第二節(jié) 大氣污染物的遷移擴(kuò)散課件

第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)散第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)散1、氣體循環(huán)：大氣組分通過(guò)大氣圈與其它圈層發(fā)生的物理、化學(xué)、生物過(guò)程進(jìn)行物質(zhì)交換、轉(zhuǎn)換。源（source）大氣組分產(chǎn)生的途徑和過(guò)程。天然源：由自然界發(fā)生的物理、化學(xué)、生物過(guò)程向大氣輸送物質(zhì)：揚(yáng)塵（地面土石風(fēng)化，大氣顆粒物來(lái)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(kuò)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(dòng)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(yùn)輸排放源生活排放源（取暖、爐灶、影響不低于甚至超過(guò)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(kuò)散匯（sink）大氣組分從大氣中去除的途徑和過(guò)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(kuò)散2、盒子模式視大氣圈為盒子，是各種大氣組分的儲(chǔ)庫(kù)，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(kuò)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(kuò)散儲(chǔ)庫(kù)（reservoir）：氣體和微粒在大氣中的留存（形式）。停留時(shí)間（t）：某種組分在大氣儲(chǔ)庫(kù)中存在的平均時(shí)間稱為平均停留時(shí)間或停留時(shí)間。ti=Mi/Fi或Ri源強(qiáng)Fi=天然源排放速率+人為源排放速率=源速率

匯強(qiáng)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(kuò)散例：甲烷在對(duì)流層平均濃度c=1.55ppm，不隨時(shí)間變化，則FCH4=RCH4=1.5×1014mol/y，求停留時(shí)間。

第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)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(shí)間。

第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)散準(zhǔn)永久性氣體（非循環(huán)性氣體）可變化組分強(qiáng)可變組分（SPM:懸浮微粒物質(zhì),包括海鹽、土壤、有機(jī)來(lái)源）物種CO2CH4H2N2OO3ti(y)5~152.5~86~8>10~2根據(jù)停留時(shí)間：第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)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(guò)了正常的環(huán)境水平，且對(duì)受體產(chǎn)生了可以測(cè)量出來(lái)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(jìn)入大氣這個(gè)動(dòng)態(tài)體系（源的輸入），就參加到與植物、海洋、土壤等不斷進(jìn)行的物質(zhì)交換過(guò)程，參與大氣循環(huán)過(guò)程。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，又通過(guò)大氣中的化學(xué)反應(yīng)、生物活動(dòng)和物理沉降等過(guò)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(huì)在大氣中相對(duì)地積累。當(dāng)濃度高到超過(guò)安全水平時(shí)，就會(huì)直接地或間接地對(duì)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(guò)程。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)散2、大氣污染對(duì)大氣性質(zhì)的影響：降低能見(jiàn)度由于氣體分子和顆粒物對(duì)可見(jiàn)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(yáng)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(kuò)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(guò)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(kuò)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(guò)呼吸進(jìn)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(kuò)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(kuò)散1、風(fēng)和大氣湍流的影響A、影響污染物在大氣中擴(kuò)散的三個(gè)因素：風(fēng)：氣塊規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)水平方向速度分量，使污染物向下風(fēng)向擴(kuò)散；湍流：使污染物向各個(gè)方向擴(kuò)散；濃度梯度：使污染物發(fā)生質(zhì)量擴(kuò)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(kuò)散（一）大氣水平運(yùn)動(dòng)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(dòng)力、阻力）外摩擦力（阻力）重力直接動(dòng)力第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)散全球大氣水平運(yùn)動(dòng)太陽(yáng)輻射大氣壓（高、低壓）氣壓梯度力大氣水平運(yùn)動(dòng)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(kuò)散（二）大氣湍流運(yùn)動(dòng)定義：大氣的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)分類：熱力湍流：垂直方向上溫度分布不均引起機(jī)械湍流：垂直方向上風(fēng)速不均或地面粗糙引起作用：強(qiáng)擴(kuò)散能力湍流擴(kuò)散理論梯度輸送理論：分子擴(kuò)散湍流統(tǒng)計(jì)理論：流體運(yùn)動(dòng)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(kuò)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(kuò)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(kuò)散摩擦層里存在兩種亂流：動(dòng)力亂流：也稱為湍流，起因于有規(guī)律水平運(yùn)動(dòng)的氣流遇到起伏不平的地形擾動(dòng)所產(chǎn)生的；熱力亂流：又稱對(duì)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(duì)流。在摩擦層內(nèi)，有時(shí)以動(dòng)力亂流為主，有時(shí)動(dòng)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(kuò)散dv/dt=(T'-T)g/Tdv/dt——?dú)鈮K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(guò)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(huì)上升至T’=T時(shí)。氣塊與周圍大氣達(dá)到中性平衡，氣塊停止上升，這個(gè)高度定義為對(duì)流混合層上限，或稱最大混合層高度。

氣體污染物的擴(kuò)散很大程度取決于對(duì)流與混合的程度，垂直運(yùn)動(dòng)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(kuò)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(shí)，城市會(huì)普遍出現(xiàn)污染現(xiàn)象。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)散2、天氣形勢(shì)和地理形勢(shì)的影響A、天氣形勢(shì)：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(shì)的影響。如下沉逆溫，使污染物長(zhǎng)時(shí)間的積累在逆溫層而不能擴(kuò)散。B、地理形勢(shì)：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(kuò)散

形成機(jī)制：當(dāng)高壓區(qū)內(nèi)某一層空氣發(fā)生下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shì)：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(kuò)散B、地理形勢(shì)：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(kuò)散

海陸風(fēng)對(duì)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(lái)隨陸風(fēng)輸向海洋的污染物又會(huì)被發(fā)展起來(lái)的海風(fēng)帶回陸地。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(gè)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(dòng)，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(kuò)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(kuò)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(shí)往往造成嚴(yán)重空氣污染。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)散山谷風(fēng)白天：山風(fēng)夜晚：谷風(fēng)對(duì)污染物輸送有明顯的影響。吹山風(fēng)時(shí)，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(qiáng)，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(qiáng)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(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。34第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)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(kuò)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(kuò)散37第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)散大氣中污染物的遷移擴(kuò)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(kuò)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(zhǎng)帶型）上揚(yáng)型（屋脊型）漫煙型38第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)散波浪型：污染物擴(kuò)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(diǎn)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(kuò)散很小，像一條帶子飄向遠(yuǎn)方，從上面看，煙流呈扇形展開(kāi)。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(kuò)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(kuò)散上揚(yáng)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(shí)間短，對(duì)近處地面污染較小。漫煙型：對(duì)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(diǎn)時(shí)，煙流便發(fā)生了向下的強(qiáng)烈擴(kuò)散，而上邊緣仍處于逆溫層中，熏煙型便發(fā)生了，這時(shí)煙流多發(fā)生在上午8-10點(diǎn)，持續(xù)時(shí)間很短。第二節(jié)大氣污染物的遷移擴(kuò)散ZTZT漫煙型排出