第二節(jié) 大氣污染物的遷移擴(kuò)散

1、第二節(jié) 大氣污染物的遷移擴(kuò)散1 1、氣、氣體循環(huán)：體循環(huán)：大氣組分通過大氣圈與其它圈層發(fā)生的物理、化學(xué)、生物過程進(jìn)行物質(zhì)交換、轉(zhuǎn)換。 源（source）大氣組分產(chǎn)生的途徑和過程。n 天然源：由自然界發(fā)生的物理、化學(xué)、生物過程向大氣輸送物質(zhì)：n揚(yáng)塵（地面土石風(fēng)化，大氣顆粒物來源）n火山（H2S、SO2、COS、HCl、HF、顆粒物SPM，可傳送到平流層）n森林草原火災(zāi)（CO、CO2、SOx、NOx、VOC、SPM）n海水濺沫（海洋SPM）、植物排放（萜烯O3）一、盒子模型n森林草原火災(zāi)（CO、CO2、SOx、NOx、VOC、SPM）n海水濺沫（海洋SPM）、植物排放（萜烯O3）n 人為源：人類生

2、活、生產(chǎn)活動(dòng)向大氣輸送污染物：n工業(yè)排放源（煙、塵、SOx、NOx、CO、CO2、鹵化物、VOC、以燃料燃燒為重）n交通運(yùn)輸排放源n生活排放源（取暖、爐灶、影響不低于甚至超過工業(yè)大鍋爐）n農(nóng)業(yè)排放源 匯（sink） 大氣組分從大氣中去除的途徑和過程，包括：（a）降水濕去除（b）大氣中化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為其它氣體或微粒（c）地表物質(zhì)吸收或反應(yīng)去除（d）向平流層輸送n 顆粒物的匯包括（a）降水濕沉降：雨除（發(fā)生在云層當(dāng)中，被去除物參與成云）、沖刷（發(fā)生在云層下，被去除物被雨水帶下）（b）干沉降（c）與地表物質(zhì)碰撞干去除2 2、盒、盒子模子模式式視大氣圈為盒子，是各種大氣組分的儲(chǔ)庫，F(xiàn)i=Ri，Mi恒定。

3、Fi：輸入速率Ri：輸出速率Mi：大氣中總量環(huán)境水的盒子模式，求FH2O和RH2OFH2O=(2.161016+0.91015) mol/y=2.251016 mol/yRH2O=(1.91016+3.51015) mol/y= 2.251016 mol/y儲(chǔ)庫（reservoir）：氣體和微粒在大氣中的留存（形式）。停留時(shí)間（t） ：某種組分在大氣儲(chǔ)庫中存在的平均時(shí)間稱為平均停留時(shí)間或停留時(shí)間。ti=Mi/Fi或Ri源強(qiáng)Fi = 天然源排放速率+人為源排放速率= 源速率匯強(qiáng)Ri = 干沉降速率+濕沉降速率+化學(xué)反應(yīng)去除速率+向平流層輸入速率 = 匯速率例：甲烷在對(duì)流層平均濃度c=1.55pp

4、m，不隨時(shí)間變化，則FCH4=RCH4=1.51014 mol/y，求停留時(shí)間。610)(全部部分ppmx WWVV, 810)(全部部分pphmx910)(全部部分ppbx 1210)(全部部分pptx作業(yè)：全球?qū)α鲗忧鍧嵈髿庵锌偭虻钠骄鶟舛萩=1ppb，F(xiàn)s=Rs=200Tg/y （1Tg=1012g），求停留時(shí)間。準(zhǔn)永久性氣體（非循環(huán)性氣體）可變化組分強(qiáng)可變組分物種ArNeKrXeHeNeO2ti(y)107107107107107106103物種H2OCONOxSO2H2SHCSPMti(days)1073185810240.5221030（SPM:懸浮微粒物質(zhì) ,包括海鹽、土壤、有機(jī)

