21污染物在大气中的迁移Word文件下载.docx

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酸雨

温室效应

臭氧层损耗

第一节、污染物在大气中的迁移

迁移：

污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程。

原因：

空气运动形成风，风的形成主要是由于温度差异引起的。

所以大气中温度的差异是空气运动的动力源。

一、大气垂直分层

1962年WMO（世界气象组织），根据大气的化学成分和物理性质在垂直方向的差异，分为五层：

对流层、平流层、中间层、热成层、逸散层。

1、对流层

平均厚度12km,赤道19km，两极8-9km，云雨主要发生层，夏季厚，冬季薄。

特点：

（1）气温随高度升高而降低。

-0.65℃/100m,所以一般空气上冷下热，易于对流，这一般有利于污染物扩散，但在逆温时，则易于造成污染；

（2）空气密度大。

整个厚度不大，但集中大气总质量的3/4以及几乎所有的水汽。

（3）天气复杂多变。

强烈的对流地表的影响较大，地表状况的不同可能会使对流增强或减弱，甚至形成逆温，风云雨雪等多发生在这一层。

（4）

对流层下部1-2km受地面摩擦的影响，具有边界层的性质，其内空气运动呈现湍流形式。

由于对流而较好地混合的边界层下部称为混合层。

2、平流层

对流层顶到约50km的地方，为大气圈平流层。

平流层基上温度随高度增加而升高。

（1）空气基本无对流，平流运动占显著优势。

（2）空气比下层稀薄，水汽、尘埃含量很少，很少有天气现象，透明度极高，10-20km范围是超音速飞机的理想飞行场所。

（3）在15-35km的范围内（平流层上层），有一层厚度约20km的臭氧层，能够吸收太阳短紫外线，使平流层上部温度增高，同时也成为地球生命的保护伞。

3、中间层

从平流层顶到约85km的高度。

（1）空气更稀薄

（2）无水分

（3）温度随高度增加而降低，中间层顶，气温最低（-100℃）

（4）中间层种上部，气体分子（O2、N2）开始电离。

4、热（成）层

（1）从80km到约800km的地方

（2）温度随高度增加迅速增高；

（3）大气更为稀薄

（4）大部分空气分子被电离成为离子和自由电子，又称电离层，可以反射无线电波

5、逸散层

（1）800km以上高空

（2）空气稀薄，密度几乎与太空相同

（3）空气分子受地球引力极小，所以气体及其微粒可以不断从该层逃逸出去

二、基本气象要素

对污染物扩散有重要作用的气象要素是：

气温、气压、湿度、风、云量等。

1、气温

一般气象中采用的气温是指离地面1.5m高度处百叶箱中观测到的空气温度。

大气预测模型中使用的气温一般也是指该温度。

气温在水平方向的差异导致气流水平方向运动的动力，形成风，能够稀释和迁移污染物

气温在垂直方向的差异导致气流的上下强烈对流，有利于形成降水，能够冲刷污染物。

2、气压

大气的压强，一般标准状态下，大气压强p=1.01×

105pa。

p=ρgh=ρgz,由于大气密度随高度增加而减小，所以压强也逐渐减小。

初始状态：

高度z：

压强p=ρgz

高度增加△z,则高度z+△z：

压强p-△p=ρgz（z+△z）

所以，得到：

-△p=ρg△z

转化为微分形式则：

（1）

（ρ密度g/m3，空气=1.29g/L，g重力加速度9.8m/s2）。

另外，气象学上用比气体常数来表示状态方程，其推导过程为：

pv=nRT

=>

（令

）

（2）

其中R=8.314J．mol-1．K-1,M气体摩尔质量（空气的摩尔体积为22.4l．mol-1，空气密度=1.29g．l-1,所以M=22.4*1.29=28.869gmol-1）,所以R’=R/M=287J．kg-1．K-1。

由

（1）和

（2）得到：

=

（3）

可见只要知道温度随高度的分布函数形式，就可以推得气压随高度的变化函数形式。

3、风

风速玫瑰图（m/s）

水平方向的空气运动，垂直方向则称为对流或升降气流。

一般用风向、风速来表示风的特征（矢量，既有大小又有方向）

风向一般用16个方位表示，（ESWN）

风速是单位时间内空气在水平方向移动的距离（m/s）

一般风速是地面以上10m处风速仪观测得到的平均值

4、云

大气中水汽凝结的产物

一般用云量、云高来确定大气稳定度

云高：

云层底部距离地面的高度，高云（>

5000m）中云（2500-5000m）低云（<

2500m）

云量：

云遮蔽天空的成数。

将可见天空分为10份，被云遮挡了几份，云量就是几。

晴空无云，云量为0，乌云遮天，云量为10.

