第一章 绪论-康娜

1、空气污染气象学康娜康娜大气物理系大气物理系课程介绍课程介绍p研究大气环境中由自然因子及人为因研究大气环境中由自然因子及人为因子支配构成的大气污染系统的基本特子支配构成的大气污染系统的基本特征和变化规律征和变化规律p运用气象学方法研究空气污染物自排运用气象学方法研究空气污染物自排放源进入大气层后的散布规律，其核放源进入大气层后的散布规律，其核心是心是大气输送大气输送与与扩散扩散 通过本课程学习，希望能够使学生掌握空通过本课程学习，希望能够使学生掌握空气污染扩散输送的基本概念、基本理论，为将气污染扩散输送的基本概念、基本理论，为将来从事天气、气候、空气污染、环境工程、生来从事天气、气候、空气污染、

2、环境工程、生态环境等研究工作打下基础。态环境等研究工作打下基础。p天气天气/气候气候气溶胶的直接辐射效应、间接气溶胶的直接辐射效应、间接效应、对成云致雨的影响，温室气体的温效应、对成云致雨的影响，温室气体的温室效应室效应p环境保护环境保护 环保局、环境科学研究所、电环保局、环境科学研究所、电力部门、核工程部门等等力部门、核工程部门等等p城市规划城市规划最优选址等最优选址等p生态效应生态效应全球生态环境全球生态环境课程内容课程内容第一章第一章 概述概述第二章第二章 气象条件对空气污染的影响气象条件对空气污染的影响第三章第三章 空气污染散布的基本理论处理空气污染散布的基本理论处理 第四章第四章 理

3、想条件下空气污染物散布的处理理想条件下空气污染物散布的处理 第五章第五章 城市与区域大气扩散城市与区域大气扩散参考书目参考书目p蒋维楣等编著，空气污染气象学教程（第二版），气象出蒋维楣等编著，空气污染气象学教程（第二版），气象出版社，版社，2004 2004 p蒋维楣主编，空气污染气象学蒋维楣主编，空气污染气象学 南京大学出版社，南京大学出版社，20032003p唐永銮等编著，大气环境学，中山大学出版社，唐永銮等编著，大气环境学，中山大学出版社，19881988p程胜高程胜高 张聪辰等著，环境影响评价与环境规划，中国环张聪辰等著，环境影响评价与环境规划，中国环境科学出版社，境科学出版社，199

4、9 1999 p盛裴轩等：大气物理学. 北京大学出版社,2003.pF.PasquillF.Pasquill et al ,Atmospheric diffusion, 3rd et al ,Atmospheric diffusion, 3rd edition, 1983 edition, 1983 pS.R.HannaS.R.Hanna et al, Handbook on Atmospheric et al, Handbook on Atmospheric Diffusion,3 rd Edition, 1982 Diffusion,3 rd Edition, 1982 课程安排课程安排p

5、平时成绩（平时成绩（2020） 点名、作业（点名、作业（2 23 3次）、次）、 提问、提问、报告报告p考试（闭考试（闭/ /开卷）（开卷）（8080）第一章第一章 概述概述1.1 1.1 空气污染问题空气污染问题1.2 1.2 空气污染气象学研究空气污染气象学研究1.1 空气污染问题空气污染问题1.1.1 1.1.1 空气污染空气污染 p什么是空气污染什么是空气污染 由于人为或者自然的因素，使大由于人为或者自然的因素，使大气组成的成分、结构和状态发生变化，气组成的成分、结构和状态发生变化，与原本情况相比，与原本情况相比，增加了有害物质增加了有害物质，使使环境空气质量恶化环境空气质量恶化，扰乱

6、并破坏了扰乱并破坏了人类正常的生活环境和生态系统人类正常的生活环境和生态系统p洁净大气洁净大气 氮、氧、氩、二氮、氧、氩、二氧化碳、水汽、氧化碳、水汽、悬浮物、微量气悬浮物、微量气体成分等。体成分等。 组成成分及比例基本保持不变。组成成分及比例基本保持不变。p大气环境容量大气环境容量 在自然净化能力之内所允许的污染物在自然净化能力之内所允许的污染物排放量。把满足一定环境目标的污染排放量。把满足一定环境目标的污染物排放量定位允许排放总量。物排放量定位允许排放总量。 p 既发展生产，又保护环境（既发展生产，又保护环境（书书P1图图1.1）1.1.2 1.1.2 空气污染物及其浓度空气污染物及其浓度

