二组：大气扩散与污染物散布终

大气扩散与空气污染物散布的一般描述讲解人:伍绍政谢健蓝宗迁回顾上节课大气层结稳定度的判定及逆温的形成：大气层结稳定度的判定---气块法逆温的形成:湍流逆温平流逆温辐射逆温下沉逆温锋面逆温逆温平流逆温辐射逆温湍流逆温锋面逆温下沉逆温空气污染物的散布是在大气边界层的湍流场中进行的，或者说，空气污染物的散布的过程就是大气输送和扩散的结果。大气结构与气象

有效地防止大气污染的途径，除了采用除尘及废气净化装置等各种工程技术手段外，还需充分利用大气的湍流混合作用对污染物的扩散稀释能力，即大气的自净能力。污染物从污染源排放到大气中的扩散过程及其危害程度，主要决定于气象因素，此外还与污染物的特征和排放特性，以及排放区的地形地貌状况有关。Contents气象要素与大气运动大气扩散描述的基本途径空气污染物散布的基本特性实例与总结气温气压主要气象要素

气象条件是影响大气中污染物扩散的主要因素。历史上发生过的重大空气污染危害事件，都是在不利于污染物扩散的气象条件下发生的。为了掌握污染物的扩散规律，以便采取有效措施防治大气污染的形成，必须了解气象条件对大气扩散的影响，以及局部气象因素与地形地貌状况之间的关系湿度风向风速、云量，降水量不同的气象要素组合呈现不同的气象特征，因此对污染物在大气中的输送扩散产生不同的影响。其中风和大气不规则的湍流运动是直接影响大气污染物扩散的气象特征，而气温的垂直分布又制约着风场与湍流结构。气温气温是指离地面1.5m高处的百叶箱内测量到的大气温度。气温的单位一般为℃，理论计算中则用绝对温度K表示。气压

气压是指大气的压强，即单位面积上所承受的大气柱的重力。气压的单位为Pa，气象学中常用毫巴(mbar)或百帕（hPa）表示。定义温度为273K时，位于纬度45o平均海平面上的气压值为1013.25hPa，称为标准大气压。对于任一地区，气压的变化总是随着高度的增加而降低。一般情况下气压值是用水银气压表测量的。设水银柱的高度为h，水银密度为ρ，水银柱截面积为S，则水银柱的重量W=ρghS.由于水银柱底面积的压强和外界大气压强是一致的，从而所测大气压强为:P=ρgh湿度

气湿即为大气的湿度，用以表示空气中的水蒸气含量，气象学中常用绝对湿度、水蒸气分压、露点、相对湿度和比湿等量来表示。

绝对湿度就是单位体积湿空气中所含水蒸气质量，单位为g/m3，其数值为湿空气中水蒸气的密度，表明了湿空气中实际的水蒸气含量。水蒸气分压是指湿空气温度下水蒸气的压力，它随空气的湿度增加而增大。当空气温度不变时，空气中的水蒸气含量达到最大值时的分压力称为饱和水蒸气压，此时的空气称为饱和空气，温度即称为露点。饱和水蒸气压随温度降低而下降，若降低饱和空气的温度，则空气中的一部分水蒸气将凝结下来，即结露。相对湿度是湿空气中实际的水蒸气含量与同温下最大可能含有的水蒸气含量的比值，也即实际的水蒸气分压与饱和水蒸气压之比，表明了湿空气吸收水蒸气的能力及其潮湿程度。相对湿度愈小，空气愈干燥，反之则表示空气潮湿。比湿是指单位质量干空气含有的水蒸气质量，单位是g/kg。风向，风速风是指空气在水平方向的运动。风的运动规律可用风向和风速描述。风向是指风的来向，通常可用16个或8个方位表示，如西北风指风从西北方来。此外也可用角度表示，以北风为0o，8个方位中相邻两方位的夹角为45o，正北与风向的反方向的顺时针方向夹角称为风向角，如东南风的风向角为135o。

