第二章大气环境

1、污染物污染物污染物在环境污染物在环境中的迁移、转中的迁移、转化、扩散规律化、扩散规律控制和管理控制和管理措施和对策措施和对策污染源污染源溯源溯源环环 境境2.1 大气的结构与组成大气的结构与组成2.2 大气污染和污染物大气污染和污染物2.3 大气环境中污染物的化学转化大气环境中污染物的化学转化2.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散2.5 大气污染综合防治与管理大气污染综合防治与管理一、大气的结构一、大气的结构1 对流层对流层(Troposphere)2 平流层平流层(Stratosphere)3 中间层中间层(Mesosphere)4 热成层热成层(Thermoshpere)5 散逸层散

2、逸层(Exosphere)一、大气的结构一、大气的结构1.对流层对流层(Troposphere)特点特点 气温随高度升高而递减气温随高度升高而递减 密度大，集中了大气密度大，集中了大气3/4的质量和几乎全部的水的质量和几乎全部的水汽汽 下垫面的影响下垫面的影响大气边界层大气边界层(atmospheric boundary layer, ABL)自由大气层自由大气层一、大气的结构一、大气的结构2 平流层平流层(Stratosphere) 特点特点 气温的变化气温的变化 空气运动以平流运动为主空气运动以平流运动为主臭氧层臭氧层Ozone layer二、大气的组成二、大气的组成 干洁空气：除去水汽和

3、杂质的空气。干洁空气：除去水汽和杂质的空气。O220.94%Ar0.93%其它其它 0.04%N278.09%恒定成分恒定成分可变成分可变成分O2、N2、惰性气体惰性气体CO2、H2O等等一、大气污染的发生一、大气污染的发生二、大气污染物的来源二、大气污染物的来源三、大气污染物及大气污染类型三、大气污染物及大气污染类型一、大气污染的发生一、大气污染的发生1 大气污染的概念大气污染的概念 大气污染是指大气中一些物质的含量达到有害的大气污染是指大气中一些物质的含量达到有害的程度，以至破坏人和生态系统的正常生存和发展，程度，以至破坏人和生态系统的正常生存和发展，对人体、生态和材料造成危害的现象。对人

4、体、生态和材料造成危害的现象。一、大气污染的发生一、大气污染的发生2 大气污染的发生大气污染的发生输入输入输出输出 由人类活动造成的由人类活动造成的 大气污染已成为全球性的环境问题大气污染已成为全球性的环境问题二、大气污染物的来源二、大气污染物的来源1 大气污染源的概念大气污染源的概念 大气污染源是指向大气环境排放有害物质或对大大气污染源是指向大气环境排放有害物质或对大气环境产生有害影响的场所、设备和装置。气环境产生有害影响的场所、设备和装置。2 大气污染源的分类大气污染源的分类按来源按来源天然污染源天然污染源人为污染源人为污染源 天然污染源天然污染源SO2、H2S、CO2、CO、HF及及火山

5、灰等颗粒物火山灰等颗粒物火火山山喷喷发发 天然污染源天然污染源火山喷发火山喷发森林火灾森林火灾自然尘自然尘森林植物释放森林植物释放海浪飞沫海浪飞沫CO2、CO、 SO2、NO2、HC等等 人为污染源人为污染源燃料燃烧燃料燃烧工业生产过程工业生产过程燃料的燃料的组成成分组成成分工业部门工业部门 企业名称企业名称 向大气排放的污染物向大气排放的污染物电电 力力火力发电厂火力发电厂 烟尘、烟尘、SO2、NOx、CO 治治 金金 钢铁厂钢铁厂炼焦厂炼焦厂有色金属有色金属烟尘、烟尘、CO、CO2、氧化铁、粉尘、锰尘、氧化铁、粉尘、锰尘烟尘、烟尘、 CO、CO2、H2S、酚、苯、萘、烃类、酚、苯、萘、烃类

6、烟尘（含有各种金属如铅、锌、铜等）、烟尘（含有各种金属如铅、锌、铜等）、SO2、汞、汞 化工化工 石油化工厂石油化工厂氮肥厂氮肥厂磷肥厂磷肥厂硫酸厂硫酸厂氯碱厂氯碱厂化学纤维厂化学纤维厂农药厂农药厂冰晶石厂冰晶石厂合成橡胶厂合成橡胶厂 CO2、H2S、氧化物、氧化物、NOx、氯化物、烃类、氯化物、烃类烟尘、烟尘、 NOx、CO、氮、硫酸气溶胶、氮、硫酸气溶胶烟尘、烟尘、HF、硫酸气溶胶、硫酸气溶胶SO2、NOx、CO、NH3、硫酸气溶胶、硫酸气溶胶Cl2、HCl烟尘、硫化氢、烟尘、硫化氢、CS2、甲醇、丙酮、甲醇、丙酮甲烷、砷、醇、氯、农药甲烷、砷、醇、氯、农药HF丁二烯、苯乙烯、乙烯、异丁烯

7、、戌二烯、丙烯、二氯乙丁二烯、苯乙烯、乙烯、异丁烯、戌二烯、丙烯、二氯乙烷、二氯乙醚、乙硫烷、氯化钾烷、二氯乙醚、乙硫烷、氯化钾 机械机械 机械加工机械加工仪表厂仪表厂 烟尘烟尘氯、氰化物、铬酸氯、氰化物、铬酸 轻工轻工造纸厂造纸厂玻璃厂玻璃厂 烟尘、硫酸、硫化氢烟尘、硫酸、硫化氢烟尘烟尘 建材建材 水泥厂水泥厂 烟尘、水泥尘烟尘、水泥尘 人为污染源人为污染源燃料燃烧燃料燃烧工业生产过程工业生产过程交通运输过程交通运输过程一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、含一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、含氧有机化合物、硫氧化物和铅的化合物氧有机化合物、硫氧化物和铅的化合物 人为污染源人为污染源燃料燃烧燃料燃烧

