可达数百米 。10/2/20228Department of Geochemistry and Environmental Science(5) 锋面逆温：定义：锋面是冷暖空气的交界面，锋面上下冷暖空气的温度差异

6、而形成的逆温。形成机制：冷暖空气团相遇时，暖空气因密度小而爬到冷空气上方，当冷暖空气的温差较大时，在界面附近也会出现逆温，称之为锋面逆温。10/2/20229Department of Geochemistry and Environmental Science第二节 大气中污染物的迁移2.1 逆温和辐射逆温2.2 大气稳定度2.3 影响大气污染物迁移的因素第二章 大气环境化学10/2/202210Department of Geochemistry and Environmental Science2.2 大气稳定度(1) 流体稳定度：密度层结稳定：密度大的流体在密度小的流体下面不稳定：密度

7、大的流体在密度小的流体上面(2) 大气稳定度：密度层结：密度随高度增加而降低，未必稳定还受温度层结控制10/2/202211Department of Geochemistry and Environmental Science2.2 大气稳定度定义：气层的稳定程度。判断方法：大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。稳定：气块产生小的垂直位移后，气层使气块趋于回到原来的平衡位置。不稳定：气块产生小的垂直位移后，气层使气块趋于继续离开原来的位置。10/2/202212Department of Geochemistry and Environmental Science气块的干绝热过程

8、气块：在大气中取一微小容积宏观的空气微团，称为气块。干过程：如果气块质量不变，而且不发生相变化，此过程称为干过程。绝热过程：气块与周围的环境间没有发生热量交换，既无热量输入，也无热量输出，那么它的状态变化过程就可以认为是绝热过程。由于空气的导热率很小，垂直运动中经历各气层的时间又很短，所以，运动气块与周围空气的热量交换作用极微弱，可看作空气作绝热运动，10/2/202213Department of Geochemistry and Environmental ScienceT1T2P2P1干空气升降时的绝热变化利用这个方程可以求出气块上升到任一高度处的温度值。 T1、T2 分别为绝热过程起始

9、和终结的温度； P1、P2 分别为绝热过程起始和终结的压力； 0.286 泊松常数。气块干绝热过程：温度与压强的关系10/2/202214Department of Geochemistry and Environmental Science气块干绝热过程：温度与高度的关系干绝热垂直递减率大气中的干空气和未饱和的湿空气块在作垂直的绝热运动时，气温会发生变化。气块从地面绝热上升时，会因周围气压的减少而体积膨胀，用内能反抗外力，因此，它的温度就下降；空气块下降时，外压力增大，对其作压缩功，转化为内能，使其温度上升。定义：干空气在绝热上升时，温度降低值与上升高度的比称为干绝热垂直递减率。用d表示。1

10、0/2/202215Department of Geochemistry and Environmental Science干绝热垂直递减率d可由下式求得： 由此可知在g和CPd不变的情况下，d总是常数。 1/100m 式中：A 为热功当量， Cpd为干空气的定压比热。 即d 1.0/100m。 气块干绝热垂直递减率的数值10/2/202216Department of Geochemistry and Environmental Science 式中：（Z-Z0）：上升高度差； T：干空气达到高度Z的温度； T0：起始高度Z处的温度。说明：这一方程仅适用于对流层，因为不同大气层的d 不同 。

11、利用d，对绝热上升的干空气可以得到如下关系： T T0-d（Z-Z0）气块干绝热过程：温度与高度的关系10/2/202217Department of Geochemistry and Environmental Science0.8/100m d 表明大气是稳定的；1.0/100m d 表明大气处于平衡状态。1.2 /100m d 表明大气是不稳定的；大气稳定度26252425.82625242625242524.226252426.22523.830020010010/2/202218Department of Geochemistry and Environmental Science大

12、气稳定度大气温度垂直递减率越大，气层越不稳定。大气温度垂直递减率越小，甚至形成等温或逆温状态，气层越稳定。对大气垂直对流形成巨大障碍，地面气流不易上升，使地面污染源排放出来的污染物难以借上升气流而扩散。平流层：垂直递减率为负值，垂直混合非常慢，污染物在平流层内难以扩散。10/2/202219Department of Geochemistry and Environmental Science饱和空气和未饱和空气气温越高，空气中可以容纳的水汽就越多。在温度一定的条件下，单位体积空气中容纳水汽的数量有一定的限度。 未饱和空气：如果水汽含量未达到此限度，这时叫未饱和空气；过饱和空气：如果水汽含量超

13、过此限度，叫过饱和空气；饱和空气：如果水汽含量恰好达到这个限度，则叫饱和空气。10/2/202220Department of Geochemistry and Environmental Science水蒸汽对垂直递减率的影响无相变发生：空气上升时，每上升100m降温1。有相变发生：水汽发生凝结，释放凝结潜热，加热气块，就会使气温的垂直递减率降低。10/2/202221Department of Geochemistry and Environmental Science大气干绝热过程对气候的影响焚风现象形成机制：比较潮湿的空气在迎风山坡上升时，水汽凝结成云雨，到山顶后已变得比较干燥，然后沿

