第10章大氣擴散與污染控制

1、 1 主要氣象要素； 2 大氣的熱力學(xué)過程； 3 大氣的運動和風(fēng)； 4 大氣擴散模式； 5 大氣污染濃度估算； 6 煙囪計算； 7 廠址選擇。 大氣環(huán)境污染的擴散大氣環(huán)境污染的擴散 大氣環(huán)境污染的程度，首先決定于大氣環(huán)境污染的程度，首先決定于 排放的排放的和和，其次還與，其次還與 、等因素有關(guān)，其中以等因素有關(guān)，其中以 的影響最為突出。的影響最為突出。 1 主要主要的的氣象要素氣象要素 影響大氣污染的主要氣象要素影響大氣污染的主要氣象要素 氣象要素（因子）： 表示大氣狀態(tài)的物理現(xiàn)象和物理量。 與大氣污染關(guān)系密切的氣象要素主要有： 氣溫、氣壓、空氣濕度（氣濕）、氣溫、氣壓、空氣濕度（氣濕）、風(fēng)（

2、風(fēng)向、風(fēng)速）風(fēng)（風(fēng)向、風(fēng)速）、 云況云況、能見度能見度、降水降水、蒸發(fā)、日照時數(shù)、蒸發(fā)、日照時數(shù)、太陽輻射太陽輻射、 地面輻射、大氣輻射地面輻射、大氣輻射等。 1、氣溫氣溫： 表示大氣溫度高低的物理量。通常指距地面1.5m高處百葉 箱中的空氣溫度。 2、氣壓氣壓： 任一點的氣壓值等于該地單位面積上的大氣柱重量，可見 氣壓總是隨高度的增加而降低的。氣壓隨高度遞減關(guān)系式可 用氣體靜力學(xué)方程式描述，即P=-gZ，其積分式壓高公式： 據(jù)實測近地層高度每升高每升高100米，氣壓平均降低約米，氣壓平均降低約12.4百帕百帕 （1hPa=100Pa) ，在高層小于此值。 3、空氣濕度（氣濕）空氣濕度（氣濕）

3、： 反映空氣中水汽含量和空氣潮濕程度的一個物理量。 常用的表示方法有：絕對濕度、水蒸氣壓力、體積百分比、 含濕量、相對濕度、露點等。 1212 lnlnZZ RT g PP m 5、云 云是由漂浮在空氣中的小水滴、小冰晶匯集而成的， 可反映大氣的運動狀況。 云的狀況可以用云高和云量表示。 云高是指云底距地面的高度。根據(jù)云高的不同可分為 高云、中云和低云。 云的多少用云量表示云的多少用云量表示。云量是指云遮蔽天空的成數(shù)。 在我國，將天空分為10等份，有幾分天空被云遮 蓋，云量就是幾。如：云占天空的1/10，云量記 為1；在云層中有少量空隙（空隙總量不到天空 的1/20）記為10；當(dāng)天空無云或云量

4、不到1/20時， 云量為0 。 國外常將天空分為8等分。 國外云量 1.25 我國的云量 云 能見度： 正常視力的人，在天空背景下能看清的水平距離 級別（09級，相應(yīng)距離為5050000米） ho ho 太陽光線 地面 4、風(fēng)（風(fēng)向、風(fēng)速） 什么是風(fēng)？空氣的流動就形成風(fēng)。氣象上把水平方向的空氣運 動稱為風(fēng)。 風(fēng)的形成：風(fēng)主要由于氣壓的水平分布不均勻而引起的，而氣 壓的水平分布不均是由溫度分布不均造成。 P4 P4 P4 P3 P3 P3 P2 P2 P2 P1 P1 P1 A B A B A B t1 t2 t1 t2 t1 t2 t1 = t2 t1 t2 t1 t2 a b c 風(fēng)向風(fēng)向