8、工业生产过程工业生产过程交通运输过程交通运输过程农业活动排放农业活动排放2 大气污染源的分类大气污染源的分类按性状按性状特点特点固定式污染源固定式污染源移动式污染源移动式污染源按空间按空间分布形式分布形式点污染源点污染源面污染源面污染源线污染源线污染源三、大气污染物及大气污染类型三、大气污染物及大气污染类型1 大气污染物的概念大气污染物的概念 指由于人类活动或自然过程排入大气的并对环境指由于人类活动或自然过程排入大气的并对环境或人产生有害影响的那些物质。或人产生有害影响的那些物质。2 大气污染物的分类大气污染物的分类按存在按存在的状态的状态气体状态气体状态污染物污染物固体颗粒状态固体颗粒状态污

9、染物污染物按形成按形成的过程的过程一次污染物一次污染物二次污染物二次污染物 一次污染物一次污染物(primary pollutant)指直接从污染源排放的污染物质。指直接从污染源排放的污染物质。 二次污染物二次污染物(secondary pollutant)由一次污染物在大气中互相作用经化学反应或光由一次污染物在大气中互相作用经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物的物理、化学性质化学反应形成的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染物还强。物还强。类类 别别一次污染物一次污染物二次污染物二次污染物含硫化合物含硫化合物SO

10、2、H2SSO3、H2SO4、MSO4含氮化合物含氮化合物NO、NH3NO2、HNO3、MNO3碳的氧化物碳的氧化物CO、CO2碳氢化合物碳氢化合物（碳氢氧化合物）（碳氢氧化合物）C1C5Hn化合物化合物醛、酮、醛、酮、PAN含卤素化合物含卤素化合物HF、HCl、ClFC3颗粒物颗粒物重金属元素、多环芳烃重金属元素、多环芳烃H2SO4、SO42-、NO3-大气中主要污染物大气中主要污染物(1) 气溶胶气溶胶(aerosol)状态污染物状态污染物总悬浮颗粒物（总悬浮颗粒物（total suspended particles;TSP）飘尘飘尘(floating dust)降尘降尘(falling

11、dust)可吸入粒子可吸入粒子(inhalable particle; IP)PM10PM2.5(2) (2) 硫氧化物硫氧化物主要指主要指SOSO2 2和和SOSO3 3危害危害来源来源 参与了硫酸烟雾和酸雨的形成参与了硫酸烟雾和酸雨的形成 腐蚀性，损害植物的叶片腐蚀性，损害植物的叶片 刺激人的呼吸系统刺激人的呼吸系统 促癌作用促癌作用 燃料的燃烧过程燃料的燃烧过程SO2= SO2 硫化物矿石的焙烧、冶炼过程硫化物矿石的焙烧、冶炼过程4FeS211 O2=2Fe2O38SO2 全世界每年排入大气中的全世界每年排入大气中的SO2大大约有约有1.6亿亿1.8亿亿t。我国的我国的SO2年排放量在年

12、排放量在2000万万t左右，居世界第一位。左右，居世界第一位。(3) 氮的氧化物氮的氧化物NO和和NO2来源来源危害危害 燃料燃烧过程燃料燃烧过程生产过程生产过程生物源生物源形成酸雨形成酸雨NO2具有腐蚀性和生理刺激作用具有腐蚀性和生理刺激作用形成光化学烟雾的主要物质之一形成光化学烟雾的主要物质之一(4) (4) 碳的氧化物碳的氧化物COCOCOCO2 2 无色无嗅的有毒气体，化学性无色无嗅的有毒气体，化学性质稳定。质稳定。 机体缺氧机体缺氧 来源来源CO天然源天然源人为源：不完全燃烧（汽车尾气为主人为源：不完全燃烧（汽车尾气为主80%）CH4的转化的转化海水中海水中CO的挥发、植物排放、叶绿

13、素光解、森林火灾、的挥发、植物排放、叶绿素光解、森林火灾、农业废物焚烧农业废物焚烧223234HCOhvHCHOOHHCHOOCHOHCHOHCHCOCOCCOOC2212(4) (4) 碳的氧化物碳的氧化物COCOCOCO2 2 无毒气体无毒气体 引起温室效应引起温室效应 来源来源CO2天然源天然源人为源：矿物燃料的燃烧人为源：矿物燃料的燃烧CH4的转化的转化动植物呼吸动植物呼吸海洋脱气海洋脱气 目前，全球每年向大气排放的目前，全球每年向大气排放的COCO2 2约为约为24024010108 8t t，至，至20502050年，将增至年，将增至70070010108 8t t。 美国为美国为

14、COCO2 2排放量的第一大国，占全球总量的排放量的第一大国，占全球总量的23%23%，中国，中国次之，占次之，占13%13%。(5) (5) 碳氢化合物碳氢化合物CHCH4 4NMHC(NMHC(non-methane hydrocarbonnon-methane hydrocarbon) )温室气体温室气体 来源来源 细菌在缺氧条件下进细菌在缺氧条件下进行的有机物分解反应所产行的有机物分解反应所产生的。生的。 形成光化学烟雾形成光化学烟雾的前体物的前体物 来源来源天然源：植物释放的萜烯类化合物天然源：植物释放的萜烯类化合物人为源人为源汽油燃烧汽油燃烧焚烧焚烧溶剂蒸发、石油蒸发和运输溶剂蒸发