5、來源）物種CO2CH4H2N2OO3ti(y)5152.5868102根據(jù)停留時(shí)間：n 二、大氣污染物n 1、概念n 大氣污染：大氣中存在的某種物質(zhì)超過了正常的環(huán)境水平，且對(duì)受體產(chǎn)生了可以測量出來的不良效應(yīng)。受體包括人、生物、材料、氣候等。n 大氣污染物：使大氣產(chǎn)生污染的稱為大氣污染物。n 大氣污染物一旦進(jìn)入大氣這個(gè)動(dòng)態(tài)體系（源的輸入），就參加到與植物、海洋、土壤等不斷進(jìn)行的物質(zhì)交換過程，參與大氣循環(huán)過程。經(jīng)過一定時(shí)間后，又通過大氣中的化學(xué)反應(yīng)、生物活動(dòng)和物理沉降等過程從大氣中除去（匯的輸出）。如果輸出大氣的速率小于輸入大氣的速率，就會(huì)在大氣中相對(duì)地積累。當(dāng)濃度高到超過安全水平時(shí)，就會(huì)直接地或

6、間接地對(duì)人、畜、水體、植被和材料造成急、慢性傷害。這就是大氣污染形成的過程。n 2、大氣污染對(duì)大氣性質(zhì)的影響：n降低能見度 由于氣體分子和顆粒物對(duì)可見光的吸收和散射的結(jié)果n形成霧及降水 盡管城市溫度較高而pH值較低，但霧的生成頻率高于農(nóng)村n減少太陽輻射n改變溫度和風(fēng)的分布n 3、分類n 按物理狀態(tài)分n （1）氣態(tài)污染物（約占90%）：常溫下是氣體或蒸汽（gases and vapors），就是以氣態(tài)方式輸入并停留在大氣中的污染物，包括SOx、NOx、COx、HC、CFCs等。n （2）大氣顆粒物（氣溶膠，占10%）：大氣氣溶膠體系中分散的各種粒子。n 按形成過程分n 一次污染物是指直接從污染源

7、排放的污染物質(zhì)，如CO、SO2、NO等。n 二次污染物是指由一次污染物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)或光化學(xué)反應(yīng)形成的污染物質(zhì)，如光化學(xué)氧化劑Ox（光化學(xué)煙霧）、臭氧（O3）、硫酸鹽顆粒物等。n 按粒徑分n （1）總懸浮顆粒物TSP：采用標(biāo)準(zhǔn)的大容量采樣器在鋁膜上收集到的總顆粒物的質(zhì)量。采用標(biāo)準(zhǔn)的大容量采樣器在鋁膜上收集到的總顆粒物的質(zhì)量。n （2）飄塵SPM：Dp10mm的顆粒物。n （3）可吸入粒子IP：可通過呼吸進(jìn)入呼吸系統(tǒng)的顆粒物，Dp10mm。n （4）降塵：采用降塵罐所能收集到的顆粒物。n 細(xì)粒子：fine particle, Dp2.5mn 粗粒子：coarse particle, Dp2.5mn

8、按化學(xué)類型分n （1）含硫化合物（SO2、H2S、(CH3)2S、H2SO4）；n （2）含氮化合物（NO、NO2、NH3、HNO2、N2O）；n （3）一氧化碳和二氧化碳；n （4）碳?xì)浠衔锖吞?、氫、氧化合物（烴類、醛、酮等）；n （5）光化學(xué)氧化劑（O3、PAN、H2O2等）；n （6）含鹵素化合物（HF、HCl和CFCs等）；n （7）顆粒物（H2SO4、SO42-、NO3-、多環(huán)芳烴及重金屬元素等）；n （8）放射性物質(zhì)。1、風(fēng)和大氣湍流的影響A、影響污染物在大氣中擴(kuò)散的三個(gè)因素：風(fēng)：氣塊規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)水平方向速度分量，使污染物向下風(fēng) 向擴(kuò)散；湍流：使污染物向各個(gè)方向擴(kuò)散；濃度梯度：使污

