3《大氣污染控制工程》第三章

1、3大氣污染控制工程第三章3大氣污染控制工程第三章17/173大氣污染控制工程第三章第三章大氣污染氣象學(xué)為了有效地控制大氣污染除需采用安裝凈化妝置等各種技術(shù)措施外，還需充分利用大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散和稀釋能力。污染物從污染源排到大氣中的擴(kuò)散過程，與排放源自己的特點(diǎn)、氣象條件、地面特點(diǎn)和周圍地區(qū)建筑物分布等要素有關(guān)。本章主要對(duì)大氣污染氣象學(xué)的基本知識(shí)作一簡(jiǎn)要介紹。第一節(jié)大氣圈結(jié)構(gòu)及氣象要素一、大氣圈垂直結(jié)構(gòu)地球表面環(huán)繞著在層很厚的氣體，稱為環(huán)境大氣或地球大氣，簡(jiǎn)稱大氣。大氣是自然環(huán)境的重要組成部分，是人類及生物賴以生計(jì)的必不能夠少的物質(zhì)。大氣圈的垂直結(jié)構(gòu)是指氣象要素的垂直分布情況；如氣溫、氣壓、大氣密

2、度和大氣成分的垂直分布等。依照氣溫在垂直于下墊面(即地球表面情況)方向上的分布，可將大氣分為五層：對(duì)流層、平流層、中間層、暖層和閑逸層。對(duì)流層對(duì)流層是大氣層最低的一層；平均厚度為12公里。由于對(duì)流程度在熱帶要比寒帶強(qiáng)烈，故自下墊面算起的對(duì)流層的厚度隨緯度增加而降低，赤道處約為1617km,中緯度地區(qū)約12km，兩極周邊只有89km。10對(duì)流層的主要特點(diǎn)是：(1)對(duì)流層誠然較薄，但卻集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的34和幾乎全部水汽，主要的大氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層中，它是天氣變化最復(fù)雜、對(duì)人類活動(dòng)影響最大的一層；(2)氣溫隨高度增加而降低，每高升100m平均降溫約0.65；空氣擁有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，大氣垂直混雜

3、強(qiáng)烈。主要由于下墊面受熱不均及其自己特點(diǎn)不同樣樣造成的。溫度和濕度的水平分布不平均；比方在熱帶海洋上空，空氣比較溫暖潤濕，在高緯度內(nèi)陸上空，空氣比較寒冷干燥，所以也經(jīng)常發(fā)生大規(guī)?？諝獾乃竭\(yùn)動(dòng)。對(duì)流層亞層分層情況：(1)對(duì)流層的基層，厚度約為界層(或摩擦層)。12km，其中氣流受地面阻滯和摩擦的影響很大，稱為大氣邊(2)其中從地面到50100m左右的一層又稱近地層。在近地層中，垂直方向上熱量和動(dòng)量的交換甚微，所以溫差很大，可達(dá)12。在近地層以上，氣流受地面摩擦的影響越來越小。在大氣界線層以上的氣流，幾乎不受地面摩擦的影響，所以稱為自由大氣層。大氣界線層特點(diǎn)：在大氣界線層中，由于受地面冷熱的直接

4、影響，所以氣溫的晝夜可相差十兒致使幾十度。出于氣流運(yùn)動(dòng)受地面摩擦的影響，日變化很明顯，特別是近地層，故風(fēng)速隨高度的增高而增大。在這一層中，大氣上下有規(guī)則的對(duì)流和無規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)都比較流行，污染物的傳輸、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)變。加上水汽充分，直接影響著2.平流層從對(duì)流層頂?shù)?055km高度的一層稱為平流層。亞層分層情況：從對(duì)流層項(xiàng)到2535km左右的一層，氣溫幾乎不隨高度變化，為-55左右，稱為同溫層；從這以上到平流層頂，氣溫隨高度增高而增高，至平流層頂達(dá)-3左右，稱為逆溫層。平流層集中了大氣中大部分臭氧（O3），并在2025km高度上達(dá)到最大值，形成臭氧層。特點(diǎn)：在平流層中，幾乎沒有空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)，空氣垂直

5、混雜稍微，極少出現(xiàn)雨雪天氣；同時(shí)正是因?yàn)檫@種情況，進(jìn)入平流層的大氣污染物停留時(shí)間很長，比方進(jìn)入平流層的氟氯烴，能與臭氧發(fā)生光化學(xué)反響，致使臭氧層的臭氧逐漸減少。中間層從平流層頂?shù)?5km高度的一層稱為中間層。特點(diǎn)：氣溫隨高度增高而迅速降低，其頂部氣溫可達(dá)到-83，所以空氣擁有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，垂直混雜明顯；所以也稱為上層對(duì)流層。4.暖層從中間層頂?shù)?00km高度為暖層。特點(diǎn):在強(qiáng)烈的太陽紫外線和宇宙射線作用下，再度出現(xiàn)溫度隨高度上升而增高的現(xiàn)象。暖層空氣處于高度的電離狀態(tài)，存在著大量的離了和電子，故又稱電離層。5.閑逸層暖層以上的大氣層統(tǒng)稱為閑逸層。它是大氣的外層，氣溫很高，空氣極為罕見，空氣粒

