大氣污染教案第三章12節(jié)

第三章氣象與大氣擴(kuò)散3.1大氣的垂直結(jié)構(gòu)（一）地球大氣特征1、大氣的組成:（1）恒定組分：指干凈大氣的組分（H2O、CO2除外）（2）可變組分：CO2和H2O（3）不定組分；指大氣中的污染物質(zhì)大氣結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？有何特點(diǎn)？2、大氣的結(jié)構(gòu)及作用（1）結(jié)構(gòu)：前面已介紹。（2）作用：A、大氣是生命活動(dòng)不可缺少的物質(zhì)，大氣中的氮和氧等元素是生物體的支柱，每人每天平均吸入15Kg的空氣；B、大氣通過(guò)紫外線照射和雷電火花合成有機(jī)物；C、保護(hù)地球一切生命的安全，減弱隕石和紫外線的損傷；D、保護(hù)地球表面的熱量，調(diào)節(jié)氣候；E、大氣是某些環(huán)境物質(zhì)運(yùn)移的載體。（二）氣象要素1、風(fēng)與風(fēng)向（1）風(fēng)：指大氣的水平運(yùn)動(dòng)。（2）風(fēng)向：指風(fēng)的來(lái)向。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。以正北方向?yàn)榱愣?，將圓角分為360°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。例如風(fēng)從北方吹來(lái)稱為北風(fēng)（N）或稱風(fēng)向?yàn)?°，東南方吹來(lái)的風(fēng)稱東南風(fēng)（SE）或稱風(fēng)向135°。

主導(dǎo)風(fēng)向；風(fēng)向是經(jīng)常變化的，不同地區(qū)在一年中都有經(jīng)常出現(xiàn)的風(fēng)向，即主導(dǎo)風(fēng)向。風(fēng)向頻率:表示某風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)占全年各方向風(fēng)向出現(xiàn)總次數(shù)的百分比。風(fēng)向決定了污染物的擴(kuò)散方向。（3）風(fēng)速：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/s表示。風(fēng)速是一個(gè)矢量，具有大小和方向。在大氣邊界層(指地面向上1000m的大氣層)中，磨擦力隨高度的增加而減小，當(dāng)氣壓梯度力不隨高度變化時(shí)，風(fēng)速隨距地面高度增加而增大，風(fēng)向與等壓線的交角隨高度增加而減小。通常大氣中的污染物濃度與風(fēng)速成反比，風(fēng)速增加一倍，下風(fēng)向濃度將減少一半。2、氣溫與氣壓（1）氣溫：這里指地面氣溫，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。常用的氣溫單位為攝氏溫度（℃）、熱力學(xué)溫度（K）和華氏溫度（°F）。三者之間的換算公式如下：{T}K={t}℃+273.15{t}℃=5/9×({t}°F－32)

氣溫與大氣污染的關(guān)系：近地層大氣的溫度是不斷變化的。近地層大氣溫度的垂直分布決定了大氣的穩(wěn)定程度，以至影響大氣污染物的擴(kuò)散和稀釋。因此氣溫的垂直分布與大氣污染程度密切相關(guān)。（2）氣壓：?jiǎn)挝幻娣e上承受的大氣柱的重力，即大氣的壓強(qiáng)。大氣層中不同的地方氣壓不同而產(chǎn)生壓力差，從而引起空氣的運(yùn)動(dòng)。氣壓的單位有：大氣壓、帕、毫巴、毫米汞柱，它們之間的關(guān)系如下1atm=101325Pa=1013.25mbar=760mmHg3、大氣濕度：表示大氣中水汽含量和潮濕程度的重要物理量，它與天氣變化密切相關(guān)。大氣濕度的常用表示方法有以下幾種：（1）絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝惑w積空氣中所含的水汽質(zhì)量，單位：g/m3.（2）水汽壓力：空氣中所含水汽的分壓力，與氣壓用相同單位mmHg或Pa。