9、染物發(fā)生質(zhì)量擴(kuò)散。三種作用中風(fēng)和湍流起主導(dǎo)作用。三、影響大氣污染物遷移的因素（一）大氣水平運(yùn)動(dòng)（一）大氣水平運(yùn)動(dòng)1. 1.受力受力氣壓梯度力氣壓梯度力地轉(zhuǎn)偏向力地轉(zhuǎn)偏向力慣性離心力慣性離心力摩擦力：內(nèi)摩擦力（動(dòng)力、阻力）摩擦力：內(nèi)摩擦力（動(dòng)力、阻力）外摩擦力（阻力）外摩擦力（阻力）重力重力直接動(dòng)力直接動(dòng)力2.2.全球大氣水平運(yùn)動(dòng)全球大氣水平運(yùn)動(dòng)18太陽輻射太陽輻射大氣壓（高、低壓）大氣壓（高、低壓）氣壓梯度力氣壓梯度力大氣水平運(yùn)動(dòng)大氣水平運(yùn)動(dòng)環(huán)流環(huán)流重重力力近地層地轉(zhuǎn)偏向力近地層地轉(zhuǎn)偏向力風(fēng)帶風(fēng)帶（二）大氣湍流運(yùn)動(dòng)（二）大氣湍流運(yùn)動(dòng)1. 1.定義：定義：大氣的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)大氣的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)2.2.

10、分類：分類：熱力湍流：垂直方向上溫度分布不均引起熱力湍流：垂直方向上溫度分布不均引起機(jī)械湍流：垂直方向上風(fēng)速不均或地面粗糙引機(jī)械湍流：垂直方向上風(fēng)速不均或地面粗糙引起起3.3.作用：強(qiáng)擴(kuò)散能力作用：強(qiáng)擴(kuò)散能力4.4.湍流擴(kuò)散理論湍流擴(kuò)散理論梯度輸送理論：分子擴(kuò)散梯度輸送理論：分子擴(kuò)散湍流統(tǒng)計(jì)理論：流體運(yùn)動(dòng)湍流統(tǒng)計(jì)理論：流體運(yùn)動(dòng)相似理論：與正態(tài)分布相似相似理論：與正態(tài)分布相似nB、摩擦層：具有亂流特征的氣層，也稱亂流混合層亂流混合層。底部與地面接觸，頂以上的氣層為自由大氣。厚度1000到1500米之間，污染物主要在該層擴(kuò)散。1、風(fēng)和大氣湍流的影響摩擦層里存在兩種亂流：動(dòng)力亂流動(dòng)力亂流：也稱為湍流

11、，起因于有規(guī)律水平運(yùn)動(dòng)的氣流遇到起伏不平的地形擾動(dòng)所產(chǎn)生的；熱力亂流熱力亂流：又稱對(duì)流，起因于地表面溫度與地表面附近溫度不均一，近地面空氣受熱膨脹而上升，隨之上面的冷空氣下降，從而形成對(duì)流。在摩擦層內(nèi)，有時(shí)以動(dòng)力亂流為主，有時(shí)動(dòng)力亂流與熱力亂流共存，且主次難分。這些都是大氣污染物遷移的主要原因。兩種形式的亂流常并存。 dv/dtdv/dt=(T-T)g/T =(T-T)g/T dv/dtdv/dt氣塊加速度 T T 受熱氣塊溫度 T T 大氣溫度 g g 重力加速度 由于受熱氣塊溫度較高，密度較小，從而促使氣塊上升。上升過程中氣體溫度下降并最終達(dá)到與外界氣體溫度一致，當(dāng)受熱氣塊會(huì)上升至 T=T

12、 時(shí)。氣塊與周圍大氣達(dá)到中性平衡，氣塊停止上升，這個(gè)高度定義為對(duì)流混合層上限，或稱最大混合層高度。 氣體污染物的擴(kuò)散很大程度取決于對(duì)流與混合的程度，垂直運(yùn)動(dòng)程度越大，用于稀釋污染物的大氣容積量也就越大。日變化夜間最大混合層高度較低，夜間逆溫較重情況下，最大混合層高度甚至可以達(dá)到零；白天則升高，可能達(dá)到20003000m。季節(jié)性變化冬季平均最大混合層高度最小，夏初為最大。當(dāng)最大混合層高度小于1500m時(shí)，城市會(huì)普遍出現(xiàn)污染現(xiàn)象。n2、天氣形勢和地理形勢的影響nA、天氣形勢：指大范圍氣壓分布的狀況，局部地區(qū)的氣象件總是受到天氣形勢的影響。如下沉逆溫，使污染物長時(shí)間的積累在逆溫層而不能擴(kuò)散。nB、地