6、子運(yùn)動(dòng)速度很高，能夠擺脫地球引力而閑逸到太空中。均質(zhì)層和非均質(zhì)層：大氣壓力的垂直分布，總是隨著高度的高升而降低，并可用氣體靜力學(xué)方程來描述；大氣密度隨高度的變化幾乎和壓力的變化規(guī)律同樣。大氣成分的垂直分布，主要取決于分子擴(kuò)散和湍流的強(qiáng)弱。在8085km以下的大氣層中，以湍流擴(kuò)散為主，大氣的主要成分氮和氧的組成比率幾乎不變，稱為均質(zhì)大氣層（簡(jiǎn)稱均質(zhì)層）；在均質(zhì)層以上的大氣中，以分子擴(kuò)散為主，氣體隨高度變化很大，稱為非均質(zhì)層。這層中較輕的氣體成分有明顯增加。二、主要?dú)庀笠乇硎敬髿鉅顟B(tài)的物理量和物理現(xiàn)象，稱為氣象要素。氣象要素主要有：氣溫、氣壓、氣濕、風(fēng)向、風(fēng)速、云況、能見度等。氣溫氣象上講的地面

7、氣溫一般是指距地面1.5m高處在百葉箱中察看到的空氣溫度。單位是攝氏溫度或熱力學(xué)溫度K。氣壓氣壓是指大氣的壓力。氣壓?jiǎn)挝挥门?Pa)表示，1Pa=1N/m2；氣象上常用的氣壓?jiǎn)挝皇前倥羑Pa；國際上規(guī)定，溫度0、緯度45的海平面上的氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；它與其他氣壓?jiǎn)挝坏年P(guān)系1atm101325Pa=1013.25hPa=760mmHg氣濕空氣的濕度簡(jiǎn)稱氣濕，反響大氣中水汽含量的多少和空氣的潤濕程度。常用的表示方法有：絕對(duì)濕度、水汽壓、飽和水氣壓、相對(duì)濕度、含濕量、水汽體積分?jǐn)?shù)及露點(diǎn)等。(1)絕對(duì)濕度：在1m3濕空氣中含有的水汽質(zhì)量（kg）,稱為濕空氣的絕對(duì)濕度。由理想氣體狀態(tài)方程可獲?。篜V

8、=nRT=mRTMPwMMPwPwwRTRTRwT式中：空氣的絕對(duì)濕度，kg/m3（濕空氣）；wPw水汽分壓，Pa；Rw水汽的氣體常數(shù)，Rw=461.5J/(kgK)；RwR8.311000461.5M18T空氣溫度，K。(2)相對(duì)濕度：空氣的絕對(duì)濕度w與同溫度下飽和空氣的絕對(duì)濕度之百分比，稱為空氣的v相對(duì)溫度。=w100Pw100vPv式中：空氣的相對(duì)濕度，%；v飽和絕對(duì)濕度，3kg/m(飽和空氣)；Pv飽和空氣的水汽分壓，Pa。(3)含濕量：濕空氣中1kg干空氣所包含的水汽質(zhì)量（kg）稱為空氣的含濕量（d），氣象中也稱為比濕。dm1wV1w(V1=V2)m2dV2d式中：d空氣的含濕量，k

9、g（水汽）/kg（干空氣）；w空氣的絕對(duì)濕度，kg/m3（濕空氣）；d干空氣的密度，kg/m3。由理想氣體狀態(tài)方程可知：mPVRTPwMMPwPwwRTRwTRTPdMMPdPddRTRdTRTdwRdPwRdPwRdPvRwPdRwPPwRwPPvd干空氣的氣體常數(shù)Rd=287.1J/(kgK),則Rd287.10.622，代入上式得Rw461.5d0.622Pw0.622Pw0.622PPvPdPPwPv在工程應(yīng)用中常將空氣的含濕量定義為1標(biāo)準(zhǔn)立方米（1m3N）干空氣所包含的水汽質(zhì)量（kg）,其單位是kg(水汽)/m3N(干空氣)，并用d0表示，則得：d0dNd式中：標(biāo)準(zhǔn)情況下干空氣的密度

