3《大氣污染控制工程》第三章

第三章大氣污染氣象學(xué)扼要介紹。第一節(jié)大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)地球表面環(huán)繞著在層很厚的氣體，稱(chēng)為環(huán)境大氣或地球大氣，簡(jiǎn)稱(chēng)大氣。大氣是自然環(huán)境的重要組成部分，是人類(lèi)及生物賴(lài)以生存的必不可少的物質(zhì)。大氣圈的垂直結(jié)構(gòu)是指氣象要素的垂直分布情況；如氣溫、氣壓、大氣密度和大氣成分的垂直分布等。根據(jù)氣溫在垂直于下墊面(即地球表面情況)方向上的分布，可將大氣分為五層：對(duì)流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。對(duì)流層對(duì)流層是大氣層最低的一層；平均厚度為12自下墊面算起的對(duì)流層的厚度隨緯度增加而降低，赤道處約為16～17km,中緯度地區(qū)約10～12km，8～9km。①對(duì)流層的主要特征是：對(duì)流層雖然較薄，但卻集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3／4發(fā)生在這一層中，它是天氣變化最復(fù)雜、對(duì)人類(lèi)活動(dòng)影響最大的一層；100m0.65℃；不同造成的。陸上空，空氣比較寒冷干燥，因此也經(jīng)常發(fā)生大規(guī)模空氣的水平運(yùn)動(dòng)。②對(duì)流層亞層分層情況：對(duì)流層的下層，厚度約為1～2km界層摩擦層)。50～100m近地層1～2℃。自由大氣層。大氣邊界層特征：在大氣邊界層中，由于受地面冷熱的直接影響，所以氣溫的日變化很明顯，特別是近地層，晝夜可相差十兒乃至幾十度。出于氣流運(yùn)動(dòng)受地面摩擦的影響，故風(fēng)速隨高度的增高而增大。在污染物的傳輸、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化。平流層從對(duì)流層頂?shù)?0～55km高度的一層稱(chēng)為平流層。亞層分層情況：從對(duì)流層項(xiàng)到25～35km左右的一層，氣溫幾乎不隨高度變化，為-55℃左右，稱(chēng)為同溫層；從這以上到平流層頂，氣溫隨高度增高而增高，至平流層頂達(dá)-3℃左右，稱(chēng)為逆溫層。平流層集中了大氣中大部分臭氧O，并在225km臭氧層特征：光化學(xué)反應(yīng)，致使臭氧層的臭氧逐漸減少。中間層從平流層頂?shù)?5km高度的一層稱(chēng)為中間層。特點(diǎn)：氣溫隨高度增高而迅速降低，其頂部氣溫可達(dá)到-83℃，因此空氣具有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，垂直混合明顯；因此也稱(chēng)為上層對(duì)流層。暖層800km特點(diǎn):電離層。散逸層動(dòng)速度很高，可以擺脫地球引力而散逸到太空中。均質(zhì)層和非均質(zhì)層：80～85km（均質(zhì)層；在均質(zhì)層以上的大氣中，以分子擴(kuò)散為主，氣體隨高度。這層中較輕的氣體成分有明顯增加。二、主要?dú)庀笠乇硎敬髿鉅顟B(tài)的物理量和物理現(xiàn)象，稱(chēng)為氣象要素。氣象要素主要有：氣溫、氣壓、氣濕、風(fēng)向、風(fēng)速、云況、能見(jiàn)度等。氣溫氣象上講的地面氣溫一般是指距地面1.5m高處在百葉箱中觀測(cè)到的空氣溫度。單位是攝氏溫度℃或熱力學(xué)溫度K。氣壓氣壓是指大氣的壓力。氣壓?jiǎn)挝挥门?Pa)表示，1Pa=1N/m2；氣象上常用的氣壓?jiǎn)挝皇前倥羑Pa；國(guó)際上規(guī)定，溫度0℃、緯度45°的海平面上的氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；它與其它氣壓?jiǎn)挝坏年P(guān)系1atm＝101325Pa=1013.25hPa=760mmHg氣濕空氣的濕度簡(jiǎn)稱(chēng)氣濕，反映大氣中水汽含量的多少和空氣的潮濕程度。常用的表示方法有：絕對(duì)濕度、水汽壓、飽和水氣壓、相對(duì)濕度、含濕量、水汽體積分?jǐn)?shù)及露點(diǎn)等。絕對(duì)濕度：在1m3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量由理想氣體狀態(tài)方程可得到：mPV=nRT=M