7、（看书，（看书，理解，掌握）理解，掌握）p 空气污染物（空气污染物（100多种多种） 以各种方式排放进入大气层，并以各种方式排放进入大气层，并且有可能对人和生物、建筑材料以及且有可能对人和生物、建筑材料以及整个大气环境构成危害或带来不利影整个大气环境构成危害或带来不利影响的物质。响的物质。 一次污染物一次污染物:原始排放的直接污染大气的污染物质原始排放的直接污染大气的污染物质 主要有二氧化硫、一氧化碳、主要有二氧化硫、一氧化碳、 氮氧化物、氮氧化物、 二二氧化氮、颗粒物（飘尘、降尘、油烟等）、氨气、氧化氮、颗粒物（飘尘、降尘、油烟等）、氨气、及含氧、及含氧、 氮、氯、硫有机化合物以及放射性物质

8、氮、氯、硫有机化合物以及放射性物质等等 二次污染物：二次污染物：经化学反应生成新的污染物质经化学反应生成新的污染物质 光化学烟雾等（洛杉矶）光化学烟雾等（洛杉矶）美国洛杉矶光化学烟雾事件美国洛杉矶光化学烟雾事件 1919世纪世纪5050年代，产业革命时期年代，产业革命时期 洛杉矶位于美国西南海岸，西面临海，三面环洛杉矶位于美国西南海岸，西面临海，三面环山，是个阳光明媚，气候温暖，风景宜人的地方。山，是个阳光明媚，气候温暖，风景宜人的地方。早期金矿、石油和运河的开发，加之得天独厚的早期金矿、石油和运河的开发，加之得天独厚的地理位置，使它很快成为了一个商业、旅游业都地理位置，使它很快成为了一个商业

9、、旅游业都很发达的港口城市。洛杉矶市很快就变得空前繁很发达的港口城市。洛杉矶市很快就变得空前繁荣，著名的电影业中心好莱坞和美国第一个荣，著名的电影业中心好莱坞和美国第一个“迪迪斯尼乐园斯尼乐园”都建在了这里。城市的繁荣又使洛杉都建在了这里。城市的繁荣又使洛杉矶人口剧增。白天，纵横交错的城市高速公路上矶人口剧增。白天，纵横交错的城市高速公路上拥挤着数百万辆汽车，整个城市仿佛一个庞大的拥挤着数百万辆汽车，整个城市仿佛一个庞大的蚁穴。蚁穴。 从从4040年代初开始，人们就发现这座城市一改以往年代初开始，人们就发现这座城市一改以往的温柔，变得的温柔，变得“疯狂疯狂”起来。每年从夏季至早秋，起来。每年从

10、夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就会出现一种弥漫天只要是晴朗的日子，城市上空就会出现一种弥漫天空的浅蓝色烟雾，使整座城市上空变得浑浊不清。空的浅蓝色烟雾，使整座城市上空变得浑浊不清。这种烟雾这种烟雾使人眼睛发红，咽喉疼痛，呼吸憋闷、头使人眼睛发红，咽喉疼痛，呼吸憋闷、头昏、头痛昏、头痛。19431943年以后，烟雾更加肆虐，以致远离年以后，烟雾更加肆虐，以致远离城市城市100100千米以外的海拔千米以外的海拔20002000米高山上的大片松林米高山上的大片松林也因此枯死，柑橘减产。仅也因此枯死，柑橘减产。仅1950195019511951年，美国因年，美国因大气污染造成的损失就达大气污染

11、造成的损失就达1515亿美元。亿美元。19551955年，因呼年，因呼吸系统衰竭死亡的吸系统衰竭死亡的6565岁以上的老人达岁以上的老人达400400多人；多人；19701970年，约有年，约有7575以上的市民患上了红眼病。这就以上的市民患上了红眼病。这就是最早出现的新型大气污染事件是最早出现的新型大气污染事件光化学烟雾污光化学烟雾污染事件。染事件。 光化学烟雾光化学烟雾是由于汽车尾气和工业废气排放造成是由于汽车尾气和工业废气排放造成的，一般发生在湿度低、气温在的，一般发生在湿度低、气温在24243232度的夏季晴度的夏季晴天的中午或午后。汽车尾气中的烯烃类碳氢化合物和天的中午或午后。汽车尾