5、風(fēng)速風(fēng)速 ；反之機率越低。；反之機率越低。 某一風(fēng)向的風(fēng)速越大，則下風(fēng)向的污染程某一風(fēng)向的風(fēng)速越大，則下風(fēng)向的污染程 度越小，因為來自上風(fēng)向的污染物輸送、度越小，因為來自上風(fēng)向的污染物輸送、 擴散和稀釋能力加大，使大氣中污染物濃擴散和稀釋能力加大，使大氣中污染物濃 度降低，即度降低，即 為綜合反映某一地區(qū)為綜合反映某一地區(qū)風(fēng)向頻率風(fēng)向頻率和和平均風(fēng)速平均風(fēng)速對對 大氣污染影響的程度，常用大氣污染影響的程度，常用污染系數(shù)污染系數(shù)來表達(dá)：來表達(dá)： 平均風(fēng)速 風(fēng)向頻率 污染系數(shù) 是指是指自自（東、（東、 西、南、北等）所吹來的風(fēng)的西、南、北等）所吹來的風(fēng)的和和 各個不同方向吹來的各個不同方向吹來的相

6、比的百分相比的百分 數(shù)。數(shù)。 該風(fēng)向的平均風(fēng)速 風(fēng)向頻率 污染系數(shù) 各風(fēng)向的總次數(shù) 某風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù) 風(fēng)向頻率 P %100 根據(jù)公式計算出各風(fēng)向的污染系數(shù)，繪成根據(jù)公式計算出各風(fēng)向的污染系數(shù)，繪成風(fēng)玫瑰圖風(fēng)玫瑰圖， 污染系數(shù)越大，下風(fēng)向的污染就越嚴(yán)重（見下圖）。污染系數(shù)越大，下風(fēng)向的污染就越嚴(yán)重（見下圖）。 方方 位位NNEESESSWWNW 總計總計 風(fēng)向風(fēng)向 頻率頻率 / 14871214171513100 平均平均 風(fēng)速風(fēng)速 /ms-1 33345666 污染污染 系數(shù)系數(shù) 4.72.72.332.82.82.52.1 相對相對 污染污染 系數(shù)系數(shù) / 21121013121211910

7、0 除在水平方向運動外，還會由上、下、左、右方向除在水平方向運動外，還會由上、下、左、右方向 的亂運動，風(fēng)的這種特性和擺動稱為大氣湍流。的亂運動，風(fēng)的這種特性和擺動稱為大氣湍流。 （有點象分子的熱運動有點象分子的熱運動） 其表現(xiàn)為其表現(xiàn)為和和隨隨位置的不位置的不 同而呈同而呈，并由此引起，并由此引起、以及以及 等氣象屬性的隨機漲落。等氣象屬性的隨機漲落。 大氣湍流是由一系列不規(guī)則的渦旋運動組成，這種渦旋稱大氣湍流是由一系列不規(guī)則的渦旋運動組成，這種渦旋稱 為湍渦。根據(jù)渦旋的尺度可分為三類。為湍渦。根據(jù)渦旋的尺度可分為三類。 (a)小渦旋小渦旋 (b)大渦旋大渦旋(c)復(fù)合尺度湍流復(fù)合尺度湍流

8、（a）無湍流；（）無湍流；（b）小湍渦中的煙團；（）小湍渦中的煙團；（c）與湍渦）與湍渦 尺寸接近的煙團；（尺寸接近的煙團；（d）大湍渦中的煙團）大湍渦中的煙團 F當(dāng)湍流由當(dāng)湍流由小渦旋小渦旋組成，它的組成，它的尺度比煙團尺度比煙團 小時小時，因擴散作用緩慢，所以，因擴散作用緩慢，所以煙團幾乎煙團幾乎 呈水平方向作呈水平方向作直線直線運動運動； F若湍流由若湍流由大渦旋大渦旋組成，其組成，其尺度比煙團大尺度比煙團大 時，由于煙團被大尺度的大氣湍流夾帶，時，由于煙團被大尺度的大氣湍流夾帶， 煙團本身截面尺度變化不大，煙團呈煙團本身截面尺度變化不大，煙團呈長長 蛇形蛇形； F當(dāng)組成湍流的當(dāng)組成湍流