15、、石油蒸发和运输损耗、废物提炼损耗、废物提炼(6) (6) 含卤素化合物含卤素化合物卤代烃卤代烃其它含氯化合物其它含氯化合物氟化物氟化物 类型类型 来源来源 危害危害天然源：海洋天然源：海洋人为源：化学工业人为源：化学工业 包括包括Cl2和和HCl 来源来源 危害危害 包括包括HF、SiF4、H2SiF6、F2等。等。 来源：使用萤石、冰晶石、磷矿石和氟化氢的企业，来源：使用萤石、冰晶石、磷矿石和氟化氢的企业， 燃煤量较大的工业。燃煤量较大的工业。 危害：危害：HF和氟污染和氟污染三、大气污染物及大气污染类型三、大气污染物及大气污染类型3 大气污染类型大气污染类型 两个决定性的条件两个决定性的

16、条件 能源的性质和污染物的化学反应特性能源的性质和污染物的化学反应特性 气象条件，如阳光、风、湿度、温度等气象条件，如阳光、风、湿度、温度等3 大气污染类型大气污染类型根据污染物性质根据污染物性质3 大气污染类型大气污染类型根据燃料性质和大气污染物的组分根据燃料性质和大气污染物的组分(1) 煤炭型煤炭型(2) 石油型石油型(3) 混合型混合型(4) 特殊型特殊型 比较一次污染物和二次污染物的异同。比较一次污染物和二次污染物的异同。 查阅有关资料，了解大气中主要的污染物及其危查阅有关资料，了解大气中主要的污染物及其危害。害。 比较还原型和氧化型烟雾。比较还原型和氧化型烟雾。 室内空气污染物主要包

17、括哪些？室内空气污染物主要包括哪些？ 大气环境中污染物的化学转化大气环境中污染物的化学转化 大气环境中污染物的扩散大气环境中污染物的扩散大气污染物大气污染物“化学转化化学转化”的概念的概念 概念概念 条件条件 反应物反应物 反应的结果反应的结果 包括光化学过程和热化学过程包括光化学过程和热化学过程 均相反应和非均相反应均相反应和非均相反应污染物之间，污染物与空气污染物之间，污染物与空气形成新的二次污染物形成新的二次污染物污染物自身的物理化学性质和其他条件污染物自身的物理化学性质和其他条件光化学烟雾光化学烟雾酸酸 雨雨臭氧层的变化臭氧层的变化气体硫化物污染气体硫化物污染氮的氧化物污染氮的氧化物污

18、染一、大气光化学特性一、大气光化学特性二、硫氧化物在大气中的光化学转化二、硫氧化物在大气中的光化学转化三、氮氧化物在大气中的光化学转化三、氮氧化物在大气中的光化学转化四、大气污染四、大气污染“光化学烟雾光化学烟雾”的形成的形成一、大气光化学特性一、大气光化学特性 前提条件前提条件具备一定波长的光具备一定波长的光污染物本身的性质污染物本身的性质 光反应的过程光反应的过程原动原动力力来自于太阳辐射来自于太阳辐射能吸收太阳光使其发生初能吸收太阳光使其发生初 级反应的物质级反应的物质hChv 1 光辐射的特点光辐射的特点 光的波长越小，光的波长越小，能量越高能量越高 只有到达对流层的光才能参与对流层的

19、光化学只有到达对流层的光才能参与对流层的光化学反应（反应（380nm）2 可吸收光子的物质和非吸收光子的物质可吸收光子的物质和非吸收光子的物质 吸光物质：吸光物质：O2、O3、NO2、SO2、酮、醛类化合、酮、醛类化合物、硝基化合物等物质。物、硝基化合物等物质。 非吸光物质：非吸光物质：N2、水蒸气、水蒸气、CO、CO2、NO、SO3和硫酸、烃类化合物、醇类化合物、有机酸和硫酸、烃类化合物、醇类化合物、有机酸类化合物等物质。类化合物等物质。表表2-82-83 光化学反应光化学反应 原子、分子、自由基或离子吸收光子而发生的反原子、分子、自由基或离子吸收光子而发生的反应，称为光化学反应。应，称为光

20、化学反应。自由基：自由基： 自由基在其电子壳层的外层有一个不成对的电子，自由基在其电子壳层的外层有一个不成对的电子，因而具有很高的活性，具有强氧化作用。因而具有很高的活性，具有强氧化作用。 大气中存在的重要自由基有大气中存在的重要自由基有OH、HO2、R、RO和和RO2等。等。 来源来源OHOHOOOhvO2223 光化学反应过程光化学反应过程*AhvA21*BBA21*CCBAhvAA*MAMA*初级过程初级过程光离解光离解过程过程直接直接反应反应辐射跃迁辐射跃迁无辐射无辐射跃迁跃迁光化学光化学过程过程光物理光物理过程过程 光化学反应过程光化学反应过程次级过程：指在初级过程中的反应物、生成物

