1、第三章 大氣污染(d q w rn)的氣象過程 小尺度(chd) 大氣(dq)邊界層 自由大氣1大氣邊界層的特征1.1、大氣邊界層定義1.2 大氣邊界層垂直分層結構 粘性副層（微觀層） 近地邊界層（=近地面層+冠層，常通量層） Ekman層（上部摩擦層、外部邊界層） 層流、紊流1.3 邊界層發展的日變化 海洋 陸地 大氣邊界層的分類與特征 1.4 大氣邊界層特征：溫度、風和湍流空氣的增熱和冷卻大氣中的非絕熱過程 傳導：貼地氣層輻射（主要長波）：地面與空氣間對流與亂流：氣層之間由于地表性質差異受熱不均等引起的空氣大規模有規則的升降運動，稱對流。（高低層）小規模不規則的渦旋運動稱亂流，又稱湍流。（

2、近地層大氣熱量交換的重要方式） 水相變化：潛熱交換蒸發吸熱，蒸發所帶水分多于凝結，大氣獲得熱量，熱帶（對流層下半部）大氣(dq)中的絕熱過程 沒有(mi yu)熱量交換，由于壓力(yl)的變換（1）干絕熱過程干空氣或未飽和的濕空氣塊，進行垂直運動時，與外界沒有熱量交換，只因體積膨脹（或收縮）作功引起內能增減和溫度變化過程，稱為干絕熱過程。 氣塊絕熱上升單位距離時的溫度降低值，稱絕熱垂直減溫率，簡稱絕熱直減率干空氣或未飽和的濕空氣，絕熱上升單位距離時的溫度降低值，稱干絕熱直減率，rd據計算： rd=0.98100 m1100 m。 （2）濕絕熱過程飽和濕空氣作垂直濕絕上升運動時的絕熱變化過程，稱

3、濕絕熱過程 飽和濕空氣絕熱上升單位距離時的溫度降低值，稱濕絕熱直減率，用m表示。 m d （上升時水汽凝結所放出熱量補償了部分氣塊膨脹消耗的內能） m是一個變量，它隨氣溫升高和氣壓降低而減小。 高溫時的m比低溫時的m小（氣溫高時，空氣達到飽和時的水汽含量較大） 氣壓高的飽和空氣塊的m大于氣壓低的（氣壓高時空氣密度大，釋放的潛熱所起的補償增溫作用要小一些）低層大氣溫度的垂直分布日變化 氣溫直減率的大小與太陽輻射、云況、風速和土壤熱性質有關，具有明顯的日變化。低層大氣溫度的垂直分布（1） 大氣的絕熱過程（2）干絕熱直減率 rd= -(dTi/dZ)d=g/Cp重力加速度9.81 ms2 Cp干空氣

4、定壓比熱，Cp1005 J(kgK) 下標i-表示空氣塊下標d-表示干空氣 一干空氣塊絕熱升降到標準氣壓（1000hPa）處所具有的溫度稱為它的位溫。（3）氣溫的垂直分布 大氣(dq)穩定度 判斷大氣中是否會產生云霧，主要就是(jish)看大氣中是否會產生上升運動 判斷(pndun)空氣是否會產生上升運動，就要看空氣在鉛直方向上位置穩定的程度，即大氣穩定度當外界作用停止后氣團有三種可能運動趨勢：1、有回到原來位置的傾向穩定2、既無遠離平衡位置也無返回原地的傾向中性3、有繼續移動的趨勢。不穩定 大氣靜力穩定度 處于靜力平衡狀態的大氣層中，一些空氣團塊受到動力因子或熱力因子的擾動，常會產生向上或向