RT

PM P PRT R T TM w w RT R T TMwwρkg/（濕空氣；wPwR=461.5J/(kg·K)

R8.311000

461.5w wT——空氣溫度，K。

w M 18相對(duì)濕度空氣的絕對(duì)濕度ρ 與同溫度下飽和空氣的絕對(duì)濕度ρ之百分比稱(chēng)為空氣的w v相對(duì)溫度。wφ=wv式中：φ——空氣的相對(duì)濕度，%；

P100w100PvΡ——飽和絕對(duì)濕度，kg/m3(飽和空氣)；vP——飽和空氣的水汽分壓，Pa。v濕空氣中1kg干空氣所包含的水汽質(zhì)量k）稱(chēng)為空氣的含濕量d，氣象中也稱(chēng)為比濕。m V d1

w

w (V=V)m V 1 22 d 2 ddk（水汽/k（干空氣；ρkg/（濕空氣；wρ——干空氣的密度，kg/m3。d由理想氣體狀態(tài)方程可知：mPV RT

PM M P Pw w w M w RT R T RTPM M P d d

wP d d RT R T RTd RP R P R Pvdvd

dRPw

dRw

wPPw

dRw

PPvR干空氣氣體常數(shù)Rd=287.1J/(kg·K),則 dRw

0.622，代入上式得287.1Pd0.622P

P P0.622 w 0.622 v P PPd w

PPv在工程應(yīng)用中常將空氣的含濕量定義為113（k,N其單位是kg(水汽)/m3(干空氣)，并用d表示，則得：N 0d d0 Nd式中：ρ。Ndd

kg(

、d

Nkg(水汽)；0 m3N

(干空氣)

kg(干空氣)d所以 0d

kg(

dd m3N

干空) 0 Nd

PM M P

P

R

101325Nd RT R T Rd

T 273.15Rd

d 273.15NdR 101325 0.804

R=461.5w所以：dRw

273.15Nd

461.5 Nd

。故得：d RP

0.804 P

P P Pd d

w

0.804w0.804 w 0.804 v 0

RP wd

P Nd PNd d d

PPw

PPvP由上式可得：

0 dP 0.804dd0水氣體積分?jǐn)?shù)：所以水汽的體積分?jǐn)?shù)可表示成： P P d dw v 0 Nd

w P P 0.804d0

0.804dNdP=101325PT=298φ=75試問(wèn)該地區(qū)的大氣含濕量（d、dρφ)各為多少？干空氣的0密度(ρ 是多少？Nd解：查表得T=298K時(shí)的飽和水汽壓力Pv=3139.8Pa（3-5）求大氣含濕量P 0.753139.8d0.622 v 0.622 0.0148kg/kg()PPv

