大氣環(huán)境控制2

三、大氣環(huán)境中污染物的擴散1、影響大氣污染擴散的氣象因素：影響污染物在大氣中運動的氣象因素主要有

風、湍流、逆溫和大氣穩(wěn)定度等。（1）風風的運動規(guī)律可用風向和風速描述。（遷移、輸送、擴散和稀釋）為綜合反映某一地區(qū)風向頻率和平均風速對大氣污染影響的程度，常用污染系數(shù)來表達：

風向頻率及污染系數(shù)實例此表為測定各方位風向頻率和風速后的污染系數(shù)計算實例，相對污染系數(shù)為某方位污染系數(shù)與各方位污染系數(shù)之和的比值。（2）湍流大氣湍流，是指大氣中無規(guī)則的、三維的小尺度運動。大氣湍流表現(xiàn)為氣流的速度和方向隨時間和空間位置的不同而呈隨機變化，并由此引起溫度、濕度以及污染物濃度等氣象屬性的隨機漲落。機械湍流，是指由于機械的或動力的作用引起的湍流，其大小決定于風速分布和地面粗糙度，當空氣流過粗糙的地表時，會隨地面的起伏而抬升或下沉，從而產生垂直方向湍流，風速越大機械湍流強度越大。熱力湍流，是指由于大氣的垂直方向溫度變化引起的湍流，其強度決定于大氣垂直方向的穩(wěn)定程度，垂直方向的溫度變化越大，熱力湍流的強度越大；相反即越小。根據(jù)湍流成因分為兩種湍流風的垂直切變：風隨高度變化的不連續(xù)現(xiàn)象。有時表現(xiàn)在風向上，有時表現(xiàn)在風速上，有時二者皆備。湍流能否發(fā)生及其強度大小主要決定于風速大小、地面起伏狀況和近地面大氣的熱狀況。簡言之，它與大氣穩(wěn)定度和風速垂直切變有關。大氣越不穩(wěn)定，越有利于湍流的發(fā)生；風速垂直切變越大，湍流越易發(fā)生。（3）逆溫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，氣溫越低，即氣溫隨高度增加而遞減，平均垂直遞減率為0.65℃/100米。但在一定條件下，對流層的某一高度有時也會出現(xiàn)氣溫隨高度增加而升高的現(xiàn)象，這種氣溫逆轉的現(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，所以會造成嚴重的大氣污染。大氣污染事件大多都發(fā)生在有逆溫又靜風的條件下。氣溫垂直遞減率