5、下的垂直運動，這種偏離其平衡位置的運動能否發展成為對流運動，是由大氣層結，即溫度和濕度的垂直分布所決定。大氣層結具有的這種影響對流運動的特性稱為大氣的靜力穩定度。通常采用“氣塊法”判斷靜力穩定度大氣穩定度的判定方法有 到 令 并取 則即，代入方程(fngchng)準靜力條件(tiojin)，有 穩定度的綜合判定(pndng)方法 綜合干空氣和未飽和濕空氣的判定方法，可歸納如下： 大氣的垂直穩定度可用位溫梯度來表示（如右）：穩定度對污染物擴散的影響 極穩定層結逆溫（溫度隨高度的升高而增高的大氣層）輻射逆溫：晴朗微風的夜晚，地面因強烈的有效輻射而降溫，形成溫度上高下低的現象。（學會分析原因，有圖如

6、下）亂流（對流）逆溫（由于低層空氣的亂流混合，在亂流層的頂部所形成）平流逆溫：暖空氣流到冷的下墊面上而形成的逆溫 。（冬季常 平流霧）雪面逆溫下沉逆溫：由于空氣下沉，絕熱增溫而形成的逆溫。鋒面逆溫：在冷暖空氣的過渡帶形成的逆溫。（只能在冷氣團所控制的地區內觀測到） b夜間(y jin) c日出前后(qinhu)逆溫層最后 d太陽(tiyng)出來了逐漸增溫 e恢復正常 逆溫對污染物擴散的影響 (?) 貼地逆溫對地面源、高架源懸空逆溫對地面源、高架源1.5 風的垂直分布 在低層大氣中因為受地面摩擦力的影響，風隨著高度增加而增大，形成有一定規律的垂直分布或稱為風的廓線.1.5.1 近地層、中性層結

7、（對數率） （摩擦速度-湍流切應力與空氣密度比值的平方根） 指高處為Z的風速與摩擦速度、卡門常數及高度與地面粗糙度的比值對數有關1.5.2 近地層、非中性層結（指數率） 高處為Z的平均風速與高處為Z1的平均風速及高度比的固定常數冪有關1.5.3 大氣邊界層風的分布 Ekman螺旋線2. 湍流2.1 、湍流的基本概念 不規則性、脈動性1、流體力學中的經典湍流概念2、湍流成因（兩個因素）一般情況下，大氣湍流的強弱取決于熱力和動力兩個因子：（1）在氣溫(qwn)垂直分布呈強遞減時，熱力因子起主要作用；（2）中性層結，動力因子(ynz)起主要作用。（3）湍流擴散(kusn)比分子擴散快105 106倍

8、。3、湍流判據雷諾數 層流和湍流在一定的條件下是可以相互轉化的： (1) 增加流速；(2) 增加與流速相關的特征長度； (3) 減少流體的粘性。 U為平均流動速度；L為流動的特征長度（如管直徑）；v為運動學的粘滯系數 大氣湍流臨界雷諾數4、湍流的基本特征 隨機性、非線性、擴散性、渦旋性、耗散性、有界性、具備統計上穩定的平均值湍流為一種疊加在平均風上的脈動變化5、理查孫數（判別大氣湍流強弱的參數） 以湍能消耗率和湍能補充率的比值定義一個無因次參量Rf稱為通量理查孫數： KHz和KMz分別為熱量和動量的垂直交換系數定義 為理查孫數，則R(f)=Ri * (K(Hz)/ K(Mz) 其中，Ri為湍能

9、消耗率，那個K的比值為平均動能轉變為湍能即湍能補充率Ric=KMz/KHz 臨界理查孫數，非常數，與磁場強弱有關 如當湍能消耗率大于湍能補充率，即RiKMz/KHz時，湍能將減弱 理查孫數綜合反應了熱力因子和動力因子對湍流發展的影響，用它來反應層結大氣溫度度比單純用熱力因子判斷要客觀。 ，熱力因子和動力因子/湍流加強；=0，熱力因子不起作用/動力因子使湍流加強 0，熱力因子使湍流減弱，動力因子使湍流加強，綜合效果取決于風速切變6. 低層大氣的湍流特征 湍強：表示大氣(dq)中湍流運動的強弱，為風速標準差與平均風速u之比 垂直(chuzh)湍強、橫向湍強、縱向湍強2.2 大氣湍流(tunli)擴