注意：通常氣溫條件下水汽壓的值與絕對(duì)濕度的值相差不大，因此實(shí)際工作中常以水汽壓來(lái)代替絕對(duì)濕度（3）相對(duì)濕度：大氣中水汽壓與同一溫度下的飽和水汽壓之比，用百分?jǐn)?shù)表示。（4）露點(diǎn)：氣壓不變的情況下，降低氣溫使其達(dá)到飽和時(shí)的那個(gè)溫度稱為露點(diǎn)。根據(jù)氣溫與露點(diǎn)之差可以判斷空氣的飽和程度，即相對(duì)濕度的大小。差值越大，相對(duì)濕度越小；反之亦然。

4、云與輻射（1）云：大氣中水汽的凝結(jié)現(xiàn)象叫做云（使氣溫隨高度變化?。?/p>

云量:天空被云遮蔽的成數(shù)（我國(guó)10分，國(guó)外8分），它分為：

總云量：指所有云遮蔽天空的成數(shù)，無(wú)論其層次高低。

低云量：指低云簇中的云遮蔽的成數(shù)。

云高:云底距地面底高度，它分為：

低云（2000m以下）

中云（2000-6000m）

高云（6000m以上）

云狀:卷云（線）,積云（塊）,層云（面),雨層云(無(wú)定形）幾種高度的云

高云（6000m以上）中云（2000-6000m）低云（2000m以下）（2）輻射:物質(zhì)以電磁波形式放射能量。（3）云和輻射的關(guān)系：云對(duì)輻射起屏障作用，它能阻擋白天的太陽(yáng)輻射，也阻擋地面向上的輻射?？偟男Ч菧p少垂直溫度梯度，減弱的程度視云量的多少而定。陰天，溫度層結(jié)的晝夜變化幾乎消失，大氣接近中性狀態(tài)；同理，溫度層結(jié)也隨季節(jié)變化。

例如，夏季遞減強(qiáng)度大，頻率高，大氣不穩(wěn)定；冬季，逆溫強(qiáng)度大，頻率高，大氣多出現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)。由此可見(jiàn)，輻射和云對(duì)大氣穩(wěn)定度可產(chǎn)生重要影響，從而影響到大氣污染物的擴(kuò)散稀釋。3.2、影響大氣污染物擴(kuò)散能力的主要因素

大氣的運(yùn)動(dòng)變化主要是由大氣中熱能的交換引起的，熱能主要來(lái)自于太陽(yáng)。熱能的交換使得大氣的溫度有升有降。空氣的運(yùn)動(dòng)和氣壓系統(tǒng)的變化活動(dòng)，使地球上海陸之間、南北之間、地面和高空之間的能量和物質(zhì)不斷交換，生成復(fù)雜的氣象變化和氣候變化。影響大氣污染物擴(kuò)散的主要因素有兩方面：

一是氣象的動(dòng)力因素；二是熱力因素（一）影響大氣污染物擴(kuò)散的動(dòng)力因素1、風(fēng)：對(duì)大氣污染物質(zhì)的作用是（1）輸送作用（2）稀釋作用2、湍流：指大氣中存在著不同于主流方向各種尺度的次生運(yùn)動(dòng)或稱為旋渦運(yùn)動(dòng)。（1）影響大氣湍流的因子：大氣垂直穩(wěn)定度（該因子形成的大氣湍流稱為熱力湍流）、近地面的風(fēng)速、下墊面的粗糙情況等機(jī)械因素（該因子形成的湍流稱為機(jī)械湍流）（2）對(duì)大氣污染物的作用：混合稀釋

風(fēng)和湍流對(duì)大氣污染的影響：風(fēng)和湍流是決定污染物在大氣中的擴(kuò)散狀態(tài)的最直接和最本質(zhì)的因子，是決定污染物擴(kuò)散的決定因素。

凡有利于增大風(fēng)速、增強(qiáng)湍流的氣象條件，都有利于污染物的稀釋擴(kuò)散，否則將會(huì)使污染嚴(yán)重。（二）影響大氣污染物擴(kuò)散的熱力因素?zé)崃σ蛩刂饕复髿獾臏囟葘咏Y(jié)和大氣穩(wěn)定度。