14、着背风坡下沉增温（干绝热过程增温），形成一股干燥而炎热的下沉气流，使农作物干枯或者死亡，甚至还能引起森林火灾，气象上称这种气流为焚风，称这种现象为焚风现象。10/2/202222Department of Geochemistry and Environmental Science有一潮湿气团在山的迎风坡上升时温度为15，越过一座相对高度为4000米的山脉。水汽的凝结高度为1000米，在凝结高度以下，气团上升其温度逐渐降低，每上升100米，温度约下降1（干绝热递减），当气流升到1000米时，这时空气温度只有5.0。继续上升，因水汽凝结要放出潜热能，上升气团温度降低将减慢，每上升100米，温度约

15、降低0.6（湿绝热递减）。这样气流升到了4000米处，其温度降为-13.0。焚风现象10/2/202223Department of Geochemistry and Environmental Science焚风现象当上升气团中水汽大部分或全部凝结并降落在山的迎风坡以后，便成为比较干的空气。它在山脊的背风坡按干绝热递增率下沉增温，即每下降100米温度要升高1.0。所以当气流下沉到山谷时，它的温度可达27（即-13.040.027.0）。它比迎风坡上同一高度处的温度增高了12.0，加之此时空气干燥，气团就变成了干热气团，这种干热气团的形成称为焚风效应。 10/2/202224Departmen

16、t of Geochemistry and Environmental Science河北省石家庄地区，位于太行山东麓，海拨高度相差1000米以上，当气流越过太行山下降时，石家庄地区常出现焚风效应，日平均气温比正常时偏高10.0以上，有时比离山麓较远的东南部市县（无焚风效应地区）温度要高出10多度 。焚风现象实例10/2/202225Department of Geochemistry and Environmental Science2.3 影响大气污染物迁移的因素(1) 大气的机械运动（例如：风和湍流）(2) 天气形势和地理地势造成的逆温现象(3) 污染源本身的特性第二章 大气环境化学 /

17、 第二节 大气中污染物的迁移10/2/202226Department of Geochemistry and Environmental Science(1) 大气的机械运动风和湍流的影响 风可使污染物向下风向扩散； 湍流可使污染物向各方向扩散； 浓度梯度可使污染物发生质量扩散主导作用2.3 影响大气污染物迁移的因素第二章 大气环境化学 / 第二节 大气中污染物的迁移10/2/202227Department of Geochemistry and Environmental Science气块作有规则运动时，其速度在水平方向上的分量称为风，铅直方向上的分量则称为铅直速度。在小尺度有规则运动

18、中，铅直速度在每秒可达几米以上，就称为对流；在大尺度有规则运动中，铅直速度在每秒几厘米以下，称为系统性铅直运动；风的形成2.3 影响大气污染物迁移的因素第二章 大气环境化学 / 第二节 大气中污染物的迁移(1) 大气的机械运动风和湍流的影响10/2/202228Department of Geochemistry and Environmental Science湍流（乱流）的形成2.3 影响大气污染物迁移的因素第二章 大气环境化学 / 第二节 大气中污染物的迁移(1) 大气的机械运动风和湍流的影响动力湍流有规律水平运动的气流遇到起伏不平的地形扰动；热力湍流 地表面温度与地表面附近的温度不均一

19、，从而形成湍流10/2/202229Department of Geochemistry and Environmental Science 图中：T0表示地面温度，温度曲线由实线表示（dT/dz）env。MMD表示最大混合层高度。图 b 为稳定大气时的最大混合层高度，由图可见，在这种情况下，最大混合层高度明显低。图 a 中气块受太阳辐射升温到T0, 它将会沿干绝热线膨胀而上升，如图中虚线。这两线相交处就是最大混合层。图 c 是有逆温出现时的最大混合层高度。与逆温层高度有关 最大混合层高度（Maximum Mixing Depth）2.3 影响大气污染物迁移的因素第二章 大气环境化学 / 第二

20、节 大气中污染物的迁移10/2/202230Department of Geochemistry and Environmental Science最大混合层高度夜间较低，白天升高。夜间逆温较重的情况下，最大混合层高度甚至可以为零。白天可能达到20003000m。最大混合层高度冬季最小，夏初最大。最大混合层高度小于1500m时，城市会普遍出现污染现象。 2.3 影响大气污染物迁移的因素第二章 大气环境化学 / 第二节 大气中污染物的迁移最大混合层高度（Maximum Mixing Depth）10/2/202231Department of Geochemistry and Environmental Science(2)天气形势和地理地势的影响天气形势大范围气压分布的状况地理地势海陆风白天海风，夜晚陆风岩石的比热0.8374J/gK；水的比热4.1868J/gK 2.3 影响大气污染物迁移的因素第二章 大气环境化学 / 第二节 大气中污染物的迁移10/2/202232Department of Geochemistry and Environmental Science海陆风对污染物迁移的影响循环作用 污染源处于局地环流之中，污染物积累往返作用海陆风转换期间，随陆风输