大氣污染控制：第三章 大氣污染氣象學(xué)

1、第三章 大氣污染氣象學(xué)污染物排入大氣后，是否引起嚴(yán)重的大氣污染取決于： 污染源的狀況 廢氣的溫度、成分、源強(qiáng)、源高、源的幾何形狀、相對位置、排放方式等。 污染物在大氣中擴(kuò)散稀釋速率 充分利用大氣的凈化能力，使地面污染控制在人們可以接受的程度以內(nèi)，防止污染事故的發(fā)生。影響因素：源參數(shù)、氣象因素、地面特征、周圍地區(qū)建筑物分布等。氣象因素包括：風(fēng)向、風(fēng)速、大氣湍流運(yùn)動、氣溫垂直分布及大氣穩(wěn)定程度等。第一節(jié) 大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素地球表面環(huán)繞著一層很厚的氣體，稱為大氣。自然地理學(xué)將受地心引力而隨地球旋轉(zhuǎn)的大氣層稱為大氣圈。地球周圍的大氣圈具有層狀結(jié)構(gòu)：對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層，大氣圈的上界定

2、為12001400km，以上部分氣體非常稀薄，是宇宙空間。 一、對流層特性最近地面的一層大氣，對流程度：熱帶比寒帶強(qiáng)烈。厚度：隨緯度增加而降低，赤道地區(qū)最高（15km），兩極最低 (約8 km) ，暖季大于冷季。對流層主要特征： 對流層雖然較薄，但卻集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部水氣，主要的氣象現(xiàn)象都發(fā)生在這一層，它是天氣變化最復(fù)雜、對人類活動影響最大的一層。 氣溫隨高度增加而降低，每升高100 m平均下降約0.65。 空氣受下熱面不均勻及其本身特征的影響，而具有強(qiáng)烈的對流運(yùn)動。 溫度和濕度水平分布不均勻：在熱帶海洋上空，空氣比較溫暖潮濕；在高緯度內(nèi)陸上空，空氣比較寒冷干燥，因此也經(jīng)常發(fā)

3、生大規(guī)模空氣運(yùn)動。對流層下層 (地面至1-2km) ，稱為摩擦層，又稱大氣邊界層。 自由大氣 動量 混合層(LID) 大氣邊界層 湍流 幾百米2公里 12公里 風(fēng)速梯度 大氣邊界層對大氣污染 物的擴(kuò)散遷移影響極大 近地層、下部摩擦層 熱流 ( 地表至幾十米 ) 大氣邊界層主要特征： 受地面冷熱的直接影響，氣溫日變化明顯，特別是近地層，晝夜相差十幾乃至幾十度。 由于氣流運(yùn)動受地面摩擦的影響，故風(fēng)速隨高度增加而增大。 大氣上下有規(guī)則的對流和無規(guī)則的湍流運(yùn)動都比較盛行，水氣也比較充足。直接影響污染物的傳輸、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化。二、氣象要素表示大氣狀態(tài)和物理現(xiàn)象的物理量。 1. 氣溫 指離地面1.5m高處百葉

4、箱中觀測到的空氣溫度。 2. 氣壓 指大氣壓強(qiáng)。氣象上氣壓的單位為毫巴 (mb)。 1mb = 1000dyn/cm2 = 100 Pa在靜止大氣中，任意點(diǎn)的氣壓值等于該點(diǎn)單位面積上的大氣柱重量： dP = -gdz 或 dP/dz = -g 3. 氣濕 空氣的濕度簡稱氣濕。即大氣中水汽含量的多少和空氣的潮濕程度。 絕對濕度：H kg水/kg絕干空氣。 相對濕度：= pH2O/pS100 水蒸汽壓力、飽和氣壓、露點(diǎn)等。 4. 風(fēng)向和風(fēng)速 氣象上把水平方向的空氣運(yùn)動稱為風(fēng)。 鉛直方向的空氣運(yùn)動稱為升降氣流或?qū)α鳌?風(fēng)向 方位表示法：把園周分16等分 角度表示法：正北為0，順時(shí)針方向。 風(fēng)速：單位

