1、第二章 污染氣象學原理與大氣擴散Pollution meteorology and atmospheric diffusion本章提要 了解大氣圈層結構；了解主要氣象要素，理解干空氣絕熱直減率、溫度層結和大氣穩定度的概念，學會判斷大氣穩定度，理解大氣穩定度條件下煙流的不同形狀；理解逆溫的形成過程，以及逆溫對污染物擴散的影響；了解大氣擴散的基本概念及基本原理，包括正態分布理論及擴散微分方程、常用大氣擴散模式；學會估算煙氣抬升高度及大氣污染濃度。 1第二章 污染氣象學原理與大氣擴散2.1 大氣層結構及氣象要素 The Layers of the atmosphere and Meteorologi

2、cal Element2.2 大氣的熱力過程與豎向運動 Thermodynamic process and vertical motion2.3 大氣的水平運動 horizontal motion2.4 局地氣象特征 local meteorological feature2.5 大氣擴散模式 atmospheric diffusion model2.6 污染物濃度估算 estimation of the pollutants concentration2大氣擴散研究的對象sourcereceptorAtmospheric diffusionAcid transport across inte

3、rnational boundaries（美國、加拿大）Atmospheric science 大氣物理、化學大氣氣象學 污染氣象學 Effects of meteorological condition on the dilution and diffusion of the pollutantsEffects of pollutants on the meteorology32.1 大氣層結構及氣象要素2.1.1大氣圈垂直結構 The atmospherestructureExosphereThermosphereionosphereMesosphereStratospheretropos

4、phere45大氣分層名稱溫度空氣對流程度自然現象外層（散逸層）空氣更為稀薄只受到微小的地心吸力，是地球大氣向星際空間過渡的層次。增溫層（電離層）空氣稀薄大氣處於電離狀態，能反射無線電波。氧原子能吸收波長小於0.175微米的紫外線中氣層（高空對流層）相當強烈缺少氧原子，臭氧很少平流層空氣上熱下冷，不易形成對流，空氣稀薄平靜，含水氣少，天氣晴朗，能見度好最適宜飛機高空飛行。大氣中的臭氧主要分佈於此，能大量吸收波長小於0.175微米的有害紫外線。現有臭氧空洞對流層顯著緊貼地面。風、雪、雲、雨等天氣現象都發生在這一層。氣象複雜多變，與人類關係最為密切大地6大氣圈垂直結構對流層（10km左右）Trop

5、osphere集中了大氣質量的3/4和全部的水蒸氣，主要天氣現象都發生在這一層溫度隨高度的增加而降低，每升高100m平均降溫0.650C強烈對流作用溫度和濕度的水平分布不均大氣邊界層對流層下層12km，地面阻滯和摩擦 作用明顯自由大氣大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略 近地層地面上50100m，熱量和動量的常通量層7大氣圈垂直結構平流層（對流層頂5055km）stratosphere同溫層對流層頂3540km，氣溫-550C左右同溫層以上，氣溫隨高度增加而增加集中了大部分臭氧沒有對流運動，污染物停留時間(RT Retention Time) 很長中間層（平流層頂85km） 氣溫隨高度升高而迅速降

6、低對流運動強烈8大氣圈垂直結構暖層（中間層頂800km）氣溫隨高度升高而增高氣體分子高度電離電離層散逸層（暖層以上）氣溫很高，空氣稀薄空氣粒子可以擺脫地球引力而散逸大氣壓力總是隨高度的升高而降低均質大氣層8085km以下，成分基本不變9大氣水汽分布102.1.2 氣象要素(1) 氣溫 Temperature天氣預報中：1.5m高、百葉箱內氣溫。 11氣象要素(2) 氣壓 Pressure單位：mb（毫巴） 大氣的壓強1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg靜力學方程:12氣象要素3氣濕 Humidity絕對濕度absolute H1m3濕空氣中含有的水汽質量相對濕度Relat

7、ive H空氣的絕對濕度與同溫度下飽和空氣的絕對濕度的百分比含濕量 moisture content濕空氣中1kg干空氣包含的水汽質量水汽體積分數Volume Fraction水汽在濕空氣中所占的體積分數露點Dew Point同氣壓下空氣達到飽和狀態時的溫度13氣濕計算示意已知大氣壓力為101325Pa，氣溫32，空氣濕度76%，確定空氣含濕量和水汽體積分數。查表得32 時飽和水蒸氣壓為4714.2Pa1415氣象要素4風向和風速 Direction and velocity 水平方向的空氣運動叫做風（垂直方向升降氣流） 風的來向叫風向（16個方位圓周等分） 風速：單位時間內空氣在水平方向上運