21、之次级过程：指在初级过程中的反应物、生成物之间进一步发生的反应。间进一步发生的反应。举例：大气中氯化氢的光化学反应过程举例：大气中氯化氢的光化学反应过程) 3()2() 1 (22ClClClClHHClHClHhvHClM式式(1)(1)为初级为初级 过程过程式式(2)(2)和式和式(3)(3) 为次级过程。为次级过程。一、大气光化学特性一、大气光化学特性二、硫氧化物在大气中的光化学转化二、硫氧化物在大气中的光化学转化三、氮氧化物在大气中的光化学转化三、氮氧化物在大气中的光化学转化四、大气污染四、大气污染“光化学烟雾光化学烟雾”的形成的形成二、硫氧化物在大气中的化学转化二、硫氧化物在大气中的

22、化学转化（一）二氧化硫的氧化作用（一）二氧化硫的氧化作用1 光化学氧化光化学氧化2 催化氧化催化氧化（二）硫酸气溶胶的形成过程（二）硫酸气溶胶的形成过程1 物理过程物理过程2 化学过程化学过程232212)400340()340290(SOnmhvSOSOnmhvSO（单重态）（单重态）（三重态）（三重态）（一）二氧化硫的氧化作用（一）二氧化硫的氧化作用1 光化学氧化光化学氧化(1) 直接光氧化直接光氧化初级反应：初级反应：不稳定不稳定(1) 直接光氧化直接光氧化 次级过程：次级过程：324342232SOSOSOOSOSOOSOMSOMSO223 猝灭反应：猝灭反应：(2) 间接光氧化间接光

23、氧化 自由基氧化：气态自由基氧化：气态SO2在光化学反应活跃的大气在光化学反应活跃的大气中能与强氧化性自由基反应而被氧化。中能与强氧化性自由基反应而被氧化。4232322222SOHSOOHSOHOOHOSOHOSOOHSOMM反应速反应速率加快率加快（一）二氧化硫的氧化作用（一）二氧化硫的氧化作用2 催化氧化（触媒氧化作用）催化氧化（触媒氧化作用）非均相非均相反应反应322HSOHOHSO422322SOHOHSOH催化催化42222222SOHOOHSO催化催化 催化剂催化剂 溶液的酸碱性溶液的酸碱性大气的相对湿度大气的相对湿度（二）硫酸气溶胶的形成过程（二）硫酸气溶胶的形成过程1 物理过

24、程物理过程气气 体体极小微粒极小微粒小微粒小微粒（0.0010.01m） （0.010. 1m）气相污染物气相污染物吸附、吸收吸附、吸收液滴液滴凝凝 结结碰碰 并并2 化学过程化学过程 在硫酸气溶胶中含有大量的硫酸盐，其中以硫酸在硫酸气溶胶中含有大量的硫酸盐，其中以硫酸铵为主。铵为主。 硫酸气溶胶形成过程中，可形成有机硫微粒，如硫酸气溶胶形成过程中，可形成有机硫微粒，如（C3H4S2O3）3n和（和（C5H8SO）n等。等。 424332323)(SONHSONHSONHSONH气气固，黄色固，黄色固固(H2O)(H2O)氧化氧化一、大气光化学特性一、大气光化学特性二、硫氧化物在大气中的光化学

25、转化二、硫氧化物在大气中的光化学转化三、氮氧化物在大气中的光化学转化三、氮氧化物在大气中的光化学转化四、大气污染四、大气污染“光化学烟雾光化学烟雾”的形成的形成三、氮氧化物在大气中的化学转化三、氮氧化物在大气中的化学转化（一）二氧化氮的光化学反应（一）二氧化氮的光化学反应（二）二氧化氮的化学反应（二）二氧化氮的化学反应（一）二氧化氮的光化学反应（一）二氧化氮的光化学反应223322ONONOOMOMOOONOhvNO（二）二氧化氮的化学反应（二）二氧化氮的化学反应1.NO2与与OH的反应的反应2.NO2与与O3的反应的反应22HONOOHNOM223322ONOONOONO一、大气光化学特性一

26、、大气光化学特性二、硫氧化物在大气中的光化学转化二、硫氧化物在大气中的光化学转化三、氮氧化物在大气中的光化学转化三、氮氧化物在大气中的光化学转化四、大气污染四、大气污染“光化学烟雾光化学烟雾”的形成的形成四、大气污染四、大气污染“光化学烟雾光化学烟雾”的形成的形成（一）光化学烟雾的特征（一）光化学烟雾的特征1 特征特征2 概念概念（二）光化学烟雾的形成（二）光化学烟雾的形成1 光化学反应的过程光化学反应的过程2 光化学烟雾的形成条件光化学烟雾的形成条件（一）光化学烟雾的特征（一）光化学烟雾的特征1 特征特征 烟雾呈蓝色，具有强氧化性，刺激人们眼睛，伤烟雾呈蓝色，具有强氧化性，刺激人们眼睛，伤害

27、植物叶子，能使橡胶开裂，并使大气能见度降害植物叶子，能使橡胶开裂，并使大气能见度降低。低。（一）光化学烟雾的特征（一）光化学烟雾的特征2 概念概念 光化学烟雾：含有氮氧化合物和碳氢化合物的大光化学烟雾：含有氮氧化合物和碳氢化合物的大气，在阳光中紫外线照射下发生反应所产生的产气，在阳光中紫外线照射下发生反应所产生的产物及反应物的混合物。物及反应物的混合物。（二）光化学烟雾的形成（二）光化学烟雾的形成1 光化学反应的过程光化学反应的过程 NO转化为转化为NO2 碳氢化合物（碳氢化合物（HC）氧化）氧化消耗消耗 二次污染物的生成二次污染物的生成光化学反应的过程光化学反应的过程322222222222

