二組：大氣擴散與污染物散布終

大氣擴散與空氣污染物散布的一般描述講解人:伍紹政謝健藍宗遷回顧上節(jié)課大氣層結(jié)穩(wěn)定度的判定及逆溫的形成：大氣層結(jié)穩(wěn)定度的判定---氣塊法逆溫的形成:湍流逆溫平流逆溫輻射逆溫下沉逆溫鋒面逆溫逆溫平流逆溫輻射逆溫湍流逆溫鋒面逆溫下沉逆溫空氣污染物的散布是在大氣邊界層的湍流場中進行的，或者說，空氣污染物的散布的過程就是大氣輸送和擴散的結(jié)果。大氣結(jié)構(gòu)與氣象

有效地防止大氣污染的途徑，除了采用除塵及廢氣凈化裝置等各種工程技術(shù)手段外，還需充分利用大氣的湍流混合作用對污染物的擴散稀釋能力，即大氣的自凈能力。污染物從污染源排放到大氣中的擴散過程及其危害程度，主要決定于氣象因素，此外還與污染物的特征和排放特性，以及排放區(qū)的地形地貌狀況有關(guān)。Contents氣象要素與大氣運動大氣擴散描述的基本途徑空氣污染物散布的基本特性實例與總結(jié)氣溫氣壓主要氣象要素

氣象條件是影響大氣中污染物擴散的主要因素。歷史上發(fā)生過的重大空氣污染危害事件，都是在不利于污染物擴散的氣象條件下發(fā)生的。為了掌握污染物的擴散規(guī)律，以便采取有效措施防治大氣污染的形成，必須了解氣象條件對大氣擴散的影響，以及局部氣象因素與地形地貌狀況之間的關(guān)系濕度風向風速、云量，降水量不同的氣象要素組合呈現(xiàn)不同的氣象特征，因此對污染物在大氣中的輸送擴散產(chǎn)生不同的影響。其中風和大氣不規(guī)則的湍流運動是直接影響大氣污染物擴散的氣象特征，而氣溫的垂直分布又制約著風場與湍流結(jié)構(gòu)。氣溫氣溫是指離地面1.5m高處的百葉箱內(nèi)測量到的大氣溫度。氣溫的單位一般為℃，理論計算中則用絕對溫度K表示。氣壓

氣壓是指大氣的壓強，即單位面積上所承受的大氣柱的重力。氣壓的單位為Pa，氣象學中常用毫巴(mbar)或百帕（hPa）表示。定義溫度為273K時，位于緯度45o平均海平面上的氣壓值為1013.25hPa，稱為標準大氣壓。對于任一地區(qū)，氣壓的變化總是隨著高度的增加而降低。一般情況下氣壓值是用水銀氣壓表測量的。設(shè)水銀柱的高度為h，水銀密度為ρ，水銀柱截面積為S，則水銀柱的重量W=ρghS.由于水銀柱底面積的壓強和外界大氣壓強是一致的，從而所測大氣壓強為:P=ρgh濕度

氣濕即為大氣的濕度，用以表示空氣中的水蒸氣含量，氣象學中常用絕對濕度、水蒸氣分壓、露點、相對濕度和比濕等量來表示。

絕對濕度就是單位體積濕空氣中所含水蒸氣質(zhì)量，單位為g/m3，其數(shù)值為濕空氣中水蒸氣的密度，表明了濕空氣中實際的水蒸氣含量。水蒸氣分壓是指濕空氣溫度下水蒸氣的壓力，它隨空氣的濕度增加而增大。當空氣溫度不變時，空氣中的水蒸氣含量達到最大值時的分壓力稱為飽和水蒸氣壓，此時的空氣稱為飽和空氣，溫度即稱為露點。飽和水蒸氣壓隨溫度降低而下降，若降低飽和空氣的溫度，則空氣中的一部分水蒸氣將凝結(jié)下來，即結(jié)露。相對濕度是濕空氣中實際的水蒸氣含量與同溫下最大可能含有的水蒸氣含量的比值，也即實際的水蒸氣分壓與飽和水蒸氣壓之比，表明了濕空氣吸收水蒸氣的能力及其潮濕程度。相對濕度愈小，空氣愈干燥，反之則表示空氣潮濕。比濕是指單位質(zhì)量干空氣含有的水蒸氣質(zhì)量，單位是g/kg。風向，風速風是指空氣在水平方向的運動。風的運動規(guī)律可用風向和風速描述。風向是指風的來向，通?？捎?6個或8個方位表示，如西北風指風從西北方來。此外也可用角度表示，以北風為0o，8個方位中相鄰兩方位的夾角為45o，正北與風向的反方向的順時針方向夾角稱為風向角，如東南風的風向角為135o。