10、，kg/m3。NdN上式推導(dǎo)以下：依照定義有：d0kg(水汽)、dkg(水汽)；m3N(干空氣)kg(干空氣)所以d0kg(干空氣)d0dNddm3N(干空氣)又由于：PMMPP101325Rd101325NdRTRdT273.15Rd273.15RTNdRw=461.5所以：Rd1013250.804。故得：Rw273.15Nd461.5Ndd0dNdRdPwNd0.804PwNd0.804Pw0.804Pw0.804PvRwPdNdPdPdPPwPPvPvd0由上式可得：P0.804d0(4)水氣體積分?jǐn)?shù)：對(duì)于理想氣體來說，混雜氣體中某一氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其摩爾分?jǐn)?shù)，所以水汽的體積分?jǐn)?shù)可表

11、示成：PwPvd0dNdwP0.804d00.804dNdP講解例3-1（P70）附例題：已知某地區(qū)的大氣環(huán)境參數(shù)為：大氣壓P=101325Pa，氣溫T=298K，相對(duì)濕度=75%，試問該地區(qū)的大氣含濕量（d、d0）、絕對(duì)濕度()及水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)()各為多少？干空氣的w密度(Nd)是多少？解：查表得T=298K時(shí)的飽和水汽壓力Pv=3139.8Pa，由式（3-5）求大氣含濕量Pv0.0148kg/kg(干空氣)d0.6220.622PPv101325由式（3-7）得含濕量（工程計(jì)算）：d00.804Pv0.08040.753139.80.0191kg/m3N(干空氣)PPv1013250.7

12、53139.8由式（3-2）得P=P=0.753139.8=2354.85Pa；wv由式（3-1）得絕對(duì)濕度wPw2354.850.0171kg/m3(干空氣)RwT461.5298由式（3-8）求得水汽體積分?jǐn)?shù)：wPw2354.850.02322.32%P101325由式（3-6）得干空氣密度Ndd00.01911.29kg/m3N(干空氣)d0.0148(5)露點(diǎn)：在必定氣壓下空氣中的水汽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度，稱為空氣的露點(diǎn)。4.風(fēng)向細(xì)風(fēng)速氣象上把水平方向的空氣運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)；垂直方向的空氣運(yùn)動(dòng)則稱為起落氣流。風(fēng)是一個(gè)矢量，擁有大小和方向。風(fēng)向是指風(fēng)的來向。比方，風(fēng)從東方來稱東風(fēng)。風(fēng)向可用8個(gè)

13、方向或16個(gè)方向表示。也可用角度表示，如圖32所示。風(fēng)速是指單位時(shí)間內(nèi)空氣在水平方向運(yùn)動(dòng)的距離，單位用m/s或km/h表示。平時(shí)氣象臺(tái)站所測(cè)定的風(fēng)向、風(fēng)速，都是指一準(zhǔn)時(shí)間(如2min或10min)的平均值。有時(shí)也需要測(cè)瞬時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速。依照自然現(xiàn)象將風(fēng)力分為13個(gè)等級(jí)(012級(jí))，若用F表示風(fēng)力等級(jí)，則風(fēng)速u(單位km/h)為:u3.02F3云況云是大氣中的水汽凝結(jié)現(xiàn)象，它是由飄浮在空中的大量小水滴或小冰晶或兩者的混雜物組成的。云的生成、外形特點(diǎn)、量的多少、分布及演變，不僅反響了當(dāng)時(shí)大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且預(yù)示著天氣演變的趨勢(shì)。云對(duì)太陽輻射和地面輻射起反射作用，反射的強(qiáng)弱視云的厚度而定。由于云層的反

14、射作用，云層存在的奏效是賭氣溫隨高度的變化減小。從大氣污染物擴(kuò)散的見解看，主要關(guān)心的是云量和云高。（1）云高：指云底距地面的高度，依照云底高度可將云分為：高云：云底高度一般在5000m以上，它由冰晶組成，云體呈白色，有蠶絲般光彩，薄而透明。中云：云底高度一般在25005000m之間，由過冷的細(xì)小水滴幾冰晶組成，顏色為白色或灰白色，云體旺盛。低云：云底高度一般在2500m以下，不牢固氣層中的低云常分別為孤立的大云塊，牢固氣層中低云云層低而黑，結(jié)構(gòu)稀松。（2）云量：是指云掩飾天空的成數(shù)。我國將天空分為10均分，云掩飾了幾分，云量就是幾。比方碧空無云，云量為零；陰天云量為10。外國將天空分為8均分，

15、云掩飾幾分云量就是幾。兩者的換算關(guān)系為外國云量1.25我國云量總云量：指全部云掩飾天空的成數(shù)，不論云的層次和高度。低云量：指低云掩飾天空的成數(shù)。云量記錄：一般總云量和低云量以分?jǐn)?shù)的形式記入察看記錄?？傇屏孔鞣肿?，低云量作分母，如10/7、5/5、7/2。任何情況下，低云量不得大于總云量。能見度能見度是指在當(dāng)時(shí)的大氣條件下，視力正常的人能夠從天空背景下看到或鑒識(shí)出的目標(biāo)物的最大水平距離，單位用m或km表示。能見度的大小反響大氣透明或污濁的程度。能見度的察看值平時(shí)分為10級(jí)，如表3-1所示：計(jì)算公式見P17（1-2）第二節(jié)大氣的熱力過程一、太陽、大氣和地面的熱交換太陽是地球和大氣的主要熱源，低層大