10、散的理論處理對擴散過程進行理論處理： 可得污染物濃度計算公式進行預測和估算描述大氣輸送與擴散有兩種基本途徑：1）歐拉方法是相對于固定坐標系描述污染物的輸送與擴散；2）拉格朗日方法是跟隨流體移動的粒子來描述污染物的濃度及其變化。歐拉方法易于測量，有個閉合問題，能較精確確定所需的粒子統計量 拉格朗日方法的數學處理比歐拉方法容易些，不存在閉合問題。研究平均運動規律，形成了湍流半經驗理論，研究脈動運動規律，形成了湍流統計理論。擴散理論1）梯度輸送理論（K理論) 湍流半經驗理論 梯度輸送理論處理空氣污染物散布的基本思路,就是利用湍流半經驗理論，將速度場的脈動量與平均量聯系起來。湍流半經驗理論的一個基本假

11、定是：由湍流引起的動量通量與局地風速梯度成正比，如： （比例系數Kz即湍流交換系數亦稱湍流擴散系數） 湍流的半經驗理論，是根據一些假設及實驗結果建立湍流應力與平均速度梯度之間的關系，從而建立起湍流運動的封閉方程組。半經驗理論在理論上有很大的局限性和缺陷，但在一定條件下往往能夠得出與實際符合得較滿意的結果，因此在工程技術中得到廣泛的應用。 湍流擴散問題 由湍流運動引起的污染物局地質量通量輸送與污染物的平均濃度梯度成正比 Kx、Ky、Kx則分別(fnbi)為x、y、z三個方向(fngxing)的湍流擴散系數，故稱K理論(lln)。這就是梯度輸送理論（也稱K理論）的基本關系式，也是導出湍流擴散方程的

12、基礎。 考慮由湍流引起的速度脈動和濃度漲落，即將速度和濃度寫為平均值與脈動值之和 右端項的意義是，單位時間通過單位面積向x，y，z方向輸送的擴散物質的平均質量，即局地質量通量。 運用梯度輸送理論的閉合形式，對湍流脈動量用平均量表示，即有 Kx、Ky、Kz分別表示坐標x、y、z方向的湍流擴散系數。即為根據梯度輸送理論導出的普遍形式湍流擴散方程，它說明流體中某物質的散布是由湍流擴散所引起的。 為處理大氣擴散問題，需求解擴散方程，一個主要問題: 如何定 Kx、Ky、Kz存在的問題： Kx、Ky、Kz為常數，u與高度無關，這些都與實際不符； K理論把湍流擴散類比分子擴散，缺乏嚴格物理依據； 假定湍流場

13、均勻定常，實際大氣很難滿足。 優越性：能利用實際的風場資料而不必求助于假設；亦能比較系統、客觀地求解出空氣污染物的濃度分布；最后，它易于加入源變化、化學變化和其它遷移清除過程，故適于區域性較大尺度的大氣輸送與擴散沉積問題的處理2）湍流擴散的統計理論 它把描寫湍流的擴散參數 Y2(t)，和另一統計特征量相關系數 R 建立起關系，只要能找到相關系數的具體函數，通過積分就可求出擴散參數Y2(t)，污染物在湍流中擴散問題就得到解決。尋求擴散粒子的概率分布，進而求出擴散物質濃度的空間和時間的分布屬于(shy)拉格朗日途徑(tjng)的處理方法。 高斯(o s)煙流 泰勒公式 把擴散參數和湍流脈動場的統計

14、特征量聯系起來，導出了適用于連續運動擴散過程 湍流強度 脈動速度的拉氏相關性RL（） 式中相關意思是流場同一點在不同時刻的脈動速度的相關性。 3）湍流擴散的相似理論 湍流由許多大小不同的湍渦所構成，大湍渦失去穩定分裂成小湍渦，同時發生了能量轉移，這一過程一直進行到最小的湍渦轉化為熱能為止。從這一基本觀點出發利用量綱分析的理論，建立起某種統計物理量的普適函數，再找出普適函數的具體表達式，從而解決擴散問題。4）比較 基本原理 、基本參數、適用范圍、受限條件、氣象資料3. 大氣污染物濃度分布的模式計算3.1 高斯擴散公式3.2 大氣擴散參數的確定3.3 煙氣抬升高度3.4 污染物在大氣中的清除3.1

