第二節(jié) 大氣污染物的遷移擴散課件

第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散1、氣體循環(huán)：大氣組分通過大氣圈與其它圈層發(fā)生的物理、化學(xué)、生物過程進行物質(zhì)交換、轉(zhuǎn)換。源（source）大氣組分產(chǎn)生的途徑和過程。天然源：由自然界發(fā)生的物理、化學(xué)、生物過程向大氣輸送物質(zhì)：揚塵（地面土石風(fēng)化，大氣顆粒物來源）火山（H2S、SO2、COS、HCl、HF、顆粒物SPM，可傳送到平流層）森林草原火災(zāi)（CO、CO2、SOx、NOx、VOC、SPM）海水濺沫（海洋SPM）、植物排放（萜烯→O3）一、盒子模型第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散森林草原火災(zāi)（CO、CO2、SOx、NOx、VOC、SPM）海水濺沫（海洋SPM）、植物排放（萜烯→O3）人為源：人類生活、生產(chǎn)活動向大氣輸送污染物：工業(yè)排放源（煙、塵、SOx、NOx、CO、CO2、鹵化物、VOC、以燃料燃燒為重）交通運輸排放源生活排放源（取暖、爐灶、影響不低于甚至超過工業(yè)大鍋爐）農(nóng)業(yè)排放源 第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散匯（sink）大氣組分從大氣中去除的途徑和過程，包括：（a）降水濕去除（b）大氣中化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為其它氣體或微粒（c）地表物質(zhì)吸收或反應(yīng)去除（d）向平流層輸送顆粒物的匯包括（a）降水濕沉降：雨除（發(fā)生在云層當(dāng)中，被去除物參與成云）、沖刷（發(fā)生在云層下，被去除物被雨水帶下）（b）干沉降（c）與地表物質(zhì)碰撞干去除 第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散2、盒子模式視大氣圈為盒子，是各種大氣組分的儲庫，F(xiàn)i=Ri，Mi恒定。Fi：輸入速率Ri：輸出速率Mi：大氣中總量

第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散環(huán)境水的盒子模式，求FH2O和RH2O

FH2O=(2.16×1016+0.9×1015)mol/y=2.25×1016mol/yRH2O=(1.9×1016+3.5×1015)mol/y=2.25×1016mol/y第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散儲庫（reservoir）：氣體和微粒在大氣中的留存（形式）。停留時間（t）：某種組分在大氣儲庫中存在的平均時間稱為平均停留時間或停留時間。ti=Mi/Fi或Ri源強Fi=天然源排放速率+人為源排放速率=源速率

匯強Ri=干沉降速率+濕沉降速率+化學(xué)反應(yīng)去除速率

+向平流層輸入速率=匯速率第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散例：甲烷在對流層平均濃度c=1.55ppm，不隨時間變化，則FCH4=RCH4=1.5×1014mol/y，求停留時間。

第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散作業(yè)：全球?qū)α鲗忧鍧嵈髿庵锌偭虻钠骄鶟舛萩=1ppb，F(xiàn)s=Rs=200Tg/y（1Tg=1012g），求停留時間。