16、氣的增熱與冷卻，是太陽、大氣和地面之間進(jìn)行熱量交換的結(jié)果。太陽是一個(gè)火熱的球形體，表面溫度約為6000K，不斷地以電磁波方向向外輻射能量。太陽以紫外線、可見光和紅外線的形式向外輻射能量，波長在0.154m之間的輻射能占太陽總輻射能的99%左右，輻射最強(qiáng)波長在0.475m周邊。（主要熱交換方式）大氣吸取太陽短波輻射的能力很弱，太陽輻射到地球上的能量大部被地面吸取；地面吸取太陽輻射溫度高升后又向大氣輻射長波輻射，從而加熱低層大氣；大氣自己也以長波形式向外輻射長波輻射。這種輻射即能夠向上，也能夠向下。大氣向下輻射可使地面長波輻射的熱損失減少，有利于地面溫度的保護(hù)，大氣的這種作用稱為大氣的保溫效應(yīng)。大

17、氣中的水汽和汽凝結(jié)物，釋放長波輻射的能力較強(qiáng)，它們的存在增強(qiáng)了大氣向下輻射，在有云存在時(shí)，能夠減少夜間地面向外面空間的輻射損失。所以，一般在有云的夜間和清晨的氣溫，要比睛天的夜間和清晨的氣溫要高一些。綜上所述，太陽、大氣、地面之間的熱量交換過程，第一是太陽短波輻射加熱了地球表面，今后是地面長波輻射加熱了大氣。所以，近地層大氣溫度隨地表溫度的高升而增高，隨地表溫度的降低而降低；地表溫度的周期性變化引起低層大氣隨之發(fā)生周期性變化。（其他熱交換方式）其他，地面與大氣之間、空氣團(tuán)之間還存在溫差的熱傳導(dǎo)方式；氣流的上下運(yùn)動(dòng)或不規(guī)則運(yùn)動(dòng)所形成的對(duì)流或湍流換熱方式；以及由于水蒸發(fā)后，不是在原處凝結(jié)等實(shí)現(xiàn)的潛

18、熱交換方式。自然，這些熱交換方式，只有的空氣密度大、溫度梯度大的低層大氣中才較為明顯。二、氣溫的垂直變化1大氣的絕熱過程大氣的起落運(yùn)動(dòng)總是陪同有不同樣樣形式的能量交換。若是大氣中某一空氣塊作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)與周圍空氣不發(fā)生熱量交換，則這樣的狀態(tài)變化過程稱為大氣的絕熱過程。在實(shí)質(zhì)大氣中，當(dāng)一干空氣塊作絕熱上升時(shí)，將因周圍氣壓的減少而膨脹，耗資一部分內(nèi)能而對(duì)外作膨脹功，致賭氣塊內(nèi)能減少和溫度降低；相反，當(dāng)干空氣塊作絕熱下降時(shí)，則因周圍氣壓的增大而被除數(shù)壓縮，外壓力對(duì)氣塊作壓縮功，變換為它的內(nèi)能，氣塊溫度高升。空氣塊在升降過程中因膨脹或被壓縮引起的溫度變化，要比它與外界進(jìn)行熱交換引起的溫度變化大的多，所以

19、一般能夠?qū)]有水相變化的空氣塊的垂直運(yùn)動(dòng)近似地看作絕熱過程。依照熱力學(xué)第必定律和理想氣體狀態(tài)方程，能夠推導(dǎo)出描述大氣熱力過程的微分方程：dpdQcpdT-RT式中：Q加入系統(tǒng)的熱量，J/kg；Cp干空氣的定壓比熱容，Cp=1005J/（kgK）；R干空氣的氣體常數(shù)；287.1J/（kgK）T氣塊溫度，K；P氣塊壓力，hPa。對(duì)于大氣的絕熱過程，dQ=0，上式變?yōu)椋篸TRdpTCpp將此式從氣塊起落前的狀態(tài)（T0、P0）積分到氣塊起落后的狀態(tài)（T、P），則得：R(p)0.288(312)T(p)cpT0p0p0上式稱為泊松方程（Poisson），它描述了氣塊在絕熱起落過程中，氣塊的初態(tài)（P、T）