15、 高斯擴散模型 污染物濃度符合正態分布 平穩和均勻湍流的假設 實際排放源位于地面或接近地面的大氣邊界層內梯度理論導出的有風連續點源在無界情形下的擴散公式： 橫向(hn xin)鉛直(qinzh)向擴散參數 有界情形高架連續(linx)點源的高斯模式或煙流模式 有效源高H m ，它包含煙囪高度hs和煙流的抬升高度h 有界高架源的地面濃度可令z=0得到，地面軸線上的濃度可令y=0，其高于兩側濃度。地面軸線上的濃度： 高架源的地面最大濃度qm和它離源的距離xm： 令y和z之比為常數 在某一風速下會出現地面最大濃度的極大值，稱為地面絕對最大濃度qmaxabs，對應風速值稱為臨界風速uc，有時亦稱為危險

16、風速。模式計算參數 大氣擴散參數又稱大氣擴散標準差、濃度分布均方差。它表示擴散質點隨濃度中心軸距離的濃度分布的均方差，是大氣擴散能力的度量，常以表示。1）薩頓模式 找出泰勒公式中的拉氏相關系數與一些可測氣象參數的聯系，然后代入泰勒公式，得出薩頓擴散參數Cy和Cz，再用Cy和Cz表示出y和 z， 而Cy和Cz是可以觀測確定的。2）穩定度擴散級別與擴散曲線法（P-G-T法） 首先由氣象觀測資料判定(pndng)穩定度級別（A、B、C、D、E、F），然后總結分析(fnx)得出相應級別中擴散參數隨距離源下風距離x的變化(binhu)曲線（擴散曲線），再用擴散曲線讀出不同離源距離處的擴散參數y和 z。

17、P：云況日射（確立輻射狀況）；風速輻射（穩定度）T引入太陽高度角3）其他穩定度分類方法 a 風向脈動標準差法b 溫度遞減率法c 我國的擴散曲線法d 邊界層湍流參量法 地面大氣穩定度常用P-T 垂直大氣穩定度常用溫度遞減率和風速法。風速的計算 計算公式中的風速，理論上指煙氣有效高度處的風速，由于不方便給定，實用中取煙囪口處的風速。（PPT中沒說清楚，是國家標準指導下的實際測量）源強Q的計算 源強Q是單位時間內從污染源排放污染物的質量。g 估算方法有：現場實測對有組織排放源；物料衡算法；經驗估算法3.3、煙氣有效高度H 煙流的有效高度比煙囪實際高度要高， 有效高度H為煙囪幾何高度hs與煙氣抬升高度

18、h之和。1、煙氣抬升過程 造成抬升的原因：煙氣出口速度（初始動量）+ 煙氣比周圍空氣溫度高（浮力）一般煙氣抬升能將煙源的實際排放高度提高到210倍的有效源高高度上，從而可能使地面最大濃度降低3100倍。 有風彎曲煙流模型，抬升大致經歷4個階段:噴出階段、浮升階段、瓦解階段（環境湍流作用強）和變平階段，最后達到煙流抬升高度h的終極抬升階段。 影響熱煙流抬升的基本因子可歸納成以下3類: 1）排放源及排放煙氣的性質。初始動量和浮力 2）環境大氣的性質。平均風速和環境湍流強度，溫度層結 3）下墊面性質。地形，地面粗糙度 彎曲煙云抬升路徑(中性大氣) (Briggs抬升公式)1）中性層結條件下，S=0,

