第三章大气污染与气象条件..ppt

1、第三章大气环境污染与气象条件,3.1风与湍流对大气环境污染的影响 3.2大气稳定度与烟型 3.3气压与降水对大气环境的影响 3.4下垫面条件对大气污染的影响 3.5大气污染对气候的影响,一个地区的污染物向大气中的排放数量，在一定时期内变化不大，但是大气环境中污染物浓度往往变化很大 原因是气象条件不同,3.1风与湍流对大气污染的影响,3.1.1 风对扩散和输送的影响 3.1.2 湍流的影响,3.1.1 风对扩散和输送的影响,风的影响包括: 方向 速度 风频,(1) 风向,决定污染物的迁移方向-一般风的水平运动，将污染物向下风的方向输送 污染区总是在污染源的下风方向 风向的变动：使烟流轮廓曲折，其

2、作用类似花园里摇动的浇水龙头 作用：加宽了烟流的时间平均宽度,(2) 风速,决定污染物冲淡稀释的速度,可见：风速U越大，单位时间内通过烟囱口的空气体积越大，单位体积混合气体内的污染物浓度就越小,风速在两层气流间及与地面间引起被迫对流，对流产生湍流，湍流加速烟气与周围洁净空气的混合稀释 风速影响输送距离 U L 污染物浓度C 污染减轻 相反，U L 污染物积累 浓度,（3）风频,即出现风的几率 对某些地区讲 某方向风出现的机会大，其下风侧被污染的机会就多 即污染程度：与风向频率成正比,大气污染物浓度： 正比于：Q排放量 正比于：风频 反比于：U环境风速,3.1.2 湍流的影响,大气风时大时小，沿

3、主导风向会出现上下，左右的无规律摆动，这种无规律的摆动即大气湍流。 作用：湍流扩散 高浓度的污染气团，通过湍流作用，与附近洁净气体混合稀释 热力湍流 湍流 动力湍流 湍流的混合能力大 （雷诺实验）,小结,总的来讲，风与湍流的作用： （1）把污染物从污染源输送走； （2）把污染物稀释扩散开来，即与周围 气体混合,3.2 大气稳定度与烟型,3.2.1 稳定度对大气环境污染的影响 3.2.2 逆温与大气污染 3.2.3 稳定度与烟型,3.2.1 稳定度对大气污染的影响,大气稳定度 指整层空气的稳定程度 空气团受冲击后： 运动减速，有返回原来位置趋势，稳定的 逐渐加速，有离开原来位置的趋势，不稳定 既

4、不加速也不减速，中性 实质上：取决于气团的轻重（与周围空气比）,大气稳定度,影响大气扩散能力，影响因素有： 动力因素：风，湍流 热力因素：大气温度层结、气温的 绝热变化,温度层结,指大气温度随高度的变化情况-大气温度的垂直分布，它决定大气的稳定度,影响湍流的强度 总的趋势：H t 用气温垂直直减率r来表示, =0.65/100m,气温垂直直减率r,当 0 空气上下对流,随之湍流发展，对污染物扩散有利 当 0 等温层 空气没有垂直运动，不利于污染物扩散，稀释 当 0 逆温层 H t 空气对流和湍流 被抑制，污染物极难扩散,温度的绝热变化,大气中，气团作垂直运动，近似绝热过程，其状态变化近于绝热变

5、化 干燥气团（未饱和）在大气中垂直上升（下降）100m，温度降（升）1 。称干绝热减温率 g g近似为常数，不同于(随地气系统变化) 湿空气团（水份饱和），绝热上升，有水汽凝结放热，加热气块。所以，饱和湿度空气绝热上升减温率m恒小于干绝热减温率m g,绝热减温率,湿绝热减温率m恒小于干绝热减温率 m g, d, m,趋于平行,lnP,t,大气稳定度与大气污染,大气温度直减率可判断其稳定性 d 大气层结不稳定 d 大气层结稳定(逆温) = d 大气层结中性(等温) 大气越不稳定, 大气越稳定 大气稳定度与大气污染的关系； d大气不稳定、湍流和对流发展充分，扩散稀释能力强 d大气稳定、形成阻挡层、