溫度層結(jié)：指地球表面上方的大氣溫度隨高度的變化情況，即在垂直方向上的氣溫分布。氣溫的垂直分布決定著大氣的穩(wěn)定度，而大氣穩(wěn)定度又影響著湍流的強(qiáng)度，因而溫度層結(jié)與大氣污染程度有著緊密的關(guān)系。1、大氣邊界層的溫度場(chǎng)（1）氣溫垂直遞減率：為了描述氣溫垂直分布的特點(diǎn)，經(jīng)常利用氣溫垂直遞減率這個(gè)概念。它指氣溫隨高度的升高而降低的快慢，用每上升單位高度（100米）的降低值，即氣溫垂直遞減率γ=－?T/?Z來(lái)表示。氣溫垂直遞減率γ有三種情況：氣溫隨高度的增加而降低，此時(shí)γ﹥0；氣溫隨高度的升高而增加時(shí)γ﹤0；氣溫隨高度的升高不變時(shí)γ=0（2）絕熱變化和干絕熱遞減率①絕熱變化：空氣與外界無(wú)熱量交換，由于外界壓力的變化，使其被壓縮或向外膨脹時(shí)所引起的溫度變化，稱為氣溫的絕熱變化。在絕熱過(guò)程中，空氣內(nèi)能的變化是由于外力壓縮它，對(duì)它做功，或由空氣以膨脹的形式反抗外力做功的結(jié)果。當(dāng)空氣上升時(shí)，由于周?chē)鷼鈮旱慕档?，使空氣膨脹而降溫；相反空氣下降時(shí)，由于氣壓的增加，使空氣被壓縮而增溫。②氣溫干絕熱遞減率：干空氣絕熱上升單位距離時(shí)的溫度降低值，又稱為干空氣的絕熱垂直遞減率，表示成γd=－dTi/dZ式中：Ti為干空氣團(tuán)的溫度。注：干絕熱遞增減率為一近似常數(shù)，其值大約為1℃∕100m

思考：氣溫垂直遞減率和氣溫干絕熱遞減率有何區(qū)別？2、大氣穩(wěn)定度（1）大氣穩(wěn)定度的含義：指在垂直方向上大氣穩(wěn)定的程度。即大氣是否易于發(fā)生對(duì)流，與γ和γd有關(guān)。（2）大氣穩(wěn)定度的分類：

不穩(wěn)定平衡中性平衡穩(wěn)定平衡

γdγdγdγγγγ>γdγ=γdγ<γd不穩(wěn)定平衡中性平衡穩(wěn)定平衡υυ=0υ（3）大氣穩(wěn)定度的判定（定性）：①當(dāng)γd﹤γ時(shí)，大氣是不穩(wěn)定的；②當(dāng)γd=γ時(shí)，大氣是中性平衡狀態(tài)。③當(dāng)γd﹥?chǔ)脮r(shí)，大氣是穩(wěn)定的。

（4）在大氣污染預(yù)測(cè)模型中：將大氣穩(wěn)定度細(xì)分為A、B、C、D、E、F六個(gè)級(jí)別，分別代表極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、弱穩(wěn)定和穩(wěn)定。按以下方式確定大氣穩(wěn)定度的類型：具體步驟如下：計(jì)算太陽(yáng)傾角計(jì)算太陽(yáng)高度角由云量和太陽(yáng)高度角查表查出輻射等級(jí)數(shù)由輻射等級(jí)數(shù)和地面風(fēng)速查表得到穩(wěn)定度等級(jí)（帕斯奎爾法，見(jiàn)教材。）（三）幾種氣象狀況對(duì)大氣污染物擴(kuò)散的影響1、逆溫的概念：指大氣的溫度隨著高度升高而增加的現(xiàn)象。發(fā)生逆溫的大氣層稱作逆溫層。

在逆溫條件下：γ＜0＜γd

，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，嚴(yán)重影響了污染物的垂直擴(kuò)散，易造成大氣污染。

