空氣污染氣象學重點初稿

1、一. 簡答1. 簡述大氣穩(wěn)定度的主要判據(jù)和分別表示氣塊和環(huán)境氣層的垂直減溫率。且假設是常數(shù)。、則氣塊加速度為由于干絕熱線和假絕熱線同時是等位溫線和等相當位溫線，所以也有以下判據(jù): 2. 影響熱煙流抬升的主要因子(1)排放源及排放煙氣的性質(zhì)：源排放煙氣的初始動量和浮力是決定其上升高度的基本因素。前者決定于煙氣出口速度和源出口半徑;后者決定于煙氣密度和周圍環(huán)境空氣的密度差。(2)環(huán)境大氣的性質(zhì)：煙氣與周圍空氣混合的速率對煙流抬升的影響十分重要。與混合速率有關(guān)的因子主要是平均風速和環(huán)境湍流強度，尤以前者作用更為明顯。煙流所在氣層的溫度層結(jié)表征大氣穩(wěn)定度狀況，是影響煙流抬升的又一個重要因子。(3)下墊

2、面性質(zhì)：首先是地形的影響，地面粗糙度是影響湍流強弱的因素之一。另外，復雜的地形，如坡、谷等會形成局部熱力狀況的特殊分布，從而影響煙流抬升。3. 干沉降, 濕沉降硫酸鹽顆粒是大氣氣溶膠粒子的一個重要成分，是很好的凝結(jié)核，它往往又溶于水滴而被降水帶回到地面和海洋中.降水清除了大氣中的S02和硫酸鹽，這稱為濕沉降. 硫酸鹽顆粒本身還會逐漸沉落到地面，這些過程稱為干沉降.4. 氣溶膠及其分類 氣溶膠指懸浮在氣體中的固體和(或)液體微粒與氣體載體組成的多相體系。大氣中含有懸浮著的各種固體和液體粒子，例如塵埃、煙粒、微生物、植物的孢子和花粉，以及由水和冰組成的云霧滴、冰晶和雨雪等粒子，所以可以把空氣看成是

3、一種氣溶膠.習慣上，按尺度大小將氣溶膠粒子分成三類: 愛根核(半徑r< 0.1µm)、大粒子(0. 1µm <r<l. 0µm)、巨粒子(r>1µm)5. 氣溶膠粒子的來源(1)土壤、巖石風化及火山噴發(fā)的塵埃. (2)煙塵及工業(yè)粉塵. (3)海沫破裂干枯成核. 海沫產(chǎn)生的海鹽顆粒是海洋上氣溶膠粒子的主要來源. 在海浪的沖擊下，海面上形成很多空氣泡并且很快破裂，破裂后生成大大小小的眾多鹽水滴，鹽水滴蒸發(fā)干以后就成為一些大于2µm的海鹽巨核及大量的大于0.3µm的愛根核.(4)氣-粒轉(zhuǎn)化. 愛根核還常常由大氣中微量

4、氣體轉(zhuǎn)化而來. 例如，二氧化硫經(jīng)光化學氧化作用，在高溫下能生成硫酸鹽溶液微滴，微滴蒸發(fā)后就成為硫酸鹽質(zhì)點. 城市大氣中愛根核和大粒子的濃度大，說明了污染氣體轉(zhuǎn)化形成的粒子是城市大氣氣溶膠的一個重要來源. (5)微生物、孢子、花粉等有機物質(zhì)點. (6)宇宙塵埃6. 大氣運動和經(jīng)典流體的流動的差別(1)地球表面圍繞地軸做圓周運動,若把觀察大氣運動的坐標系固定在地球表面上，這一坐標系就是旋轉(zhuǎn)坐標系. 相對于固定于空間的慣性坐標系，旋轉(zhuǎn)坐標系上每一點都在做加速度運動，就使得大氣動力學的動量方程中比經(jīng)典流體力學的多出了一個科里奧利加速度項.(2)大氣運動發(fā)生在地球重力場中，大氣溫度在垂直方向上的分布呈現(xiàn)

5、多種層結(jié)形態(tài). 垂直運動的氣塊移到新位置后，其溫度可能高于或低于周圍環(huán)境大氣，于是產(chǎn)生了浮力，這是驅(qū)動大氣垂直運動的重要因子. (3)大氣是湍流的，特別是在接近地表面的部分. 湍流運動的復雜程度遠超過了經(jīng)典流體力學規(guī)律的范疇.(4)大氣不是單一氣體，其中水汽的相變過程，使大氣運動高度復雜化.注：在大氣動力學中，都是假定大氣是層流的未飽和理想氣體，采用經(jīng)典流體力學的方式去處理大氣運動.7. 地表粗糙度地表粗糙度zo是作為下邊界出現(xiàn)的幾何長度，它是對數(shù)風速廓線公式中平均風速等于零的高度. 傳統(tǒng)的確定zo的方法就是利用對數(shù)風速廓線公式，在近中性的情況下用平均風速觀測資料在 坐標中進行線性擬合，的高度