20、到00終態(tài)（P、T）之間的關(guān)系，說明氣塊在絕熱過程中氣溫的變化圓滿部是由氣壓變化引起的。2.干絕熱直減率干空氣在絕熱上升或下降過程中，每上升或下降單位距離（平時(shí)取100m）的溫度變化稱為干空氣的絕熱垂直遞減率，簡(jiǎn)稱干絕熱直減率。以d表示，定義式為：ddTidZdi表示空氣塊d表示干空氣依照熱力學(xué)第必定律，可推導(dǎo)出：ddTig9.810.981kdZdcp1005100100m式中：重力加速度g=9.81m/s2；干空氣的定壓比熱容cp=1005J/（kgK）。上式表示干空氣塊（或未飽和的濕空氣塊）每高升（或下降）100m時(shí)，溫度降低（或高升）約1K。2.位溫一干空氣塊絕熱起落到標(biāo)準(zhǔn)氣壓（101

21、3.25hPa）地方擁有的溫度稱為它的位溫,以表示。由式3-12得：1013.25R/Cp0.2881013.25T0T0P0P0式中：T、P表示氣塊最初的溫度和壓力。不論空氣塊溫度T如何變化，位溫是不變的。003.氣溫的垂直分布?xì)鉁仉S高度的變化能夠用氣溫垂直遞減率T來表示，簡(jiǎn)稱氣溫直減率。它系指單位Z高度（平時(shí)取100m）氣溫的變化值。若氣溫隨高度增加是遞減的，為正當(dāng)，反之，為負(fù)值。氣溫沿垂直高度的分布，能夠在一張坐標(biāo)圖上用一條曲線表示出來，如圖34所示。這種曲線稱為氣溫沿高度分布曲線或溫度層結(jié)曲線，簡(jiǎn)稱溫度層結(jié)。大氣中的溫度層結(jié)有四各種類：(1)氣溫隨高度增加而遞減，且d，稱為正常分布層結(jié)

22、或遞減層結(jié)；(2)氣溫直減率等于或近似等于干絕熱直減率，即=d，稱為中性層結(jié)；(3)氣溫不隨高度變化，即0，稱為等溫層結(jié)；(4)氣溫隨高度增加而增加即0，稱為氣溫逆轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)稱逆溫。三、大氣牢固度大氣牢固度的見解大氣牢固度是指在垂直方向上大氣牢固的程度，即可否易于發(fā)生對(duì)流。對(duì)于大氣牢固度能夠作這樣的理解，若是一空氣塊由于某種原因碰到外力的作用，產(chǎn)生了上升或下降運(yùn)動(dòng)后，可能發(fā)生三種情況：(1)當(dāng)外力去除后，氣塊就減速并有返回原來高度的趨勢(shì)，則稱這種大氣是牢固的；(2)當(dāng)外力去除后，氣塊加速上升或下降，稱這種大氣是不牢固的；(3)當(dāng)外力去除后，氣塊被外力推到哪里就停到哪里或作等速運(yùn)動(dòng)，稱這種大氣是中性

23、的。2.大氣牢固度的鑒識(shí)判斷大氣可否牢固，可用氣塊法來說明。假設(shè)一氣塊的狀態(tài)參數(shù)為Ti、Pi和i；周圍大氣狀態(tài)參數(shù)為T、P、，則單位體積氣塊（體積V=1）受周圍大氣的浮力為g，自己重力為ig，在此二力作用下產(chǎn)生的向上加速度為：aFg(i)(316)mi利用準(zhǔn)靜力條件Pi=P和理想氣體狀態(tài)方程，則有：mPMmPMi，代入式（3-16）得：V；iVRTiRTag(TiT)(317)TZ高度時(shí)，其溫度Ti=Ti0-dZ；而同樣高若氣塊運(yùn)動(dòng)過程中滿足絕熱條件，則氣塊運(yùn)動(dòng)度的周圍空氣溫度T=T0-Z。假設(shè)初步溫度同樣，即Ti0=T0，則有：ag(d)Z(318)T從式(3-18)可知，（-d）的符號(hào)決定

24、了氣塊加速度a與其位移Z的方向可否一致，也就是決定了大氣可否牢固。若Z0，則有三種情況：1）d時(shí)，a0，氣塊的加速度與其位移方向是同樣，氣塊作加速運(yùn)動(dòng)，大氣不牢固；2）d時(shí)，a0，氣塊的加速度與其位移方向是相反，氣塊作減速運(yùn)動(dòng)，大氣牢固；3）=d時(shí)，a=0，大氣是中性的。所以，、d時(shí)可作為大氣牢固度的判斷依照。大氣牢固度也能夠用圖3-4作進(jìn)一步說明。（P76）在圖3-4（a）中，d，氣塊上升（或下降）后，氣塊溫度Ti將高于（或低于）周圍大氣溫度T，氣塊密度i小于（或大于）大氣密度，所以氣塊連續(xù)上升（或下降），所以是不牢固的。反之，要圖3-4（b）中，d，氣塊上升（或下降）后，它的溫度低于（或高