2、逆溫的類型：根據(jù)逆溫發(fā)生的原因可分為5類：

①輻射逆溫（接地逆溫）：經(jīng)常發(fā)生在無(wú)風(fēng)或小風(fēng)少云的夜晚，由于強(qiáng)烈的有效輻射使地面和近地面大氣層強(qiáng)烈冷卻降溫，而上層空氣降溫較慢，上暖下冷的逆溫現(xiàn)象。下圖是輻射逆溫的生消過(guò)程②地形逆溫：是由于局部地區(qū)的地形而形成的逆溫。主要是在盆地和谷地中，日落后山坡散熱較快，使冷空氣沿斜坡下滑，把谷底的熱空氣抬升而形成上部氣溫比下部氣溫高的逆溫。③下沉逆溫（沉降性逆溫）：在高壓控制區(qū)，高空存在著大規(guī)模的下沉氣流，由于下沉氣流施熱增溫作用，致使下沉運(yùn)動(dòng)的終止高度出現(xiàn)了逆溫。多見(jiàn)于副熱帶反氣旋區(qū)，特點(diǎn)是范圍大，不連接地面而出現(xiàn)在某一高度上，所以又稱作上部逆溫。④鋒面逆溫：是由于冷暖兩種氣團(tuán)相遇，暖氣團(tuán)位于冷氣團(tuán)之上而形成的。下圖是其形成的示意圖。

⑤平流逆溫：主要發(fā)生在冬季中緯度沿海地區(qū)，由于海陸存在溫差，當(dāng)海上暖空氣流到陸地上空時(shí)，便形成了平流逆溫。由于逆溫時(shí)的大氣狀態(tài)十分惡劣，因此在逆溫層內(nèi)大氣的垂直運(yùn)動(dòng)受阻，處于逆溫層內(nèi)的煙塵等污染物和水汽凝結(jié)物因不易擴(kuò)散而大量積累，使能見(jiàn)度變壞，空氣質(zhì)量惡化，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生污染事件。

3、煙流形狀、大氣污染狀況與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系

大氣污染狀況與大氣穩(wěn)定度有密切的關(guān)系，下面以一高架源連續(xù)排放煙云為例來(lái)說(shuō)明大氣穩(wěn)定度對(duì)大氣污染物的影響。高架源排放的煙云有5種類型：（1）翻卷型（波浪形）：出現(xiàn)于大氣不穩(wěn)定狀態(tài)下，γ﹥0，γ﹥?chǔ)胐

的情況下，溫度隨高度的增加而降低，煙云在上下左右方向上擺動(dòng)很大，擴(kuò)散速度較快，煙云呈劇烈翻卷。由于擴(kuò)散速度較快，靠近污染源地區(qū)污染物落地濃度較高，在較遠(yuǎn)的下風(fēng)處污染較輕，該種煙云多發(fā)生在晴朗的中午。（2）錐形煙流：外形類似一個(gè)橢圓錐，當(dāng)煙流離開(kāi)排放口一定距離后，云軸基本保持水平。煙流比翻卷形規(guī)則，大氣處于中性或弱穩(wěn)定γ﹥0，γ=γd

。擴(kuò)散速度及落地濃度均比翻卷形低，污染物運(yùn)輸較遠(yuǎn)。該種煙流多出現(xiàn)在陰天或多云天以及冬季夜晚。（3）扇形煙流：其擴(kuò)散在垂直方向受到抑制，在水平方向擴(kuò)散成扇形。大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，γ﹤0，γ﹤γd

，出現(xiàn)逆溫層。污染物可以傳送到很遠(yuǎn)的下風(fēng)向。（4）屋脊型煙流：其下側(cè)邊緣清晰，呈平直狀，上部出現(xiàn)湍流擴(kuò)散。煙囪出口上方大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)γ﹥0，γ﹥?chǔ)胐

；下方大氣則處于穩(wěn)定狀態(tài)γ﹤0，γ﹤γd

。煙氣中污染物不向下方擴(kuò)散而只向上方擴(kuò)散，對(duì)地面污染較小。該種煙型多出現(xiàn)在日落前后。（5）熏煙型：煙流的上側(cè)邊緣清晰，呈平直狀，煙流的下部有較強(qiáng)的湍流擴(kuò)散，煙上方有逆溫層。煙氣上升到一定程度后受到逆溫層的控制。煙囪出口上方大氣穩(wěn)定γ﹤0，γ﹤γd