6、湍流和对流不易发展，扩散稀释能力弱，易造成污染。,3.2.2逆温与大气污染,逆温： 对流层一般 H t 有时 H t 即逆温象，该气层为逆温层 逆温的类型 根据成因：有辐射逆温-辐射作用，夜间地面冷却快形成，日出前最大，日出后消失。 下沉-空气下沉压缩增温作用（高气压区）形成的。 地形-地形造成，盆地，谷地，山脉背风侧的逆温 平流-一暖空气流到冷垫面上形成，取决于两者温差。 峰面-冷暖空气流相遇形成的倾斜过度层（峰面）,典型逆温,温度t,高 度 H,逆温,辐射逆温,逆温影响,逆温层能阻碍空气上升运动的发展，使空气中的杂质，尘埃聚集其下，造成低温大气层能见度差；污染聚集，空气质量下降，大气污染加

7、剧 逆温强度愈大，污染物愈不易扩散和稀释 影响最大的是： 辐射逆温 下沉逆温 地形逆温,3.2.3稳定度与烟型,大气稳定度不同，烟羽形状亦不同，归纳有下列五种： （1）平展型 （2）锥型 （3）波浪型 （4）熏蒸型（漫烟型） （5）上升型（屋脊型）,平展型,出现在稳定条件下，湍流受抑（尤其铅直方向）烟象扁平的飘带伸向远方。长时间看，会造成有效的侧向扩散,锥型,出现在近中性条件，湍流强度比平展型要大，比不稳定条件要小，该扩散现象一般是微风和云天的特征,波浪型(翻卷型),出现在不稳定条件下，湍流活动强，扩散迅速，多见夏季晴天，中午前后,熏蒸型（漫烟型）,出现在上稳下中，日出以后，低层空气升温 形成

8、上稳下中的温度层结，出现该种烟型。此时风力较好，烟不能向上扩散，只能向下,上升型（屋脊型）,温度层结与熏蒸型相反，逆温层在烟囱高度以下，烟向上扩散，常出现在日落后一段时间,烟型气象条件与地面浓度的关系,3.3 气压与降水对大气环境的影响,3.3.1 气压的影响 3.3.2 降水对大气环境的影响,3.3.1 气压的影响,气压不同，气象条件差异大，造成大气污染程度不同 （1）高气压 高气压-大范围空气下沉-在几百米到1-2 公里高度上形成下沉逆温层，该逆温层象盖子 一样，阻止污染物向上扩散 如高气压停留时间长，只要有足够的污染物排 放，即可造成污染危害 高气压-往往形成高度污染,（2）低气压 一般

9、大气处于不稳定状态，对污染物扩 散稀释有利 低气压中往往有降水，有冲刷作用。 所以低气压影响不会造成大气污染的 发生,3.3.2 降水对大气环境的影响,降水是清除大气污染物是一个重要机制 该过程称：降水清除 降水洗脱 该过程包括： （1）污染物颗粒充当降水凝结核-地面 （2）雨滴下降过程中碰撞，捕获一部分颗粒物,颗粒污染物的清除,理论上相当复杂 有关因素有：（1）雨雪大小 荷电情况 雪的形成 （2）微粒大小 微粒带电状况 表面性质（稀释性） （3）降雨的强度,雨滴捕获物理模型,如右图：雨点以下降，半径r ，单位时间扫过的空间r2，空气中污染物浓度g ，遇上雨的污染物都被捕获,r,雨滴捕获方程,