25、于）周圍大氣，則氣塊的起落運(yùn)動(dòng)碰到阻截，所以大氣是牢固的。四、逆溫輻射到地球表面的太陽輻射主若是短波輻射。地面吸取太陽輻射的同時(shí)也向空中輻射能量，這種輻射主若是長波輻射。大氣吸取短波輻射的能力很弱，而吸取長波輻射的能力卻極強(qiáng)。所以，在大氣界線層內(nèi)特別是近地層內(nèi)，空氣溫度的變化主若是受地表長波輻射的影響。近地層空氣溫度，隨著地面溫度的增高而增高，而且是自下而上的增高；即氣溫隨高度是垂直遞減的，也就是0，但在特定情況下，也會(huì)出現(xiàn)=0或0的情況。一般將氣溫隨高度增加而增加的氣層稱為逆溫層。逆溫層的存在，大大阻截了氣流的垂直運(yùn)動(dòng)；所以也將逆溫層稱為阻截層。由于受污染的氣流不能夠穿過逆溫層而積累在它的下

26、邊，則會(huì)造成嚴(yán)重的大氣污染現(xiàn)象。事實(shí)表示，有很多大氣污染事件多發(fā)生在有逆溫及靜風(fēng)的氣象條件下，所以在研究污染物的大氣擴(kuò)散時(shí)必須對(duì)逆溫恩賜足夠的重視。逆溫能夠發(fā)生在近地層中，也可能發(fā)生在較高氣層(自由大氣)中。依照逆溫生成的過程，可將逆溫分為輻射逆溫、下沉逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫及湍流逆溫等五種。1輻射逆溫由于地面強(qiáng)烈輻射冷卻而形成的逆溫，稱為輻射逆溫。這種逆溫與大氣污染的關(guān)系最為密切。在光明無云(或少云)的夜間，當(dāng)風(fēng)速較小(3m/s)時(shí)，地面因強(qiáng)烈的有效輻射而很快冷卻，近地面氣層冷卻最為強(qiáng)烈，較高的氣層冷卻較慢，所以形成自地面開始逐漸向上發(fā)展的逆溫層，稱為輻射逆溫。圖35示出輻射逆溫在一晝夜間

27、從生成到消失的過程。圖中(a)是下正午遞減溫度層結(jié)；(b)是日落前1小時(shí)逆溫開始生成的情況；隨著地面輻射的增強(qiáng)，地面迅速冷卻，逆溫逐漸向上發(fā)展；清晨時(shí)達(dá)到最強(qiáng)圖中的(c)；日出后太陽輻射逐漸增強(qiáng)，地面逐漸增溫，空氣也隨之自下而上的增溫，逆溫便自下而上的逐漸消失圖中(d)；大體在上午10點(diǎn)鐘左右逆溫層圓滿消失圖中的(e)。輻射逆溫在陸地上常年可見，但以冬季最強(qiáng)。在中緯度地區(qū)的冬季，輻射逆溫層厚度可達(dá)200一300m，有時(shí)可達(dá)400m左右。冬季睛朗無云和細(xì)風(fēng)的白天，由于地面輻射高出太陽輻射，也會(huì)形成輻射逆溫。輻射逆溫與大氣污染關(guān)系最為親近。冬季光明無云和細(xì)風(fēng)的白天，由于地面輻射高出太陽輻射，也會(huì)形

28、成逆溫層。再有云層掩飾時(shí)，輻射逆溫強(qiáng)度將減少，這是由于云層吸取了地面輻射射來的能量，重新輻射到地面上的緣故。其他，強(qiáng)烈的壓力梯度所引起的風(fēng)使湍流增加，所以使逆溫強(qiáng)度減弱。69m/s的風(fēng)速，能夠圓滿制止逆溫的出現(xiàn)。2下沉逆溫由于空氣下沉碰到壓縮增溫而形成的逆溫稱為下沉逆溫。即當(dāng)上層空氣下沉?xí)r，落入高壓氣團(tuán)中，因受壓而變熱，賭氣溫高于基層的空氣下沉逆溫能夠用以以下圖來說明：假設(shè)某高度有一氣團(tuán)ABCD，其厚度為h，當(dāng)它下沉?xí)r，由于低空氣壓增大及氣層向水平方向擴(kuò)散，該氣層被壓縮成ABC，D厚度減小為h（h）。這樣，氣層頂部CD比底部AB下降的距離大（HH），所以氣層頂部絕熱增溫比底部增溫多，從而形成逆