风速是指空气在单位时间内水平运动的距离。气象预报的风向和风速指的是距地面10m高处在一定时间内观测到的平均风速。

在自由大气中，风受地面摩擦力的影响很小，一般可以忽略不计，风的运动处于水平的匀速运动。但在大气边界层中，空气运动受到地面摩擦力的影响，使风速随高度升高而增大。当气压基本不变时，日出后由于地面吸收太阳的辐射，由底部气层开始的热涡流上升运动逐渐增强，使大气上下混合强度增大，因此下层风速渐大，一般在午后达到最大值；而夜间在地面的冷却作用下，湍流活动减弱直至停止，使下层风速减小，乃至静止。反之，高层大气的白天风速最小，夜间风速最大。云量，降水量

云是指漂浮在大气中的微小水滴或冰晶构成的汇集物质。云吸收或反射太阳的辐射，反映了气象要素的变化和大气运动的状况，其形成、数量、分布及演变也预示着天气的变化趋势，可用云量和云高来描述。

云遮蔽天空的份额称为云量。我国规定将视野内的天空分为10等分，云遮蔽的成数即为云量。例如：云密布的阴天时的云量为10；云遮蔽天空3成时云量为3；当碧空无云的晴天时，云量则为0。而国外是把天空分为8等分来，仍按云遮蔽的成数来计算云量。

云底距地面的高度称为云高。按云高的不同范围分为：云底高度在2500m以下称为低云；云底高度在2500～5000m之间称为中云；而云底高度大于5000m之上称为高云。pm2.5浓度与部分气象条件的一般关系气压随高度和时间变化气压场大气水平运动和垂直运动大气环流大气运动气压随高度和时间变化气压变化的根本原因：其上空大气柱中空气质量的增多或减少。定性1、随高度增加而递减2、低层气压降低的数值大于高层定量1、静力学方程2、压高方程气压随高度和时间变化静力学方程（静压方程）1cm2△Ph2△hh1

P2△PP1由于F=mg=△v·ρg=S△z·ρg，所以，△P=－F/S=－ρg·△h如果取△z为一无限小量，则上式可写成：dP=－ρgdh，或

–dP=ρgdh---压力与重力平衡气压高度气压随高度和时间变化

△h＝h2－h1＝18400（1＋

tm）log——

△h两点之间的高度差h1

较低点的海拔高度h2

较高点的海拔高度P1

较低点的气压P2

较高点的气压＝1／273tm

两点的平均温度，取tm＝（t1＋t2）／2P1P2压高公式---气压与高度、温度关系气压随高度和时间变化日变化：

一天中有两个高值和两个低值。年变化：

陆地上pmax在冬季，pmin在夏季

海洋、高原上气压分布与陆地相反4812162024h-2-101莫斯科(55°50′N)七月平均气压变化hpahpa月-12-606

北京（39°54′N)

气压的年变化124812气压随时间变化---热力、动力气压场大气运动一、气压场的表示方法：等压线二、气压场的基本形式：气压系统1、低压（低气压、气旋）2、高压（高气压、反气旋）D逆时针旋转向中心辐合绝热上升多阴雨天气G顺时针旋转向四周辐散绝热下沉多晴好天气1005hpa1002.5hpa1000hpaA大气水平运动和垂直运动大气运动水平气压梯度力---气压差高压指向低压地转偏向力---地球自转加速度惯性离心力---气旋圆周运动摩擦力---空气摩擦气压梯度力：促使空气运动的原始动力。地转偏向力和惯性离心力：假想的力，只改变运动方向，不改变速度的大小。气压梯度力和摩擦力：实力，既改变方向，又改变速度的大小。在赤道上：地转偏向力为0空气作直线运动，惯性离心力为0自由大气：摩擦力为0大气环流大气运动大气运动→全球性大气环流→世界气候类型、自然带的形成及分布城市热岛效应热岛效应(Urbanheatislandeffect)青藏高原热岛效应青藏高原热岛效应贡嘎山西坡雪线高5100米左右，而靠近赤道的厄瓜多尔基多附近的高山雪线仅约4800米多一些。这不符合常理：由于赤道地区热量较高，高山雪线通常应该从赤道向两极递降，到极地附近降至海平面。---下垫面是热源热岛效应城市热岛效应城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，就象突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛。城市中的机动车、工业生产以及居民生活，产生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物。这些物质会吸收下垫面热辐射，产生温室效应。热岛效应导致城市上空出现低压，导致城市与城郊之间形成一股循环往复的大气流动，使得排出去的污染物又重新进入城市形成因素：城下垫面人工热源水汽影响空气污染绿地减少人口迁徙防止措施：绿化环境减少排放城市规划拉氏方法：跟随粒子运动；观测不便，支配方程过于复杂，因而仅限于均匀、平稳湍流。欧拉方法：