8、動距離（2或10min平均） (m/s) F風力級（012級） 7級 15.5m/s 12級 34.9 m/s16主要氣象要素4風向和風速 風玫瑰圖Windrosemap 某地區1988年的風玫瑰圖。同心圓表示風的頻率，例如，吹南風的頻率約為11，其中風速大于10.82m/s的頻率約為1，風速在3.355.41m/s的頻率為3.5左右。Mean Wind SpeedPrevailing Wind Direction17主要氣象要素5云 cloud 大氣中水汽的凝結現象叫做云（使氣溫隨高度變化小） 云量cloud cover:天空被云遮蔽的成數（我國10分，國外8分） 云高 cloud leve

9、l :云底距地面底高度 低云（2500m以下） 中云（25005000m） 高云（5000m以上） 云狀:卷云（線）,積云（塊）,層云（面),雨層云(無定形） 18云 高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500米以下）19主要氣象要素6能見度 visibility 正常視力的人，在天空背景下能看清的水平距離 級別（09級，相應距離為5050000米） 202.2 大氣的熱力過程與豎向運動2.2.1 低層大氣的加熱和冷卻 太陽、大氣和地面的熱交換 太陽以紫外線ultraviolet、可見光visible light、紅外線infrared的形式輻射radiation熱量太陽

10、輻射加熱地球表面地面長波輻射long wave radiation 加熱大氣近地層大氣溫度主要隨地表溫度變化21對流、平流層溫度層結示意22氣溫的垂直變化氣溫直減率Lapse rate （大氣）干空氣絕熱繪制溫度遞減率 干絕熱直減率 Dry adiabatic （空氣團）Lapse rate一般滿足，大氣絕熱過程，系統與周圍環境無熱交換 空氣塊膨脹（做功）耗內 能 T定性空氣塊壓縮（外氣對它做功）T內能（由壓力變化引起）23氣溫的豎直分布（溫度層結） 氣溫的垂直分布溫度層結 Temperature Stratification 是大氣豎向運動的決定性因素 稱高度增加100m溫度的降低值為溫度直

11、減率(Temperature Lapse rate )24大氣穩定度Stability及其判據定義：大氣在垂直方向上穩定的程度；反映其是否容易對流定性描述： 外力使氣塊上升或下降氣塊去掉外力氣塊減速，有返回趨勢，穩定氣塊加速上升或下降，不穩定氣塊停在外力去掉處，中性不穩定instability條件下有利于擴散25判據： 大氣穩定度及其判據Unstable , neutral , stable , very stable 26.逆溫Temperature inversion逆溫層內空氣豎直運動很弱,不利于擴散輻射： 1. 輻射逆溫： 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

12、卻 太陽 地球 ：短波 地球 大氣層：長波 大氣吸收長波強27逆溫1輻射逆溫的生消過程 Radiation Inversiona sunset b sunset+ hours c: dawn d:dawn+2-4h, e:midafternoon28逆溫2.下沉逆溫 （多在高空大氣中，高壓控制區內） 很厚的氣層下沉 壓縮變扁 頂部增溫比底部多29逆溫3.平流逆溫 暖空氣平流到冷地面上由于下部降溫而形成4.湍流逆溫 下層湍流混合達 上層出現過渡層 逆溫 30逆溫5.鋒面逆溫 冷、暖氣團相遇冷暖間逆溫 暖氣上爬，形成鋒面31逆溫影響32煙流型與大氣穩定度的關系 波浪型（不穩）錐型（中性or弱穩）扇

13、型（逆溫）爬升型（下穩，上不穩）漫煙型（上逆、下不穩） 332.3 大氣的水平運動和風引起大氣運動的作用力 直接作用力重力水平氣壓梯度力（垂直上與重力基本平衡）間接作用力 地轉偏向力（相對運動：方向改變）慣性離心力（大氣曲線運動：很小）摩擦力（近地12km內明顯） 34近地層風速廓線模式 平均風速隨高度變化非中性層結： 指數律，穩定度參數352.4 局部氣象特征2.4.1 城市氣象特征（1）熱島效應urban heat island effect 現象：城區溫度高于周圍鄉村溫度 原因：能量使用密度大 建筑物吸熱容量大 地面蒸騰作用相對較小，水汽蒸 發顯熱少 受污染空氣對地面長波輻射增強36（2

