何強(qiáng)環(huán)境學(xué)導(dǎo)論課件-大氣污染氣象

1、 并不是說只要有污染物排入大氣，就并不是說只要有污染物排入大氣，就會出現(xiàn)空氣污染事故，因為大氣存在自凈會出現(xiàn)空氣污染事故，因為大氣存在自凈作用，包括降雨洗刷作用、重力沉降作用、作用，包括降雨洗刷作用、重力沉降作用、吸附作用、化學(xué)反應(yīng)作用等等；但在降低吸附作用、化學(xué)反應(yīng)作用等等；但在降低污染物的危害方面，最重要的還是空氣本污染物的危害方面，最重要的還是空氣本身的稀釋和分散作用。這就要考慮氣象條身的稀釋和分散作用。這就要考慮氣象條件。件。第14章 大氣污染氣象學(xué)14.114.1 地球大氣圈的結(jié)構(gòu)地球大氣圈的結(jié)構(gòu)14.214.2 影響空氣污染的氣象因素影響空氣污染的氣象因素14.314.3 空氣污染

2、對氣候的影響空氣污染對氣候的影響 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 1. 1.地球的大氣圈地球的大氣圈 我們把隨地球引力而旋轉(zhuǎn)的大氣層稱為大氣圈。在地我們把隨地球引力而旋轉(zhuǎn)的大氣層稱為大氣圈。在地球場內(nèi)受引力而旋轉(zhuǎn)的氣層。在一般球場內(nèi)受引力而旋轉(zhuǎn)的氣層。在一般情況下，可以將地球表面到情況下，可以將地球表面到100014000km的氣層作為的氣層作為大氣圈。地球大氣圈的總質(zhì)量估計為大氣圈。地球大氣圈的總質(zhì)量估計為 t t。 大氣圈中的空氣分布是不均勻的。海平面上的空氣大氣圈中的空氣分布是不均勻的。海平面上的空氣稠密。在近地層的大氣層里，氣體的密度隨高度上升而稠密。在近地層的大氣層里，氣體的密度隨高度上升

3、而迅速變稀，但是在迅速變稀，但是在4001400km的大氣層里，空氣是漸的大氣層里，空氣是漸漸變稀薄的。漸變稀薄的。156 1014.1 14.1 地球大氣圈的結(jié)構(gòu)地球大氣圈的結(jié)構(gòu)大氣圈:隨著地球旋轉(zhuǎn)的大氣層。（高度可達(dá)高度可達(dá)10000km ）一、大氣的結(jié)構(gòu)一、大氣的結(jié)構(gòu)（一）大氣圈（一）大氣圈空氣密度分布特點：海平面處空氣密度最大，隨高度的增加，空氣密度逐漸變小。（二）、大氣圈結(jié)構(gòu)（二）、大氣圈結(jié)構(gòu) 大氣在垂直方向大氣在垂直方向上的溫度、組成、上的溫度、組成、物理性質(zhì)上存在物理性質(zhì)上存在差異，分為差異，分為5 5個個大氣層：大氣層：對流層對流層平流層平流層中間層中間層熱層（電離層）熱層（電

4、離層）1010505080801101100 0高度高度(km)(km)200250300溫度溫度 （k）對流層是對人類生產(chǎn)、生活影響最大的一個層對流層是對人類生產(chǎn)、生活影響最大的一個層人類活動排放的污染物主要在對流層中聚集，大氣污染現(xiàn)人類活動排放的污染物主要在對流層中聚集，大氣污染現(xiàn)象也主要發(fā)生在這一層象也主要發(fā)生在這一層溫度隨高度增加而降低，溫度隨高度增加而降低，6/1km6/1km集中了占大氣質(zhì)量集中了占大氣質(zhì)量80%80%的空氣和幾乎全部的水蒸氣量的空氣和幾乎全部的水蒸氣量空氣具有劇烈的對流運動空氣具有劇烈的對流運動 云、霧、雨、雪等云、霧、雨、雪等對流層對流層（troposphere

5、）：污染物一旦進(jìn)入平流層，滯留時間可長達(dá)數(shù)十年，污染物一旦進(jìn)入平流層，滯留時間可長達(dá)數(shù)十年， 易造成易造成大范圍以至全球性的影響大范圍以至全球性的影響1.1. 高度大約至高度大約至50-55km50-55km處；處；2.2. 溫度隨高度升高而升高溫度隨高度升高而升高；3.3. 15-35km15-35km處有一層臭氧層；處有一層臭氧層；4.4. 平流運動占顯著優(yōu)勢平流運動占顯著優(yōu)勢平流層作用平流層作用（1 1）能大量吸收）能大量吸收波長小于波長小于300nm300nm的紫的紫外線；外線；（2 2）對地球起保）對地球起保溫作用溫作用特點：特點：平流層（平流層（stratospherestrato