固定坐标系；观测方便，方程组闭合困难。描述污染物散布的两种基本途径ps:两种方法都是统计性质的方法噢欧拉方法欧拉公式是一种传统的做法，即在气象塔的固定点上，当气流流过风杯风速表时测量风和湍流；另一种测量则是由飞机进行的，飞机沿着近似的直线穿过湍流并予以测量，或者由风速表以平均风速同样的速度移动通过气流所进行的测量亦是欧拉方式的观测。所有这些情况，测量仪器都不随空气移动。大气边界层平均量方程平流输送项湍能扩散项源排放项干湿沉降化学反应分子扩散项忽略不计拉格朗日方法拉格朗日方法则是由跟随流体移行的粒子来描述污染物的浓度及其变化所以，采用拉格朗日方法是一种描述污染物分配的自然方式，。粒子移动的统计分析对扩散理论有重要贡献。然而，因为拉格朗日支配方程的复杂性，使得拉格朗日分析大多仅限于对统计平稳和均匀湍流条件下的扩散问题的描述，而对那些有时间变化的污染物浓度的预测大多借助于欧拉扩散方程处理。

考虑一微粒位于，随后，其轨迹由

描述设粒子于t时间在一体积元的机率为

为时间t，粒子位置的概率密度函数，并有

M个粒子，则在点的平均浓度为概率密度函数微粒从一点迁移到另一点的概率密度两种方法对比总结欧拉方法试图用欧拉流体速度的统计性特征来表述浓度统计量。这类统计量表达公式是很有用的，因为欧拉公式统计量易于测量，而且此类表达式还可以直接应用于发生化学反应的情形。运用欧拉方法的主要问题和困难就是方程的闭合问题。拉格朗日方法试图用流体中施放的一群粒子的位移的统计特性来描述浓度统计量。这种方法的数学处理比欧拉方法容易些，不存在闭合问题。但是，由于不易精确确定所需的粒子统计量，所以最终方程的应用受到限制。另外，方程亦不能直接用来解决涉及非线性化学反应的问题拉格朗日系统与欧拉系统的联系：设半径为R并具有切向速度w的圆形涡团，处于平均风速u的气流中。粒子绕湍涡一周的运行时间为2

R/w,即拉格朗日时间尺度TL，而固定的仪器在2R/u时间内(即欧拉时间尺度TE)观测到湍流通过。于是，两种时间尺度之比

=TL/TE=

/w/u=

/i其中，i为湍流强度,i=

w/u,i增大，则

减小。欧拉方法拉格朗日方法测量器与被测气团一静一动共同运动优点用欧拉流体速度的统计特征表述浓度统计量易于测量，方程中容易加入化学反应。用流体中释放的一群粒子的位移的统计特征描述浓度的统计量。数学处理较为容易，不存在闭合问题缺点方程未知量过多，不闭合，难以求解不容易精确确定所需粒子统计量，方的应用受到限制。联系通过时间尺度

=TL/TE=

/w/u=

/i两种方法对比总结返回目录空气污染物散布的基本特性1.

浓度指的一定采样时间内的平均浓度。2.

浓度分布：观测表明污染物浓度在平均烟流轴两测呈正态分布。散布范围分别用烟流宽和烟流高表示。烟流半宽烟流高空气污染物散布的基本特性横风向扩散范围示意图3.污染物浓度分布标准差（扩散参数）扩散速率是描写湍流扩散的重要参数，从不同的理论和实验出发可以得出不同的表示方法。实用中常用污染物浓度分布的标准差表示扩散速率的大小。

yi表示采样点距离浓度轴线的距离如果取x轴与平均浓度轴线一致，则上式第二项为0垂直方向，同理。