10、单位时间内雨滴捕获的污染物质量为： r2g,受湍流作用，捕获不完全，进行修正Eb (捕获率),设单位体积内半径在r与r+dr之间的雨滴有Nr个,则单位时间单位体积内雨滴捕获的污染物量为,r2gEb,雨滴捕获方程,雨滴捕获方程的解,解方程有：,式中 g, g0-冲刷前后大气中污染物浓度 t - 时间,-冲洗系数，,结论： 在降水的冲洗作用下，污染物浓度随时间按照指数规律下降 实际与理论计算有出入，原因：仍有污染物的排放 仍有污染物的输送 雨、颗粒等运动复杂,冲洗系数,可见： 污染物粒径越大，冲洗系数越大 降雨量越大，冲洗系数越大,4,8,12,16,104/s,降水速率 mm/h,颗粒直径 m,

11、40,18,8,4,气体污染物的清除,该过程较固体颗粒复杂，气体分子被雨滴捕获的过成是可逆的，此过程实质上是扩散过程 捕获与否取决于： （1）污染物与雨滴相遇的机率 （2）雨滴与大气交界面上气体污染物的浓度梯度,气体污染物冲洗系数,当污染物在雨滴内浓度增大或经过干净大气时，会发生逆过程,污染物浓度梯度，在大气中扩散率,冲洗系数,K-气相质量转化系数-“表示扩散率” g0-污染物的气相平衡浓度,小结,气体污染物的降水冲洗效果较固体颗粒差 降水净化作用与 降水强度 持续时间有关 作用 注意：降水冲洗虽使空气净化，但污染 土地或水体 如：酸雨-使土地的酸化,3.4 下垫面对大气污染的影响,3.4.1

12、 山谷地形 3.4.2 水体影响 3.4.3 城市效应,下垫面的影响是通过影响气象条件、气流实现的 影响方式有两种： 动力作用 粗糙度、地形改变流场（改变扩散稀释条件） 热力作用 下垫面的性质不同造成受热，散热不均温度场、风场变化影响污染物扩散和稀释,3.4.1 山谷地形,山谷风 白天：气流顺坡谷上升-上坡风 晚间：气流顺坡谷而下-下坡风 这种昼夜交替的局地环流，使污染物在谷地往返积累 这种地形与外界大气交换困难，污染严重，许多世界性重大污染事件发生在这种地形条件下 如：比利时马撕河谷30年12月的污染事故60人死亡24人发病。美国洛杉机43年的光化学烟雾时件,山脉丘陵 气流绕越山岭，小丘，迎

13、风坡气流上升，流线密集，风速增大，山峰后形成大气涡漩，受污染重,烟囱设计一定要高于周围建筑物5米以上,3.4.2 水体影响,海陆风与污染 海面与地面吸收，反射，导热等差异较大，出现海陆风 白天：风从海面吹向陆地-海风 夜晚：风从陆地吹向海面-陆风 海风比陆风要大的多 海陆风交替作用，可能造成近海地区的污染 要避免在海陆风影响地区建造重工业化工厂,海陆边界层,海陆交界处，陆地粗糙，海面平滑，形成海陆边界层 吹向海面的风，湍流小。 吹向地面的风，湍流大，波及上层，扩散参数剧增，造成污染物向地面的迅速扩散。 如：日本多山，川崎就是这种情况的典型受害者,3.4.3 城市效应,城市下垫面结构特珠，对污染

14、物的扩散与输送影响较大 城市建筑加大了地面粗糙度 城市的动力效应 风速减小，缩短了输送距离 局地机械湍流增加污染物就地扩散加快,城市风,由于城市热岛的存在，城市上空具有不稳定的温度层结，下暖上冷造成污染物在城市中扩散较强烈。 城市风 城市与郊区间存在如图所示的“热岛环流”-城市风。,可能：（1）把市区污染物带到郊区；（2）把城市带出的及郊区的污染物一起带到城市。（3）造成城市空气的质量恶化,3.5 大气污染对气候的影响,3.5.1大气污染对局地气候的影响 3.5.2大气污染对全球气候的影响,3.5.1大气污染对局地气候的影响,降低大气能见度 减少太阳的直接辐射和日照时数 大气污染对云，雾，降水