三、气块的绝热过程和干绝热递减率

1、气团运动的绝热过程

空气在移动中总是从高压区移动到低压区，移动中空气膨胀导致降温，压缩导致升温。

当气团在水平方向运动或停留在某地时，气团内外压力变化很小，但是受附近地表的增热和冷却影响较大，即气团温度的改变主要靠热传递过程，是非绝热过程。

当气团作垂直升降运动时，虽然也和外界进行热交换，但是空气的导热系数较小，垂直方向各层经历的时间短，而气团在垂直方向的气压变化却比较大，因而气团温度的变化主要由气团的膨胀和压缩做功引起，直接热交换量甚小，即近似可视为绝热过程。

高温暖气团倾向于从地表移动到低压的高处，移动过程中，气团绝热膨胀并降温。

如果气团中没有水汽凝结，冷却速率为10℃/1000m，称为温度的干绝热递减率（rd）。

然而，一般气团中都含有水蒸气，气团上升降温导致其中的水蒸气冷凝放潜热，抵消了气团的膨胀降温，得到温度的垂直递减率（r）,冷却速率为6.5℃/1000m。

当污染源排放的污染刚进入大气环境的时候，可视为一个绝热过程。

2、气团运动的绝热方程

根据热力学第一定律：

dq=du+dw（q—外界加于体系的热量，u—体系内能变化，w—体系对外做功）

绝热过程中：

外界加于体系的热量dq=0

体系对外做功dw=pdv（体系膨胀或压缩）

体系内能变化du=nCvdT（体积不变情况下，内能变化，定容比热Cv）

所以：

pdv=-nCvdT（4）

又由于pv=nRT,取全微分得到：

pdv+vdp=nRdT（5）

由（4）和（5）可得：

nRdT—vdp=pdv=-nCvdT

即：

根据迈耶定律：

R+Cv=Cp（定压比热，压力不变情况下，体系内能变化，Jmol-1K-1）

对于空气R=287Jmol-1K-1Cp=996.5Jmol-1K-1

3、干绝热递减率

气团干绝热升高或降低单位距离时，温度降低或升高的数值，称为干绝热递减率:

rd=-

推导过程：

因为：

（干绝热方程）

所以rd=-

又因为

rd=

又由于p=ρRT,所以

=0.98K/100m

（1N=1kgms-2,1J=1Nm）

四、大气稳定度

大气稳定度：

是指大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。

根据大气垂直递减率（r）和干绝热递减率（rd）的对比关系，可以确定大气稳定度。

稳定：

气团离开原来位置后有回归的趋势（r<

rd）

不稳定：

气团离开原来位置后有继续离开的趋势（r>

中性：

介于上述两种情况之间（r=rd）

注意其中rd基本为不变常数0.98k/100m，r则可能变化很大。

解释：

当r<

rd时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于r<

rd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度大，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度低，所以气团有回归趋势。

当r〉rd时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于r〉rd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度小，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度高，所以气团有继续移动离开趋势。

五、逆温

由于上述，可见大气的垂直温度递减率越大，则大气就越不稳定，r与rd的关系可表示为：

一般大气层越稳定，则越不利于污染物的扩散

而逆温则使大气的温度变化逆转，随着高度升高，温度也升高（r<

0），这将会使大气的状态更为稳定，更加明显地不利于污染物的扩散，所以逆温成为大气污染气象学中的重要研究内容。

以下讲述几种常见典型逆温的形成。

1、辐射逆温（最常见地面逆温）

地面辐射出大量的热量后，温度过度降低。

晴朗无云，无风夜晚，没有云层阻挡，地面辐射丧失大量能量，温度降低过多，易于形成辐射逆温（地面冷）；

若风速在2-3m/s，辐射逆温不易形成，若风速大于6m/s，则可完全阻止辐射逆温的形成，这是由于风带来气流运动，使外界较暖气团运动过来后补充了当地地面辐射的热量损失。

2、下沉逆温（地面逆温）

下沉压缩增温效应引起，一般上升降温，下沉增温；

气团下沉过程中，由于受到压缩，顶部下降距离大，增温多，底部下降距离相对小，增温少，因此形成顶部温度高，底部温度低的气团。

因为h>

h’,所以H>

H’

3、湍流逆温（高空逆温）

低层空气湍流混合而上层空气未混合情况下发生的高空逆温。

在下部湍流层，气团上升过程中，温度按干绝热递减率（rd）变化，上升到一定高度后，其温度低于周围环境温度（这样它才不继续上升，而有返回趋势，形成湍流），这样下部湍流层的温度会低于上部未湍流层低部的温度，从而形成高空湍流逆温。

4、平流逆温（地面逆温）

暖气团平流运动到冷地面或水面上，会发生接触面的冷却降温作用，越近地面或水面的部分，气温越低，这样就形成逆温。

五、局地环流对污染物扩散的影响

1、海陆风

海洋和大陆在白天和夜间的热力差异，导致的白天和夜间海洋和陆地之间的风向转换。

白天：

海风，夜晚：

陆风

对污染扩散的影响：

✓白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温。

✓夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差别不大，不易形成逆温

✓易造成污染物往返，海陆风转换期间，原随陆风吹向海洋的污染物又会被吹会陆地

✓循环作用，如果污染源处于海路风交界处，并处于局地环流，则污染物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度。

2、城郊风

主要动力是城市热岛效应造成的

城市空气从上层流向郊区，郊区温度较低的空气从下部流向城市，形成城市和郊区间的大气局地环流。

使得污染物在城区很难扩散出去，形成城市烟幕，导致市区大气污染加剧。

3、山谷风

山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡——谷风

夜间：

山坡降温快，山坡冷空气流向谷底——山风

处于山谷地区的污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，马斯河谷烟雾事件。

如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不再是建造工业企业的胜地。