12、气中的烯烃类碳氢化合物和二氧化氮（二氧化氮（NONO2 2）被排放到大气中后，在强烈的阳光紫）被排放到大气中后，在强烈的阳光紫外线照射下，会吸收太阳光所具有的能量。这些物质外线照射下，会吸收太阳光所具有的能量。这些物质的分子在吸收了太阳光的能量后，会变得不稳定起来，的分子在吸收了太阳光的能量后，会变得不稳定起来，原有的化学链遭到破坏，形成新的物质。这种化学反原有的化学链遭到破坏，形成新的物质。这种化学反应被称为光化学反应，其产物为含剧毒的光化学烟雾。应被称为光化学反应，其产物为含剧毒的光化学烟雾。 洛杉矶在洛杉矶在4040年代就拥有年代就拥有250250万辆汽车，每天大万辆汽车，每天大约消耗约

13、消耗11001100吨汽油，排出吨汽油，排出10001000多吨碳氢化合物，多吨碳氢化合物，3O03O0多吨氮氧化合物，多吨氮氧化合物，700700多吨一氧化碳。另外，还多吨一氧化碳。另外，还有炼油厂、供油站等其他石油燃烧排放，这些化合有炼油厂、供油站等其他石油燃烧排放，这些化合物被排放到阳光明媚的洛杉矶上空，不啻制造了一物被排放到阳光明媚的洛杉矶上空，不啻制造了一个毒烟雾工厂。个毒烟雾工厂。 光化学烟雾可以说是工业发达、汽车拥挤的大光化学烟雾可以说是工业发达、汽车拥挤的大城市的一个隐患。城市的一个隐患。5O5O年代以来，世界上很多城市都年代以来，世界上很多城市都不断发生过光化学烟雾事件。光化

14、学烟雾的形成机不断发生过光化学烟雾事件。光化学烟雾的形成机理十分复杂，其主要污染物来自汽车尾气。因此，理十分复杂，其主要污染物来自汽车尾气。因此，目前人们主要在改善城市交通结构、改进汽车燃料、目前人们主要在改善城市交通结构、改进汽车燃料、安装汽车排气系统催化装置等方面做着积极的努力，安装汽车排气系统催化装置等方面做着积极的努力，以防患于未然。以防患于未然。 大气扩散研究，第一个阶段大气扩散研究，第一个阶段根据污染物的物理形态和化学成分，可根据污染物的物理形态和化学成分，可分为：分为：颗粒污染物（颗粒污染物（TSPTSP）碳氧化物（碳氧化物（COCO2 2,CO,CO等）等）氮氧化物（氮氧化物（

15、NO,NONO,NO2 2等）等）硫化物（硫化物（SOSO2 2）卤化物卤化物(HF(HF，CLCL2 2，HCL)HCL)碳氢化合物（烷烃、烯烃及芳烃）碳氢化合物（烷烃、烯烃及芳烃）氧化剂（氧化剂（O O3 3等）等）放射性物质放射性物质 切尔诺贝利核电站事故切尔诺贝利核电站事故 事件回放事件回放 19861986年年4 4月月2626日日当地时间当地时间1 1点点2424分，分，苏联苏联的的乌乌克兰克兰共和国共和国切尔诺贝利切尔诺贝利（，ChernobylChernobyl）核能发电厂核能发电厂（原本以（原本以列宁列宁的名字来命的名字来命名）发生严重泄漏及爆炸事故。事故导致名）发生严重泄漏

16、及爆炸事故。事故导致3131人当人当场死亡，上万人由于场死亡，上万人由于放射性物质放射性物质远期影响而致命远期影响而致命或重病，至今仍有被或重病，至今仍有被放射线放射线影响而导致畸形胎儿影响而导致畸形胎儿的出生。这是有史以来最严重的核事故。的出生。这是有史以来最严重的核事故。 外泄的外泄的辐射辐射尘随着大气飘散到前苏联尘随着大气飘散到前苏联的西部地区、的西部地区、东欧东欧地区、地区、北欧北欧的斯堪地维的斯堪地维亚半岛。乌克兰、亚半岛。乌克兰、白俄罗斯白俄罗斯、俄罗斯俄罗斯受污受污染最为严重，由于风向的关系，据估计约染最为严重，由于风向的关系，据估计约有有60%60%的放射性物质落在白俄罗斯的土

17、地。的放射性物质落在白俄罗斯的土地。此事故引起大众对于此事故引起大众对于前苏联前苏联的的核电厂核电厂安全安全性的关注，事故也间接导致了苏联的瓦解。性的关注，事故也间接导致了苏联的瓦解。 2005 2005年年一份一份国际原子能机构国际原子能机构的报告认为直到的报告认为直到当时有当时有5656人丧生人丧生4747名名核电站核电站工人及工人及9 9名名儿童儿童患上患上甲状腺甲状腺癌癌并估计大约并估计大约40004000人最终将会因这次人最终将会因这次意外所带来的疾病而死亡。意外所带来的疾病而死亡。绿色和平组织绿色和平组织及其他及其他人都对研究结果作出争论。人都对研究结果作出争论。 苏联瓦解后独立的