第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散準(zhǔn)永久性氣體（非循環(huán)性氣體）可變化組分強可變組分（SPM:懸浮微粒物質(zhì),包括海鹽、土壤、有機來源）物種CO2CH4H2N2OO3ti(y)5~152.5~86~8>10~2根據(jù)停留時間：第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散二、大氣污染物1、概念大氣污染：大氣中存在的某種物質(zhì)超過了正常的環(huán)境水平，且對受體產(chǎn)生了可以測量出來的不良效應(yīng)。受體包括人、生物、材料、氣候等。大氣污染物：使大氣產(chǎn)生污染的稱為大氣污染物。大氣污染物一旦進入大氣這個動態(tài)體系（源的輸入），就參加到與植物、海洋、土壤等不斷進行的物質(zhì)交換過程，參與大氣循環(huán)過程。經(jīng)過一定時間后，又通過大氣中的化學(xué)反應(yīng)、生物活動和物理沉降等過程從大氣中除去（匯的輸出）。如果輸出大氣的速率小于輸入大氣的速率，就會在大氣中相對地積累。當(dāng)濃度高到超過安全水平時，就會直接地或間接地對人、畜、水體、植被和材料造成急、慢性傷害。這就是大氣污染形成的過程。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散2、大氣污染對大氣性質(zhì)的影響：降低能見度由于氣體分子和顆粒物對可見光的吸收和散射的結(jié)果形成霧及降水盡管城市溫度較高而pH值較低，但霧的生成頻率高于農(nóng)村減少太陽輻射改變溫度和風(fēng)的分布第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散3、分類按物理狀態(tài)分（1）氣態(tài)污染物（約占90%）：常溫下是氣體或蒸汽（gasesandvapors），就是以氣態(tài)方式輸入并停留在大氣中的污染物，包括SOx、NOx、COx、HC、CFCs等。（2）大氣顆粒物（氣溶膠，占10%）：大氣氣溶膠體系中分散的各種粒子。按形成過程分一次污染物是指直接從污染源排放的污染物質(zhì)，如CO、SO2、NO等。二次污染物是指由一次污染物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)或光化學(xué)反應(yīng)形成的污染物質(zhì)，如光化學(xué)氧化劑Ox（光化學(xué)煙霧）、臭氧（O3）、硫酸鹽顆粒物等。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散按粒徑分（1）總懸浮顆粒物TSP：采用標(biāo)準(zhǔn)的大容量采樣器在鋁膜上收集到的總顆粒物的質(zhì)量。采用標(biāo)準(zhǔn)的大容量采樣器在鋁膜上收集到的總顆粒物的質(zhì)量。（2）飄塵SPM：Dp≤10mm的顆粒物。（3）可吸入粒子IP：可通過呼吸進入呼吸系統(tǒng)的顆粒物，Dp≤10mm。（4）降塵：采用降塵罐所能收集到的顆粒物。細(xì)粒子：fineparticle,Dp＜2.5

m粗粒子：coarseparticle,Dp＞2.5

m第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散按化學(xué)類型分（1）含硫化合物（SO2、H2S、(CH3)2S、H2SO4）；（2）含氮化合物（NO、NO2、NH3、HNO2、N2O）；（3）一氧化碳和二氧化碳；（4）碳?xì)浠衔锖吞?、氫、氧化合物（烴類、醛、酮等）；（5）光化學(xué)氧化劑（O3、PAN、H2O2等）；（6）含鹵素化合物（HF、HCl和CFCs等）；（7）顆粒物（H2SO4、SO42-、NO3-、多環(huán)芳烴及重金屬元素等）；（8）放射性物質(zhì)。 第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散1、風(fēng)和大氣湍流的影響A、影響污染物在大氣中擴散的三個因素：風(fēng)：氣塊規(guī)則運動時水平方向速度分量，使污染物向下風(fēng)向擴散；湍流：使污染物向各個方向擴散；濃度梯度：使污染物發(fā)生質(zhì)量擴散。三種作用中風(fēng)和湍流起主導(dǎo)作用。三、影響大氣污染物遷移的因素第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散（一）大氣水平運動受力氣壓梯度力地轉(zhuǎn)偏向力慣性離心力摩擦力：內(nèi)摩擦力（動力、阻力）外摩擦力（阻力）重力直接動力第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散全球大氣水平運動太陽輻射大氣壓（高、低壓）氣壓梯度力大氣水平運動環(huán)流重力近地層地轉(zhuǎn)偏向力風(fēng)帶18第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散（二）大氣湍流運動定義：大氣的無規(guī)則運動分類：熱力湍流：垂直方向上溫度分布不均引起機械湍流：垂直方向上風(fēng)速不均或地面粗糙引起作用：強擴散能力湍流擴散理論梯度輸送理論：分子擴散湍流統(tǒng)計理論：流體運動相似理論：與正態(tài)分布相似第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散B、摩擦層：具有亂流特征的氣層，也稱亂流混合層。底部與地面接觸，頂以上的氣層為自由大氣。厚度1000到1500米之間，污染物主要在該層擴散。1、風(fēng)和大氣湍流的影響第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散摩擦層里存在兩種亂流：動力亂流：也稱為湍流，起因于有規(guī)律水平運動的氣流遇到起伏不平的地形擾動所產(chǎn)生的；熱力亂流：又稱對流，起因于地表面溫度與地表面附近溫度不均一，近地面空氣受熱膨脹而上升，隨之上面的冷空氣下降，從而形成對流。在摩擦層內(nèi)，有時以動力亂流為主，有時動力亂流與熱力亂流共存，且主次難分。這些都是大氣污染物遷移的主要原因。兩種形式的亂流常并存。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散dv/dt=(T'-T)g/Tdv/dt——氣塊加速度

