【環(huán)境化學(xué)】第2.2章 大氣環(huán)境化學(xué)-第二節(jié) 大氣中污染物的遷移

1、第二節(jié) 大氣中污染物的遷移2.1 逆溫和輻射逆溫2.2 大氣穩(wěn)定度2.3 影響大氣污染物遷移的因素第二章 大氣環(huán)境化學(xué)10/2/20221Department of Geochemistry and Environmental Science大氣污染物的遷移定義：污染物由于空氣的運動使其傳輸和分散的過程，稱為污染物在大氣中的遷移。研究思路研究大氣污染物遷移要從空氣的運動規(guī)律入手。 空氣運動規(guī)律受溫度、壓力和地形等因素的影響，其中溫度是最重要的因素。10/2/20222Department of Geochemistry and Environmental Science2.1 逆溫和輻射逆溫1

2、. 溫度垂直遞減率溫度層結(jié)和溫度垂直遞減率（=dT/dz）對流層溫度層結(jié)：氣溫隨高度增加而降低（一般情況）, 0。反?，F(xiàn)象（一定條件下出現(xiàn)）當(dāng)0時，稱為等溫氣層； 當(dāng) 0時，稱為逆溫氣層。第二章 大氣環(huán)境化學(xué) / 第二節(jié) 大氣中污染物的遷移10/2/20223Department of Geochemistry and Environmental Science2. 近地面層的逆溫(1) 平流逆溫：形成機制：暖空氣水平移動到冷的地面或氣層上，由于暖空氣的下層受到冷地面或氣層的影響而迅速降溫，上層受影響較少，降溫較慢，從而形成逆溫。影響因素：逆溫的強弱，主要由暖空氣和地面的溫差決定。溫差越大，逆

3、溫越強。實例：中緯度沿海地區(qū)的冬季，由于海陸溫差顯著，當(dāng)海上暖空氣流到大陸上時，常常出現(xiàn)平流逆溫。 第二章 大氣環(huán)境化學(xué) / 第二節(jié) 大氣中污染物的遷移2.1 逆溫和輻射逆溫10/2/20224Department of Geochemistry and Environmental Science(2) 地形逆溫：形成機制：由地形造成，主要發(fā)生在盆地和谷地中。由于（夜間）山坡散熱快，冷空氣循山坡下沉到谷底，谷底原來的較暖空氣被冷空氣抬擠上升，從而出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。實例天山：北坡從12月次年2月在近地層存在一層深厚的逆溫層，它的形成主要是由于冷空氣受阻積累，在形成的“冷空氣湖”上有較暖的空氣層。天山

4、北坡逆溫層厚度至少有1500米，在南坡只有700米。中國南部的山地：冬季常有地面逆溫，在谷底或山坡下方因為氣溫低，不宜種植熱帶經(jīng)濟作物。 10/2/20225Department of Geochemistry and Environmental Science(3) 輻射逆溫 形成機制 地面白天升溫，近地面溫度升高 夜間地面冷卻降溫，近地面層氣溫迅速下降 高處大氣層降溫較少，出現(xiàn)上暖下冷的逆溫現(xiàn)象。CABEFDTH10/2/20226Department of Geochemistry and Environmental Science(3) 輻射逆溫 形成條件 晴朗的夜空 無風(fēng)或風(fēng)速?。盒?/p>

5、于23m/s 距離地面約100150m的高度10/2/20227Department of Geochemistry and Environmental Science（4）下沉逆溫形成機制：是由于穩(wěn)定氣層整層空氣下沉壓縮增溫而形成的逆溫，又稱為壓縮逆溫。形成條件：極地冷高壓或副熱帶高壓控制下的晴好天氣，高壓中心附近有持久而強盛的下沉運動。下沉逆溫出現(xiàn)在距地面12千米以上的氣層中，厚度可達數(shù)百米 。10/2/20228Department of Geochemistry and Environmental Science(5) 鋒面逆溫：定義：鋒面是冷暖空氣的交界面，鋒面上下冷暖空氣的溫度差異