13、理形勢：不同地形地面之間的物理性質(zhì)差異引起熱狀況在水平方向上分布不均勻。這種熱力差異在弱的天氣系統(tǒng)條件下就有可能產(chǎn)生局地環(huán)流：海陸風(fēng)、城郊風(fēng)和山谷風(fēng)。形成機(jī)制：形成機(jī)制：當(dāng)高壓區(qū)內(nèi)某一層空氣發(fā)生下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，因氣壓逐漸增大，以及氣層當(dāng)高壓區(qū)內(nèi)某一層空氣發(fā)生下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，因氣壓逐漸增大，以及氣層向水平方向輻射，其厚度減少（向水平方向輻射，其厚度減少（h hhh）。這樣空氣層頂部下沉的距離（）。這樣空氣層頂部下沉的距離（l+hl+h），），要比底部下沉的距離（要比底部下沉的距離（l+hl+h）大，所以頂部空氣的增溫要比底部多，從而形成逆）大，所以頂部空氣的增溫要比底部多，從而形成逆溫層。溫層。 C A

14、 B D D B A C h h l A、天氣形勢：下沉逆溫下沉逆溫 由于空氣下沉壓縮增溫形成的逆溫稱由于空氣下沉壓縮增溫形成的逆溫稱為下沉逆溫。為下沉逆溫。B、地理形勢：1 1）海陸風(fēng)）海陸風(fēng)n海風(fēng)：海風(fēng)：白天陸地上空的氣溫增加得比海面上空快，在海白天陸地上空的氣溫增加得比海面上空快，在海陸之間形成指向大陸的氣壓梯度，較冷的空氣從海洋流向陸之間形成指向大陸的氣壓梯度，較冷的空氣從海洋流向大陸而形成海風(fēng)。大陸而形成海風(fēng)。n陸風(fēng)：陸風(fēng)：夜間海水溫度降低得較慢，海面的溫度較陸地高，夜間海水溫度降低得較慢，海面的溫度較陸地高，在海陸之間形成指向海洋的氣壓梯度，于是陸地上空的空在海陸之間形成指向海洋的

15、氣壓梯度，于是陸地上空的空氣流向海洋，形成陸風(fēng)。氣流向海洋，形成陸風(fēng)。 海陸風(fēng)對(duì)空氣污染的影響海陸風(fēng)對(duì)空氣污染的影響n循環(huán)作用：循環(huán)作用：如果污染源處在局地環(huán)流之中，污染物可能循環(huán)積累達(dá)到較高濃度。n往返作用：往返作用：在海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換期間，原來隨陸風(fēng)輸向海洋的污染物又會(huì)被發(fā)展起來的海風(fēng)帶回陸地。海陸風(fēng)熱氣流上升冷氣流下降陸陸 地地海海 洋洋海風(fēng)29熱氣流上升冷氣流下降陸陸 地地海海 洋洋陸風(fēng)海陸風(fēng)陸風(fēng)30熱氣流上升冷氣流下降陸陸 地地海海 洋洋海風(fēng)海陸風(fēng) 2 2）城郊風(fēng)）城郊風(fēng)n城市熱島效應(yīng)：城市熱島效應(yīng)：工業(yè)和生活中產(chǎn)生的大量的熱能排工業(yè)和生活中產(chǎn)生的大量的熱能排放到大氣中，造成市區(qū)的溫度比郊

16、區(qū)的溫度高，這個(gè)現(xiàn)象放到大氣中，造成市區(qū)的溫度比郊區(qū)的溫度高，這個(gè)現(xiàn)象稱為城市熱島效應(yīng)。稱為城市熱島效應(yīng)。 城市熱島上暖而輕的空氣上升，四周郊區(qū)的冷空氣向城市熱島上暖而輕的空氣上升，四周郊區(qū)的冷空氣向城市流動(dòng)，形成城郊環(huán)流，造成污染物在城市上空聚積，城市流動(dòng)，形成城郊環(huán)流，造成污染物在城市上空聚積，導(dǎo)致市區(qū)大氣污染加重。導(dǎo)致市區(qū)大氣污染加重。城郊風(fēng)（熱島環(huán)流）城郊風(fēng)（熱島環(huán)流）郊區(qū)冷空氣熱島效應(yīng)城市冷空氣郊區(qū)城郊風(fēng)城郊風(fēng) 3 3）山谷風(fēng)）山谷風(fēng)n谷風(fēng)：白天山坡上溫度高，山谷溫度低，谷底空氣白天山坡上溫度高，山谷溫度低，谷底空氣流向山坡形成谷風(fēng)。流向山坡形成谷風(fēng)。n山風(fēng)：夜間山坡上溫度下降快，山