在對流層內，氣溫垂直變化的總趨勢是，隨高度的增加氣溫逐漸降低。氣溫隨高度的變化稱為氣溫垂直遞減率，可用參數(shù)表示。

上式中，負號表示氣溫隨高度而降低。

干絕熱遞減率d干氣團在絕熱垂直運動過程中，升降單位距離(通常取100m)的溫度變化值稱為干空氣溫度的絕熱垂直遞減率，簡稱干絕熱直減率d

上式可見，在干絕熱過程中，氣團每上升或下降100m，溫度約降低或升高1K，即d為固定值，而氣溫直減率則隨著時間和空間變化，這是兩個不同的概念。

大氣的溫度層結

氣溫隨垂直高度的分布規(guī)律稱為溫度層結，因此坐標圖上氣溫變化曲線也稱為溫度層結曲線。溫度層結反映了沿高度的大氣狀況是否穩(wěn)定，其直接影響空氣的運動，以及污染物質的擴散過程和濃度分布。r＞0，遞減層結r=rd，中性層結r=0，等溫層結r＜0，逆溫層結溫度層結類型（1）遞減層結。氣溫沿高度增加而降低，即0，如曲線1所示。遞減層結屬于正常分布，一般出現(xiàn)在晴朗的白天，風力較小的天氣。地面由于吸收太陽輻射溫度升高，使近地空氣也得以加熱，形成氣溫沿高度逐漸遞減。（2）等溫層結。氣溫沿高度增加不變，即＝0，如曲線2所示。等溫層結多出現(xiàn)于陰天、多云或大風時，由于太陽的輻射被云層吸收和反射，地面吸熱減少，此外晚上云層又向地面輻射熱量，大風使得空氣上下混合強烈，這些因素導致氣溫在垂直方向上變化不明顯。（3）逆溫層結。氣溫沿高度增加而升高，即0，如曲線3所示。逆溫層結簡稱逆溫，其形成有多種機理。當出現(xiàn)逆溫時，大氣在豎直方向的運動基本停滯，處于強穩(wěn)定狀態(tài)。輻射逆溫下沉逆溫平流逆溫鋒面逆溫湍流逆溫地形逆溫根據(jù)逆溫發(fā)生原因不同，可將逆溫分為：輻射逆溫由于地面強烈的輻射冷卻而形成的逆溫。一般發(fā)生在晴空無云（或少云）的夜晚，當風速較小（小于3米/s）時，地面的長波輻射損失大量熱量而使溫度迅速下降，貼近地面的空氣由于地熱傳導作用從下面開始冷卻，氣溫也隨之下降。越接近地面的空氣降溫越大，而遠離地面的空氣受地面輻射影響較小，損失熱量也較少，降溫速度較慢，因而形成了自地面開始向上的逆溫層，稱作輻射逆溫。隨著地面輻射冷卻的加劇，逆溫逐漸向上擴展，黎明時達最強。一般日出后，太陽輻射逐漸增強，地面很快增溫，逆溫便逐漸自下而上消失。輻射逆溫有非常明顯的日變化。地面白天加熱，大氣自下而上變暖；地面夜間變冷，大氣自下而上冷卻圖為輻射逆溫在一晝夜間從生成到消失的過程。(a)是下午時遞減溫度層結；(b)是日落前1h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，黎明時達到最強(圖c)；日出后太陽輻射逐漸增強，地面逐漸增溫，空氣也隨之自下而上增溫，逆溫便自下而上的逐漸消失(圖d)；大約在上午10點鐘左右逆溫層完全消失(圖e)。

輻射逆溫的生消過程下沉逆溫由于穩(wěn)定氣層整層空氣下沉壓縮增溫而形成的逆溫稱為下沉逆溫，下沉逆溫又稱為壓縮逆溫。上層空氣下沉落入高壓氣團內因受壓而變熱，使氣溫高于底層的空氣而出現(xiàn)隨高度的增加氣溫也增加的現(xiàn)象。下沉逆溫的形成受氣壓影響較大而與晝夜沒有關系，因此沒有明顯的日變化。下沉氣流達到某一高度就停止了，所以下沉逆溫一般不從地面開始，而是多發(fā)生在高空大氣層中（離地面1km以上高空），對高的排放源影響較大。某高度有一層空氣ABCD，其厚度為h。當它下沉時，由于周圍大氣對它的壓力逐漸增大，以及由于水平擴散使該氣層變成A′B′C′D′，厚度減少為h′（h′＜h）。由于頂部CD下沉到C′D′的距離比底部AB下沉到A′B′的距離大，使氣層頂部的絕熱增溫比底部增溫高。如果氣層下沉的距離很大，就可能出現(xiàn)頂部氣溫比底部氣溫高，從而形成逆溫層。平流逆溫由于暖空氣流到冷地表面上而形成的逆溫稱為平流逆溫。冬季，中緯度沿海地區(qū)海面上溫度高，陸地上溫度低，當海上的暖空氣流到大陸上時，常常形成平流逆溫。同樣暖空氣平流到低地、山谷、盆地內積聚的冷空氣上方時，也可以形成平流逆溫。鋒面逆溫當對流層中冷、暖空氣相遇時，暖空氣因密度小就會爬到冷空氣上面，形成一個傾斜的過渡區(qū)，稱之為鋒面。在鋒面上，如果冷空氣與暖空氣的溫度差較大，也會出現(xiàn)自下而上溫度升高的現(xiàn)象，這種逆溫稱為鋒面逆溫。(4).大氣穩(wěn)定度

