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1、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 湍流的影响第1页/共85页3.1.1 风对扩散和输送的影响 风的影响包括:方向速度风频第2页/共85页(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第3页/共85页(2)风速 决定污染物冲淡稀释的速度风速u=2m/s2m1个烟团/s风速u=6m/s6m1个烟团/s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第4页/共85页
2、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UL污染物浓度C污染减轻相反，UL污染物积累浓度距离L风速UU2U1第5页/共85页（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：与风向频率成正比第6页/共85页 大气污染物浓度：正比于：Q排放量正比于：风频反比于：U环境风速第7页/共85页 3.1.2 湍流的影响 大气风时大时小，沿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
3、力湍流 湍流的混合能力大（雷诺实验）第8页/共85页 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，即与周围气体混合第9页/共85页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 稳定度与烟型第10页/共85页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）比环境大气重：下降 轻：上升 重：不上不下第11页/共85页大气
4、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、气温的绝热变化第12页/共85页 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：Ht用气温垂直直减率r来表示,=0.65/100m第13页/共85页 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Ht空气对流和湍流 被抑制，污染物极难扩散第14页/共85页 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化 干燥气团（未饱和）在大气中垂直上升
5、（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mg第15页/共85页 绝热减温率 湿绝热减温率m恒小于干绝热减温率mgdm趋于平行 lnPt第16页/共85页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、湍流和对流不易发展，扩散稀释能力弱，易造成污染
6、。tii dtd airtZtii dtd airtZtii=dtd airtZ第17页/共85页 3.2.2逆温与大气污染 逆温：对流层一般Ht有时 Ht 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）第18页/共85页 典型逆温温度t高度H逆温辐射逆温暖气流冷气地形逆温平面逆温第19页/共85页 逆温影响 逆温层能阻碍空气上升运动的发展，使空气
7、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 地形逆温第20页/共85页 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）第21页/共85页 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Ht第22页/共85页 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Ht第23页/共85
8、页 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Ht第24页/共85页 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Ht第25页/共85页 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Ht第26页/共85页烟型气象条件与地面浓度的关系 形状 温度层结 天气状况 风（湍流）地面污染程度平展型 垂 直 伸 展小延伸远稳定 弱风的晴天，早晨，地面平坦有积雪时常发生微风湍流弱地面浓度低锥型 规则圆锥 中性；弱逆温等温阴天风强时风较
9、大机械湍流强地面浓度低波浪型 波浪型 超绝热 晴天日照强的白天强对流微风近烟囱处浓度大熏蒸型 上部平展下 部 迅 速向下扩展上部稳定下部不稳多在晨日出后下部湍流扩散强上部很弱地面浓度高上升型 下部平展上 部 迅 速向上扩散上部不稳下部稳定晴天日落后弱风下部湍流弱地面浓度低第27页/共85页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第28页/共85页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
10、间长，只要有足够的污染物排放，即可造成污染危害高气压-往往形成高度污染第29页/共85页（2）低气压一般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第30页/共85页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，捕获一部分颗粒物第31页/共85页 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）降雨的强度第32页/共85页雨
11、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第33页/共85页雨滴捕获方程 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雨滴捕获方程第34页/共85页雨滴捕获方程的解 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、颗粒等运动复杂第35页/共
12、85页冲洗系数 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481216104/s降水速率 mm/h颗粒直径 m401884第36页/共85页气体污染物的清除 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第37页/共85页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第38页/共85页小结 气体污染物的降水冲洗效果较固体颗粒差 降
13、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-使土地的酸化第39页/共85页3.4 下垫面对大气污染的影响 3.4.1 山谷地形 3.4.2 水体影响 3.4.3 城市效应第40页/共85页 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第41页/共85页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
14、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电厂夜晚电厂白天第42页/共85页 山脉丘陵 气流绕越山岭，小丘，迎风坡气流上升，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米以上电厂电厂第43页/共85页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陆风海风第4
15、4页/共85页海陆边界层 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 第45页/共85页 3.4.3 城市效应 城市下垫面结构特珠，对污染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 第46页/共85页 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
16、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城市热到环流第47页/共85页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第48页/共85页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，降水的影响 颗粒物的气候效应 反射率和热效应第49页/共85页降低大气能见度 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
17、+bsw+bag+bapg气体p-颗粒w-水s-光散射系数a-光吸收率第50页/共85页大气能见度的确定 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=0.11410-4m-1 大气吸收可见光主要在红外和微波段，靠NO2，吸收系数bag=3.3NO2 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+ds-(NH4)2SO4C-有机碳和元素碳纸和R-其他颗粒第51页/共85页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
18、%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 控制颗粒物的排放第52页/共85页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,大气透明度)）大气污染 散射辐射增加太阳总辐射间接地表太阳 直接散射大气透射反射大气分子，云滴，颗粒等从四面八方散射来的第53页/共85页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
19、、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第54页/共85页 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，但凝结核少雾少第55页/共85页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
20、 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第56页/共85页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。第57页/共85页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，与该地区平均值比,年降水量+31%。雷日+38%，雨日+246%第58页/共85页Spar斯帕尔的观点 Spar斯帕尔的观点刚好与
21、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毫米第59页/共85页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第60页/共85页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
22、形成 硫酸盐类：粒子较大，半径0.1m，该微粒数增高易于云的胶性稳定，不利与降水第61页/共85页降水与凝核间关系 降水与凝核间的关系复杂 污染空气中凝核较多北大西洋波多黎各岛洁净空气中凝结核50粒/cm3未受污染的郊区空气中凝结核200粒/cm3岛北岸圣湖安城下风侧凝结核1000-1500粒/cm3在城市下风侧160公里范围内仍受影响 剧美国1971-1975年大城市气象观察，圣路易城下风方向 15-25km处,雨，闪电，雹都达最大值。总之，污染与降雨关系复杂，需进一步研究第62页/共85页颗粒物的气候效应 地球上不同高度的大气层在任何时间携带着10亿吨的颗粒物 它来自自然和人为两种因素第63页/共85页