9、的渦旋尺度與煙團尺度相近渦旋尺度與煙團尺度相近時，煙時，煙 團被湍渦團被湍渦拉開撕裂而變形拉開撕裂而變形，故而，故而煙團很快得到煙團很快得到 擴散擴散。 風(fēng)的垂直切變：風(fēng)隨高度變化的不連續(xù)現(xiàn)象。有風(fēng)的垂直切變：風(fēng)隨高度變化的不連續(xù)現(xiàn)象。有 時表現(xiàn)在風(fēng)向上，有時表現(xiàn)在風(fēng)速上，有時二者時表現(xiàn)在風(fēng)向上，有時表現(xiàn)在風(fēng)速上，有時二者 皆備。皆備。 湍流能否發(fā)生及其強度大小主要決定于湍流能否發(fā)生及其強度大小主要決定于 、和和 。 簡言之，它與大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速垂直切簡言之，它與大氣穩(wěn)定度和風(fēng)速垂直切 變有關(guān)。變有關(guān)。大氣越不穩(wěn)定，越有利于湍流大氣越不穩(wěn)定，越有利于湍流 的發(fā)生；風(fēng)速垂直切變越大，湍流越易的發(fā)

10、生；風(fēng)速垂直切變越大，湍流越易 發(fā)生。發(fā)生。 3逆溫逆溫 對流層大氣的熱量主要直接來自地面的長波對流層大氣的熱量主要直接來自地面的長波 輻射，一般情況下，離地面越遠(yuǎn)，氣溫越低，輻射，一般情況下，離地面越遠(yuǎn)，氣溫越低， 即氣溫隨高度增加而遞減，平均垂直遞減率即氣溫隨高度增加而遞減，平均垂直遞減率 為為0.65/100米。但在一定條件下，對流層的米。但在一定條件下，對流層的 某一高度有時也會出現(xiàn)某一高度有時也會出現(xiàn)氣溫隨高度增加而升氣溫隨高度增加而升 高的現(xiàn)象，這種氣溫逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象就是逆溫。高的現(xiàn)象，這種氣溫逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象就是逆溫。 逆溫象一個蓋子一樣阻礙著氣流的垂直逆溫象一個蓋子一樣阻礙著氣流的垂直

11、運動，所以也叫阻擋層。由于污染空氣運動，所以也叫阻擋層。由于污染空氣 積聚在它的下面，所以會造成嚴(yán)重的大積聚在它的下面，所以會造成嚴(yán)重的大 氣污染。大氣污染事件大多都發(fā)生在氣污染。大氣污染事件大多都發(fā)生在有有 逆溫又靜風(fēng)的條件下。逆溫又靜風(fēng)的條件下。 根據(jù)根據(jù)的過程，可將逆溫分為：的過程，可將逆溫分為： F輻射逆溫輻射逆溫 F下沉逆溫下沉逆溫 F平流逆溫平流逆溫 F鋒面逆溫鋒面逆溫 F湍流逆溫湍流逆溫 （1）輻射逆溫）輻射逆溫 在在的的，當(dāng)，當(dāng)（小于（小于3 米米/s）時，地面因強烈的有效輻射而很快冷卻，近）時，地面因強烈的有效輻射而很快冷卻，近 地面的氣溫也隨之下降。越接近地面的空氣降溫越地

12、面的氣溫也隨之下降。越接近地面的空氣降溫越 大，而遠(yuǎn)離地面的空氣降溫較小，因而形成了大，而遠(yuǎn)離地面的空氣降溫較小，因而形成了 ，如圖所示，稱作，如圖所示，稱作。 隨著地面輻射冷卻的加劇，逆溫逐漸向上擴展，隨著地面輻射冷卻的加劇，逆溫逐漸向上擴展， 。一般。一般， ，逆溫便逐漸自下而上消失。，逆溫便逐漸自下而上消失。 圖為輻射逆溫在一晝夜間從生成到消失的過程。圖為輻射逆溫在一晝夜間從生成到消失的過程。 (a)是下午時遞是下午時遞 減溫度層結(jié)；減溫度層結(jié)；(b)是日落前是日落前1h逆溫開始生成的情況；隨著地面輻逆溫開始生成的情況；隨著地面輻 射的增強，地面迅速冷卻，逆溫逐漸向上發(fā)展，黎明時達(dá)到最強