28、22222)()(HNONOOHCORONONOOORCHORCHONONOROOHNONOHOCOHOROhvRCHOOHOORCOHRCHOOHROOHRH（过氧酰基）223322ONONOOMOMOOONOhvNO22222222)()()()(NOOORCNOOORCNOOORCNOOORC引发引发反应反应基传递基传递反应反应终止终止反应反应烷烷醛醛（二）光化学烟雾的形成（二）光化学烟雾的形成2 光化学烟雾的形成条件光化学烟雾的形成条件(1) 地理条件地理条件纬度、季节、气象条件有关纬度、季节、气象条件有关副热带高压控制地区的夏季和早秋季节副热带高压控制地区的夏季和早秋季节(2) 污染

29、源条件污染源条件石油为动力燃料的工厂、汽车排气等污染源石油为动力燃料的工厂、汽车排气等污染源一、一、大气污染化学转化大气污染化学转化二、大气光化学特点二、大气光化学特点前提条件；光化学过程前提条件；光化学过程三、硫氧化物在大气中的光化学转化三、硫氧化物在大气中的光化学转化SO2光化学氧化和催化氧化光化学氧化和催化氧化硫酸气溶胶的形成硫酸气溶胶的形成四、氮氧化物在大气中的光化学转化四、氮氧化物在大气中的光化学转化NO2的光化学反应和化学反应的光化学反应和化学反应五、光化学烟雾的形成五、光化学烟雾的形成特征和概念；反应机制；形成条件特征和概念；反应机制；形成条件4.4 大气中污染物的扩散大气中污染

30、物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场二、大气水平运动和湍流二、大气水平运动和湍流三、影响大气污染的地理因素三、影响大气污染的地理因素四、影响大气污染的其它因素四、影响大气污染的其它因素五、大气中污染物扩散模式五、大气中污染物扩散模式4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场l两个基本概念两个基本概念l气温的垂直递减率气温的垂直递减率(vertical temperature lapse rate)干绝热递减率干绝热递减率(dry adiabatic lapse rate)mKdzdTid100/98. 0dzdT4.4 大气中污染物

31、的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场l温度层结温度层结(temperature stratification)1.正常分布层结正常分布层结2.中性层结中性层结3.等温层结等温层结4.逆温逆温气温气温t（）高高度度Z(m)12344.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场l两个问题两个问题温度层结会不会影响污染物的扩散？温度层结会不会影响污染物的扩散？如何影响？如何影响？4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场20101000md1/100m20150.5/100m减速运

32、动减速运动4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场20101000md1/100m2051.5/100m加速运动加速运动4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场20101000md1/100m20101/100m等速运动或停止等速运动或停止4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场l大气稳定度大气稳定度(atmospheric stability)1.稳定稳定2.不稳定不稳定3.中性中性4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一

33、、大气边界层的温度场l气块法气块法气 团 T，P，Ti，Pi，i重力重力G浮力浮力Fiiga)(TTTgai)(zTTzTTdii00zTgadu 当当d0，则，则a0，气块，气块加速运动，大气不稳定；加速运动，大气不稳定；u 当当d0，则，则a0，气块，气块减速运动，大气稳定；减速运动，大气稳定；u 当当d=0，a=0，大气为，大气为中性。中性。4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场dTdZzdZzTddzTdZ大气不稳定大气不稳定大气中性大气中性大气稳定大气稳定思考：大气稳定度一般的日变化规律？思考：大气稳定度一般的日变化规律？4.4 大气

34、中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场l逆温逆温(inversion layer)l气温随高度增加而增加的现象气温随高度增加而增加的现象气温气温t（）高高度度Z(m)0 大气是稳定的大气是稳定的 不利于污染物的扩散不利于污染物的扩散4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场l逆温逆温1.辐射逆温辐射逆温4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场l逆温逆温(inversion layer)1.辐射逆温辐射逆温2.下沉逆温下沉逆温3.平流逆温平流逆温4.湍流逆温湍流逆温

35、5.锋面逆温锋面逆温ABDCABDChhLAB：下降：下降L+hCD：下降：下降L+h4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场l不同温度层结下的烟型不同温度层结下的烟型1.扇型（亦称为平展型）扇型（亦称为平展型）2.圆锥型圆锥型3.波浪型（亦称为链条形）波浪型（亦称为链条形）4.熏烟型（亦称为漫烟型）熏烟型（亦称为漫烟型）5.屋脊形（亦称为城堡型）屋脊形（亦称为城堡型）4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散1. 1. 扇型（平展型）扇型（平展型）TdZ0性状大气状况发生情况地面污染情况4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散2. 2.