18、国家包括俄罗斯、白俄罗苏联瓦解后独立的国家包括俄罗斯、白俄罗斯及乌克兰等每年仍然投入经费与人力致力于灾斯及乌克兰等每年仍然投入经费与人力致力于灾难的善后以及居民健康保健。因事故而直接或间难的善后以及居民健康保健。因事故而直接或间接接死亡死亡的人数难以估算，且事故后的长期影响到的人数难以估算，且事故后的长期影响到目前为止仍是个未知数。目前为止仍是个未知数。空气污染物浓度空气污染物浓度p 质量浓度：质量浓度：mg/m3p 体积浓度：体积浓度：ppm 1ppm表示表示106kg中有中有1kg溶质溶质p 大气环境质量大气环境质量 环境空气质量标准环境空气质量标准 中华人民共和国大气污染防治法中华人民共

19、和国大气污染防治法 22.4AXY污染源污染源p 空气污染源：自然源与人工源（空气污染源：自然源与人工源（P3）p 按照人类活动内容分类按照人类活动内容分类p 按照污染物排放方式分类按照污染物排放方式分类p 按照污染物排放位置分类按照污染物排放位置分类p 按照污染物排放高度分类按照污染物排放高度分类p 按照污染物排放口的形式分类按照污染物排放口的形式分类 源分布不同，采用不同的扩散模式源分布不同，采用不同的扩散模式1.1.3 1.1.3 空气污染物的空气污染物的危害危害与影响与影响p对人体健康的危害对人体健康的危害 人体受害有三条途径，即吸入污染空气、表面人体受害有三条途径，即吸入污染空气、表

20、面皮肤接触污染空气和食入含大气污染物的食物，皮肤接触污染空气和食入含大气污染物的食物，除可引起呼吸道和肺部疾病外，还可对心血管系除可引起呼吸道和肺部疾病外，还可对心血管系统、统、 肝等产生危害，严重的可夺去人的生命。肝等产生危害，严重的可夺去人的生命。p对生物的危害对生物的危害 动物因吸入污染空气或吃含污染物食物而发病动物因吸入污染空气或吃含污染物食物而发病或死亡，大气污染物可使植物抗病力下降、影响或死亡，大气污染物可使植物抗病力下降、影响生长发育、叶面产生伤斑或枯萎死亡。生长发育、叶面产生伤斑或枯萎死亡。p对物品的危害对物品的危害 如对纺织衣物、皮革、金属制品、建筑如对纺织衣物、皮革、金属制

21、品、建筑材料、文化艺术品等，造成化学性损害和玷材料、文化艺术品等，造成化学性损害和玷污损害。污损害。p造成酸性降雨，对农业、林业、淡水养造成酸性降雨，对农业、林业、淡水养殖业等产生不利影响殖业等产生不利影响p对全球气候产生影响对全球气候产生影响 如二氧化碳等温室气体的增多会导致地球大气如二氧化碳等温室气体的增多会导致地球大气增暖，导致全球天气灾害增多，又如烟尘等气溶增暖，导致全球天气灾害增多，又如烟尘等气溶胶粒子增多，使大气混浊度增加，减弱太阳辐射，胶粒子增多，使大气混浊度增加，减弱太阳辐射，影响地球长波辐射，可能导致天气气候异常。影响地球长波辐射，可能导致天气气候异常。大气污染的防治大气污染

22、的防治减少污染物排放量减少污染物排放量控制排放和充分利用大气自净能力控制排放和充分利用大气自净能力厂址选择、烟囱设计、城区与工业区厂址选择、烟囱设计、城区与工业区规划等要合理规划等要合理绿化造林，使有更多植物吸收污染物，绿化造林，使有更多植物吸收污染物，减轻大气污染程度减轻大气污染程度2008年时间段及限行措施6.1-6.30未限行7.1-7.19限制黄标车7.20-8.7奥运会前，黄标车限行+单双号限行7.20-9.20整个时段，黄标车限行+单双号限行8.8-8.24奥运会期间，黄标车限行+单双号限行8.25-9.5奥运会与残奥会之间，黄标车限行+单双号限行9.6-9.20残奥会时段，黄标车

