大气污染教案第三章12节

第三章气象与大气扩散3.1大气的垂直结构（一）地球大气特征1、大气的组成:（1）恒定组分：指干净大气的组分（H2O、CO2除外）（2）可变组分：CO2和H2O（3）不定组分；指大气中的污染物质大气结构有何特点？有何特点？2、大气的结构及作用（1）结构：前面已介绍。（2）作用：A、大气是生命活动不可缺少的物质，大气中的氮和氧等元素是生物体的支柱，每人每天平均吸入15Kg的空气；B、大气通过紫外线照射和雷电火花合成有机物；C、保护地球一切生命的安全，减弱陨石和紫外线的损伤；D、保护地球表面的热量，调节气候；E、大气是某些环境物质运移的载体。（二）气象要素1、风与风向（1）风：指大气的水平运动。（2）风向：指风的来向。风向可用8个方位或16个方位表示，也可用角度表示。以正北方向为零度，将圆角分为360°，顺时针旋转。例如风从北方吹来称为北风（N）或称风向为0°，东南方吹来的风称东南风（SE）或称风向135°。

主导风向；风向是经常变化的，不同地区在一年中都有经常出现的风向，即主导风向。风向频率:表示某风向出现的次数占全年各方向风向出现总次数的百分比。风向决定了污染物的扩散方向。（3）风速：指单位时间内空气在水平方向运动的距离，单位用m/s或km/s表示。风速是一个矢量，具有大小和方向。在大气边界层(指地面向上1000m的大气层)中，磨擦力随高度的增加而减小，当气压梯度力不随高度变化时，风速随距地面高度增加而增大，风向与等压线的交角随高度增加而减小。通常大气中的污染物浓度与风速成反比，风速增加一倍，下风向浓度将减少一半。2、气温与气压（1）气温：这里指地面气温，一般是指距地面1.5m高处在百叶箱中观测到的空气温度。常用的气温单位为摄氏温度（℃）、热力学温度（K）和华氏温度（°F）。三者之间的换算公式如下：{T}K={t}℃+273.15{t}℃=5/9×({t}°F－32)

气温与大气污染的关系：近地层大气的温度是不断变化的。近地层大气温度的垂直分布决定了大气的稳定程度，以至影响大气污染物的扩散和稀释。因此气温的垂直分布与大气污染程度密切相关。（2）气压：单位面积上承受的大气柱的重力，即大气的压强。大气层中不同的地方气压不同而产生压力差，从而引起空气的运动。气压的单位有：大气压、帕、毫巴、毫米汞柱，它们之间的关系如下1atm=101325Pa=1013.25mbar=760mmHg3、大气湿度：表示大气中水汽含量和潮湿程度的重要物理量，它与天气变化密切相关。大气湿度的常用表示方法有以下几种：（1）绝对湿度：单位体积空气中所含的水汽质量，单位：g/m3.（2）水汽压力：空气中所含水汽的分压力，与气压用相同单位mmHg或Pa。

注意：通常气温条件下水汽压的值与绝对湿度的值相差不大，因此实际工作中常以水汽压来代替绝对湿度（3）相对湿度：大气中水汽压与同一温度下的饱和水汽压之比，用百分数表示。（4）露点：气压不变的情况下，降低气温使其达到饱和时的那个温度称为露点。根据气温与露点之差可以判断空气的饱和程度，即相对湿度的大小。差值越大，相对湿度越小；反之亦然。

4、云与辐射（1）云：大气中水汽的凝结现象叫做云（使气温随高度变化小）

云量:天空被云遮蔽的成数（我国10分，国外8分），它分为：

总云量：指所有云遮蔽天空的成数，无论其层次高低。

低云量：指低云簇中的云遮蔽的成数。

云高:云底距地面底高度，它分为：

低云（2000m以下）

中云（2000-6000m）

高云（6000m以上）

云状:卷云（线）,积云（块）,层云（面),雨层云(无定形）几种高度的云

高云（6000m以上）中云（2000-6000m）低云（2000m以下）（2）辐射:物质以电磁波形式放射能量。（3）云和辐射的关系：云对辐射起屏障作用，它能阻挡白天的太阳辐射，也阻挡地面向上的辐射。总的效果是减少垂直温度梯度，减弱的程度视云量的多少而定。阴天，温度层结的昼夜变化几乎消失，大气接近中性状态；同理，温度层结也随季节变化。