6、而形成的逆溫。形成機制：冷暖空氣團相遇時，暖空氣因密度小而爬到冷空氣上方，當(dāng)冷暖空氣的溫差較大時，在界面附近也會出現(xiàn)逆溫，稱之為鋒面逆溫。10/2/20229Department of Geochemistry and Environmental Science第二節(jié) 大氣中污染物的遷移2.1 逆溫和輻射逆溫2.2 大氣穩(wěn)定度2.3 影響大氣污染物遷移的因素第二章 大氣環(huán)境化學(xué)10/2/202210Department of Geochemistry and Environmental Science2.2 大氣穩(wěn)定度(1) 流體穩(wěn)定度：密度層結(jié)穩(wěn)定：密度大的流體在密度小的流體下面不穩(wěn)定：密度

7、大的流體在密度小的流體上面(2) 大氣穩(wěn)定度：密度層結(jié)：密度隨高度增加而降低，未必穩(wěn)定還受溫度層結(jié)控制10/2/202211Department of Geochemistry and Environmental Science2.2 大氣穩(wěn)定度定義：氣層的穩(wěn)定程度。判斷方法：大氣中某一高度上的氣塊在垂直方向上相對穩(wěn)定的程度。穩(wěn)定：氣塊產(chǎn)生小的垂直位移后，氣層使氣塊趨于回到原來的平衡位置。不穩(wěn)定：氣塊產(chǎn)生小的垂直位移后，氣層使氣塊趨于繼續(xù)離開原來的位置。10/2/202212Department of Geochemistry and Environmental Science氣塊的干絕熱過程

8、氣塊：在大氣中取一微小容積宏觀的空氣微團，稱為氣塊。干過程：如果氣塊質(zhì)量不變，而且不發(fā)生相變化，此過程稱為干過程。絕熱過程：氣塊與周圍的環(huán)境間沒有發(fā)生熱量交換，既無熱量輸入，也無熱量輸出，那么它的狀態(tài)變化過程就可以認為是絕熱過程。由于空氣的導(dǎo)熱率很小，垂直運動中經(jīng)歷各氣層的時間又很短，所以，運動氣塊與周圍空氣的熱量交換作用極微弱，可看作空氣作絕熱運動，10/2/202213Department of Geochemistry and Environmental ScienceT1T2P2P1干空氣升降時的絕熱變化利用這個方程可以求出氣塊上升到任一高度處的溫度值。 T1、T2 分別為絕熱過程起始

9、和終結(jié)的溫度； P1、P2 分別為絕熱過程起始和終結(jié)的壓力； 0.286 泊松常數(shù)。氣塊干絕熱過程：溫度與壓強的關(guān)系10/2/202214Department of Geochemistry and Environmental Science氣塊干絕熱過程：溫度與高度的關(guān)系干絕熱垂直遞減率大氣中的干空氣和未飽和的濕空氣塊在作垂直的絕熱運動時，氣溫會發(fā)生變化。氣塊從地面絕熱上升時，會因周圍氣壓的減少而體積膨脹，用內(nèi)能反抗外力，因此，它的溫度就下降；空氣塊下降時，外壓力增大，對其作壓縮功，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使其溫度上升。定義：干空氣在絕熱上升時，溫度降低值與上升高度的比稱為干絕熱垂直遞減率。用d表示。1

10、0/2/202215Department of Geochemistry and Environmental Science干絕熱垂直遞減率d可由下式求得： 由此可知在g和CPd不變的情況下，d總是常數(shù)。 1/100m 式中：A 為熱功當(dāng)量， Cpd為干空氣的定壓比熱。 即d 1.0/100m。 氣塊干絕熱垂直遞減率的數(shù)值10/2/202216Department of Geochemistry and Environmental Science 式中：（Z-Z0）：上升高度差； T：干空氣達到高度Z的溫度； T0：起始高度Z處的溫度。說明：這一方程僅適用于對流層，因為不同大氣層的d 不同 。