；下方大氣不穩(wěn)定γ>γd

。這種情況下煙云就好象被蓋子蓋住一樣，只能向下部，象煙熏一樣直撲地面。在污染源附近的污染物濃度較高，地面污染嚴(yán)重。（這是在大氣污染預(yù)測(cè)里備受關(guān)注的極端氣象條件）3、氣壓分布與大氣污染（1）低壓控制區(qū)

特點(diǎn)：空氣有上升運(yùn)動(dòng)，云天較多，通常風(fēng)速也較大

與大氣污染的關(guān)系：大氣多為中性或不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于污染物的稀釋擴(kuò)散。（2）強(qiáng)高壓控制區(qū)：特點(diǎn)：天氣晴朗，風(fēng)速較小，由于大范圍內(nèi)空氣的下沉運(yùn)動(dòng)，在幾百米到一二千米的上空形成下沉逆溫。

與大氣污染的關(guān)系：阻擋著污染物向上湍流擴(kuò)散。若高壓大氣系統(tǒng)是靜止的或移動(dòng)很慢的微風(fēng)天氣，又連續(xù)幾天出現(xiàn)逆溫時(shí)，由于大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋能力大大下降，將會(huì)出現(xiàn)所謂的空氣“停滯”現(xiàn)象。這時(shí)即使處在正常情況下不足以造成大氣污染的污染源，也可能出現(xiàn)大范圍的污染危害。如再處于不利的地形條件，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的污染情況，如世界聞名的倫敦?zé)熿F事件就是在這樣的條件下發(fā)生的。4、霧與逆溫

霧和逆溫與大氣污染的關(guān)系：

一是有利于一次污染物的積累，二是促進(jìn)二次污染物的形成。時(shí)間分布特點(diǎn)：霧并伴隨出現(xiàn)的逆溫所導(dǎo)致的空氣污染以冬季最為嚴(yán)重，秋末初春次之，夏季最輕。例1：1948年10月底，美國(guó)多諾拉這個(gè)擁有1.4萬(wàn)人的工業(yè)小鎮(zhèn)，由于大霧和逆溫的出現(xiàn)，空氣中SO2和金屬粉塵等迅速堆集，造成了6000人患病，17人死亡。例2：1930年2月，比利時(shí)馬斯河谷地區(qū)出現(xiàn)大霧和逆溫，致使當(dāng)?shù)毓S排放的大量污染物沉積，導(dǎo)致幾千居民發(fā)病，死亡60余人。

5、局部氣流

地形和地貌的差異，加上日照時(shí)間的變化，地表熱力性質(zhì)的不均勻性，造成局部熱力環(huán)流，，其水平范圍一般在幾至幾十公里，局部氣流對(duì)當(dāng)?shù)氐拇髿馕廴居酗@著的影響。常見(jiàn)的有：

（1）城市熱島效應(yīng)（Hotislandeffect）：

熱島效應(yīng)形成的原因：①城市上空污染物具有保溫作用，增加了大氣的逆輻射；②城市建筑物和道路的建材改變了地表熱交換和大氣的動(dòng)力學(xué)特性，更易大量吸收熱輻射；③城市大量高層建筑減低風(fēng)速，使熱量水平輸送相對(duì)困難；④城市居民生產(chǎn)、生活形成豐富的熱源。