例如，夏季递减强度大，频率高，大气不稳定；冬季，逆温强度大，频率高，大气多出现稳定态。由此可见，辐射和云对大气稳定度可产生重要影响，从而影响到大气污染物的扩散稀释。3.2、影响大气污染物扩散能力的主要因素

大气的运动变化主要是由大气中热能的交换引起的，热能主要来自于太阳。热能的交换使得大气的温度有升有降。空气的运动和气压系统的变化活动，使地球上海陆之间、南北之间、地面和高空之间的能量和物质不断交换，生成复杂的气象变化和气候变化。影响大气污染物扩散的主要因素有两方面：

一是气象的动力因素；二是热力因素（一）影响大气污染物扩散的动力因素1、风：对大气污染物质的作用是（1）输送作用（2）稀释作用2、湍流：指大气中存在着不同于主流方向各种尺度的次生运动或称为旋涡运动。（1）影响大气湍流的因子：大气垂直稳定度（该因子形成的大气湍流称为热力湍流）、近地面的风速、下垫面的粗糙情况等机械因素（该因子形成的湍流称为机械湍流）（2）对大气污染物的作用：混合稀释

风和湍流对大气污染的影响：风和湍流是决定污染物在大气中的扩散状态的最直接和最本质的因子，是决定污染物扩散的决定因素。

凡有利于增大风速、增强湍流的气象条件，都有利于污染物的稀释扩散，否则将会使污染严重。（二）影响大气污染物扩散的热力因素热力因素主要指大气的温度层结和大气稳定度。

温度层结：指地球表面上方的大气温度随高度的变化情况，即在垂直方向上的气温分布。气温的垂直分布决定着大气的稳定度，而大气稳定度又影响着湍流的强度，因而温度层结与大气污染程度有着紧密的关系。1、大气边界层的温度场（1）气温垂直递减率：为了描述气温垂直分布的特点，经常利用气温垂直递减率这个概念。它指气温随高度的升高而降低的快慢，用每上升单位高度（100米）的降低值，即气温垂直递减率γ=－ƏT/ƏZ来表示。气温垂直递减率γ有三种情况：气温随高度的增加而降低，此时γ﹥0；气温随高度的升高而增加时γ﹤0；气温随高度的升高不变时γ=0（2）绝热变化和干绝热递减率①绝热变化：空气与外界无热量交换，由于外界压力的变化，使其被压缩或向外膨胀时所引起的温度变化，称为气温的绝热变化。在绝热过程中，空气内能的变化是由于外力压缩它，对它做功，或由空气以膨胀的形式反抗外力做功的结果。当空气上升时，由于周围气压的降低，使空气膨胀而降温；相反空气下降时，由于气压的增加，使空气被压缩而增温。②气温干绝热递减率：干空气绝热上升单位距离时的温度降低值，又称为干空气的绝热垂直递减率，表示成γd=－dTi/dZ式中：Ti为干空气团的温度。注：干绝热递增减率为一近似常数，其值大约为1℃∕100m

思考：气温垂直递减率和气温干绝热递减率有何区别？2、大气稳定度（1）大气稳定度的含义：指在垂直方向上大气稳定的程度。即大气是否易于发生对流，与γ和γd有关。（2）大气稳定度的分类：

不稳定平衡中性平衡稳定平衡

γdγdγdγγγγ>γdγ=γdγ<γd不稳定平衡中性平衡稳定平衡υυ=0υ（3）大气稳定度的判定（定性）：①当γd﹤γ时，大气是不稳定的；②当γd=γ时，大气是中性平衡状态。③当γd﹥γ时，大气是稳定的。

（4）在大气污染预测模型中：将大气稳定度细分为A、B、C、D、E、F六个级别，分别代表极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定和稳定。按以下方式确定大气稳定度的类型：具体步骤如下：计算太阳倾角计算太阳高度角由云量和太阳高度角查表查出辐射等级数由辐射等级数和地面风速查表得到稳定度等级（帕斯奎尔法，见教材。）（三）几种气象状况对大气污染物扩散的影响1、逆温的概念：指大气的温度随着高度升高而增加的现象。发生逆温的大气层称作逆温层。