T'——受熱氣塊溫度T——大氣溫度

g——重力加速度由于受熱氣塊溫度較高，密度較小，從而促使氣塊上升。上升過程中氣體溫度下降并最終達(dá)到與外界氣體溫度一致，當(dāng)受熱氣塊會上升至T’=T時。氣塊與周圍大氣達(dá)到中性平衡，氣塊停止上升，這個高度定義為對流混合層上限，或稱最大混合層高度。

氣體污染物的擴散很大程度取決于對流與混合的程度，垂直運動程度越大，用于稀釋污染物的大氣容積量也就越大。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散日變化夜間最大混合層高度較低，夜間逆溫較重情況下，最大混合層高度甚至可以達(dá)到零；白天則升高，可能達(dá)到2000—3000m。季節(jié)性變化冬季平均最大混合層高度最小，夏初為最大。當(dāng)最大混合層高度小于1500m時，城市會普遍出現(xiàn)污染現(xiàn)象。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散2、天氣形勢和地理形勢的影響A、天氣形勢：指大范圍氣壓分布的狀況，局部地區(qū)的氣象件總是受到天氣形勢的影響。如下沉逆溫，使污染物長時間的積累在逆溫層而不能擴散。B、地理形勢：不同地形地面之間的物理性質(zhì)差異引起熱狀況在水平方向上分布不均勻。這種熱力差異在弱的天氣系統(tǒng)條件下就有可能產(chǎn)生局地環(huán)流：海陸風(fēng)、城郊風(fēng)和山谷風(fēng)。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散

形成機制：當(dāng)高壓區(qū)內(nèi)某一層空氣發(fā)生下沉運動時，因氣壓逐漸增大，以及氣層向水平方向輻射，其厚度減少（h’<h）。這樣空氣層頂部下沉的距離（l+h），要比底部下沉的距離（l+h’）大，所以頂部空氣的增溫要比底部多，從而形成逆溫層。A、天氣形勢：下沉逆溫由于空氣下沉壓縮增溫形成的逆溫稱為下沉逆溫。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散B、地理形勢：1）海陸風(fēng)海風(fēng)：白天陸地上空的氣溫增加得比海面上空快，在海陸之間形成指向大陸的氣壓梯度，較冷的空氣從海洋流向大陸而形成海風(fēng)。陸風(fēng)：夜間海水溫度降低得較慢，海面的溫度較陸地高，在海陸之間形成指向海洋的氣壓梯度，于是陸地上空的空氣流向海洋，形成陸風(fēng)。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散

海陸風(fēng)對空氣污染的影響循環(huán)作用：如果污染源處在局地環(huán)流之中，污染物可能循環(huán)積累達(dá)到較高濃度。往返作用：在海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換期間，原來隨陸風(fēng)輸向海洋的污染物又會被發(fā)展起來的海風(fēng)帶回陸地。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散海陸風(fēng)熱氣流上升冷氣流下降陸地海洋海風(fēng)陸風(fēng)白天夜晚表面溫度高表面溫度低表面溫度高表面溫度低第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散海風(fēng)熱氣流上升冷氣流下降陸地海洋海風(fēng)白天表面溫度高表面溫度低陸風(fēng)海陸風(fēng)29第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散陸風(fēng)熱氣流上升冷氣流下降陸地海洋陸風(fēng)夜晚表面溫度高表面溫度低海風(fēng)海陸風(fēng)30第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散