風速是指空氣在單位時間內(nèi)水平運動的距離。氣象預報的風向和風速指的是距地面10m高處在一定時間內(nèi)觀測到的平均風速。

在自由大氣中，風受地面摩擦力的影響很小，一般可以忽略不計，風的運動處于水平的勻速運動。但在大氣邊界層中，空氣運動受到地面摩擦力的影響，使風速隨高度升高而增大。當氣壓基本不變時，日出后由于地面吸收太陽的輻射，由底部氣層開始的熱渦流上升運動逐漸增強，使大氣上下混合強度增大，因此下層風速漸大，一般在午后達到最大值；而夜間在地面的冷卻作用下，湍流活動減弱直至停止，使下層風速減小，乃至靜止。反之，高層大氣的白天風速最小，夜間風速最大。云量，降水量

云是指漂浮在大氣中的微小水滴或冰晶構(gòu)成的匯集物質(zhì)。云吸收或反射太陽的輻射，反映了氣象要素的變化和大氣運動的狀況，其形成、數(shù)量、分布及演變也預示著天氣的變化趨勢，可用云量和云高來描述。

云遮蔽天空的份額稱為云量。我國規(guī)定將視野內(nèi)的天空分為10等分，云遮蔽的成數(shù)即為云量。例如：云密布的陰天時的云量為10；云遮蔽天空3成時云量為3；當碧空無云的晴天時，云量則為0。而國外是把天空分為8等分來，仍按云遮蔽的成數(shù)來計算云量。

云底距地面的高度稱為云高。按云高的不同范圍分為：云底高度在2500m以下稱為低云；云底高度在2500～5000m之間稱為中云；而云底高度大于5000m之上稱為高云。pm2.5濃度與部分氣象條件的一般關(guān)系氣壓隨高度和時間變化氣壓場大氣水平運動和垂直運動大氣環(huán)流大氣運動氣壓隨高度和時間變化氣壓變化的根本原因：其上空大氣柱中空氣質(zhì)量的增多或減少。定性1、隨高度增加而遞減2、低層氣壓降低的數(shù)值大于高層定量1、靜力學方程2、壓高方程氣壓隨高度和時間變化靜力學方程（靜壓方程）1cm2△Ph2△hh1

P2△PP1由于F=mg=△v·ρg=S△z·ρg，所以，△P=－F/S=－ρg·△h如果取△z為一無限小量，則上式可寫成：dP=－ρgdh，或

–dP=ρgdh---壓力與重力平衡氣壓高度氣壓隨高度和時間變化

△h＝h2－h(huán)1＝18400（1＋

tm）log——

△h兩點之間的高度差h1

較低點的海拔高度h2

較高點的海拔高度P1

較低點的氣壓P2

較高點的氣壓＝1／273tm

兩點的平均溫度，取tm＝（t1＋t2）／2P1P2壓高公式---氣壓與高度、溫度關(guān)系氣壓隨高度和時間變化日變化：

一天中有兩個高值和兩個低值。年變化：

陸地上pmax在冬季，pmin在夏季

海洋、高原上氣壓分布與陸地相反4812162024h-2-101莫斯科(55°50′N)七月平均氣壓變化hpahpa月-12-606

北京（39°54′N)

氣壓的年變化124812氣壓隨時間變化---熱力、動力氣壓場大氣運動一、氣壓場的表示方法：等壓線二、氣壓場的基本形式：氣壓系統(tǒng)1、低壓（低氣壓、氣旋）2、高壓（高氣壓、反氣旋）D逆時針旋轉(zhuǎn)向中心輻合絕熱上升多陰雨天氣G順時針旋轉(zhuǎn)向四周輻散絕熱下沉多晴好天氣1005hpa1002.5hpa1000hpaA大氣水平運動和垂直運動大氣運動水平氣壓梯度力---氣壓差高壓指向低壓地轉(zhuǎn)偏向力---地球自轉(zhuǎn)加速度慣性離心力---氣旋圓周運動摩擦力---空氣摩擦氣壓梯度力：促使空氣運動的原始動力。地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力：假想的力，只改變運動方向，不改變速度的大小。氣壓梯度力和摩擦力：實力，既改變方向，又改變速度的大小。在赤道上：地轉(zhuǎn)偏向力為0空氣作直線運動，慣性離心力為0自由大氣：摩擦力為0大氣環(huán)流大氣運動大氣運動→全球性大氣環(huán)流→世界氣候類型、自然帶的形成及分布城市熱島效應熱島效應(Urbanheatislandeffect)青藏高原熱島效應青藏高原熱島效應貢嘎山西坡雪線高5100米左右，而靠近赤道的厄瓜多爾基多附近的高山雪線僅約4800米多一些。這不符合常理：由于赤道地區(qū)熱量較高，高山雪線通常應該從赤道向兩極遞降，到極地附近降至海平面。---下墊面是熱源熱島效應城市熱島效應城市中的氣溫明顯高于外圍郊區(qū)的現(xiàn)象。在近地面溫度圖上，郊區(qū)氣溫變化很小，而城區(qū)則是一個高溫區(qū)，就象突出海面的島嶼，由于這種島嶼代表高溫的城市區(qū)域，所以就被形象地稱為城市熱島。城市中的機動車、工業(yè)生產(chǎn)以及居民生活，產(chǎn)生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉塵等排放物。這些物質(zhì)會吸收下墊面熱輻射，產(chǎn)生溫室效應。熱島效應導致城市上空出現(xiàn)低壓，導致城市與城郊之間形成一股循環(huán)往復的大氣流動，使得排出去的污染物又重新進入城市形成因素：城下墊面人工熱源水汽影響空氣污染綠地減少人口遷徙防止措施：綠化環(huán)境減少排放城市規(guī)劃拉氏方法：跟隨粒子運動；觀測不便，支配方程過于復雜，因而僅限于均勻、平穩(wěn)湍流。歐拉方法：