1013250.753139.8由式3-）得含濕量（工程計(jì)算P

0.753139.8d 0.804 v0 PPv

0.0804 0.0191kg/m31013250.753139.8

(干空氣)由式（3-2）得PφP=0.75×3139.8=2354.85Pa；w v由式（3-1）得絕對(duì)濕度

2354.85 /m3( Pw RT 461.5298Pw由式（3-8）求得水汽體積分?jǐn)?shù)：

w 0.02322.32%P2354.85P2354.85d 0.0191由式（3-6）得干空氣密度

0 1.29kg/

(干空氣)Nd d 0.0148 N露點(diǎn)：在一定氣壓下空氣中的水汽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度，稱(chēng)為空氣的露點(diǎn)。風(fēng)向和風(fēng)速氣象上把水平方向的空氣運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為風(fēng)；垂直方向的空氣運(yùn)動(dòng)則稱(chēng)為升降氣流。風(fēng)是一個(gè)矢量，具有大小和方向。風(fēng)向是指風(fēng)的來(lái)向。例如，風(fēng)從東方來(lái)稱(chēng)東風(fēng)。風(fēng)向可用8個(gè)方位或16個(gè)方位表示。也可用角度表示，如圖3—2所示。風(fēng)速是指單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向運(yùn)動(dòng)的距離，單位用m/s或km/h表示。通常氣象臺(tái)站如2min或10min)風(fēng)速。根據(jù)自然現(xiàn)象將風(fēng)力分為13個(gè)等級(jí)(0～12級(jí))，若用F表示風(fēng)力等級(jí)，則風(fēng)速u(mài)(單位km/h)為:F3F3云況云是大氣中的水汽凝結(jié)現(xiàn)象云量云高。云高：指云底距地面的高度，根據(jù)云底高度可將云分為：高云：云底高度一般在5000m明。中云：云底高度一般在2500～5000m之間，由過(guò)冷的微小水滴幾冰晶構(gòu)成，顏色為白色或灰白色，云體稠密。低云：云底高度一般在2500m層中低云云層低而黑，結(jié)構(gòu)稀松。云量：10等分，云遮蔽了幾分，云量就是幾。例如碧空無(wú)云，云量為零；陰天云量為10。國(guó)外將天空分為8等分，云遮蔽幾分云量就是幾。兩者的換算關(guān)系為國(guó)外云量×1.25＝我國(guó)云量總云量：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)。10/7、5/5、7/2。任何情況下，低云量不得大于總云量。能見(jiàn)度能見(jiàn)度是指在當(dāng)時(shí)的大氣條件下，視力正常的人能夠從天空背景下看到或辨認(rèn)出的目標(biāo)物m或km103-1計(jì)算公式見(jiàn)P17（1-2）第二節(jié)大氣的熱力過(guò)程一、太陽(yáng)、大氣和地面的熱交換交換的結(jié)果。太陽(yáng)是一個(gè)熾熱的球形體，表面溫度約為6000K0.15～4μm之間的輻射能占太陽(yáng)總輻射990.475μm（面吸收；地面吸收太陽(yáng)輻射溫度升高后又向大氣輻射長(zhǎng)波輻射，從而加熱低層大氣；大氣的保溫效應(yīng)。因此，一般在有云的夜間和清晨的氣溫，要比睛天的夜間和清晨的氣溫要高一些。（為明顯。二、氣溫的垂直變化大氣的絕熱過(guò)程大氣的升降運(yùn)動(dòng)總是伴隨有不同形式的能量交換絕熱過(guò)程。根據(jù)熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，可以推導(dǎo)出描述大氣熱力過(guò)程的微分方程：dQ c

dT-RTdpp p式中：QCp——干CR——T——?dú)鈮KP——?dú)鈮K壓力，hPa。對(duì)于大氣的絕熱過(guò)程，dQ=0，上式變?yōu)椋篸TRdpT C pp將此式從氣塊升降前的狀態(tài)TP）積分到氣塊升降后的狀態(tài)TP，則得：0 0T p R p ( )cp( )0.288 (312)T p p0 0 0上式稱(chēng)為泊松方程Poisso，它描述了氣塊在絕熱升降過(guò)程中，氣塊的初態(tài)P、T）到0 0終態(tài)（P、T）之間的關(guān)系，說(shuō)明氣塊在絕熱過(guò)程中氣溫的變化完全是由氣壓變化引起的。干絕熱直減率干空氣在絕熱上升或下降過(guò)程中，每上升或下降單位距離（通常取100m）的溫度變化稱(chēng)干空氣絕熱垂直遞減，簡(jiǎn)干絕熱直減率。以γ 表示，定義式為：ddTγ ＝－ ii—表示空氣塊d—表示干空氣根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可推導(dǎo)出：

d dZd dT g 9.81 0.98 1k i d dZ

c 1005 100 100md p式中：重力加速度g=9.81m/；干空氣的定壓比熱容c=1005J（k·。上式表示干空氣p塊（或未飽和的濕空氣塊）每升高（或下降）100m時(shí)，溫度降低（或升高）約1K。位溫一干空氣塊絕熱升降到標(biāo)準(zhǔn)氣壓（1013.25hPa）處所具有的溫度稱(chēng)為它的位溫,以θ3-12得：1013.25R/Cp 1013.250.288＝T

T 0 P 0 P0 0式中：T0、P0表示氣塊最初的溫度和壓力。不管空氣塊溫度T如何變化，位溫θ是不變的。氣溫的垂直分布?xì)鉁卮怪边f減率T氣溫直減率。它系指單位Z高度（100m）氣溫沿垂直高度的分布，可以在一張坐標(biāo)圖上用一條曲線表示出來(lái)，如圖3－4所示。這種曲線稱(chēng)為氣溫沿高度分布曲線或溫度層結(jié)曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)溫度層結(jié)。大氣中的溫度層結(jié)有四種類(lèi)型：氣溫隨高度增加而遞減，且γ＞γd，稱(chēng)為正常分布層結(jié)或遞減層結(jié)；氣溫直減率等于或近似等于干絕熱直減率，即γ=γd，稱(chēng)為中性層結(jié)；氣溫不隨高度變化，即γ＝0，稱(chēng)為等溫層結(jié)；氣溫隨高度增加而增加．即γ＜0氣溫逆轉(zhuǎn)逆溫。三、大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度的概念穩(wěn)定的(2)不穩(wěn)定的；(3)當(dāng)外力去除后，氣塊被外力推到哪里就停到哪里或作等速運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)這種大氣是中性的。大氣穩(wěn)定度的判別TPi i