15、的影响 颗粒物的气候效应 反射率和热效应,降低大气能见度,能见度：大气的清洁程度和清楚看到远处目标的可能性 白天的能见度：水平方向肉眼看到的黑色目标的最远距离 m, km 大气能见度与大气组成（气，液，固）有关 光学性质消光系数 bext=bsg+bsp+bsw+bag+bap g气体 p-颗粒 w-水 s-光散射系数 a-光吸收率,大气能见度的确定,Koschmieder： =3.912/ bext R.Penndorf： 清洁空气在20、1013.25hpa下，对可见光的散射系数 bsg=0.114 10-4 m-1 大气吸收可见光主要在红外和微波段，靠NO2，吸收系数 bag=3.3NO

16、2 气溶胶粒子主要由碳黑对光吸收 bap=0.09CB 气溶胶粒子与光散射间的关系bsp=aS+bC+cR+d s-(NH4)2SO4 C-有机碳和元素碳纸和 R-其他颗粒,影响能见度的主要物质,影响能见度主要物质有： 颗粒物、硫酸盐、硝酸盐、碳黑等， 50% 硫酸盐对消光系数贡献率最大50% 含碳化合物对消光系数贡献率次之20-30% 北京地区大气能见度逐年降低，7079年10年间从7度6度 主要耗能煤占80%平均年增750kt 改善方法：控制二氧化硫排放率 控制颗粒物的排放,减少太阳的直接辐射,太阳直接辐射=f(太阳高度,大气透明度) 大气污染 直接辐射减小 太阳间接辐射=f(太阳高度,大

17、气透明度)） 大气污染 散射辐射增加,减少太阳的日照时数,上海统计1961-1970上海日照平均2092.3小时郊县2137.4小时,大气变混、低云量增加,飘尘、烟雾及各种气态污染物增多,日照时数 日照百分率,大气污染,大气污染对雾的影响,观察统计证明： 城市中心或城市边缘的雾比郊区多 即污染增加-雾增多 原因： 城市空气中粉尘多，吸湿性核较丰富 条件适宜时，空气中的水并未达到饱和，相对 湿度为70%-80%时，城市中往往会有雾出现。 汽车尾气在强太阳光照射下产生“光化学烟雾”。 郊区空气湿度虽比城市大，但凝结核少雾少,大气污染对云的影响,空气污染云量增加 这在上世纪初已引起注意 如：美国圣路

18、易斯地区 观察到云首先在城市中心和城北炼油厂上空形成，这里积云出现濒率是附近地区的3倍以上 上海60年-80年统计 城市中心总云量、低云量皆比郊区县多 城市中云量增多的原因是： 城市热岛效应，有利于对流云的形成 城市下垫面粗糙度高，机械湍流作用有利于低云的形成 城市空气中的凝结核多 城市和工厂的人为水汽排放多,大气污染对降水的影响,大气污染对降水的影响目前尚有争议，有的认为为增加，有的认为减少。,Changnon章农的观点,污染增加降水量、降水日增加 如国芝加歌城附近48公里的拉波特市(人口10万)密执安湖南岸，在湖风作用下，芝加哥的烟尘易在此集中，在其方圆200公里范围内降水量增加显著，与该

19、地区平均值比,年降水量+31%。雷日+38%，雨日+246%,Spar斯帕尔的观点,Spar斯帕尔的观点刚好与章农相反 污染增加降水量、降水日减少 纽约城曼哈顿区中央公园(1926-1961年)35的降水记录分析发现，其降水量比周围郊区10个站的降水量减少,每年约递减5毫米,Schaefer赛费尔的观点,Schaefer赛费尔指出 城市空气中有效凝结核增加，可沿下风方向飘几十乃至一百多公里形成云而不下雨 原因可能是：凝核太多形成的小云滴小于20微米，单位体积内产生这种小云滴过多，使云层处于稳定而不降雨,Pueschel普诗尔的观点,Pueschel普诗尔研究发现 废气污染物中有两种物质对降水有