固定坐標系；觀測方便，方程組閉合困難。描述污染物散布的兩種基本途徑ps:兩種方法都是統(tǒng)計性質(zhì)的方法噢歐拉方法歐拉公式是一種傳統(tǒng)的做法，即在氣象塔的固定點上，當氣流流過風杯風速表時測量風和湍流；另一種測量則是由飛機進行的，飛機沿著近似的直線穿過湍流并予以測量，或者由風速表以平均風速同樣的速度移動通過氣流所進行的測量亦是歐拉方式的觀測。所有這些情況，測量儀器都不隨空氣移動。大氣邊界層平均量方程平流輸送項湍能擴散項源排放項干濕沉降化學反應分子擴散項忽略不計拉格朗日方法拉格朗日方法則是由跟隨流體移行的粒子來描述污染物的濃度及其變化所以，采用拉格朗日方法是一種描述污染物分配的自然方式，。粒子移動的統(tǒng)計分析對擴散理論有重要貢獻。然而，因為拉格朗日支配方程的復雜性，使得拉格朗日分析大多僅限于對統(tǒng)計平穩(wěn)和均勻湍流條件下的擴散問題的描述，而對那些有時間變化的污染物濃度的預測大多借助于歐拉擴散方程處理。

考慮一微粒位于，隨后，其軌跡由

描述設(shè)粒子于t時間在一體積元的機率為

為時間t，粒子位置的概率密度函數(shù)，并有

M個粒子，則在點的平均濃度為概率密度函數(shù)微粒從一點遷移到另一點的概率密度兩種方法對比總結(jié)歐拉方法試圖用歐拉流體速度的統(tǒng)計性特征來表述濃度統(tǒng)計量。這類統(tǒng)計量表達公式是很有用的，因為歐拉公式統(tǒng)計量易于測量，而且此類表達式還可以直接應用于發(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。拉格朗日方法試圖用流體中施放的一群粒子的位移的統(tǒng)計特性來描述濃度統(tǒng)計量。這種方法的數(shù)學處理比歐拉方法容易些，不存在閉合問題。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拉格朗日系統(tǒng)與歐拉系統(tǒng)的聯(lián)系：設(shè)半徑為R并具有切向速度w的圓形渦團，處于平均風速u的氣流中。粒子繞湍渦一周的運行時間為2

R/w,即拉格朗日時間尺度TL，而固定的儀器在2R/u時間內(nèi)(即歐拉時間尺度TE)觀測到湍流通過。于是，兩種時間尺度之比

=TL/TE=

/w/u=

/i其中，i為湍流強度,i=

w/u,i增大，則

減小。歐拉方法拉格朗日方法測量器與被測氣團一靜一動共同運動優(yōu)點用歐拉流體速度的統(tǒng)計特征表述濃度統(tǒng)計量易于測量，方程中容易加入化學反應。用流體中釋放的一群粒子的位移的統(tǒng)計特征描述濃度的統(tǒng)計量。數(shù)學處理較為容易，不存在閉合問題缺點方程未知量過多，不閉合，難以求解不容易精確確定所需粒子統(tǒng)計量，方的應用受到限制。聯(lián)系通過時間尺度

=TL/TE=

/w/u=

/i兩種方法對比總結(jié)返回目錄空氣污染物散布的基本特性1.

濃度指的一定采樣時間內(nèi)的平均濃度。2.

濃度分布：觀測表明污染物濃度在平均煙流軸兩測呈正態(tài)分布。散布范圍分別用煙流寬和煙流高表示。煙流半寬煙流高空氣污染物散布的基本特性橫風向擴散范圍示意圖3.污染物濃度分布標準差（擴散參數(shù)）擴散速率是描寫湍流擴散的重要參數(shù)，從不同的理論和實驗出發(fā)可以得出不同的表示方法。實用中常用污染物濃度分布的標準差表示擴散速率的大小。

yi表示采樣點距離濃度軸線的距離如果取x軸與平均濃度軸線一致，則上式第二項為0垂直方向，同理。