29、溫。下沉逆溫多處現(xiàn)在高壓控制區(qū)，范圍很廣，厚度也很大，一般可達(dá)數(shù)百米，下沉逆溫一般達(dá)到某一高度時(shí)就停止了，所以下沉逆溫多發(fā)生在高空中。3平流逆溫地區(qū)海上暖空氣流到大陸上，及暖空氣平流到低地、盆地內(nèi)齊集的冷空氣上面時(shí)，皆可形成平流逆溫。4湍流逆混低層空氣湍流混雜形成的逆溫稱為湍流逆溫。湍流逆濕的形成過程如圖38所示：(a)中的AB是氣層在湍流混雜前的氣溫分布，氣溫直減率d；低層空氣經(jīng)湍流混雜后，氣層的溫度將按干絕熱直減率變化，如(b)中的CD。但在混雜層以上，混雜層與不受湍流混雜影響的上層空氣之間出現(xiàn)了一個(gè)過渡層DE，即是逆溫層。5鋒面逆溫在對(duì)流層中的冷空氣團(tuán)與暖空氣團(tuán)相遇時(shí)，暖空氣因其密度小就

30、會(huì)爬到冷空氣上面去，形成一個(gè)傾斜的過渡區(qū)，稱為鋒面，在鋒面上，若是冷暖空氣的溫差較大；即可出現(xiàn)逆溫，這種逆溫稱為鋒面逆溫。鋒面逆溫僅在冷空氣一邊能夠看到。五、煙流形狀與大氣牢固度的關(guān)系大氣污染情況與大氣牢固度有親近關(guān)系。大氣牢固度不同樣樣，高架點(diǎn)源排放煙流擴(kuò)散形狀和特點(diǎn)不同樣樣，造成的污染情況差別很大。典型的煙流形狀有以下五種：（1）波浪形：煙流呈波浪狀，發(fā)生在全層不牢固大氣中，即d，污染物擴(kuò)散優(yōu)異，多發(fā)生在光明的白天，地面最大濃度落地點(diǎn)距煙囪較近，濃度較高。（2）錐形：煙流呈圓錐狀，發(fā)生在中性條件下，即=d，垂直擴(kuò)散比扇形好，比波浪型差；所以煙囪距污染物開始到達(dá)地面的距離要大于波浪型，而小于

31、扇形。錐形經(jīng)常出現(xiàn)在有云細(xì)風(fēng)低的情況下，晝夜均可能出現(xiàn)。3）扇形：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，煙流呈扇形張開。它發(fā)生在煙囪出口處于逆溫層中，即該層大氣-d-1。污染情況隨煙囪高度不同樣樣而異。當(dāng)煙囪很高時(shí)，近處地面上不會(huì)生成污染，在遠(yuǎn)方會(huì)造成污染；煙囪很低時(shí)，會(huì)造成近地面上嚴(yán)重污染。4）爬升型（屋脊型）：煙流的下部是牢固的大氣，上部是不牢固的大氣。一般在日落后出現(xiàn)，由于地面輻射冷卻，低層形成逆溫，而高空仍保持遞減層結(jié)。它連續(xù)時(shí)間較短，對(duì)近處地面污染較小。5）漫煙型（熏煙型）：對(duì)于輻射逆溫，日出后逆溫從地面向上逐漸消失，即不牢固大氣從地面向上逐漸擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到煙流的下邊緣

32、或更高一點(diǎn)時(shí)，煙流便發(fā)生向下的強(qiáng)烈擴(kuò)散，而上邊緣仍處于逆溫層中，漫煙型便發(fā)生了（對(duì)近地面造成嚴(yán)重污染）。這時(shí)煙流下部-d0，上部-d-1。這種煙流多發(fā)生在上午8：0010：00，連續(xù)時(shí)間較短。（下部是不牢固的大氣，上部是牢固的大氣）第三節(jié)大氣的運(yùn)動(dòng)細(xì)風(fēng)一、引起大氣運(yùn)動(dòng)的作用力大氣的運(yùn)動(dòng)是在各種力的作用下產(chǎn)生的，作用于大氣上的力，有氣壓梯度力，重力，地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力和慣性離心力。這些力之間的不同樣樣結(jié)合，組成了不同樣樣形式的大氣運(yùn)動(dòng)細(xì)風(fēng)。1.水平氣壓梯度力單位質(zhì)量的空氣在氣壓場(chǎng)中碰到的作用力，稱為氣壓梯度力。這一力可分解為垂直和水平方向的兩個(gè)重量。垂直氣壓梯度力雖大，但由于有空氣重力與之平衡，

33、所以空氣在垂直方向所受作用力其實(shí)不大。水平氣壓梯度力雖小，但倒是大氣運(yùn)動(dòng)的主要原因。水平氣壓梯度力G的大小，與空氣密度成反比，與水平氣壓梯度（pn）成正比，即：1pGn上式表示，只要水平方向存在著氣壓梯度，就有水平氣壓梯度力作用在大氣上，使大氣由高壓側(cè)向低壓側(cè)運(yùn)動(dòng)，直到水平氣壓與之平衡為止。（例子見教材P81）2.地轉(zhuǎn)偏向力由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的使運(yùn)動(dòng)著的大氣偏離氣壓梯度方向的力，稱為若是以u(píng)、和分別表示風(fēng)速、地球自轉(zhuǎn)角速度和當(dāng)?shù)氐乩砭暥?，以向力，則有：地轉(zhuǎn)偏向力。Dn表示水平川轉(zhuǎn)偏Dn2usin地轉(zhuǎn)偏向力擁有以下性質(zhì)：陪同風(fēng)速的產(chǎn)生而產(chǎn)生；水平川轉(zhuǎn)偏向力的方向垂直于大氣運(yùn)動(dòng)方向，向北指向運(yùn)動(dòng)方