19、 Fz=F0Z=常數 Fm為初始(ch sh)垂直通量，后者為浮力通量，為挾卷系數(xsh) 只有(zhyu)動量作用，；只有熱量作用， (?，與課本不同)（實際情況浮力為主） 稱為中性大氣彎曲煙氣抬升Briggs2/3路徑方程 中性條件下，動量抬升與抬升時間1/3成正比，浮力抬升與抬升時間2/3成正比2）穩定無風抬升 (S 為大氣穩定度參數，非穩定層結時，S0)3）穩定有風抬升 2、實用經驗抬升公式 Holland公式（復雜地形） QH-煙氣的熱釋放率(卡/秒)；Ts- 煙囪出口處的煙氣溫度，K；Ta-環境大氣溫度，K； 布里格斯（Briggs）公式（推薦） 我國標準推薦形式：以三分之二次律

20、為基礎（一般） 補：3.4 污染物在大氣(dq)中的清除 干沉積(chnj)、濕沉積(chnj)、化學轉換干沉積 對于直徑大于20um的較大粒子就有明顯的重力沉降，應考慮重力沉降修正。即以 代替有效源高H。 地面任意一點（x，y）的沉降率ws： 4、復雜(fz)地形上的大氣污染4.1 局地建筑物對大氣污染散布(snb)的影響 位移(wiy)區、空腔區、尾流區4.2 山地地形影響與擴散處理4.2.1幾種典型的山區大氣污染過程4.2.2 山區污染氣象特征與污染分布 山區特殊的氣象條件主要表現在山區的溫度場，風場，湍流特征與平原不同。 溫度場：地面受熱不均勻，局部環流，逆溫 ；風場：山谷風（夜天山風

21、，白天谷風）；過山氣流；山谷凹地中的小風；風廓線4.2.3 山區擴散特性4.2.4 山區擴散模式1. NOAA（高斯）模式 未考慮煙流隨地形的變化，未考慮山區湍流比平原強。 2. EPA的CRSTER單源模式和VALLEY山谷模式 CRSTER單源模式，適用于計算地形高度低于有效源高時，采用高斯公式將有效源高減去地形高度作為煙流中心高度。即，采用高斯擴散公式和P-G擴散參數體系。 VALLEY模式主要用來估計當煙流低于附近地形高度時在不利條件下的日平均濃度。 3. 美國ERT的PSDM模式4.3 沿岸地區氣象學特征(tzhng)沿岸地區內邊界層特征(tzhng)熱力(rl)內邊界層（ TIBL

22、 ）形成5、城市和區域大氣擴散 城市的空氣污染與城市邊界層氣象特性及城市污染源狀況有關第四章 大氣環境評價、預測及管理第一節 大氣環境評價1.1 大氣環境影響評價的意義1、為生產合理布局提供科學依據2、為經濟發展方向和規模提供科學依據3、為環境科學管理提供科學依據1.2 大氣環境影響評價的內容 選用幾種污染物質作為對象，選取擴散參數；大氣環境現狀的監測，取得本底濃度，并對評價區的環境的現狀進行評價；評價區地形和氣象資料的收集和觀測，取得大氣環境預測所必須的氣象和地形資料。 評價區大氣擴散規律的研究；評價區污染濃度預測，數值模擬大氣環境影響評價等級與范圍 每一種污染物的最大地面濃度占標率Pi P

23、i= Ci /Coi109Ci采用估算模式計算出的第i 個污染物的最大地面濃度，mg/m3； Coi第i類污染物環境(hunjng)空氣質量標準，mg/m3（1h平均(pngjn)取樣時間的二級標準的濃度限值 及第(jd)i 個污染物的地面濃度達標準限值10%時所對應的最遠距離D10% 結合項目的初步工程分析結果，選擇正常排放的主要污染物及排放系數，采用估算模式計算各污染物的最大影響程度和最遠影響范圍，按評價工作分級判據進行分級。 判定等級： 一級：Pmax80，且D10 5Km（500m？） ； 二級，其他 ； 三級：Pmax 10 或D10 污染源距廠界最近距離 評價范圍的確定 評價范圍的