36、圆锥型圆锥型性状大气状况发生情况地面污染情况TdZ4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散3. 3. 波浪型（链条型）波浪型（链条型）性状大气状况发生情况地面污染情况TdZ4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散4. 4. 熏烟型（漫烟型）熏烟型（漫烟型）性状大气状况发生情况地面污染情况TdZ4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散5. 5. 屋脊型（城堡型）屋脊型（城堡型）性状大气状况发生情况地面污染情况TdZ4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散6. 6. 受限型（城堡型）受限型（城堡型）性状大气状况发生情况地面污染情况TdZ4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散二

37、、大气的水平运动和湍流二、大气的水平运动和湍流l大气的水平运动大气的水平运动气压梯度力气压梯度力重力重力地转偏向力地转偏向力摩擦力摩擦力惯性离心力惯性离心力大气运动大气运动 风风 湍流湍流4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散二、大气的水平运动和湍流二、大气的水平运动和湍流l风风l风速廓线：平均风速随高度变化的曲线。风速廓线：平均风速随高度变化的曲线。l风速廓线模式风速廓线模式对数律模式对数律模式0*lnzzKuu 指数律模式指数律模式mzzuu01中性层结中性层结非中性层结非中性层结4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散二、大气的水平运动和湍流二、大气的水平运动和湍流l大气的湍流

38、运动大气的湍流运动l湍流湍流(Turbulence)l大气湍流大气湍流一种不规则运动，其特征量是时一种不规则运动，其特征量是时空随机变量。空随机变量。无湍流情况下的无湍流情况下的烟团扩散烟团扩散湍流情况下的湍流情况下的烟团扩散烟团扩散4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散二、大气的水平运动和湍流二、大气的水平运动和湍流l大气的湍流运动大气的湍流运动l大气湍流的形成大气湍流的形成热力湍流热力湍流机械湍流机械湍流 在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作用，而在中性层结情况下，动力因子往往起主要作用，而在中性层结情况下，动力因子往往起主要作用。用。

39、4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散二、大气的水平运动和湍流二、大气的水平运动和湍流l湍流扩散理论简介湍流扩散理论简介l梯度输送理论梯度输送理论l湍流统计理论湍流统计理论l相似理论相似理论4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散二、大气的水平运动和湍流二、大气的水平运动和湍流l湍流扩散理论简介湍流扩散理论简介l梯度输送理论梯度输送理论l是根据泰勒、费克提出的分子扩散理论建立的，它假定，是根据泰勒、费克提出的分子扩散理论建立的，它假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程来描述。用同样的分子扩散方程来

40、描述。xcKxcIz4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散二、大气的水平运动和湍流二、大气的水平运动和湍流l湍流扩散理论简介湍流扩散理论简介l湍流统计理论湍流统计理论l假设条件假设条件流体中的微粒呈连续运动流体中的微粒呈连续运动物质的质量守恒物质的质量守恒大气湍流场是均匀、稳定的大气湍流场是均匀、稳定的统计学统计学理论理论4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散三、影响大气污染的地理因素三、影响大气污染的地理因素l地形和地物的影响地形和地物的影响4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散三、影响大气污染的地理因素三、影响大气污染的地理因素l山谷风山谷风4.4 大气中污染物的扩散大气

41、中污染物的扩散三、影响大气污染的地理因素三、影响大气污染的地理因素l海陆风海陆风4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散三、影响大气污染的地理因素三、影响大气污染的地理因素l城市热岛环流城市热岛环流4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散四、影响大气污染的其它因素四、影响大气污染的其它因素l污染物的性质和成分污染物的性质和成分l污染源的几何性状和排放方式污染源的几何性状和排放方式课后思考题课后思考题1.影响大气污染物扩散有哪些气象因素？其中最影响大气污染物扩散有哪些气象因素？其中最直接最本质的因素是什么？直接最本质的因素是什么？2.大气稳定度与气温垂直递减率和干绝热递减率大气稳定度与气

42、温垂直递减率和干绝热递减率的关系。的关系。3.逆温分为几种类型？逆温分为几种类型？4.试画图说明大气稳定度和烟羽形状的关系。试画图说明大气稳定度和烟羽形状的关系。5.下垫面状况对大气污染有何影响？下垫面状况对大气污染有何影响？6.什么是大气湍流？湍流是如何形成的？什么是大气湍流？湍流是如何形成的？4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散一、大气边界层的温度场一、大气边界层的温度场二、大气水平运动和湍流二、大气水平运动和湍流三、影响大气污染的地理因素三、影响大气污染的地理因素四、影响大气污染的其它因素四、影响大气污染的其它因素五、大气中污染物扩散模式五、大气中污染物扩散模式4.4 大气中污染

43、物的扩散大气中污染物的扩散l坐标系坐标系uOxyz 风向坐标系风向坐标系:x:x轴轴与平均风向一致，与平均风向一致，y y轴在水平面上与风向轴在水平面上与风向垂直，垂直，z z轴指向天顶轴指向天顶的直角坐标系。的直角坐标系。(x，-a，0)(x，-a，h)4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l高斯模式假设高斯模式假设1.污染物浓度在污染物浓度在y、z方向上的分布符合高斯正态分方向上的分布符合高斯正态分布；布；2.风速是稳定和均匀的；风速是稳定和均匀的；3.源强是连续排放；源强是连续排放；4.扩散过程中污染物扩散过程中污染物 质量守恒。质量守恒。4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩

44、散l高斯模式高斯模式222222exp2,zyzyzyuQzyxC22222)(2exp2zeyzyHzyuQC实实源实源的影响的影响uOHe(x，y，z)（He-z）4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l高斯模式高斯模式uOHeHe(x，y，z)222222exp2,zyzyzyuQzyxC22222)(2exp2zeyzyHzyuQC虚虚源虚源（He+z）4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l高斯模式高斯模式2222222)(exp2)(exp2exp2,zezeyzyeHzHzyuQHzyxC虚实ccc 扩散参数 y 和z ： y1x1， z2x2扩散参数系数1 、2、