大氣穩(wěn)定度是是指在垂直方向上大氣穩(wěn)定的程度。污染物在大氣中的擴散與大氣穩(wěn)定度有密切的關系。大氣的穩(wěn)定程度直接影響湍流活動的強弱，影響空氣污染物的擴散。大氣的穩(wěn)定度含義可以理解為，如果一空氣塊受到外部作用，獲得了向上或向下的初始運動速度后，可能發(fā)生三種情況：(1)氣塊加速上升或下降，稱這種大氣是不穩(wěn)定的；(2)氣塊逐漸減速并有返回原來高度的趨勢，稱這種大氣是穩(wěn)定的；(3)氣塊做等速直線運動，稱這種大氣是中性的。

(1)avav

(2)

(3)a=0v垂直方向上的大氣類似處于不同平衡狀態(tài)的小球判定近地面層穩(wěn)定度的條件：用氣溫的垂直遞減率r與干絕熱遞減率rd可以比較方便地判斷氣層的穩(wěn)定度。當大氣層處于不穩(wěn)定層結時，會促使湍流運動的發(fā)展，使大氣擴散稀釋能力加強；反之則對湍流起抑制作用，減弱大氣的擴散能力。穩(wěn)定r<0穩(wěn)定r<rd中性r=rd不穩(wěn)定r>rd不同大氣穩(wěn)定度/溫度層結下的煙型2.影響大氣污染的地理因素1）地形和地物的影響氣流與地形地物發(fā)生摩擦，使風向風速及污染物的擴散稀釋發(fā)生變化；山脈對風輸送污染物的屏障、阻滯作用；封閉的山谷盆地，靜風、小風頻率大，不利于污染物擴散；城市高層建筑使平均風速減小，在建筑物背風區(qū)風速下降，局部地區(qū)產生渦流，不利于污染物擴散。2）山谷風3）海陸風4）城市熱島環(huán)流2)、山谷風山谷風與污染物擴散山谷風會形成的局部區(qū)域的封閉性環(huán)流，不利于大氣污染物的擴散。當夜間出現(xiàn)山風時，由于冷空氣下沉谷底，而高空容易滯留由山谷中部上升的暖空氣，因此時常出現(xiàn)使污染物難以擴散稀釋的逆溫層。若山谷有大氣污染物卷入山谷風形成的環(huán)流中，則會長時間滯留在山谷中難以擴散。在山風與谷風的轉換期，風向不穩(wěn)定，由于風向擺動，污染物不易擴散。如果在山谷內或上風峽谷口建有排放大氣污染物的工廠，則峽谷風不利于污染物的擴散，并且污染物隨峽谷風流動，從而造成峽谷下游地區(qū)的污染。當煙流越過橫擋于煙流途徑的山坡時，在其迎風面上會發(fā)生下沉現(xiàn)象，使附近區(qū)域污染物濃度增高而形成污染，如背靠山地的城市和鄉(xiāng)村。煙流越過山坡后，又會在背風面產生旋轉渦流，使得高空煙流污染物在漩渦作用下重新回到地面，可能使背風面地區(qū)遭到較嚴重點污染。3)、海陸風海陸風與污染物擴散海陸風會形成的局部區(qū)域的環(huán)流，抑制了大氣污染物向遠處的擴散。白天，海岸附近的污染物從高空向海洋擴散出去，可能會隨著海風的環(huán)流回到內地，這樣去而復返的循環(huán)使該地區(qū)的污染物遲遲不能擴散，造成空氣污染加重。在日出和日落后，當海風與陸風交替時大氣處于相對穩(wěn)定甚至逆溫狀態(tài)，不利于污染物的擴散。大陸盛行的季風與海陸風交匯，兩者相遇處的污染物濃度也較高，如我國東南沿海夏季風夜間與陸風相遇。有時，大陸上氣溫較高的風與氣溫較低的海風相遇時，會形成鋒面逆溫。4)、城市熱島環(huán)流