5、時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向移動的距離 (m/s) 。 測定方法：安裝于距地面10-12 m高度上的測風(fēng)儀所觀測到的一定時(shí)間內(nèi)的平均值 (如2min、10min) 粗略估計(jì)風(fēng)速可依據(jù)自然現(xiàn)象_風(fēng)力大小來表示。蒲福根據(jù)自然現(xiàn)象將風(fēng)力分為13個(gè)等級 (0-12級) ，若用F表示風(fēng)力等級，則風(fēng)速： ( km/h) 5. 能見度 在當(dāng)時(shí)天氣條件下，視力正常的人能夠從天空背景中看到或辨認(rèn)出的目標(biāo)物的最大水平距離 (m) 。 能見度大小反映了大氣透明度或混濁程度。 6. 云： 云是發(fā)生在高空的水汽凝結(jié)現(xiàn)象。 云的分類 高云：5000m以上，由水晶組成，云體成白色，有蠶絲般光澤， 薄而透明。 中云：25005000

6、m之間，由過冷的微小水滴及冰晶組成，白色或 灰色，沒有光澤，云體稠密。 低云：2500以下，不穩(wěn)定氣層中的低云常分散或孤立的大塊云， 穩(wěn)定氣層中的低云結(jié)構(gòu)稀松，低而黑。 云量 指云遮蔽天空的成數(shù)。 我國將視野之內(nèi)的天空分為10份，云遮住了幾份云量就是幾。 國外分為8份。換算：我國云量 = 國外云量1.25 總云量：指所有云遮蔽天空的成數(shù)，不論云的層次和高度。 低云量：指低云遮蔽天空的成數(shù)。 云量記錄：總云量作分子，低云量作分母，如：10/7，5/5等第二節(jié) 大氣的熱力過程一、太陽、大氣和地面的熱交換低層大氣的增熱與冷卻是太陽、地球與大氣之間進(jìn)行熱量交換的結(jié)果。1. 太陽表面溫度6000K，時(shí)刻

7、向外輻射能量。 紫外區(qū) (波長小于0.4um) 大陽輻射波 可見光區(qū) (波長0.40.76 um) 紅外區(qū) (波長大于0.76um) 波長在0.154um之間的輻射能占太陽總輻射能的99%，在0.475um附近的輻射最強(qiáng)。 全球平均情況：太陽輻射約有53%被地面吸收，43%被反射回太空，14%被大氣吸收 (包括上層大氣) 。2. 大氣中能選擇吸收太陽輻射的氣體主要有水蒸氣、CO2、O3。 水蒸汽吸收太陽輻射紅外區(qū)0.93-2.85um之間的幾個(gè)吸收帶；CO2僅對紅外區(qū)4.3um之間吸收較強(qiáng) (太陽輻射該區(qū)域較弱) ；O3能強(qiáng)烈吸收紫外線，但主要發(fā)生在平流區(qū)。 太陽輻射對大氣增熱沒有多大直接作用

8、。 3. 地球表面溫度200300K，對流層大氣平均溫度250K，都產(chǎn)生3120um的長波輻射。 水蒸汽對4.580um、CO2對4.3um、12.717.4um輻射波強(qiáng)烈吸收，約有7595%的地面長波被近地層大氣吸收。 地面輻射是向上的。大氣輻射是向四面八方的，其中投向地面的部分稱為大氣逆輻射。大氣逆輻射可被地面吸收。地面輻射與被地面吸收的大氣逆輻射之差稱為地面有效輻射。結(jié)論：近地層空氣的溫度隨地表溫度的降低而降低，而且是自下而上地被冷卻；隨地表溫度的增加而增加，而且是自下而上被加熱。地表溫度的周期性變化會引起低層大氣的周期性變化。 云層對太陽輻射的影響是很明顯的，云愈厚，反射作用愈強(qiáng)。所以

9、陰天得到的大陽輻射少。 二、 氣溫的絕熱變化 1. 絕熱過程與泊松(Poisson) 方程 P0 + dP P、T、V環(huán)境 V0 + dV 氣塊 Z + dZ T0 + dT 環(huán)境 氣塊 Z P0、T0、V0 干空氣塊在 因周圍壓力低而膨脹 干空氣塊 大氣中上升 反抗外界壓力而作功 溫度降低干空氣導(dǎo)熱系數(shù)較小，可看作絕熱過程。根據(jù)熱力學(xué)第一定律有： dq = dU + dW = dU + PdV ( dW = PdV ) U = HPV 全微分 dU = dHPdVVdP dq = dHVdP = CPdTVdP (dH = CPdT )對單位質(zhì)量的空氣， ，故 式中：CP = 996.5J/