在逆温条件下：γ＜0＜γd

，大气处于稳定状态，严重影响了污染物的垂直扩散，易造成大气污染。

2、逆温的类型：根据逆温发生的原因可分为5类：

①辐射逆温（接地逆温）：经常发生在无风或小风少云的夜晚，由于强烈的有效辐射使地面和近地面大气层强烈冷却降温，而上层空气降温较慢，上暖下冷的逆温现象。下图是辐射逆温的生消过程②地形逆温：是由于局部地区的地形而形成的逆温。主要是在盆地和谷地中，日落后山坡散热较快，使冷空气沿斜坡下滑，把谷底的热空气抬升而形成上部气温比下部气温高的逆温。③下沉逆温（沉降性逆温）：在高压控制区，高空存在着大规模的下沉气流，由于下沉气流施热增温作用，致使下沉运动的终止高度出现了逆温。多见于副热带反气旋区，特点是范围大，不连接地面而出现在某一高度上，所以又称作上部逆温。④锋面逆温：是由于冷暖两种气团相遇，暖气团位于冷气团之上而形成的。下图是其形成的示意图。

⑤平流逆温：主要发生在冬季中纬度沿海地区，由于海陆存在温差，当海上暖空气流到陆地上空时，便形成了平流逆温。由于逆温时的大气状态十分恶劣，因此在逆温层内大气的垂直运动受阻，处于逆温层内的烟尘等污染物和水汽凝结物因不易扩散而大量积累，使能见度变坏，空气质量恶化，严重时甚至发生污染事件。

3、烟流形状、大气污染状况与大气稳定度的关系

大气污染状况与大气稳定度有密切的关系，下面以一高架源连续排放烟云为例来说明大气稳定度对大气污染物的影响。高架源排放的烟云有5种类型：（1）翻卷型（波浪形）：出现于大气不稳定状态下，γ﹥0，γ﹥γd

的情况下，温度随高度的增加而降低，烟云在上下左右方向上摆动很大，扩散速度较快，烟云呈剧烈翻卷。由于扩散速度较快，靠近污染源地区污染物落地浓度较高，在较远的下风处污染较轻，该种烟云多发生在晴朗的中午。（2）锥形烟流：外形类似一个椭圆锥，当烟流离开排放口一定距离后，云轴基本保持水平。烟流比翻卷形规则，大气处于中性或弱稳定γ﹥0，γ=γd

。扩散速度及落地浓度均比翻卷形低，污染物运输较远。该种烟流多出现在阴天或多云天以及冬季夜晚。（3）扇形烟流：其扩散在垂直方向受到抑制，在水平方向扩散成扇形。大气处于稳定状态，γ﹤0，γ﹤γd

，出现逆温层。污染物可以传送到很远的下风向。（4）屋脊型烟流：其下侧边缘清晰，呈平直状，上部出现湍流扩散。烟囱出口上方大气处于不稳定状态γ﹥0，γ﹥γd

；下方大气则处于稳定状态γ﹤0，γ﹤γd

。烟气中污染物不向下方扩散而只向上方扩散，对地面污染较小。该种烟型多出现在日落前后。（5）熏烟型：烟流的上侧边缘清晰，呈平直状，烟流的下部有较强的湍流扩散，烟上方有逆温层。烟气上升到一定程度后受到逆温层的控制。烟囱出口上方大气稳定γ﹤0，γ﹤γd

；下方大气不稳定γ>γd

。这种情况下烟云就好象被盖子盖住一样，只能向下部，象烟熏一样直扑地面。在污染源附近的污染物浓度较高，地面污染严重。（这是在大气污染预测里备受关注的极端气象条件）3、气压分布与大气污染（1）低压控制区

特点：空气有上升运动，云天较多，通常风速也较大

与大气污染的关系：大气多为中性或不稳定状态，有利于污染物的稀释扩散。（2）强高压控制区：特点：天气晴朗，风速较小，由于大范围内空气的下沉运动，在几百米到一二千米的上空形成下沉逆温。

与大气污染的关系：阻挡着污染物向上湍流扩散。若高压大气系统是静止的或移动很慢的微风天气，又连续几天出现逆温时，由于大气对污染物的扩散稀释能力大大下降，将会出现所谓的空气“停滞”现象。这时即使处在正常情况下不足以造成大气污染的污染源，也可能出现大范围的污染危害。如再处于不利的地形条件，就会出现严重的污染情况，如世界闻名的伦敦烟雾事件就是在这样的条件下发生的。4、雾与逆温

雾和逆温与大气污染的关系：

一是有利于一次污染物的积累，二是促进二次污染物的形成。时间分布特点：雾并伴随出现的逆温所导致的空气污染以冬季最为严重，秋末初春次之，夏季最轻。例1：1948年10月底，美国多诺拉这个拥有1.4万人的工业小镇，由于大雾和逆温的出现，空气中SO2和金属粉尘等迅速堆集，造成了6000人患病，17人死亡。例2：1930年2月，比利时马斯河谷地区出现大雾和逆温，致使当地工厂排放的大量污染物沉积，导致几千居民发病，死亡60余人。