6、sphere）：）：高度大約至85km處；氣溫隨高度的增加而迅速降低；空氣稀薄，有強(qiáng)烈的垂直對流運動中中 間間 層層暖層（暖層（thermospherethermosphere） （電離層（電離層ionosphereionosphere ）氣溫隨高度的增氣溫隨高度的增加而增加加而增加電離層的作用電離層的作用v電離層能反射電離層能反射地面發(fā)射的電地面發(fā)射的電磁波磁波特點特點特點：特點：大氣極為稀薄，氣溫高，分子運動速度快大氣極為稀薄，氣溫高，分子運動速度快散逸層（外逸層）散逸層（外逸層）14.2 14.2 影響空氣污染的氣象因素影響空氣污染的氣象因素 實踐證明，風(fēng)向與風(fēng)速、大氣的穩(wěn)定度、降實踐證

7、明，風(fēng)向與風(fēng)速、大氣的穩(wěn)定度、降水情況和霧，是影響空氣污染的重要氣象因素。水情況和霧，是影響空氣污染的重要氣象因素。n1. 1. 風(fēng)的影響風(fēng)的影響n2. 2. 大氣的穩(wěn)定性大氣的穩(wěn)定性n3. 3. 降水的影響降水的影響n4. 4. 霧的影響霧的影響n5. 5. 空氣污染空氣污染“事故日事故日”與污染指數(shù)與污染指數(shù)1. 1. 風(fēng)的影響風(fēng)的影響包括包括風(fēng)向和風(fēng)速風(fēng)向和風(fēng)速大小兩個方面。大小兩個方面。 風(fēng)向影響著污染物的擴(kuò)散方向；風(fēng)向影響著污染物的擴(kuò)散方向； 風(fēng)速決定污染物的擴(kuò)散和稀釋狀況。風(fēng)速決定污染物的擴(kuò)散和稀釋狀況。 為了表示風(fēng)向、風(fēng)速對空氣污染物的擴(kuò)散的為了表示風(fēng)向、風(fēng)速對空氣污染物的擴(kuò)散的

8、影響，可以采用風(fēng)向頻率玫瑰圖和污染系數(shù)影響，可以采用風(fēng)向頻率玫瑰圖和污染系數(shù)玫瑰圖。玫瑰圖。 風(fēng)向頻率是指某方向的風(fēng)占全年各風(fēng)向總和風(fēng)向頻率是指某方向的風(fēng)占全年各風(fēng)向總和的百分率；的百分率； 風(fēng)對空氣污染的影響風(fēng)對空氣污染的影響=風(fēng)向頻率污染系數(shù)該風(fēng)向的平均風(fēng)速污染系數(shù)表示風(fēng)向、風(fēng)速聯(lián)合作用對空氣污污染系數(shù)表示風(fēng)向、風(fēng)速聯(lián)合作用對空氣污染物擴(kuò)散的影響。染物擴(kuò)散的影響。2. 2. 大氣的穩(wěn)定性大氣的穩(wěn)定性1). 1). 大氣的降溫率與大氣穩(wěn)定性的關(guān)系大氣的降溫率與大氣穩(wěn)定性的關(guān)系 在地球表面的上方，大氣溫度隨高度變化的速率是氣象變在地球表面的上方，大氣溫度隨高度變化的速率是氣象變化的一個重要因素

9、，它直接影響空氣的垂直混合狀況?；囊粋€重要因素，它直接影響空氣的垂直混合狀況。 將大氣溫度沿垂直方向隨高度變化的速率稱為將大氣溫度沿垂直方向隨高度變化的速率稱為垂直降溫率垂直降溫率 式中：式中：r r垂直降溫率；垂直降溫率；t t溫度；溫度；h h離地面高度離地面高度 垂直絕熱降溫率垂直絕熱降溫率就是空氣在絕熱條件下上升時，由于上升氣塊就是空氣在絕熱條件下上升時，由于上升氣塊所受壓力降低而膨脹，消耗了內(nèi)能，使氣塊溫度隨之下降的速所受壓力降低而膨脹，消耗了內(nèi)能，使氣塊溫度隨之下降的速率。率。 由于干空氣可近似看作理想氣體，可得：由于干空氣可近似看作理想氣體，可得：p p大氣壓力；大氣壓力；h