13、射的增強，地面迅速冷卻，逆溫逐漸向上發(fā)展，黎明時達(dá)到最強 (圖圖c)；日出后太陽輻射逐漸增強，地面逐漸增溫，空氣也隨之自；日出后太陽輻射逐漸增強，地面逐漸增溫，空氣也隨之自 下而上增溫，逆溫便自下而上的逐漸消失下而上增溫，逆溫便自下而上的逐漸消失(圖圖d)；大約在上午；大約在上午10 點鐘左右逆溫層完全消失點鐘左右逆溫層完全消失(圖圖e)。 輻射逆溫的生消過程輻射逆溫的生消過程 ，但以，但以 （夏季夜短，逆溫層較薄，消失也快，冬季夏季夜短，逆溫層較薄，消失也快，冬季 夜長，逆溫層較厚，消失較慢。夜長，逆溫層較厚，消失較慢。）。）。 在在地區(qū)，冬季的輻射逆溫層厚度可達(dá)地區(qū)，冬季的輻射逆溫層厚度可

14、達(dá) 200300米，有時可達(dá)米，有時可達(dá)400米左右。米左右。 （2）下沉逆溫）下沉逆溫 由于穩(wěn)定氣層整層空氣下沉壓縮增溫而形成的逆由于穩(wěn)定氣層整層空氣下沉壓縮增溫而形成的逆 溫稱為下沉逆溫，溫稱為下沉逆溫，下沉逆溫下沉逆溫又稱為又稱為壓縮逆溫壓縮逆溫。 下沉逆溫形成的有利天氣條件是：極地冷高壓或下沉逆溫形成的有利天氣條件是：極地冷高壓或 副熱帶高壓控制下的晴好天氣，高壓中心附近有副熱帶高壓控制下的晴好天氣，高壓中心附近有 持久而強盛的下沉運動。持久而強盛的下沉運動。 下沉逆溫的形成可以下圖說明。下沉逆溫的形成可以下圖說明。 某高度有一層空氣某高度有一層空氣ABCD，其厚度為，其厚度為h。當(dāng)它

15、下沉?xí)r，由于。當(dāng)它下沉?xí)r，由于 ，以及，以及使該氣層使該氣層 變成變成A B C D ，厚度減少為，厚度減少為h （h h）。）。由于頂部由于頂部CD下下 沉到沉到C D 的距離比底部的距離比底部AB下沉到下沉到A B 的距離大，使氣層頂?shù)木嚯x大，使氣層頂 部的絕熱增溫比底部增溫高。部的絕熱增溫比底部增溫高。如果氣層下沉的距離很大，就如果氣層下沉的距離很大，就 可能出現(xiàn)可能出現(xiàn)頂部氣溫比底部氣溫高頂部氣溫比底部氣溫高，從而形成，從而形成逆溫層逆溫層。 多出現(xiàn)在多出現(xiàn)在，范圍很廣。厚，范圍很廣。厚 度也很大，一般可達(dá)度也很大，一般可達(dá)。下沉氣流。下沉氣流 ，所以下沉逆溫，所以下沉逆溫 ，而是，而

16、是中，對中，對 （3）平流逆溫）平流逆溫 冬季，中緯度沿海地區(qū)海面上冬季，中緯度沿海地區(qū)海面上 溫度高，陸地上溫度低，當(dāng)海上的暖空氣流到大溫度高，陸地上溫度低，當(dāng)海上的暖空氣流到大 陸上時，常常形成平流逆溫。同樣暖空氣平流到陸上時，常常形成平流逆溫。同樣暖空氣平流到 低地、山谷、盆地內(nèi)積聚的冷空氣上方時，也可低地、山谷、盆地內(nèi)積聚的冷空氣上方時，也可 以形成平流逆溫。以形成平流逆溫。 （4）鋒面逆溫）鋒面逆溫 當(dāng)對流層中當(dāng)對流層中 （5）湍流逆溫）湍流逆溫 低層空氣低層空氣，在低層氣流上，在低層氣流上 升處比周圍空氣溫度高而形成的逆溫，稱為湍流逆升處比周圍空氣溫度高而形成的逆溫，稱為湍流逆 溫