45、1 、2与大气稳定度有关。4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l高斯模式高斯模式1 高架连续点源高架连续点源l地面浓度公式地面浓度公式l地面轴线浓度地面轴线浓度22222exp2exp0 ,zeyzyHyuQyxC222exp0 , 0 ,zezyHuQxCz=0y=0，z=00eH4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l高斯模式高斯模式(3)地面轴线最大浓度地面轴线最大浓度cmax222exp0 , 0 ,zezyHuQxCyzeuHeQc2max22maxexyHc4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l高斯模式高斯模式2 地面源地面源l任一点的浓度公式任一点的浓度公式

46、22222exp2exp0 ,zyzyzyuQzyxC0eH4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l高斯模式高斯模式2 地面源地面源l地面浓度公式地面浓度公式l地面轴线浓度地面轴线浓度222exp0 ,yzyyuQyxCzyuQxC0 , 0 ,0eH4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l高斯模式高斯模式 有效源高：He 扩散参数x、y的确定2222222)(exp2)(exp2exp2,zezeyzyeHzHzyuQHzyxC4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l烟囱有效高度的计算烟囱有效高度的计算 HHHse产生烟流产生烟流抬升的原抬升的原因？因？ 初始动量初始动量

47、浮力浮力 风风(u)和湍流和湍流 大气的稳定度大气的稳定度 下垫面状况下垫面状况Vs和和DT=Ts-Ta4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l烟囱有效高度的计算烟囱有效高度的计算l制定地方大气污染物排放的技术原则和方法制定地方大气污染物排放的技术原则和方法（GB3840GB38408383）。）。l制定地方大气污染物排放标准的技术方法制定地方大气污染物排放标准的技术方法（GB/T3840GB/T38409191）。该标准替代了）。该标准替代了GB3840GB38408383。4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l烟囱有效高度的计算烟囱有效高度的计算l我国标准（我国标准（GB/T

48、3840GB/T38409191）中推荐的公式）中推荐的公式1.1.当烟气热释放率当烟气热释放率Q Qh h2100kJ/s2100kJ/s，且烟气温度与环，且烟气温度与环境温度的差值境温度的差值T35KT35K时：时：attvahnnhTTTTTQPQuHQnH35. 010214.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散我国标准（我国标准（GB/T3840GB/T38409191）中推荐的公式）中推荐的公式2.2.当当1700kJ/s1700kJ/sQ Qh h2100kJ/s 2100kJ/s 时：时：3.3.当当Q Qh h1700kJ/s 1700kJ/s 或者或者T T35K35K

49、时：时：uQuQDVHQHHHHhhsh/1700048. 0/01. 05 . 1240017001121uQDVHhs/01. 05 . 124.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l烟囱有效高度的计算烟囱有效高度的计算l例题例题某城市远郊区有一高架源，烟囱几何高度为某城市远郊区有一高架源，烟囱几何高度为100m100m，实际排烟率，实际排烟率20m20m3 3/s/s，烟气出口温度为，烟气出口温度为200200，求在有风不稳定条件下，环境温度为，求在有风不稳定条件下，环境温度为1010，大气压力，大气压力1000hPa1000hPa，10m10m高度处风速为高度处风速为2.0m/s2

50、.0m/s的情况下，烟囱的有效源高。的情况下，烟囱的有效源高。4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散例题例题解：解：求解烟气温度与环境温度的差值：求解烟气温度与环境温度的差值：)(190283473)(28327310)(473273200KTTTKTKTatat4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散例题例题解：解：求解烟气热释放率求解烟气热释放率Q Qh h：)/(84.2811473190*20*1000*35. 035. 0sKJTTQPQtvah4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散例题例题解：解：选择烟气抬升公式：选择烟气抬升公式：n0、n1和n2的选择？u？102

51、1uHQnHnnhn0、n1和n2分别为0.33，0.6和0.4。35. 210100*207. 01212PZZUUABCDE、F城市0.100.150.200.250.30乡村0.070.070.100.150.254.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散例题例题解：求解抬升高度解：求解抬升高度H H： 烟囱的有效高度烟囱的有效高度H He e为：为：)(10535. 21*)100(*)84.2811(*332. 04 . 06 . 01021muHQnHnnh)(205105100mHHHse4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l扩散参数的确定扩散参数的确定 稳定度分类法稳

52、定度分类法示踪剂浓度法示踪剂浓度法平移球示踪法（等容球或平衡球）平移球示踪法（等容球或平衡球）固定点脉动风速仪或风温仪测定法固定点脉动风速仪或风温仪测定法放烟照相法（光学轮廓法）放烟照相法（光学轮廓法）激光测烟雷达法激光测烟雷达法环境风洞模拟实验法环境风洞模拟实验法湍流量湍流量确定法确定法PasquillPasquill扩散曲线法扩散曲线法4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散l扩散参数的确定扩散参数的确定 PasquillPasquill扩散曲线法（扩散曲线法（P P- -G G曲线法）曲线法）思路风速、云量、风速、云量、云状和日照等云状和日照等常规气象资料常规气象资料划分稳定度级别划

53、分稳定度级别六个级别：六个级别：A A、B B、C C、D D、E E、F F根据稳定度根据稳定度级别和距离级别和距离查阅图表查阅图表确定扩散参数确定扩散参数4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散PasquillPasquill扩散曲线法（扩散曲线法（P P- -G G曲线法）曲线法） 地面风速地面风速(m/s)(m/s)( (距地面距地面10m10m高处高处) )太阳辐射状况太阳辐射状况 阴天阴天( (白天白天或夜晚或夜晚) )有云的夜晚有云的夜晚白天白天薄云遮天或薄云遮天或低云低云4/84/8云量云量3/83/8强强中中弱弱266C CD DD DD DD DD D表表1 Pasqu