34、向的右方，向南指向左方；由于與大氣運(yùn)動(dòng)方向垂直，所以只改變風(fēng)向，不改變風(fēng)速；該力正比于sin，隨緯度增高而增大，在兩極最大，在赤道為零。3.慣性離心力當(dāng)大氣作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，將碰到慣性離心力的作用。其方向與大氣運(yùn)動(dòng)方向垂直，由曲線路徑的曲率中心指向外；其大小與大氣運(yùn)動(dòng)的線速度的平方成正比，與曲率半徑成反比。實(shí)質(zhì)上，由于大氣運(yùn)動(dòng)的曲率半徑一般很大，所以慣性離心力平時(shí)很小。mv2r4.摩擦力運(yùn)動(dòng)速度不同樣樣的相鄰兩層大氣層之間以及巾近地面運(yùn)動(dòng)的大氣和地表之間，皆會(huì)產(chǎn)生阻截大氣運(yùn)動(dòng)的阻力，即摩擦力。前者稱內(nèi)摩擦力，后者稱外摩擦力。外摩擦力的方向與大氣運(yùn)動(dòng)方向相反，其大小與其運(yùn)動(dòng)速度和下墊面的粗糙程度成正

35、比。內(nèi)摩擦力與外摩擦力的向量總和稱為總摩擦力。摩擦力的大小隨大氣高度不同樣樣而異，在近地層中最為明顯，高度越高，作用越弱，在12km高度，摩擦力向來存在。所以把12km以下的大氣層稱為摩擦層，把這以上的大氣層稱為自由大氣層。二、大氣界線層中風(fēng)隨高度的變化大氣界線層中，由于摩擦力隨高度增加而減小，當(dāng)氣壓梯度力不隨高度變化時(shí)，風(fēng)帶將隨高度增加而增大。在北半球，風(fēng)向隨高度將向右偏轉(zhuǎn)。在北半球，若是把界線層中不同樣樣高度的風(fēng)矢量用矢量圖表示，并把他們投影到同一個(gè)水平面上，把風(fēng)矢量極點(diǎn)連接起來，就獲取一風(fēng)矢量跡線，稱為埃克曼螺線。從地面向高空望去，風(fēng)向是沿順時(shí)針方向變化的。當(dāng)?shù)竭_(dá)大氣界線層頂時(shí)，風(fēng)速細(xì)風(fēng)

36、向圓滿湊近了地轉(zhuǎn)風(fēng)。三、近地層中風(fēng)速廓線模式平均風(fēng)速隨高度的變化曲線稱為風(fēng)速廓線。風(fēng)速廓線的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為風(fēng)速廓線模式。近地層(離地面大體100m左右)的風(fēng)速廓線模式有多種，這里介紹兩種依照湍流半經(jīng)驗(yàn)理論推導(dǎo)出的模式。對(duì)數(shù)律風(fēng)速廓線模式u*lnz(322)kz0式中：u高度z處的平均風(fēng)速，m/s；u*摩擦速度，m/s；k卡門常數(shù)，常取0.4；z0地面粗糙度，m。指數(shù)律風(fēng)速廓線模式zu1()m(323)z1式中u1高度z1處的風(fēng)速，m/s；m牢固度參數(shù)。參數(shù)m的變化取決于溫度層結(jié)和地面粗糙度，0m1,層結(jié)越不穩(wěn)準(zhǔn)時(shí)，m值越小。m值最好取實(shí)測(cè)值，當(dāng)無實(shí)測(cè)值時(shí)，在高度500m以下，可按下表采用：四、地方性風(fēng)場(chǎng)污染物在大氣中的擴(kuò)散、稀釋，直接取決于大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。污染物質(zhì)隨風(fēng)飛揚(yáng)，與空氣密度同樣的污染煙氣總是隨著風(fēng)波輸送到遠(yuǎn)方。這是風(fēng)的第一個(gè)作用，即整體的輸送作用。風(fēng)的另一個(gè)作用使對(duì)污染物的沖淡稀釋作用。風(fēng)速越大，單位時(shí)間內(nèi)與污染煙氣混雜的干凈空胸懷越大。所以，污染濃度總是與風(fēng)速成反比。海陸風(fēng)海陸風(fēng)