17、，這種逆溫層一般只有幾十米。溫，這種逆溫層一般只有幾十米。 圖中的圖中的AB是氣層在湍流混合前的氣溫分布，氣溫是氣層在湍流混合前的氣溫分布，氣溫 直減率直減率rrd；低層空氣經(jīng)湍流混合后，氣層的溫度；低層空氣經(jīng)湍流混合后，氣層的溫度 將按干絕熱直減率變化，如（將按干絕熱直減率變化，如（b）中的）中的CD。但在混。但在混 合層以上，混合層與不受湍流混合影響的上層空氣合層以上，混合層與不受湍流混合影響的上層空氣 之間出現(xiàn)了一個過渡層之間出現(xiàn)了一個過渡層DE，即是逆溫層。，即是逆溫層。 五、大氣穩(wěn)定度與煙流擴散的關(guān)系五、大氣穩(wěn)定度與煙流擴散的關(guān)系 許多天氣現(xiàn)象的發(fā)生，都和大氣穩(wěn)定度有許多天氣現(xiàn)象的發(fā)

18、生，都和大氣穩(wěn)定度有 密切的關(guān)系。密切的關(guān)系。 大氣穩(wěn)定度系指整層空氣的穩(wěn)定程度大氣穩(wěn)定度系指整層空氣的穩(wěn)定程度，是是 大氣對在其中作垂直運動的氣團加速、遏大氣對在其中作垂直運動的氣團加速、遏 制還是不影響其運動的一種熱力學(xué)性質(zhì)。制還是不影響其運動的一種熱力學(xué)性質(zhì)。 (1) (2) (3) 處于不同平衡狀態(tài)的小球處于不同平衡狀態(tài)的小球 (1) (2) (3) 處于不同平衡狀態(tài)的小球處于不同平衡狀態(tài)的小球 (1) (2) (3) 處于不同平衡狀態(tài)的小球處于不同平衡狀態(tài)的小球 氣溫垂直遞減率氣溫垂直遞減率 （r)r) 氣溫垂直遞減率的含義是：在垂直于地球氣溫垂直遞減率的含義是：在垂直于地球 表面方

19、向上，高度每增加表面方向上，高度每增加100m的氣溫變的氣溫變 化值。在正常的氣象條件下，對流層內(nèi)不化值。在正常的氣象條件下，對流層內(nèi)不 同高度上的同高度上的值不同，其平均值約為值不同，其平均值約為 0.65/100m。 由于近地層實際大氣的情況非常復(fù)雜，各由于近地層實際大氣的情況非常復(fù)雜，各 種氣象條件都可影響到氣溫的垂直分布，種氣象條件都可影響到氣溫的垂直分布， 因此實際大氣的氣溫垂直分布與標(biāo)準(zhǔn)大氣因此實際大氣的氣溫垂直分布與標(biāo)準(zhǔn)大氣 可以有很大的不同?？梢杂泻艽蟮牟煌?。 總括起來有下述三種情況：總括起來有下述三種情況： （1）氣溫隨高度的增加而降低，其溫度垂直分布與標(biāo)準(zhǔn)大氣相）氣溫隨高度

20、的增加而降低，其溫度垂直分布與標(biāo)準(zhǔn)大氣相 同，此時同，此時0，這種情況一般出現(xiàn)在晴朗的白天，風(fēng)速不大時，這種情況一般出現(xiàn)在晴朗的白天，風(fēng)速不大時 ； （2 2）高度增加，氣溫保持不變，符合這樣特點的氣層稱為等溫）高度增加，氣溫保持不變，符合這樣特點的氣層稱為等溫 層，此時層，此時=0=0，這種情況一般出現(xiàn)于多云天或陰天，風(fēng)速比較大，這種情況一般出現(xiàn)于多云天或陰天，風(fēng)速比較大 的情況下。白天，由于云層反射到達(dá)地面的太陽輻射減少，地面的情況下。白天，由于云層反射到達(dá)地面的太陽輻射減少，地面 增溫不厲害。夜間，又因云的存在，大大加強了大氣的逆輻射，增溫不厲害。夜間，又因云的存在，大大加強了大氣的逆輻