17、坡上溫度較山谷夜間山坡上溫度下降快，山坡上溫度較山谷溫度低，山坡空氣流向谷底形成山風(fēng)。溫度低，山坡空氣流向谷底形成山風(fēng)。 山谷風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)往往造成嚴(yán)重空氣污染。山谷風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)往往造成嚴(yán)重空氣污染。山谷風(fēng)山谷風(fēng)34對(duì)污染物輸送有明顯的影響。吹山風(fēng)時(shí)，排放的污染物向外流出，若不久轉(zhuǎn)為谷風(fēng)，被污染的空氣又被帶回谷內(nèi)。由山區(qū)輻射逆溫因地形作用而增強(qiáng)，夜間冷空氣沿坡下滑，在谷底聚積，逆溫發(fā)展的速度比平原快，逆溫層更厚，強(qiáng)度更大。且地形阻擋，河谷和洼地風(fēng)速小，更有利于逆溫形成。因此山區(qū)全年逆溫天數(shù)多，逆溫層厚，強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間長。山谷風(fēng)山谷風(fēng)：山風(fēng)：山風(fēng)35山谷風(fēng)山谷風(fēng)：谷風(fēng)：谷風(fēng)3637大大氣中污染物的遷移擴(kuò)

18、散氣中污染物的遷移擴(kuò)散煙煙型型38性狀性狀大氣狀況大氣狀況發(fā)生情況發(fā)生情況地面污染情況地面污染情況v 從煙囪排出的煙流擴(kuò)散的形狀與大氣的溫從煙囪排出的煙流擴(kuò)散的形狀與大氣的溫度層結(jié)有密切的關(guān)系?？梢宰鳛榕卸ù髿舛葘咏Y(jié)有密切的關(guān)系?？梢宰鳛榕卸ù髿夥€(wěn)定度的一種依據(jù)。穩(wěn)定度的一種依據(jù)。翻卷型（波浪型）翻卷型（波浪型）錐型錐型扇型（長帶型）扇型（長帶型）上揚(yáng)型（屋脊型）上揚(yáng)型（屋脊型）漫煙型漫煙型n波浪型：污染物擴(kuò)散良好，發(fā)生在全層不穩(wěn)定大氣中，即 - - d0 0，多發(fā)生在晴朗的白天，地面，多發(fā)生在晴朗的白天，地面最大濃度落地點(diǎn)距煙囪較近，濃度較大。最大濃度落地點(diǎn)距煙囪較近，濃度較大。n錐形：煙流

19、呈圓錐形，發(fā)生在中性條件下。n扇型：煙流垂直方向擴(kuò)散很小，像一條帶子飄向遠(yuǎn)方，從上面看，煙流呈扇形展開。發(fā)生在煙囪出口處處于逆溫層，污染情況隨煙囪高度不同而異。40波浪型波浪型 dZT錐型錐型 = dZTZT扇形（扇形（出出口在逆溫口在逆溫層）層）煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系煙流形狀與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系n上揚(yáng)型：（屋脊型）煙流的下部是穩(wěn)定的大氣，上部是不穩(wěn)定的，一般在日落前后出現(xiàn)，地面由于有效輻射的放熱，低層形成逆溫，而高空仍遞減層結(jié)。持續(xù)時(shí)間短，對(duì)近處地面污染較小。n漫煙型：對(duì)于輻射逆溫，日出后由于地面增溫，低層空氣被加熱，使逆溫從地面向上消失，即不穩(wěn)定大氣從地面向上逐漸消失，不穩(wěn)定大氣從地面向上逐漸發(fā)展，當(dāng)發(fā)展到煙流的下邊緣或更高一點(diǎn)時(shí)，煙流便發(fā)生了向下的強(qiáng)烈擴(kuò)散，而上邊緣仍處于逆溫層中，熏煙型便發(fā)生了，這時(shí)煙流多發(fā)生在上午8-10點(diǎn)，持續(xù)時(shí)間很