6、就是zo.8. 位溫，虛溫位溫就是把空氣塊干絕熱膨脹或壓縮到標準氣壓時對應的溫度。根據(jù)(7)式，未飽和濕空氣位溫的定義式是:上式中, p00是標準氣壓(常取1000 hPa). 若空氣是干潔大氣，則位溫的定義是由于 故一般小于0.1 K，與氣溫常規(guī)觀測的誤差相當。故未飽和濕空氣位溫值常用干空氣位溫值代替，即未飽和濕空氣位溫可寫為 虛溫是一種假設的空氣溫度，指在氣壓不變的情況下，使干空氣密度等于濕空氣密度時，干空氣所具有的溫度。虛溫總比濕空氣的實際溫度高些。9. 逆溫層逆溫層是對流層大氣的溫度一般隨高度而降低，但在某些條件下，某些氣層的溫度會隨高度而增加，即<0 ，稱為逆溫層。 逆溫層是絕

7、對穩(wěn)定的層結(jié)，它對上下空氣的對流起著削弱抑制作用. 特別是低空的逆溫層，它像一個“蓋子”，使懸浮在大氣中的煙塵、雜質(zhì)及有害氣體都難以穿過它向上空擴散，使空氣質(zhì)量下降，能見度惡化，因此也稱為阻塞層. （以下可省略）在研究大氣的污染擴散問題時，常需測定逆溫層的高度、厚度以及出現(xiàn)和消失的時間. 主要形成原因(1) 輻射逆溫.白天由于地表吸收太陽輻射而迅速增溫，導致低層大氣溫度升高;夜晚由于地面長波輻射降溫使近地氣層形成逆溫層. (2)下沉逆溫. 由于空氣下沉增溫而形成的逆溫。一般出現(xiàn)在高氣壓區(qū)，范圍廣，厚度大，且常不接地而從空中某一高度開始. 大范圍的下沉逆溫相當于近地面層上空的一個蓋子，極不利于污

8、染物的擴散. (3)地形逆溫. 由于局部特殊的地形條件形成的，例如盆地和谷地的逆溫，山脈背風側(cè)的逆溫等. 夜間山坡附近的空氣因輻射冷卻而向谷地下沉，暖空氣被擠上升浮在冷空氣上面，形成谷地逆溫。(4)平流逆溫. 當較暖的空氣流經(jīng)較冷的地面或水面上時，使上層空氣溫度比低層溫度高，形成暖平流逆溫. 例如，冬季沿海地區(qū)常出現(xiàn)這種逆溫，是海洋上的較暖空氣流到大陸上時產(chǎn)生的，厚度不大，水平范圍較廣. 此外，夜間城市的近地面氣層仍有弱的溫度遞減率，當農(nóng)村因輻射冷卻而產(chǎn)生的厚逆溫層隨氣流移到城市上空時，會形成空中逆溫層; 經(jīng)過城市后，在下風方向的農(nóng)村近地面層又會建立起逆溫，城市的煙氣層也將被帶到地面逆溫層中，

9、污染大氣。(5)鋒面逆溫. 鋒面是一個傾斜的面，無論冷鋒還是暖鋒，其較暖空氣總是在較冷空氣的上面，所以在冷空氣區(qū)能觀測到逆溫. 由于鋒面在移動，所以除移動緩慢的暖鋒以外，一般對大氣污染影響不大10. 邊界層大氣運動的基本物理規(guī)律 （動學、動力學、能量轉(zhuǎn)化）大氣邊界層與一般流體邊界層不同，要考慮大氣層結(jié)、地球重力場和地球自轉(zhuǎn)的影響. 湍流交換在大氣的動量、熱量、水汽及其他微量氣體的平衡中起重要作用. 大氣中的熱量和水分主要來源于下墊面，而動量主要來源于上層氣流的運動.動量輸送到低層，以補償下墊面的不光滑而摩擦消耗的動量.（1）氣象要素明顯的日變化通過湍流交換，自晝地面獲得的太陽輻射能以感熱和潛熱