城市邊界層及熱島環(huán)島示意圖熱島環(huán)流與污染物擴散城市熱島效應的形成與盛行風和城鄉(xiāng)間的溫差有關。夜晚城鄉(xiāng)溫差比白天大，熱島效應在無風時最為明顯，從鄉(xiāng)村吹來的風速可達2m/s。雖然熱島效應加強了大氣的湍流，有助于污染物在排放源附近的擴散。但是這種熱力效應構成的局部大氣環(huán)流，一方面使得城市排放的大氣污染物會隨著鄉(xiāng)村風流返回城市；另一方面，城市周圍工業(yè)區(qū)的大氣污染物也會被環(huán)流卷吸而涌向市區(qū)，這樣，市區(qū)的污染物濃度反而高于工業(yè)區(qū)，并久久不宜散去。城市局部渦流地面上的建筑物除了阻礙了氣流運動而使風速減小，有時還會引起局部環(huán)流，這些都不利于煙流的擴散。當煙流掠過高大建筑物時，建筑物的背面會出現(xiàn)氣流下沉現(xiàn)象，并在接近地面處形成返回氣流，從而產生渦流。結果，建筑物背風側的煙流很容易卷入渦流之中，使靠近建筑物背風側的污染物濃度增大，明顯高于迎風側，如圖所示。坐標系 右手坐標系（食指—x軸；中指—y軸；拇指—z軸），原點：為無界點源或地面源的排放點，或者高架源排放點在地面上的投影點；x為主風向；y為橫風向；z為垂直向高斯模式的四點假設

a．污染物濃度在y、z風向上分布為正態(tài)分布b．全部高度風速均勻穩(wěn)定c．源強是連續(xù)均勻穩(wěn)定的d．擴散中污染物是守恒的（不考慮轉化）

3、大氣污染物擴散模式1)無界空間連續(xù)點源擴散模式ū—平均風速，m/s；q—源強，g/s；σy—側向擴散參數(shù)，污染物在y方向分布的標準偏差，m；σz—豎向擴散參數(shù)，污染物在z方向分布的標準偏差，m；高架源須考慮到地面對擴散的影響。根據(jù)假設④可認為地面就象鏡子一樣對污染物起全反射作用，按全反射原理，可用“像源法”處理——把P點污染物濃度看成為兩部分（實源和像源）作用之和。建立三個坐標系：1、以實源在地面的投影點為原點；P點坐標為（x，y，z）；2、以實源為原點；3、以像源為原點。2)以高架連續(xù)點源大氣污染數(shù)學模式為例討論。（1）實源貢獻：P點在以實源為原點的坐標系中的垂直坐標為（z-H）。不考慮地面的影響，實源在P點形成的污染物濃度（2）像源貢獻：P點在以像源為原點的坐標系中的垂直坐標為（z+H），像源在P點形成的污染物濃度為：式中:c－－污染物濃度，g/m3

；Q－－源強，g/s；y

－－用濃度標準偏差表示的y軸上的擴散系數(shù)；z

－－用濃度標準偏差表示的z軸上的擴散系數(shù)；H－－煙流中心距地面高度，也稱煙囪有效高度，m；數(shù)值為煙囪高度h與煙羽抬升高度H之和.

H=h+H－－煙囪高度的平均風速，m/s；因此，對于一個高架連續(xù)點源下風向某一點污染物濃度可用下式表示：高架連續(xù)點源地面濃度:

即:z=0時：高架連續(xù)點源地面軸線濃度 即:y=0、z=0時：高架連續(xù)點源的地面最大濃度： 當y=0、z=0，并設y/z=a=常數(shù)，

對z

求導并令其等于零,即：可得：地面連續(xù)點源擴散模式：

當H=0時：地面連續(xù)點源軸線的濃度:

當y=0、z=0、H=0時：有效源高計算

煙羽抬升高度的計算十分復雜,通常用經驗關系式來計算，例如Holland公式：式中：vs

－－實際狀態(tài)下的煙流出口速度，m/s；d－－煙囪出口直徑,m；Ts、Ta

－－分別為煙氣出口溫度和環(huán)境大氣溫度，K；p－－大氣壓，pa；Qh

－－煙氣熱釋放率J/s，即單位時間排出煙氣的熱量；－－煙囪高度的平均風速，m/s；

Holland建議，大氣不穩(wěn)定時，用上式計算的H應增加10~20％、而穩(wěn)定時減少10~20％；P