21、射， 有效輻射減弱，地面冷卻不厲害，因此有云時，氣溫隨高度變化有效輻射減弱，地面冷卻不厲害，因此有云時，氣溫隨高度變化 不明顯。風(fēng)速較大時，氣層上下交換激烈，空氣混合較好，也形不明顯。風(fēng)速較大時，氣層上下交換激烈，空氣混合較好，也形 成氣溫隨高度變化不明顯；成氣溫隨高度變化不明顯； （3）氣溫隨高度的增加而增加，其溫度垂直分布與標(biāo)準(zhǔn)大氣的）氣溫隨高度的增加而增加，其溫度垂直分布與標(biāo)準(zhǔn)大氣的 相反。這種現(xiàn)象稱為溫度逆增，簡稱逆溫。出現(xiàn)逆溫的氣層叫逆相反。這種現(xiàn)象稱為溫度逆增，簡稱逆溫。出現(xiàn)逆溫的氣層叫逆 溫層。此時溫層。此時0，這種現(xiàn)象一般出現(xiàn)在少云、無風(fēng)的夜晚，這種現(xiàn)象一般出現(xiàn)在少云、無風(fēng)的夜

22、晚。 氣團及其干絕氣團及其干絕 熱遞減率熱遞減率 （rd) 大氣穩(wěn)定的判據(jù)大氣穩(wěn)定的判據(jù) 第三種情況是，當(dāng)?shù)谌N情況是，當(dāng)rrd時，時， 從上述三種情況來看，從上述三種情況來看，大氣溫度的垂直遞減率越大，大氣溫度的垂直遞減率越大， 大氣越不穩(wěn)定。在這種情況下有利于大氣中污染物大氣越不穩(wěn)定。在這種情況下有利于大氣中污染物 的擴散稀釋的擴散稀釋；相反，相反，氣溫垂直遞減率越小，大氣越氣溫垂直遞減率越小，大氣越 穩(wěn)定。穩(wěn)定。如果氣溫垂直遞減率很小，甚至等于零或為如果氣溫垂直遞減率很小，甚至等于零或為 負(fù)值（逆溫）時，大氣便非常穩(wěn)定。這種情況對空負(fù)值（逆溫）時，大氣便非常穩(wěn)定。這種情況對空 氣垂直對流

23、運動的發(fā)展是巨大的障礙，這如同一個氣垂直對流運動的發(fā)展是巨大的障礙，這如同一個 蓋子，起著阻擋作用。所以習(xí)慣上常將逆溫、等溫、蓋子，起著阻擋作用。所以習(xí)慣上常將逆溫、等溫、 以及氣溫垂直遞減率很小的氣層稱為阻擋層。它嚴(yán)以及氣溫垂直遞減率很小的氣層稱為阻擋層。它嚴(yán) 重地阻礙地面氣流的上升運動，使大氣污染物停滯重地阻礙地面氣流的上升運動，使大氣污染物停滯 積累在接近地面的空氣層中，從而加劇大氣的污染積累在接近地面的空氣層中，從而加劇大氣的污染 程度。程度。 I II III 對煙形有很大的影響，對煙形有很大的影響， 可以借助可以借助來判斷來判斷 和和 （1）波浪型：）波浪型：大氣溫度垂直變化大于干

24、絕熱遞減大氣溫度垂直變化大于干絕熱遞減 率，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，污染物擴散良好，即率，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，污染物擴散良好，即 d 時，所以煙形擺動大、擴散快，一般不易發(fā)時，所以煙形擺動大、擴散快，一般不易發(fā) 生煙霧事件。但這種煙形對附近居民有害，如果煙生煙霧事件。但這種煙形對附近居民有害，如果煙 囪很密，也會構(gòu)成嚴(yán)重威脅。這種煙形多發(fā)生在囪很密，也會構(gòu)成嚴(yán)重威脅。這種煙形多發(fā)生在夏夏 天或晴天的中午天或晴天的中午。 (2)(2)錐型錐型 這種煙形多發(fā)生在這種煙形多發(fā)生在陰天中午或冬季夜間陰天中午或冬季夜間。 (3)扇型扇型 氣溫自下向上增加，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，氣溫自下向上增加，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)， 一般風(fēng)速微