10、kg.K，R = 287J/kg.K對于絕熱過程：dq = 0，則 將上式從氣塊初態(tài)(T0，P0) 到終態(tài) (T，P) 積分，得 上式為泊松方程，它描述了氣塊在絕熱升降時(shí)氣塊初態(tài)和氣塊終態(tài)之間的關(guān)系。表明在絕熱過程中系統(tǒng)溫度變化由外界壓力變化而引起。 2. 干絕熱遞減率與氣溫遞減率 干空氣塊 (或在升降過程中未發(fā)生水蒸汽相變的濕空氣塊) 在絕熱升降100m時(shí)，溫度降升的數(shù)值稱為干絕熱遞減率，以 表示： 即： 式中：下標(biāo) i 代表氣塊，下標(biāo) d 代表干空氣。將上式用于氣塊則： 大多數(shù)大氣能滿足準(zhǔn)靜力條件，即氣塊壓力與周圍大氣相等： 又有：則： ，( ) 式中：g = 9081 m/s2，CP=1

11、004 J/kg.K 氣溫遞減率：單位高差氣溫變化率的負(fù)值： 3. 氣溫的垂直分布 氣溫隨高度的分布可用坐標(biāo)圖上的曲線表示，這條曲線稱為溫度層結(jié)曲線，簡稱溫度層結(jié)。 大氣中的溫度層結(jié)有四種類型：氣溫隨高度增加而遞減，即 ，稱為正常分布層結(jié)或遞減層結(jié)。氣溫遞減率等于或近似等于干絕熱遞減率，即 ，稱為中性層結(jié)。氣溫不隨高度變化，即 ，稱為等溫層結(jié)。氣溫隨高度增加而增加，即 ，稱為氣溫逆轉(zhuǎn)，簡稱逆溫。 三、 大氣穩(wěn)定度及其判據(jù) 大氣穩(wěn)定度是指垂直方向上大氣穩(wěn)定的程度，即是否容易發(fā)生對流。對污染物在大氣中的擴(kuò)散有相當(dāng)大的影響。分穩(wěn)定、中性、不穩(wěn)定氣層三種。單位體積空氣塊受力分析：浮力 ，重力 ，加速力

12、 。 ， 代入狀態(tài)方程： 及準(zhǔn)靜力條件 Pi = P 得若氣塊初態(tài)與大氣平衡，即 T0=Ti0，當(dāng)氣塊絕熱上升z后，其溫度為： ，周圍空氣溫度為： ，代入上式： 當(dāng) 時(shí)，a0，加速度與位移方向相同，層結(jié)不穩(wěn)定。 當(dāng) 時(shí)，a = 0 ，層結(jié)是中性的。四、逆溫 具有逆溫層的大氣層是強(qiáng)穩(wěn)定層。按逆溫層的高度可分為：接地逆溫和不接地逆溫。按其產(chǎn)生過程可分為：輻射逆溫、下混逆溫、平流逆溫、湍流逆溫、鋒面逆溫。 輻射逆溫 由于地面強(qiáng)烈輻射而形成的逆溫。 輻射在大陸常年可見，冬季最強(qiáng)。冬天夜長，逆溫層厚，消失也慢?？梢娫坪蛷?qiáng)風(fēng)可抑制輻射逆溫出現(xiàn)。下沉逆溫 下沉逆溫范圍廣、厚度大、持續(xù)時(shí)間長，在離地?cái)?shù)百米至數(shù)