11、利用d，對絕熱上升的干空氣可以得到如下關(guān)系： T T0-d（Z-Z0）氣塊干絕熱過程：溫度與高度的關(guān)系10/2/202217Department of Geochemistry and Environmental Science0.8/100m d 表明大氣是穩(wěn)定的；1.0/100m d 表明大氣處于平衡狀態(tài)。1.2 /100m d 表明大氣是不穩(wěn)定的；大氣穩(wěn)定度26252425.82625242625242524.226252426.22523.830020010010/2/202218Department of Geochemistry and Environmental Science大

12、氣穩(wěn)定度大氣溫度垂直遞減率越大，氣層越不穩(wěn)定。大氣溫度垂直遞減率越小，甚至形成等溫或逆溫狀態(tài)，氣層越穩(wěn)定。對大氣垂直對流形成巨大障礙，地面氣流不易上升，使地面污染源排放出來的污染物難以借上升氣流而擴散。平流層：垂直遞減率為負值，垂直混合非常慢，污染物在平流層內(nèi)難以擴散。10/2/202219Department of Geochemistry and Environmental Science飽和空氣和未飽和空氣氣溫越高，空氣中可以容納的水汽就越多。在溫度一定的條件下，單位體積空氣中容納水汽的數(shù)量有一定的限度。 未飽和空氣：如果水汽含量未達到此限度，這時叫未飽和空氣；過飽和空氣：如果水汽含量超

13、過此限度，叫過飽和空氣；飽和空氣：如果水汽含量恰好達到這個限度，則叫飽和空氣。10/2/202220Department of Geochemistry and Environmental Science水蒸汽對垂直遞減率的影響無相變發(fā)生：空氣上升時，每上升100m降溫1。有相變發(fā)生：水汽發(fā)生凝結(jié)，釋放凝結(jié)潛熱，加熱氣塊，就會使氣溫的垂直遞減率降低。10/2/202221Department of Geochemistry and Environmental Science大氣干絕熱過程對氣候的影響焚風(fēng)現(xiàn)象形成機制：比較潮濕的空氣在迎風(fēng)山坡上升時，水汽凝結(jié)成云雨，到山頂后已變得比較干燥，然后沿

14、著背風(fēng)坡下沉增溫（干絕熱過程增溫），形成一股干燥而炎熱的下沉氣流，使農(nóng)作物干枯或者死亡，甚至還能引起森林火災(zāi)，氣象上稱這種氣流為焚風(fēng)，稱這種現(xiàn)象為焚風(fēng)現(xiàn)象。10/2/202222Department of Geochemistry and Environmental Science有一潮濕氣團在山的迎風(fēng)坡上升時溫度為15，越過一座相對高度為4000米的山脈。水汽的凝結(jié)高度為1000米，在凝結(jié)高度以下，氣團上升其溫度逐漸降低，每上升100米，溫度約下降1（干絕熱遞減），當(dāng)氣流升到1000米時，這時空氣溫度只有5.0。繼續(xù)上升，因水汽凝結(jié)要放出潛熱能，上升氣團溫度降低將減慢，每上升100米，溫度約

15、降低0.6（濕絕熱遞減）。這樣氣流升到了4000米處，其溫度降為-13.0。焚風(fēng)現(xiàn)象10/2/202223Department of Geochemistry and Environmental Science焚風(fēng)現(xiàn)象當(dāng)上升氣團中水汽大部分或全部凝結(jié)并降落在山的迎風(fēng)坡以后，便成為比較干的空氣。它在山脊的背風(fēng)坡按干絕熱遞增率下沉增溫，即每下降100米溫度要升高1.0。所以當(dāng)氣流下沉到山谷時，它的溫度可達27（即-13.040.027.0）。它比迎風(fēng)坡上同一高度處的溫度增高了12.0，加之此時空氣干燥，氣團就變成了干熱氣團，這種干熱氣團的形成稱為焚風(fēng)效應(yīng)。 10/2/202224Departmen

16、t of Geochemistry and Environmental Science河北省石家莊地區(qū)，位于太行山東麓，海撥高度相差1000米以上，當(dāng)氣流越過太行山下降時，石家莊地區(qū)常出現(xiàn)焚風(fēng)效應(yīng)，日平均氣溫比正常時偏高10.0以上，有時比離山麓較遠的東南部市縣（無焚風(fēng)效應(yīng)地區(qū)）溫度要高出10多度 。焚風(fēng)現(xiàn)象實例10/2/202225Department of Geochemistry and Environmental Science2.3 影響大氣污染物遷移的因素(1) 大氣的機械運動（例如：風(fēng)和湍流）(2) 天氣形勢和地理地勢造成的逆溫現(xiàn)象(3) 污染源本身的特性第二章 大氣環(huán)境化學(xué) /