10、h高度；高度；空氣密度；空氣密度；g g重力加速重力加速度度trhddp ghdd再由熱力學(xué)公式得：再由熱力學(xué)公式得：m空氣的相對分子質(zhì)量；空氣的相對分子質(zhì)量；c 空氣的摩爾定壓熱容空氣的摩爾定壓熱容求得求得 rd 0.98/100m 1/100m即當(dāng)空氣絕熱上升時，離開地面每升高即當(dāng)空氣絕熱上升時，離開地面每升高100m，氣溫下降氣溫下降1rd 稱為稱為空氣的絕熱降溫率空氣的絕熱降溫率。r1/100m，是超絕熱降溫率；大氣不穩(wěn)定，有利于空氣是超絕熱降溫率；大氣不穩(wěn)定，有利于空氣 污染物擴(kuò)散開來。污染物擴(kuò)散開來。r00，或，或垂直降溫率垂直降溫率r0r0，則該空氣層便成為逆溫層，則該空氣層便成

11、為逆溫層（inversion layerinversion layer）。）。此時上層空氣密度低，下層空氣密度高，空氣在此時上層空氣密度低，下層空氣密度高，空氣在垂直方向上不存在任何運動，氣層異常穩(wěn)定，垂直方向上不存在任何運動，氣層異常穩(wěn)定，以致常常發(fā)生空氣污染事故。以致常常發(fā)生空氣污染事故。逆溫層（inversion layer）逆溫高度：逆溫高度：逆溫層所在的高度逆溫層厚度：逆溫層厚度：開始出現(xiàn)逆溫至逆溫消失的高度范圍逆溫強(qiáng)度：逆溫強(qiáng)度：逆溫層內(nèi)的最大溫度差不同降溫率對煙囪的排煙型式影響很不同降溫率對煙囪的排煙型式影響很大大 超絕熱降溫時，大氣不穩(wěn)定，出現(xiàn)波浪型超絕熱降溫時，大氣不穩(wěn)定，出

12、現(xiàn)波浪型排煙，它能使污染物隨風(fēng)速擴(kuò)散。排煙，它能使污染物隨風(fēng)速擴(kuò)散。不穩(wěn)定層結(jié)時波浪型煙流不穩(wěn)定層結(jié)時波浪型煙流t絕熱絕熱h高度高度溫度溫度 逆溫時，由于大氣穩(wěn)定，形成平展型排煙，逆溫時，由于大氣穩(wěn)定，形成平展型排煙，它嚴(yán)重地妨礙空中污染物的垂直運動，只能朝水平方向它嚴(yán)重地妨礙空中污染物的垂直運動，只能朝水平方向擴(kuò)散。擴(kuò)散。穩(wěn)定層結(jié)時平展型排煙穩(wěn)定層結(jié)時平展型排煙h絕熱絕熱t(yī)高度高度溫度溫度 當(dāng)大氣的上層為逆溫，下層為超絕熱降溫時，即上當(dāng)大氣的上層為逆溫，下層為超絕熱降溫時，即上層穩(wěn)定，下層不穩(wěn)定時，形成熏煙型層穩(wěn)定，下層不穩(wěn)定時，形成熏煙型（fumigation）排煙，空氣中污染物被熏煙帶回

13、地面，使污染更為嚴(yán)排煙，空氣中污染物被熏煙帶回地面，使污染更為嚴(yán)重。重。h溫度溫度上下部的熏煙型排煙上下部的熏煙型排煙t高度高度b.b.引起逆溫的原因引起逆溫的原因下降逆溫下降逆溫（subsidence inversion） 輻射逆溫輻射逆溫（radiation inversion） 海岸逆溫海岸逆溫（coastal inversion） 地形逆溫地形逆溫（geographical inversion）2).2).產(chǎn)生逆溫的原因產(chǎn)生逆溫的原因 下降逆溫：當(dāng)上層空氣下沉?xí)r，落入高壓氣團(tuán)中，下降逆溫：當(dāng)上層空氣下沉?xí)r，落入高壓氣團(tuán)中，因受壓而變熱，使氣溫高于下層空氣。因受壓而變熱，使氣溫高于下層空

14、氣。 高壓區(qū)的氣高壓區(qū)的氣候良好，溫暖干燥，可惜有時會產(chǎn)生下降逆溫，造候良好，溫暖干燥，可惜有時會產(chǎn)生下降逆溫，造成地區(qū)性空氣污染。成地區(qū)性空氣污染。a.a.哈德黎環(huán)流與下降逆溫哈德黎環(huán)流與下降逆溫（subsidence inversion）輻射逆溫輻射逆溫（radiation inversion）海岸逆溫海岸逆溫（coastal inversion）地形逆溫地形逆溫（geographical inversion）3. 3. 降水的影響降水的影響 各種形式的降水，特別是降雨，能有效地吸收、淋各種形式的降水，特別是降雨，能有效地吸收、淋洗洗空氣中的各種污染物。所以大雨之后空氣格外新鮮，就空氣中的