13、千米的高空都可能出現(xiàn)。在冬季，下沉逆溫與輻射逆溫相結(jié)合，形成很厚的逆溫層。平流逆溫 當(dāng)暖空氣平流到冷地面時(shí)，下層空氣受地面影響大，降溫多，上層空氣降溫少，故形成逆溫。 當(dāng)暖空氣平流到低地、盆地內(nèi)積聚的冷空氣上面時(shí)，也可形成平流逆溫。湍流逆溫 實(shí)際空氣的運(yùn)動都是一種湍流運(yùn)動。運(yùn)動的結(jié)果使大氣中包含的熱量、水分和動量以及污染物都得以充分混合和交換。這種因湍流運(yùn)動引起的混合屬性稱湍流混合。低層空氣因湍流混合而形成的逆溫稱湍流逆溫。5. 鋒面逆溫 對流的冷空氣團(tuán)與暖空氣團(tuán)相遇時(shí)，暖空氣因其密度小就會爬到冷空氣上面去，形成一千傾斜的過渡區(qū)，稱為鋒面。在鋒面上冷暖空氣的溫差較大時(shí)，也可出現(xiàn)逆溫，稱為鋒面逆

14、溫。五、 大氣穩(wěn)定度和煙流擴(kuò)散的關(guān)系1.波浪型：出現(xiàn)于全層不穩(wěn)定的氣層中， ，晴朗的白天中午和午后易出現(xiàn)，對污染物擴(kuò)散良好，但源近距離處會出現(xiàn)高濃度。 2. 錐型：發(fā)生在全層中性和弱穩(wěn)定時(shí)， ，擴(kuò)散比波浪型差，比平展型好，陰天常見。 3. 平展型(扇型)：發(fā)生在全層強(qiáng)穩(wěn)定( )時(shí)，煙流垂直擴(kuò)散受抑制，在水平方向擴(kuò)散成扇形，晴朗的夜間常出現(xiàn)。對環(huán)境影響與源高有關(guān)。4. 爬升型(屋脊型) ：煙流下部是穩(wěn)定大氣，上部是不穩(wěn)定大氣。一般日落前出現(xiàn)。持續(xù)時(shí)間短，對近地處污染較小。5. 漫煙型(熏煙型) ：煙流下部是不穩(wěn)定大氣，煙流上部是穩(wěn)定大氣，煙流向上擴(kuò)散受到抑制，只能在地面至逆溫層之間擴(kuò)散，造成污染

15、物濃度極高。一般早上日出時(shí)出現(xiàn)。第三節(jié) 大氣的運(yùn)動和風(fēng) 大氣的運(yùn)動是在各種力的作用下產(chǎn)生的；大氣運(yùn)動的結(jié)果形成風(fēng)；風(fēng)對大氣污染物起到輸送作用和沖淡稀釋作用。 一、水平方向作用于空氣的力 1. 水平氣壓梯度力 由于水平方向氣壓差的存在而作用在單位質(zhì)量空氣上的力Gn 是空氣產(chǎn)生水平運(yùn)動的原動力。 2. 地轉(zhuǎn)偏心力 由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的使運(yùn)動著的空氣偏離氣壓梯度力方向的力，也稱科佳奧利力： 式中：V、 -分別為風(fēng)速和當(dāng)?shù)鼐暥取?-地球自轉(zhuǎn)角速度。性質(zhì)： 伴隨風(fēng)的產(chǎn)生而產(chǎn)生。 該力在北半球垂直指向運(yùn)動方向的右方，在南半球垂直指向運(yùn)動方向的左方。 由于它與運(yùn)動方向垂直，只改變風(fēng)的方向，不改變風(fēng)速。 該力

16、與sin成正比，故隨緯度增加而增大，直道為0，兩極最大。 3.慣性離心力 作曲線運(yùn)動的單位質(zhì)量空氣所受的慣性離心C： 或 C的方向與大氣運(yùn)動方向垂直，由曲率中心指向外緣，由于大氣運(yùn)動的曲率半徑都很大，所以C通常很小。 4. 摩擦力 內(nèi)摩擦力：運(yùn)動速度不同的兩層氣體之間。 外摩擦力：貼近地面運(yùn)動的大氣與地面之間。摩擦力的方向與運(yùn)動方向相反。隨高度而變化，越高越小?？偨Y(jié)： 大氣水平梯度力是引起大氣水平運(yùn)動的直接動力。 其它三個(gè)力是大氣運(yùn)動之后才產(chǎn)生并起作用的。 討論近地層大氣運(yùn)動或低緯度地區(qū)大氣運(yùn)動時(shí)，地轉(zhuǎn)偏向力可不予考慮。 近于直線的氣體運(yùn)動，慣性離心力可不予考慮。討論自由大氣時(shí)，摩擦阻力可不予