14、）城市混合層 晴朗的白天，城市和鄉村一般均為隨高度遞減的溫度層結，只是城市氣溫遞減率更大；夜間，鄉村出現輻射逆溫的空氣流到城市上空，下部仍維持遞減溫度層結，因而形成不厚（幾十米至幾百米）的混合層 37（3）城市風場與湍流 3839地方性風場 2.4.3 水陸交界處氣象特征 (1) 海陸風 (Land and sea breeze) 402.5 大氣污染物擴散模式1).湍流擴散turbulent diffusion的基本理論(簡要)2).高斯擴散模式Gaussian diffusion model411) 湍流擴散的基本理論擴散的要素風：平流輸送為主，風大則湍流大湍流turbulence：擴散比

15、分子擴散快105106倍湍流的基本概念 湍流大氣的無規則運動random motion 風速的脈動pulsation風向的擺動swing起因與兩種形式 熱力：溫度垂直分布不均（不穩定）機械：垂直方向風速分布不均勻及地面粗糙度42湍流擴散理論主要闡述湍流與煙流傳播及湍流與物質濃度衰減的關系1.梯度輸送理論類比于分子擴散，污染物的擴散速率與負濃度梯度成正比2.湍流統計理論泰勒正態分布薩頓實用模式高斯模式 3.相似理論similarity theory 432) 高斯擴散模式高斯模式的有關假定assumption坐標系 Coordinates 右手坐標，y為橫風向，z為垂直向四點假設 a污染物濃度在

16、y、z風向上分布為正態分布b全部高度風速均勻穩定c源強是連續均勻穩定的d擴散中污染物是守恒的（不考慮轉化） 44高斯擴散模式高斯擴散模式的坐標系Coordinates45高斯煙流的形態46高斯煙流的濃度分布高斯煙流中心線上的濃度分布472.5.2 高架連續點源擴散模式鏡像全反射-像源法實源： 像源：48高架連續點源擴散模式49高架連續點源擴散模式 502.5.3 地面點源擴散模式 當高架點源的源高為零，即相當于地面點源。故令式（2.16）中的H0，即得地面點源擴散模式 比較式（2.21）和式（2.13）可知，地面連續點源排放造成的污染物濃度正好是無界連續點源所造成的污染物濃度的兩倍。 51顆粒

17、物擴散模式粒徑小于15m的顆粒物可按氣體擴散計算大于15m的顆粒物：傾斜煙流模式 地面反射系數522.5.4 線源擴散模式 在橫向風作用下，無限長線源下風向與線源距離相等處的污染物濃度均相等。所以將點源模式沿Y方向積分，即得線源擴散計算模式。 1) 當風向與線源垂直時，無限長線源下風向污染物地面濃度計算模式為：53 線源擴散模式2)當風向與線源夾角 ，下風向污染濃度計算模式（ 不適用）為 54線源擴散模式3)有限長線源 有限長線源兩端存在邊緣效應。以通過計算點沿平均風向的直線為X軸，線源由Y1至Y2（Y1浮力煙氣抬升57煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式 （1） Holland公式：適用于中性大

18、氣條件（穩定時減小，不穩時增加1020） Holland公式比較保守，特別在煙囪高、熱釋放率比較強的情況下58煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式（續）（2）Briggs公式：適用不穩定及中性大氣條件 59煙氣抬升高度的計算抬升高度計算式 （續）（3）我國“制訂地方大氣污染物排放標準的技術方法”(GB/T13201-91)中的公式 602.6.2 擴散參數的確定 Dispersion CoefficientPG曲線法PG曲線Pasquill常規氣象資料估算Gifford制成圖表61擴散參數的確定PG曲線法PG曲線的應用根據常規資料確定穩定度級別表2.4 穩定度等級劃分 距地面10m處風速）/ms-

19、1白天太陽輻射陰天的白天或夜間有云的夜間強中弱薄云遮天或低云5/10云量4/102AABBD23ABBCDEF35BBCCDDE56CCDDDDD6CDDDDD62擴散參數的確定PG曲線法PG曲線的應用利用擴散曲線確定 和圖2.19 水平擴散參數與下風向距離的關系圖2.20 鉛直擴散參數與下風向距離的關系63擴散參數的確定中國國家標準規定的方法穩定度分類方法改進的PT法 太陽高度角 （式2-40，地理緯度，傾角） 輻射等級 穩定度 云量（加地面風速） 表2.5 太陽輻射等級總云量/低云量夜間太陽高度角h0h01515h03535h065h0654/4-2-1+1+2+357/4-10+1+2+38/4-100+1+17/570000+18/80000064擴散參數的確定中國國家標準規定的方法