15、各種污染物。所以大雨之后空氣格外新鮮，就是是這個道理。這個道理。4. 4. 霧的影響霧的影響 霧像一頂蓋子，它會使空氣污染狀況加劇。霧像一頂蓋子，它會使空氣污染狀況加劇。5. 5. 空氣污染空氣污染“事故日事故日”與污染指與污染指數(shù)數(shù) “事故日事故日”地多少可以表示大氣污染的可能性。地多少可以表示大氣污染的可能性。 經(jīng)驗證明，發(fā)生事故日的條件大致是：持續(xù)經(jīng)驗證明，發(fā)生事故日的條件大致是：持續(xù)2天混合高天混合高度小于度小于1500m，風(fēng)速小于，風(fēng)速小于4m/s和無大雨。和無大雨。 由事故日等值線圖，可看出事故日最多的地區(qū)，只應(yīng)由事故日等值線圖，可看出事故日最多的地區(qū)，只應(yīng)作農(nóng)業(yè)區(qū)，而事故日少的地

16、區(qū)可作工業(yè)區(qū)。作農(nóng)業(yè)區(qū)，而事故日少的地區(qū)可作工業(yè)區(qū)。 污染指數(shù)：概括風(fēng)、大氣穩(wěn)定性、降水及混合層高度等污染指數(shù)：概括風(fēng)、大氣穩(wěn)定性、降水及混合層高度等氣象因素影響污染物擴(kuò)散的共同作用。氣象因素影響污染物擴(kuò)散的共同作用。 id表示表示d方向上的污染指數(shù)，值越大說明污染越重。方向上的污染指數(shù)，值越大說明污染越重。 一般認(rèn)為，一般認(rèn)為， id 0.80.8時，為清潔型大氣。時，為清潔型大氣。 附：附：id 的計算的計算污染指數(shù)計算：idd方向上的污染指數(shù)s大氣的穩(wěn)定性p降水v風(fēng)速h混合高度 s、p、v、h在計算時均按實際氣象資料的數(shù)值轉(zhuǎn)換成無量綱的相對值，故id也是一個無量綱的數(shù)。idspv h14

17、.3 14.3 空氣污染對氣候的影響空氣污染對氣候的影響1. 1. 地球氣候的變化地球氣候的變化 最嚴(yán)重的空氣污染是由燃燒產(chǎn)生的，如硫氧化物、氮氧化物、碳?xì)浠顕?yán)重的空氣污染是由燃燒產(chǎn)生的，如硫氧化物、氮氧化物、碳?xì)浠衔锖鸵谎趸?。即便最潔凈的燃料也會產(chǎn)生二氧化碳，大量的二氧化碳合物和一氧化碳。即便最潔凈的燃料也會產(chǎn)生二氧化碳，大量的二氧化碳破壞了自然界二氧化碳的平衡，使大氣中二氧化碳的濃度逐年增加，以致破壞了自然界二氧化碳的平衡，使大氣中二氧化碳的濃度逐年增加，以致可能引起溫室效應(yīng)，使地球的氣溫上升。可能引起溫室效應(yīng)，使地球的氣溫上升。2. 2. 城市對氣候的影響城市對氣候的影響 城市影響

18、氣候是多方面的：建筑物高低不一，會使風(fēng)速降低；空城市影響氣候是多方面的：建筑物高低不一，會使風(fēng)速降低；空氣污染物多，增多水汽凝聚的核心，會使霧和雨增多；人為的燃燒會使氣污染物多，增多水汽凝聚的核心，會使霧和雨增多；人為的燃燒會使氣溫上升等等。氣溫上升等等。 城市還有所謂的熱島效應(yīng)城市還有所謂的熱島效應(yīng)（heat island effect），即把城市區(qū)域看，即把城市區(qū)域看成是一個溫?zé)岬膷u嶼，其溫度比周圍高成是一個溫?zé)岬膷u嶼，其溫度比周圍高0.52，濕度低，濕度低28，地，地表輻射少表輻射少1520，風(fēng)速小，風(fēng)速小2030。3. 3. 超音速運輸機(jī)與環(huán)境超音速運輸機(jī)與環(huán)境超音速運輸機(jī)的危害：超音速運輸機(jī)的危害： （1 1）在）在1520km高度飛行，即在平流層中；而平流高度飛行，即在平流層中；而平流層是層是逆溫層逆溫層，空氣穩(wěn)定，飛機(jī)排出的污染物終年不，空氣穩(wěn)定，飛機(jī)排出的污染物終年不散散 （2 2）臭氧層受破壞，致使皮癌增多）臭氧層受破壞，致使皮癌增多 （3 3）微粒與水增多，增加了氣層的反