10、的形式向上輸送，加熱上面的空氣。夜間地面的輻射冷卻同樣也逐漸影響到它上面的大氣，這種熱量輸送過程造成大氣邊界層內(nèi)溫度的日變化.大型氣壓場形成的大氣運動動量通過湍流切應力的作用源源不斷向下傳遞，經(jīng)大氣邊界層到達地面并由于摩擦而部分損耗，相應地造成大氣邊界層內(nèi)風的日變化.下墊面的變化傳遞到邊界層頂?shù)倪^程將受到渦旋的空間和時間尺度的影響. 在大氣邊界層處于不穩(wěn)定的情況下，其渦旋主尺度在空間上與邊界層厚度相當，下墊表面的影響達到邊界層頂只需20 min左右. 大氣邊界層處于較穩(wěn)定的情況下，其渦旋主尺度一般小于邊界層的厚度.大氣邊界層處于相當穩(wěn)定的情況下，湍流表現(xiàn)為時間上的間歇性和空間上的不連續(xù)性，使下

11、墊表面的影響達到邊界層頂?shù)臅r間明顯減慢，最慢可能需要幾個小時，而且穩(wěn)定大氣邊界層的發(fā)展速度明顯慢于不穩(wěn)定大氣邊界層. 存在各種尺度的湍流，湍流輸送起著重要作用并導致氣象要素日變化顯著的低層大氣。邊界層的發(fā)展具有明顯的日變化，其厚度低的時候只有幾十米，高的時候可達2km以上甚至更高。近地面層從粘性副層到50 100 m，這一層內(nèi)大氣運動呈明顯的湍流性質(zhì).科氏力和氣壓梯度力的作用相對于湍流切應力可略去不計，大氣結(jié)構(gòu)主要依賴于垂直方向的湍流輸送。該層中動量、熱量和水汽垂直通量隨高度的變化與通量值本身相比很小，因此可認為各種通量近似為常值. 各個氣象要素隨高度變化比邊界層的中、上部要顯著. 大氣運動尺

12、度較小，科氏力隨高度的變化可略去不計，風向隨高度幾乎無變化.上部摩擦層或稱?？寺鼘?Ekman layer)范圍是從近地面層到11.5 km，特點是湍流摩擦力、氣壓梯度力和科氏力的數(shù)量級相當，都不能忽略.11. 高斯煙流擴散公式的主要假設理論一：在大氣湍流擴散方程中，假設擴散系數(shù)K為常數(shù)(即斐克擴散)，便可以得到正態(tài)分布形式的解。理論二 ：從統(tǒng)計理論出發(fā)，在平穩(wěn)、均勻湍流的假定下，也可以證明粒子擴散位移的概率分布符合正態(tài)分布形式。高斯煙流擴散公式的主要假設(1)湍流場均勻定長(2)地面平坦(3)污染物保守(4)地面無吸收、吸附作用(5)污染物本身無沉降，應視作一個全反射體(6)坐標選擇：原點是

13、排放口，x軸是平均風向二. 論述1. 大氣擴散的三種基本理論及主要優(yōu)缺點比較大氣擴散的三種理論：梯度輸送理論、湍流統(tǒng)計理論和相似理論。它們分別考慮不同的物理機制，采用不同的參量，利用不同的氣象資料，在不同的假定條件下建立起來的。因此它們具有不同的優(yōu)缺點，只能在一定的范圍內(nèi)使用。優(yōu)缺點：（擴散理論對高架源垂直擴散不同階段的適應性分析（H為擴散源高） 2. 描述大氣輸送和擴散的兩種基本方法及優(yōu)缺點描述大氣輸送和擴散的兩種基本方法包括歐拉方法和拉格朗日方法。歐拉方法是相對于固定坐標系描述污染物的輸送與擴散。拉格朗日方法是由跟隨流體移行的粒子來描述污染物的濃度及其變化。采用不同類型的描述空氣污染物濃度

14、的數(shù)學表達式，都能正確地描述湍流擴散過程，然而，每種方法都有一定的困難。其優(yōu)缺點如下：歐拉方法統(tǒng)計量易于測量，而且表達式直接應用于發(fā)生化學反應的情形。運用歐拉方法的主要問題和困難就是方程的閉合問題。拉格朗日方法數(shù)學處理比歐拉方法容易，但是，由于不易精確確定所需的粒子統(tǒng)計量，所以最終方程的應用受到限制。另外，方程亦不能直接用來解決涉及非線性化學反應的問題。 3. 氣塊(微團)模型氣塊(微團)模型氣塊或空氣微團是指宏觀上足夠小而微觀上含有大量分子的空氣團，其內(nèi)部可包含水汽、液態(tài)水或固態(tài)水. (這些與外界溫度、濕度及密度稍有不同的大大小小的未飽和氣塊，不斷生成又不斷消失)氣塊(微團)模型就是從大氣中