熱島環(huán)流的形成和危害：形成條件：（1）城市熱島效應(yīng)應(yīng)在幾百米以上有一穩(wěn)定層所覆蓋，而在穩(wěn)定層以下形成城市混合層，混合層使該層內(nèi)的垂直濃度趨于均勻；（2）熱島效應(yīng)使農(nóng)村的冷空氣向城市輻合而上升。與大氣污染的關(guān)系：（1）該環(huán)流的水平輻射流場(chǎng)使接近地面的污染物向城市聚集，加重了城市的污染；（2）其輻合上升氣流使高煙囪的煙上升，輸往遠(yuǎn)處，又可減少對(duì)城市的污染。影響熱島效應(yīng)的因素：局部地區(qū)氣象（如云量、風(fēng)速(＜6m/s時(shí))等）、季節(jié)（主要在夏季）、地形、建筑形態(tài)以及城市規(guī)模、性質(zhì)（2）山谷風(fēng)（3）海陸風(fēng)（谷風(fēng)）山風(fēng)（山風(fēng)）3.3煙氣的抬升高度1、煙氣的抬升過(guò)程：煙氣抬升分為四個(gè)階段：（1）噴出階段：這個(gè)階段主要依靠煙氣本身的初始動(dòng)量向上噴射。（2）浮升階段：由于煙流的熱力作用，煙氣密度比空氣小，產(chǎn)生浮力上升。（3）瓦解階段：當(dāng)煙氣上升到一定高度后，煙流與煙氣混合，失去動(dòng)量和浮力開(kāi)始隨風(fēng)飄動(dòng)，發(fā)生較大的波動(dòng)。（4）變平階段：這時(shí)煙流完全變平，在大氣湍流的作用下，作上下左右擴(kuò)散，使煙流愈擴(kuò)愈大。

2、影響煙氣抬升的因素（1）煙氣的初始動(dòng)量和浮力：其中初始動(dòng)量取決于排氣速度的大小，而排氣速度又與排煙裝置和煙囪的出口直徑有關(guān)，速度越大，動(dòng)力抬升越高。煙氣的浮力與煙氣和周?chē)諝獾拿芏炔畛烧?。而密度差的大小主要取決于它們之間的溫差，溫差越大，密度差也就越大，產(chǎn)生的浮力也就越大，煙氣上升越高。許多資料表明，煙氣抬升主要受熱力因素的影響。（2）氣象因子：其中影響最大的是煙囪口的平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度。近地面大氣的湍流狀況是引起煙氣和環(huán)境空氣相互混合的主要因素，平均風(fēng)速越大，湍流越強(qiáng)，混合愈快，抬升越小。（3）下墊面：主要表現(xiàn)在起伏的下墊面所引起的動(dòng)力效應(yīng)。高大的建筑物和丘陵山地可能引起煙云下瀉、下沉等，直接阻礙煙氣上升。3、煙氣抬升的公式

煙氣抬升由于其影響因素復(fù)雜，至今尚未從理論上解決這個(gè)問(wèn)題?，F(xiàn)在實(shí)用的煙氣抬升公式都是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的。下面主要介紹三個(gè)常用的煙氣抬升公式：

（1）霍蘭德公式（Holland）

式中：△H——煙云抬升高度,m；vs——煙氣出口速度，m/s；d——煙囪出口直徑,m；

ū——煙囪口高度上的平均風(fēng)速,m/s；

QH——排出煙氣的熱量,kJ/s；Ts,Ta——分別是煙氣和空氣的溫度，K.注意：該公式是根據(jù)在中性條件下，由美國(guó)原子能委員會(huì)、原子能實(shí)驗(yàn)中心和美國(guó)田納西工程管理局的瓦茨-博爾火電廠的煙氣實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)推導(dǎo)出來(lái)的，是一個(gè)保守的公式。在穩(wěn)定度發(fā)生變化時(shí)應(yīng)進(jìn)行校正：穩(wěn)定度等級(jí)A、BCDE、F校正系數(shù)1.151.101.000.85(2)布里吉斯式①當(dāng)大氣穩(wěn)定時(shí)

?。┊?dāng)x<xF時(shí)，△H=1.6F1/3x2/3

ū－1ⅱ）當(dāng)x≥xF

時(shí)，△H=2.4(FS/ū)1/3

其中：

xF=πū/S1/2,F=gvsd2(Ts－Ta)/4Ts,S=g(△?/△Z)/Ta

②當(dāng)大氣為中性或不穩(wěn)定時(shí)

ⅰ）當(dāng)x<3.5x*時(shí)，

△H=1.6F1/3x2/3/ū

ⅱ）當(dāng)x≥3.5x*時(shí)，

△H=1.6F1/3(3.5x*)2/3/