23、限行+单双号限行9.21-11.8奥运会后，尾号限行1.2 空气污染气象学研究空气污染气象学研究 空气污染气象学：空气污染气象学： 研究空气污染问题与气象学的相互研究空气污染问题与气象学的相互关系，运用气象学原理和方法研究气关系，运用气象学原理和方法研究气象因子对空气污染物散布的支配作用象因子对空气污染物散布的支配作用和在各种条件下的影响，预测空气污和在各种条件下的影响，预测空气污染的散布及其变化规律，以求能及时染的散布及其变化规律，以求能及时处理解决空气污染问题的正确途径，处理解决空气污染问题的正确途径，保护大气环境。保护大气环境。研究内容研究内容p气象条件的影响气象条件的影响p不同尺度、区

24、域、下垫面条件不同尺度、区域、下垫面条件p环境规划与管理的科学依据环境规划与管理的科学依据p实验研究方法实验研究方法发展历史发展历史p产业革命以来，工业飞速发展，人口急剧增长，消耗了大产业革命以来，工业飞速发展，人口急剧增长，消耗了大量的煤、石油、天然气等燃料，排出的二氧化硫、二氧化量的煤、石油、天然气等燃料，排出的二氧化硫、二氧化碳等大气污染物的数量日益增多。碳等大气污染物的数量日益增多。p早在早在18611861年就有学者指出，大气中二氧化碳含量增加，温年就有学者指出，大气中二氧化碳含量增加，温室效应会增强，可能影响气候。室效应会增强，可能影响气候。p空气污染气象学的萌芽可以追溯到第一次世

25、界大战期间。空气污染气象学的萌芽可以追溯到第一次世界大战期间。英国为了研究野战时毒气浓度的预报方法，自英国为了研究野战时毒气浓度的预报方法，自19211921年起进年起进行大气扩散实验。行大气扩散实验。发展历史发展历史p4040年代，原子能工业兴起，一些国家开始进行放射性物质年代，原子能工业兴起，一些国家开始进行放射性物质污染预测和控制的研究，促进了大气扩散实验和理论研究污染预测和控制的研究，促进了大气扩散实验和理论研究的发展。的发展。p50506060年代，一些工业集中的地区和城市相继发生严重的年代，一些工业集中的地区和城市相继发生严重的大气污染事件。其原因一是排入大气中的污染物数量大浓大气

26、污染事件。其原因一是排入大气中的污染物数量大浓度高；二是气象条件不利于大气污染物的扩散和迁移。为度高；二是气象条件不利于大气污染物的扩散和迁移。为了控制和消除大气污染，一些国家开展了城市或区域性的了控制和消除大气污染，一些国家开展了城市或区域性的大气污染物输送、扩散、迁移和转化规律的实验和研究，大气污染物输送、扩散、迁移和转化规律的实验和研究，并在一些污染严重的地区开展了大气污染预报的研究。并在一些污染严重的地区开展了大气污染预报的研究。发展历史发展历史p7070年代，在全球范围内出现了频繁的气候灾害，如非洲出年代，在全球范围内出现了频繁的气候灾害，如非洲出现严重干旱等，人们把这些现象归因于大

27、气污染。这样就现严重干旱等，人们把这些现象归因于大气污染。这样就推动了许多气象学者不仅进行气象因素对污染物扩散影响推动了许多气象学者不仅进行气象因素对污染物扩散影响的研究，而且开展了大气污染对天气、气候影响的研究。的研究，而且开展了大气污染对天气、气候影响的研究。p同时，高空飞行器对平流层的污染以及污染物在平流层和同时，高空飞行器对平流层的污染以及污染物在平流层和对流层之间的迁移转化，促使人们研究全球性的大气污染对流层之间的迁移转化，促使人们研究全球性的大气污染与气象的关系。与气象的关系。p在此基础上，气象学分出一个新的学科在此基础上，气象学分出一个新的学科污染气象学。污染气象学。发展历史发展历史p第一阶段第一阶段 2020世纪二十年代五十年代，产业革命后，工业经济的发世纪二十年代五十年代，产业革命后，工业经济的发展，尤其是与能源利用伴随而来的空气污染问题及二次世展，尤其是与能源利用伴随而来的空气污染问题及二次世界大战的防化学武器和后来和平利用原子能和核气象学的界大战的防化学武器和后来和平利用原子能和核气象学的发展需要。发展需要。 基于均匀定常假设、小尺度，基于均匀定常假