2）城郊風(fēng)城市熱島效應(yīng)：工業(yè)和生活中產(chǎn)生的大量的熱能排放到大氣中，造成市區(qū)的溫度比郊區(qū)的溫度高，這個現(xiàn)象稱為城市熱島效應(yīng)。

城市熱島上暖而輕的空氣上升，四周郊區(qū)的冷空氣向城市流動，形成城郊環(huán)流，造成污染物在城市上空聚積，導(dǎo)致市區(qū)大氣污染加重。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散城郊風(fēng)（熱島環(huán)流）郊區(qū)冷空氣熱島效應(yīng)城市冷空氣郊區(qū)城郊風(fēng)第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散

3）山谷風(fēng)谷風(fēng)：白天山坡上溫度高，山谷溫度低，谷底空氣流向山坡形成谷風(fēng)。山風(fēng)：夜間山坡上溫度下降快，山坡上溫度較山谷溫度低，山坡空氣流向谷底形成山風(fēng)。山谷風(fēng)轉(zhuǎn)換時往往造成嚴(yán)重空氣污染。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散山谷風(fēng)白天：山風(fēng)夜晚：谷風(fēng)對污染物輸送有明顯的影響。吹山風(fēng)時，排放的污染物向外流出，若不久轉(zhuǎn)為谷風(fēng)，被污染的空氣又被帶回谷內(nèi)。由山區(qū)輻射逆溫因地形作用而增強，夜間冷空氣沿坡下滑，在谷底聚積，逆溫發(fā)展的速度比平原快，逆溫層更厚，強度更大。且地形阻擋，河谷和洼地風(fēng)速小，更有利于逆溫形成。因此山區(qū)全年逆溫天數(shù)多，逆溫層厚，強度大，持續(xù)時間長。34第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散山谷風(fēng)：山風(fēng)白天：山風(fēng)35第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散山谷風(fēng)：谷風(fēng)夜晚：谷風(fēng)山風(fēng)36第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散37第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散大氣中污染物的遷移擴散煙型性狀大氣狀況發(fā)生情況地面污染情況從煙囪排出的煙流擴散的形狀與大氣的溫度層結(jié)有密切的關(guān)系。可以作為判定大氣穩(wěn)定度的一種依據(jù)。翻卷型（波浪型）錐型扇型（長帶型）上揚型（屋脊型）漫煙型38第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散波浪型：污染物擴散良好，發(fā)生在全層不穩(wěn)定大氣中，即Г-Г

d》0，多發(fā)生在晴朗的白天，地面最大濃度落地點距煙囪較近，濃度較大。錐形：煙流呈圓錐形，發(fā)生在中性條件下。扇型：煙流垂直方向擴散很小，像一條帶子飄向遠(yuǎn)方，從上面看，煙流呈扇形展開。發(fā)生在煙囪出口處處于逆溫層，污染情況隨煙囪高度不同而異。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散波浪型Г＞ГdZT錐型Г=ГdZTZT扇形（出口在逆溫層）煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系40第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散上揚型：（屋脊型）煙流的下部是穩(wěn)定的大氣，上部是不穩(wěn)定的，一般在日落前后出現(xiàn)，地面由于有效輻射的放熱，低層形成逆溫，而高空仍遞減層結(jié)。持續(xù)時間短，對近處地面污染較小。漫煙型：對于輻射逆溫，日出后由于地面增溫，低層空氣被加熱，使逆溫從地面向上消失，即不穩(wěn)定大氣從地面向上逐漸消失，不穩(wěn)定大氣從地面向上逐漸發(fā)展，當(dāng)發(fā)展到煙流的下邊緣或更高一點時，煙流便發(fā)生了向下的強烈擴散，而上邊緣仍處于逆溫層中，熏煙型便發(fā)生了，這時煙流多發(fā)生在上午8-10點，持續(xù)時間很短。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴散ZTZT漫煙型排出