20、明显影响 硝酸盐类：粒子较大，半径=1m，善于吸收水汽这种粒子多，云足够厚，有利于降水形成 硫酸盐类：粒子较大，半径20亿吨/年CO2 森林农田 生物界CO2储存量减少 土地耕作,大量有机物被细菌分解逸出大量CO2,二氧化碳的循环图(109吨),CO2浓度增长速度,这样有80亿的CO2过量：部分被植物光合作用吸收；大部分被海洋吸收（吸收很慢） 最新研究证明：海洋中CO2与大气中CO2达到平衡约需1000年，海洋只能吸收大气中CO2增量的一半，约需几千年才能达到新平衡 过去100年人类把燃烧的4150亿吨 CO2大气 CO2增加15%，由CO2理论计算全球气温增长0.83度这与近100年气温升高

21、基本吻合 但是随着化石燃料消耗大大增加，CO2排放也大大增加,温室效应的影响,以目前增长速度，50年后大气中CO2加倍，全球气温增长1.5-3度，高纬度区4-10度,其后果可能是灾难性的 可能使南极洲冰盖部分解冻，尤其西部南极海面下的冰盖对温度敏感，如其解冻海面上升5米： （1）低地势的沿海城市被淹 （2）全球气温，旱情 ，气候反常，土地沙化 （3）大气中CO2，植物光合作用增加增产 大气中的CO2浓度是影响地球气温的主要因素,1972年真锅计算表明， CO2增加1倍，地表温度升高，从赤道到50纬度，升2度，在纬度80，升高11度 化石燃料的燃烧是大气中CO2增加的主要原因 煤燃烧释放单位热量

22、排放的CO2比石油，天然气高 另有：大气漂尘（“阳伞效应”散射太阳辐射，地温降低大气中飘尘4000万吨 其中1000万吨是认为排放，地表反射变化，森林砍伐，沙漠化 大气中CO2浓度增加在短期内是无法逆转的，据估算如将今天技术能开采的矿物燃料全部燃掉，大气中CO2浓度比工业革命前增加5-10倍，全球气温增7-12度,1979年世界气候会议（日内瓦）,指出： “CO2在决定地球大气温度方面起十分重要的作用” “大气中CO2含量不断增加会使低层大气普遍增暖，特别是高纬度地区” “矿物燃料的燃烧，森林的砍伐和土地使用的变化使大气中CO2的含量在上个世纪中增加了15%，目前每年增加0.4%” “大量使用

23、氮肥和排出氯氟甲烷也可能引起气候变化” “气候的普遍增暖似乎是全球气候变化的主要趋势,大气污染对臭氧层的影响,臭氧：高度活跃，有毒气体（氯气味, 0.02ppm即可闻到），总质量3.29109t,即大气质量的0.6410-6t.标况下只是0.3cm厚的一薄层 臭氧的作用 （a）吸收紫外带(290-320m)的紫外光，保护地球上的所有生命 （b）通过吸收紫外线，加热平流层，造成平流逆温层使低层大气难于和高空大气混合 这对地球气候有重大影响,臭氧的形成,海平面大气中臭氧浓度为亿分之一，从5-10公里臭氧逐渐增加，20-30公里高度形成臭氧层，浓度达最大15ppm 在平流层上部，受波长短于242微米的高能紫外线作用，氧分子发生光化学分解，形成氧原子，再与氧分子结合形成臭氧层 化学反应如下：,hr-242nm光能=plank常数光的频率 M催化剂，能吸收能量的粒子,臭氧层破坏,Chapman的经典理论认为： 紫外线和可见光波段的辐射引起光解作用