和ρ；周?chē)髿鉅頸態(tài)參數(shù)為T(mén)、P、ρ，則單位體積氣塊（體積V=1）受四周大氣的浮力為ρg，本身重力為ρg，在i此二力作用下產(chǎn)生的向上加速度為：F g()a m

i (316)i利用準(zhǔn)靜力條件P=P和理想氣體狀態(tài)方程，則有：im m V RT

m V RTi

，代入式（3-16）得：g(TT)a i (317)T若氣塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滿(mǎn)足絕熱條件，則氣塊運(yùn)動(dòng)ΔZ高度時(shí)，其溫度T=T-γi i0

ΔZ；而同樣高d度的周?chē)諝鉁囟萒=T-γΔZ。假設(shè)起始溫度相同，即T

=T，則有：0 g(

i0 0a dT

Z. (318)從式(3-18γγ）的符號(hào)決定了氣塊加速度aZΔZ＞0，則有三種情況：γ＞γ dγ＜γ 時(shí)，a＜0，氣塊的加速度與其位移方向是相反，氣塊作減速運(yùn)動(dòng)，大氣穩(wěn)定；d（3）γ=γ 時(shí)，a=0，大氣是中性的。d因此，γγ 時(shí)可作為大氣穩(wěn)定度的判斷依據(jù)。d大氣穩(wěn)定度也可以用圖3-4作進(jìn)一步說(shuō)明。（P76）3-4（a）＞γd，氣塊上升（或下降）后，氣塊溫度Ti將高于（或低于）周?chē)髿鉁囟?，氣塊密度ρi小于（或大于）大氣密度ρ，因而氣塊繼續(xù)上升（或下降，所以是不3-4（b）＜γd，氣塊上升（或下降）后，它的溫度低于（或高于周?chē)髿?，則氣塊的升降運(yùn)動(dòng)受到阻礙，所以大氣是穩(wěn)定的。四、逆溫＞0γ=0γ＜0的情況。一般將氣溫隨高度增加而增加的氣層稱(chēng)為逆溫層。逆溫層的存在，大大阻礙了氣流的垂直運(yùn)動(dòng)；所以也將逆溫層稱(chēng)為阻擋層。由于許多大氣污染事件多發(fā)生在有逆溫及靜風(fēng)的氣象條件下，所以在研究污染物的大氣擴(kuò)散時(shí)必須對(duì)逆溫給予足夠的重視。()輻射逆溫平流逆溫鋒面逆溫湍流逆溫等五種。輻射逆溫由于地面強(qiáng)烈輻射冷卻而形成的逆溫，稱(chēng)為輻射逆溫。這種逆溫與大氣污染的關(guān)系最為密切。在晴朗無(wú)云(或少云)的夜間，當(dāng)風(fēng)速較小(＜3m/s)時(shí)，地面因強(qiáng)烈的有效輻射而很快冷卻，近地面氣層冷卻最為強(qiáng)烈，較高的氣層冷卻較慢，因而形成自地面開(kāi)始逐漸向上發(fā)展的逆溫層，稱(chēng)為輻射逆溫。圖3—5示出輻射逆溫在一晝夜間從生成到消失的過(guò)程。圖中(a)是日落前1小時(shí)逆溫開(kāi)始生成的情況；隨著地面輻射的[(c)][圖中(d)]；大約在上午10[(e)]。輻射逆溫在陸地上常年可見(jiàn)，但以冬季最強(qiáng)。在200300m400m左右。冬季睛朗無(wú)云和6～9m/s的風(fēng)速，可以完全制止逆溫的出現(xiàn)。下沉逆溫由于空氣下沉受到壓縮增溫而形成的逆溫稱(chēng)為下沉逆溫氣團(tuán)中，因受壓而變熱，使氣溫高于下層的空氣下沉逆溫可以用下圖來(lái)說(shuō)明：假定某高度有一氣團(tuán)ABCD，其厚度為h氣壓向擴(kuò)散，該氣層被壓縮成，厚度減小為h（h。這樣，氣層頂部CD比底部AB下降的距離大＞H，因而氣層頂部絕熱增溫比底部增溫多，從而形成逆溫。下沉逆溫多處現(xiàn)在高壓控制區(qū)，范圍很廣，厚度也很大，一般可達(dá)數(shù)百米，下沉逆溫一般達(dá)到某一高度時(shí)就停止了，所以下沉逆溫多發(fā)生在高空中。平流逆溫由暖空氣平流到冷地面上而形成的逆溫稱(chēng)為平流逆溫。這是因?yàn)榈蛯涌諝馐艿孛嬗绊懘?、逆溫。湍流逆混低層空氣湍流混合形成的逆溫稱(chēng)為湍流逆溫。湍流逆濕的形成過(guò)程如圖3—8所示：中的ABγ