54、ill1 Pasquill稳定度分类方法稳定度分类方法4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散PasquillPasquill扩散曲线法（扩散曲线法（P P- -G G曲线法）曲线法）适用范围和局限性适用范围和局限性对于开阔乡村地区能给出较可靠的稳定度，但对城市地对于开阔乡村地区能给出较可靠的稳定度，但对城市地区是不大可靠的。主要是由于城市较大的地面粗糙度及区是不大可靠的。主要是由于城市较大的地面粗糙度及热岛效应对城市稳定度的影响。热岛效应对城市稳定度的影响。最大的差别出现在静风晴夜，这样的夜间，在乡村地区最大的差别出现在静风晴夜，这样的夜间，在乡村地区大气状态是稳定的，但在城市，在高度相

55、当于建筑物的大气状态是稳定的，但在城市，在高度相当于建筑物的平均高度几倍之内是微不稳定或近中性的，它上面有一平均高度几倍之内是微不稳定或近中性的，它上面有一个稳定层。个稳定层。太阳辐射的强度仅根据太阳高度角划分为强、中、弱三太阳辐射的强度仅根据太阳高度角划分为强、中、弱三档，事实上到达地面的太阳辐射不仅与太阳高度角有关，档，事实上到达地面的太阳辐射不仅与太阳高度角有关，而且与天空云量有关。而且与天空云量有关。4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散我国的国家标准规定的扩散参数的计算和选用我国的国家标准规定的扩散参数的计算和选用首先由云量与太阳高度角，由表首先由云量与太阳高度角，由表1 1查

56、出太阳辐射查出太阳辐射等级数；等级数；再由太阳辐射等级数与地面风速，由表再由太阳辐射等级数与地面风速，由表2 2确定稳确定稳定度等级；定度等级；扩散参数扩散参数y y、z z的确定（表的确定（表2-162-16）2211xxzy总云量总云量/ /低云量低云量夜间夜间太阳高度角（太阳高度角（h h0 0）1515151535353535656565654 / 44 / 4- 2- 2- 1- 1+ 1+ 1+ 2+ 2+ 3+ 35 5 7 / 47 / 4- 1- 10 0+ 1+ 1+ 2+ 2+ 3+ 38 / 48 / 4- 1- 10 00 0+ 1+ 1+ 1+ 15 / 5 5 /

57、 5 7 70 00 00 00 0+ 1+ 18 / 88 / 80 00 00 00 00 0十分制云量十分制云量太阳辐射等级数太阳辐射等级数表表1 1 由云量、太阳高度角确定的辐射等级数由云量、太阳高度角确定的辐射等级数3 3表示强太阳射入辐射表示强太阳射入辐射2 2表示中等射入辐射表示中等射入辐射1 1表示弱射入辐射表示弱射入辐射0 0表示射入与射出辐射相平衡表示射入与射出辐射相平衡-1-1表示地球存在弱的射出辐射表示地球存在弱的射出辐射-2-2表示存在强的地球射出辐射表示存在强的地球射出辐射表中的太阳辐射等级：表中的太阳辐射等级：总云量总云量/ /低云量低云量夜间夜间太阳高度角（太阳

58、高度角（h h0 0）1515151535353535656565654 / 44 / 4- 2- 2- 1- 1+ 1+ 1+ 2+ 2+ 3+ 35 5 7 / 47 / 4- 1- 10 0+ 1+ 1+ 2+ 2+ 3+ 38 / 48 / 4- 1- 10 00 0+ 1+ 1+ 1+ 15 / 5 5 / 5 7 70 00 00 00 0+ 1+ 18 / 88 / 80 00 00 00 00 0十分制云量十分制云量太阳辐射等级数太阳辐射等级数表表1 1 由云量、太阳高度角确定的辐射等级数由云量、太阳高度角确定的辐射等级数地面风速地面风速u u1010 ms ms-1-1太阳辐

59、射等级太阳辐射等级+ 3+ 3+ 2+ 2+ 1+ 10 0- 1- 1- 2- 21.91.9A AA A B BB BD DE EF F2 2 2.92.9A AB BB BC CD DE EF F3 3 4.94.9B BB B C CC CD DD DE E5 5 5.95.9C CC C D DD DD DD DD D66C CD DD DD DD DD D表表2 2 由辐射等级数及地面风速确定的稳定度级别由辐射等级数及地面风速确定的稳定度级别思考思考4.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散扩散参数扩散参数y y、z z的确定的确定查表法查表法说明：说明：对平原地区农村及城市远郊

60、区，对平原地区农村及城市远郊区，A A、B B、C C级稳定度直接由表查算，级稳定度直接由表查算，D D、E E、F F级稳定度则级稳定度则需向不稳定方向提半级后由表查算；需向不稳定方向提半级后由表查算；对工业对工业区或城区中的点源，区或城区中的点源，A A、B B级不提级，级不提级，C C级提到级提到B B级，级，D D、E E、F F级向不稳定方向提一级，再按表查级向不稳定方向提一级，再按表查算；算；丘陵山区的农村和城市，其扩散参数选丘陵山区的农村和城市，其扩散参数选取方法同工业区。取方法同工业区。表表2-162-164.4 大气中污染物的扩散大气中污染物的扩散例题例题在在D D级大气稳定