24、直徑或邊長一般不應小于5 km；以排放源為中心點，以D10為半徑的圓或2D10為邊長的矩形作為大氣環境影響評價范圍；最遠不過25km1.6 大氣環境影響預測 預測擬建工程投產后對評價區大氣環境質量帶來的影響；定量給出評價區里大氣污染物在地面的濃度分布。（一）用于大氣環境影響預測的模式有各種擴散模式，隨評價區域的大小和污染物平均濃度的計算時間不同選擇不同模式。 計算短期濃度，用煙流和煙囪模式適合于計算1次濃度或小時平均濃度，還可以換算成日平均濃度。（二）大氣環境影響評價中，一般需要預測短期平均濃度分布和長期地面濃度分布。（三）大氣環境影響評價應給出各類污染源在一般氣象條件及不利氣象條件下對評價區

25、內大氣環境質量的預測。（不利、復雜地形、高建筑物）第二節 大氣污染預報按內容分：污染濃度預報（污染源參數及氣象）；污染潛勢預報（只涉及氣象參數。）2.1 大氣污染潛勢預報 是指根據事先確定的氣象因子判據，預報未來出現嚴重污染的可能性。（一）用氣象參數作指標，預報將出現不利于擴散的天氣： 主要的氣象參數(cnsh)：混合層高度（氣象要素隨高度分布趨于均勻的大氣(dq)邊界層）； 風速(fn s)；穩定度；通風系數；其他（下沉運動、12h變溫、絕對渦度、降水、相對濕度等。）（二）幾種污染潛勢預報2.2 大氣污染物濃度預報 主要包括大氣中主要污染物的濃度。顆粒物/硫氧/氮氧/碳氧/碳氫 統計預報 +

26、 數值模式（歐拉）第三節 大氣環境質量管理剩余章節1、臭氧(chuyng) 自然界中主要(zhyo)分布在20-50km，主要由紫外線，也有雷電(lidin)作用。 大氣中的臭氧總量是指某地區單位面積上空整層大氣柱中所含臭氧的總量通常用厚度厘米。假定整層大氣柱中所含的全部臭氧集中起來形成一個純臭氧層，在標準狀況下（一個大氣壓，溫度150C），這個純臭氧層的厚度即為大氣臭氧總量的度量單位，基本單位為“大氣厘米”。一般情況下，臭氧總量的變化范圍為0.10.5。除了“大氣厘米”外還用多布森單位，記為DU，它等于千分之一厘米 。1）一些分布就緯度而言，臭氧總量的極小值在赤道附近，極大值在緯度60附近。

27、 就季節而言，在春季出現極大值，秋季出現極小值。 白天剩下的氧原子在夜間與氧分子結合成為臭氧，所以夜間臭氧濃度比白天大。 臭氧總量日際變化的振幅和季節變化有同等的量級。2）時空變化的原因 光化學反應； 大氣運動 臭氧主要在赤道上空生成，通過大氣環流向高緯輸送;在大氣環流過程中，臭氧的輻散和輻合，使部分臭氧從平流層擴散到對流層中而被破壞。對臭氧濃度的影響，在高層以光化作用為主，在低層以大氣動力輸送為主。20公里高度以下，動力輸送占優勢；30公里高度以上，光化作用占優勢;而在2030公里高度之間，則存在一個兩種作用同樣重要的過渡區。3）破壞后果 人類健康：皮膚病、眼癌、細胞DNA轉變，免疫機能； 陸地植物：植物受UV-B（280-315nm），形態改變 水生生態系統：浮游生物生產力下降，食物鏈 周邊生物； 對材料的影響：加速建筑、包裝、噴涂等材料，尤其是高分子化合物/人工天然聚合物光解 對生物化學循環； 對流層大氣組成及空氣質量的影響：臭氧超標；控制著大氣化學反應活性的重要微量氣體的光解速率將提高，直接導致大氣中重要自由基濃度如OH基的增加。此外，對流