；低層空氣經(jīng)湍流混合后，d氣層的溫度將按干絕熱直減率變化，如(b)中的CD。但在混合層以上，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(gè)過(guò)渡層DE，即是逆溫層。鋒面逆溫鋒面逆溫。鋒面逆溫僅在冷空氣一邊可以看到。五、煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系大氣污染狀況與大氣穩(wěn)定度有密切關(guān)系。大氣穩(wěn)定度不同，高架點(diǎn)源排放煙流擴(kuò)散形狀和特點(diǎn)不同，造成的污染狀況差別很大。典型的煙流形狀有以下五種：波浪形，即γ＞γd多發(fā)生在晴朗的白天，地面最大濃度落地點(diǎn)距煙囪較近，濃度較高。錐形：，即γ=γd扇形它發(fā)生在煙囪出口處于逆溫層中，即該層大氣γ-γd＜-1。污染情況隨煙囪高度不同而異。當(dāng)爬升型（屋脊型：煙流的下部是穩(wěn)定的大氣，上部是不穩(wěn)定的大氣。一般在日落后面污染較小。漫煙型（熏煙型：對(duì)于輻射逆溫，日出后逆溫從地面向上逐漸消失，即不穩(wěn)定大氣邊緣仍處于逆溫層中，漫煙型便發(fā)生了（對(duì)近地面造成嚴(yán)重污染。這時(shí)煙流下部γ-γ上部γ-γd＜-1。這種煙流多發(fā)生在上午8：00～10：00，持續(xù)時(shí)間較短。（下部是不穩(wěn)定的大氣，上部是穩(wěn)定的大氣）第三節(jié) 大氣的運(yùn)動(dòng)和風(fēng)一、引起大氣運(yùn)動(dòng)的作用力大氣的運(yùn)動(dòng)是在各種力的作用下產(chǎn)生的，作用于大氣上的力，有氣壓梯度力，重力，地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力和慣性離心力。這些力之間的不同結(jié)合，構(gòu)成了不同形式的大氣運(yùn)動(dòng)和風(fēng)。水平氣壓梯度力單位質(zhì)量的空氣在氣壓場(chǎng)中受到的作用力，稱(chēng)為氣壓梯度力。這一力可分解為垂直和水平方向的兩個(gè)分量。垂直氣壓梯度力雖大，但由于有空氣重力與之平衡，所以空氣在垂直方向所受作用力并不大。水平氣壓梯度力雖小，但卻是大氣運(yùn)動(dòng)的主要原因。水平氣壓梯度力G度ρ成反比，與水平氣壓梯度（pn）成正比，即：1pG

n高壓側(cè)向低壓側(cè)運(yùn)動(dòng)，直到水平氣壓與之平衡為止（P81）地轉(zhuǎn)偏向力由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的使運(yùn)動(dòng)著的大氣偏離氣壓梯度方向的力，稱(chēng)為地轉(zhuǎn)偏向力。如果以、ω和Ф分別表示風(fēng)速、地球自轉(zhuǎn)角速度和當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋訢n向力，則有：D2usinФn具有如下性質(zhì)：①伴隨風(fēng)速的產(chǎn)生而產(chǎn)生；②水平地轉(zhuǎn)偏向力的方向垂直于大氣運(yùn)動(dòng)方向，向北指向運(yùn)動(dòng)方向的右方，向南指向左方；③由于與大氣運(yùn)動(dòng)方向垂直，所以只改變風(fēng)向，不改變風(fēng)速；④該力正比于sinФ，隨緯度增高而增大，在兩極最大，在赤道為零。慣性離心力當(dāng)大氣作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，將受到慣性離心力的作用。其方向與大氣運(yùn)動(dòng)方向垂直，由曲線路徑于大氣運(yùn)動(dòng)的曲率半徑一般很大，所以慣性離心力通常很小。Fmv2r摩擦力運(yùn)動(dòng)速度不同的相鄰兩層大氣層之間以及巾近地面運(yùn)動(dòng)的大氣和地表之間摩擦力。高度，摩擦力始終存在。所以把1～2km以下的大氣層稱(chēng)為摩擦層自由大