5、局部气流

地形和地貌的差异，加上日照时间的变化，地表热力性质的不均匀性，造成局部热力环流，，其水平范围一般在几至几十公里，局部气流对当地的大气污染有显著的影响。常见的有：

（1）城市热岛效应（Hotislandeffect）：

热岛效应形成的原因：①城市上空污染物具有保温作用，增加了大气的逆辐射；②城市建筑物和道路的建材改变了地表热交换和大气的动力学特性，更易大量吸收热辐射；③城市大量高层建筑减低风速，使热量水平输送相对困难；④城市居民生产、生活形成丰富的热源。

热岛环流的形成和危害：形成条件：（1）城市热岛效应应在几百米以上有一稳定层所覆盖，而在稳定层以下形成城市混合层，混合层使该层内的垂直浓度趋于均匀；（2）热岛效应使农村的冷空气向城市辐合而上升。与大气污染的关系：（1）该环流的水平辐射流场使接近地面的污染物向城市聚集，加重了城市的污染；（2）其辐合上升气流使高烟囱的烟上升，输往远处，又可减少对城市的污染。影响热岛效应的因素：局部地区气象（如云量、风速(＜6m/s时)等）、季节（主要在夏季）、地形、建筑形态以及城市规模、性质（2）山谷风（3）海陆风（谷风）山风（山风）3.3烟气的抬升高度1、烟气的抬升过程：烟气抬升分为四个阶段：（1）喷出阶段：这个阶段主要依靠烟气本身的初始动量向上喷射。（2）浮升阶段：由于烟流的热力作用，烟气密度比空气小，产生浮力上升。（3）瓦解阶段：当烟气上升到一定高度后，烟流与烟气混合，失去动量和浮力开始随风飘动，发生较大的波动。（4）变平阶段：这时烟流完全变平，在大气湍流的作用下，作上下左右扩散，使烟流愈扩愈大。

2、影响烟气抬升的因素（1）烟气的初始动量和浮力：其中初始动量取决于排气速度的大小，而排气速度又与排烟装置和烟囱的出口直径有关，速度越大，动力抬升越高。烟气的浮力与烟气和周围空气的密度差成正比。而密度差的大小主要取决于它们之间的温差，温差越大，密度差也就越大，产生的浮力也就越大，烟气上升越高。许多资料表明，烟气抬升主要受热力因素的影响。（2）气象因子：其中影响最大的是烟囱口的平均风速和湍流强度。近地面大气的湍流状况是引起烟气和环境空气相互混合的主要因素，平均风速越大，湍流越强，混合愈快，抬升越小。（3）下垫面：主要表现在起伏的下垫面所引起的动力效应。高大的建筑物和丘陵山地可能引起烟云下泻、下沉等，直接阻碍烟气上升。3、烟气抬升的公式

烟气抬升由于其影响因素复杂，至今尚未从理论上解决这个问题。现在实用的烟气抬升公式都是经验或半经验的。下面主要介绍三个常用的烟气抬升公式：

（1）霍兰德公式（Holland）

式中：△H——烟云抬升高度,m；vs——烟气出口速度，m/s；d——烟囱出口直径,m；

ū——烟囱口高度上的平均风速,m/s；

QH——排出烟气的热量,kJ/s；Ts,Ta——分别是烟气和空气的温度，K.注意：该公式是根据在中性条件下，由美国原子能委员会、原子能实验中心和美国田纳西工程管理局的瓦茨-博尔火电厂的烟气实测资料为基础推导出来的，是一个保守的公式。在稳定度发生变化时应进行校正：稳定度等级A、BCDE、F校正系数1.151.101.000.85(2)布里吉斯式①当大气稳定时

ⅰ）当x<xF时，△H=1.6F1/3x2/3

ū－1ⅱ）当x≥xF

时，△H=2.4(FS/ū)1/3

其中：

xF=πū/S1/2,F=gvsd2(Ts－Ta)/4Ts,S=g(△ө/△Z)/Ta

②当大气为中性或不稳定时

ⅰ）当x<3.5x*时，

△H=1.6F1/3x2/3/ū

ⅱ）当x≥3.5x*时，

△H=1.6F1/3(3.5x*)2/3/