15、取一體積微小的空氣塊(或空氣微團) ，作為對實際空氣塊的近似.規(guī)定：(1) 此氣塊內(nèi)溫度、壓強和濕度等都呈均勻分布，各物理量服從熱力學定律和狀態(tài)方程. (2) 氣塊運動時是絕熱的，遵從準靜力條件，環(huán)境大氣處于靜力平衡狀態(tài).氣塊運動時，一方面，過程進行得足夠快而來不及和環(huán)境空氣作熱交換，即絕熱;另一方面，過程又進行得足夠慢，使氣塊壓力不斷調(diào)整到與環(huán)境大氣壓相同，即滿足以下準靜力條件: 但應指出，氣塊內(nèi)部的溫度、密度、濕度不一定與外界的相等.評價： 氣塊(微團)模型是實際大氣簡單的、理想化的近似，它要求氣塊在移動過程中保持完整，不與環(huán)境空氣混合，而這只能在移動微小距離時可以滿足.另外，在此模型中未

16、考慮氣塊移動對環(huán)境空氣的影響，這也是不符合實際的.上述絕熱過程和準靜力條件的假定是合理的，因此氣塊(微團)模型對了解和分析實際大氣中發(fā)生的一些物理過程很有幫助.4. 何謂大氣邊界層，簡述其主要結(jié)構(gòu)和特征.存在各種尺度的湍流，湍流輸送起著重要作用并導致氣象要素日變化顯著的低層大氣. 根據(jù)湍流摩擦力、氣壓梯度力和科氏力對不同層次空氣運動作用的大小，可以把大氣邊界層分為三層：(1)粘性副層. 緊靠地面的一個薄層，該層內(nèi)分子粘性力比湍流切應力大得多.但這一層的典型厚度小于1m，在實際問題中可以忽略(2) 近地面層(surface layer).從粘性副層到50 100 m，這一層內(nèi)大氣運動呈明顯的湍流

17、性質(zhì).科氏力和氣壓梯度力的作用相對于湍流切應力可略去不計，大氣結(jié)構(gòu)主要依賴于垂直方向的湍流輸送. (3) 上部摩擦層或稱?？寺鼘?Ekman layer). 這一層的范圍是從近地面層到11.5 km，特點是湍流摩擦力、氣壓梯度力和科氏力的數(shù)量級相當，都不能忽略. 依據(jù)不同的穩(wěn)定度類型，又可稱為穩(wěn)定邊界層、中性邊界層和對流邊界層(混合層). 大氣邊界層的基本特征：1.氣象要素明顯的日變化.2.下墊面的變化傳遞到邊界層頂?shù)倪^程將受到渦旋的空間和時間尺度的影響.三. 三、計算題：高斯公式煙流抬升高度計算： : 源高處平均風速 : 煙氣上升速度 R0: 排放出口半徑 R : 煙流半寬 vs: 卷夾速度

18、以及體積重量 （彎曲煙流）（豎直煙流 ） 對彎曲煙流 單位時間流入的空氣體積隨離源距離的變化(左端)與由于卷夾作用進入煙流的空氣量(右端)有關(guān)，即維持質(zhì)量守恒關(guān)系。 單位時間煙氣的垂直動量增量(左端)與浮力通量(以Fz表征)和風速有關(guān)，即維持動量守恒關(guān)系。 物理意義：單位煙氣的浮力通量隨高度的變化(左端)與煙氣體積通量和大氣穩(wěn)定度(右端)有關(guān)。 對豎直煙流 Briggss 公式(1)中性和不穩(wěn)定層結(jié),有風條件下 或(2)穩(wěn)定層結(jié) 四. 證明1. 運用雷諾平均法則，推導簡單的平均量關(guān)系隨機應變 平均量與脈動量相加。2. 高斯煙流擴散公式假定：理想條件下，湍流場均勻定常。設點源位于無界空間，即不考慮地面的存在及其影響。x軸與平均風向(風速 )一致并以它為煙流濃度分布軸線。煙流呈錐形向下風向擴散，濃度在y方向和z方向?qū)ΨQ并符合正態(tài)分布。排放煙流的點源源強為Q (g/s)。 由此令濃度分布形如 。又：代入上式假設污染物在大氣中是保守的。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，在源的下風方任意垂直面上污染物的總通量應等于排放源強，即有將(1)式代入此式并積分，可得就可得到無界情形連續(xù)點源高斯擴散公式5大氣靜力學方程假設：大氣在水平方向的壓強、溫度、濕度變化都很 小，等壓面、等溫面近于水平，且空氣無水平運動. 如右圖，厚