17、 第二節(jié) 大氣中污染物的遷移10/2/202226Department of Geochemistry and Environmental Science(1) 大氣的機械運動風(fēng)和湍流的影響 風(fēng)可使污染物向下風(fēng)向擴散； 湍流可使污染物向各方向擴散； 濃度梯度可使污染物發(fā)生質(zhì)量擴散主導(dǎo)作用2.3 影響大氣污染物遷移的因素第二章 大氣環(huán)境化學(xué) / 第二節(jié) 大氣中污染物的遷移10/2/202227Department of Geochemistry and Environmental Science氣塊作有規(guī)則運動時，其速度在水平方向上的分量稱為風(fēng)，鉛直方向上的分量則稱為鉛直速度。在小尺度有規(guī)則運動

18、中，鉛直速度在每秒可達幾米以上，就稱為對流；在大尺度有規(guī)則運動中，鉛直速度在每秒幾厘米以下，稱為系統(tǒng)性鉛直運動；風(fēng)的形成2.3 影響大氣污染物遷移的因素第二章 大氣環(huán)境化學(xué) / 第二節(jié) 大氣中污染物的遷移(1) 大氣的機械運動風(fēng)和湍流的影響10/2/202228Department of Geochemistry and Environmental Science湍流（亂流）的形成2.3 影響大氣污染物遷移的因素第二章 大氣環(huán)境化學(xué) / 第二節(jié) 大氣中污染物的遷移(1) 大氣的機械運動風(fēng)和湍流的影響動力湍流有規(guī)律水平運動的氣流遇到起伏不平的地形擾動；熱力湍流 地表面溫度與地表面附近的溫度不均一

19、，從而形成湍流10/2/202229Department of Geochemistry and Environmental Science 圖中：T0表示地面溫度，溫度曲線由實線表示（dT/dz）env。MMD表示最大混合層高度。圖 b 為穩(wěn)定大氣時的最大混合層高度，由圖可見，在這種情況下，最大混合層高度明顯低。圖 a 中氣塊受太陽輻射升溫到T0, 它將會沿干絕熱線膨脹而上升，如圖中虛線。這兩線相交處就是最大混合層。圖 c 是有逆溫出現(xiàn)時的最大混合層高度。與逆溫層高度有關(guān) 最大混合層高度（Maximum Mixing Depth）2.3 影響大氣污染物遷移的因素第二章 大氣環(huán)境化學(xué) / 第二

20、節(jié) 大氣中污染物的遷移10/2/202230Department of Geochemistry and Environmental Science最大混合層高度夜間較低，白天升高。夜間逆溫較重的情況下，最大混合層高度甚至可以為零。白天可能達到20003000m。最大混合層高度冬季最小，夏初最大。最大混合層高度小于1500m時，城市會普遍出現(xiàn)污染現(xiàn)象。 2.3 影響大氣污染物遷移的因素第二章 大氣環(huán)境化學(xué) / 第二節(jié) 大氣中污染物的遷移最大混合層高度（Maximum Mixing Depth）10/2/202231Department of Geochemistry and Environmental Science(2)天氣形勢和地理地勢的影響天氣形勢大范圍氣壓分布的狀況地理地勢海陸風(fēng)白天海風(fēng)，夜晚陸風(fēng)巖石的比熱0.8374J/gK；水的比熱4.1868J/gK 2.3 影響大氣污染物遷移的因素第二章 大氣環(huán)境化學(xué) / 第二節(jié) 大氣中污染物的遷移10/2/202232Department of Geochemistry and Environmental Science海陸風(fēng)對污染物遷移的影響循環(huán)作用 污染源處于局地環(huán)流之中，污染物積累往返作用海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換期間，隨陸風(fēng)輸