17、考慮。 二、大氣邊界層中風(fēng)隨高度的變化 摩擦阻力隨高度增加而減小；風(fēng)隨高度增加而增大；地轉(zhuǎn)偏向力也的影響隨高度增加而明顯。所以在北半球，風(fēng)逐漸往右偏轉(zhuǎn)，到了邊界層頂，風(fēng)的大小、方向與地轉(zhuǎn)風(fēng)完全一致。愛克曼(Ekman) 螺旋線一、近地層的風(fēng)速廓線模式 平均風(fēng)速隨高度變化的曲線稱為風(fēng)速廓線。 描述平均風(fēng)速隨高度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為風(fēng)速廓線模式。 常用：對數(shù)律、指數(shù)律。 作用：利用這些模式可根據(jù)易測的地面風(fēng)速(10-12m)，計(jì)算出不易測量的較高層風(fēng)速。 1. 對數(shù)律 根據(jù)普蘭德 (Prandtl) 的混合長理論，可以導(dǎo)出中性層結(jié)時(shí)近地層風(fēng)速廓線的典型模式_對數(shù)混合長模式。 m/s 式中： _高度

18、Z處的風(fēng)速，m/s； _摩擦速度，m/s； k_卡門 (Karman) 常數(shù)，0.35；Z0 _地面粗糙度，m。 表3-2 有代表性的地面粗糙度 在近地層中性層結(jié)條件下應(yīng)用，精度較高；非中性層結(jié)條件下應(yīng)用誤差較大。地面類型Z0(cm) 范圍有代表性的Z0(cm)草 原農(nóng)作物地區(qū)村落、分散的森林分散的大樓(城市)密集的大樓(大城市) 110 1030 20100 100400 400 3 10 30 100 300 2. 指數(shù)律根據(jù)施密特(Schmit) 的半經(jīng)驗(yàn)理論導(dǎo)出的風(fēng)速廓線指數(shù)律為： m/s式中： _己知高度Z1上的風(fēng)速，m/s；m_穩(wěn)定度參數(shù)。 3-2 參數(shù)m值 指數(shù)律在中性條件下，能

19、較滿意地應(yīng)用于300500m的氣層，而且在非中性條件下應(yīng)用也較為準(zhǔn)確和方便，所以在大氣擴(kuò)散的實(shí)際工作中指數(shù)律應(yīng)用較多。但在中性條件下不如對數(shù)準(zhǔn)確，特別是近地層 (離地幾米高度) 。穩(wěn)定度級別ABCDEF歐文m城市0.150.150.200.250.400.50鄉(xiāng)村0.070.070.100.150.350.55制訂原則和方法m0.100.150.200.250.300.30四、地方性風(fēng)場 水陸交界處的影響水陸熱力和動力性質(zhì)的差異引起水面、陸地上的大氣有很大不同。 水面：光滑、機(jī)械湍流較弱、擴(kuò)散速率較慢。 陸地：地表粗糙、機(jī)械湍流較強(qiáng)、擴(kuò)散速率較快。 海風(fēng)：風(fēng)速56m/s，深入內(nèi)陸數(shù)十公里，厚度100到1000m以 上，一般為500m，上午911時(shí)開始。 陸風(fēng)：風(fēng)速12m/s，厚度通常100300m，深入海上距離約 810 公里，1720時(shí)開始。 晚上吹向大海的污染物白天有可能隨海風(fēng)吹回來。 山區(qū)氣溫特征 山區(qū)污染物的擴(kuò)散決定于山區(qū)特殊的氣象條件和地形對氣流運(yùn)動的影響。 氣象條件主要表現(xiàn)在山區(qū)的溫場。風(fēng)場和湍流特征與平原地區(qū)不同。 1. 山區(qū)溫場 地形復(fù)雜、地面受熱不均(向陽、背陽、坡度大小等) 、日照時(shí)間變化等使水平氣溫分布很不均勻，造成局部地區(qū)熱力環(huán)流，形成坡風(fēng)、山谷風(fēng)等。 山區(qū)輻射因地形作用大為增強(qiáng)：夜間山坡冷卻快，冷空氣下滑，