【精编】大气污染气象学
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1. 空气污染一般是指:由于人为或自然的因素,使大气组成的成分,结构和状态发生变化,与原本情况比增加了有害物质(称之为空气污染物),使环境空气质量恶化,扰乱并破坏了人类的正常生活环境和生态系统,从而构成空气污染(科学定义)。
2. 空气污染源分为两类:人工源和自然源。
3. 大气污染物(ppm, mg/m3):以各种方式排放进入大气层并有可能对人和生物、建筑材料以及整个大气环境构成危害或带来不利影响的物质。
按照其产生方式可分为:一次、二次污染物。
一次大气污染物:直接以原始形态排放入大气中并达到足够的排放量从而造成健康威胁的污染物。
二次大气污染物指大气中的一次污染物通过化学反应生成的化学物质。
4. P-T法确定稳定度类别分ABCDEF类,依次规定为极不稳定,中等不稳定,弱不稳定,中性,弱稳定,中等稳定状况。
P-T-C法确定稳定度的具体过程:1•先计算太阳高度角;2•由云量和太阳高度角按表查出太阳辐射等级;3•由太阳辐射等级与风速按表查出稳定度类别。
5. 源强:表示污染源排放污染物质量的速率。
源强的单位:对点源,g/s或kg/s;对线源,g/(s.m);对面源,g/(s.)或kg/(h.k);对瞬时源,kg或g。
6. 南极臭氧空洞:每年的春季(9、10月)在南极上空会出现一个面积与极涡范围相当的臭氧弄对低质区。
7. 大气的自净能力:由于大气自身的运动,使得大气污染物输送、稀释、扩散,从而起到对大气的净化作用。
机制:大气输送,大气扩散,沉降和化学转化。
8. 逆温:递减率<0的大气层与正常情况完全相反的现象称为逆温,这样的气层称为逆温层。
逆温分类及特征:根据逆温产生的原因不同,可分为辐射性逆温、沉降性逆温、湍流性逆温、锋面逆温和地形逆温五种。
逆温研究关注点(实际):逆温的频率、厚度、强度、种类、生消规律。
对污染物扩散的影响:由于逆温层的存在,大大抑制了对流,使大气处于稳定状态,像一个盖子一样阻碍着大气的垂直运动。
名词解释:1、 空气污染气象学:是近代大气科学研究的一个新的分支学科,研究大气运动同大气中污染物相互作用的学科,它作为大气环境问题研究与应用的一个重要领域,研究排放进入大气层的空气污染物的扩散稀释、转化、迁移和清楚的规律,模拟并预测空气污染物的浓度分布及其对环境空气质量的影响。
2、 气象要素:构成和反映大气状态和大气现象的基本因素,简称为大气状态的物理现象和物理量。
3、 风:空气相对于地面的水平运动成为风,它有方向和大小,是矢量。
4、 湍流:是一种不规则运动,其特征是时空随机变量,包括机械因素和热力因素,由机械或动力作用生成的是机械湍流,地表非均一性和粗糙度均可产生这种机械湍流活动。
由各种热力因子的热力作用诱发形成的湍流称热力湍流,一般情况下,大气湍流的强弱取决于热力和动力两种因子。
在气温垂直分布呈强递减时,热力因子起主要作用,而在中性层结情况下,动力因子往往起主要作用。
5、大气温度:指1.5米的百叶箱温度。
6、干绝热递减率: 绝热垂直递减率(绝热直减率):气块在绝热过程中,垂直方向上每升降单位距离时的温度变化值。
(通常取100m ),单位:℃/100m 。
7、 干绝热垂直递减率γd (干绝热直减率): 干气块(包括未饱和湿空气)在绝热过程中,垂直方向上每升降单位距离的温度变化值。
(通常取100米),根据计算,得到γd 约为0.98℃/100m ,近似1℃/100m 。
8、 混合层高度:在实践中,经常会出现这样的温度层结:低层是不稳定的大气 ,在离地面几百到上千米高空存在一个明显的逆温层,即通常所说的上部逆温的情况,它使污染物的垂直扩散受到限制,实际上只能在地面至逆温的扩散叫“封闭型”扩散。
存在封闭型扩散的空气层称混合层。
上部稳定层结的底部的高度称为混合层高度。
9、 地面绝对最大浓度:两种作用的结果:定会在某一风速下出现地面最大浓度的极大值,称为地面绝对最大浓度,用Cabsm ,出现最大浓度的风速称为危险风速10、烟气抬升高度:烟囱高度He 为烟囱的有效高度.这个高度就是烟流中心线完全变成水平时的高度.它等于烟囱的实际高度Hs 和烟气的抬升高度△H 之和.He= Hs+ △H11、 烟流宽度2y0(或2z0)定义为烟流中心线至等于烟流中心线浓度十分之一处的距离的二倍。
第三章大气污染气象学讲授2学时教学要求要求了解与大气污染相关的气象学基本知识,理解和掌握大气圈的结构、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念。
教学重点掌握大气层结构及大气的热力过程。
教学难点大气的热力过程、大气稳定度和逆温。
教学内容:§3-1大气圈结构及气象要素§3-2大气的热力过程§3-3大气的运动和风污染物排入大气后是否引起严重大气污染除取决于污染物的排入量外与污染物在大气中的扩散稀释速度关系极大。
各区域常常进行环境监测,测定各污染物的情况,我们会发现在同天大气监测值差别很大。
而统一污染源不可能差别很大,有时监测值会几百倍,造成这种现象的原因是与污染物的传输扩散与气象条件有着密切的关系。
近年来,在研究各种气象条件对大气污染物的传输扩散作用和大气污染物质对天气和气候的影响条件中逐渐形成了一门新的分支学科——大气污染气象学。
本章只讨论气象条件对大气污染物的传输扩散作用,初步掌握厂址选择和烟囱设计中的一些问题,为进一步学习污染气象学知识打下基础。
§3-1 概述一.低层大气的成分:干洁空气、水汽、气溶胶粒子。
二.大气的垂直结构三.影响大气污染的主要气象要素气象要素(因子):表示大气状态和物理现象的物理量在气象上称之。
气象要素的数值是直接观测获得的,主要有:气温、气湿、气压、风向、风速、云况、能见度、降水、蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等,下面分别介绍几个:1. 气温:空气湿度是反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量,常用的表示方法有:绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。
2.风a)定义:什么是风?空气水平方向的流动叫风。
b)形成:风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的,而气压的水平分布不均是由湿度分布不均造成。
风的特性用风向与风速表示,它是一向量。
由于温度分布不均而形成的风从图a看出地面AB上,t1 = t2 ,水平方向上的温度和气压到处相等,AB上空各高度在水平方向上的T、P也到处相等,则等压(各处气都相等的面)与地面平行,此时大气静止状(无风)。
大气污染控制工程气污染气象学概述大气污染控制工程是为了减少大气污染对人类健康和环境造成的危害而进行的系统工程。
气污染气象学是大气污染控制工程中的重要组成部分,它研究大气污染的形成、传输和转化等过程,以及大气稳定度、湍流、风场等气象条件对大气污染的影响。
大气污染的形成与传输大气污染主要由人为活动和自然现象引起。
人为活动如工业生产、交通运输、能源消耗等产生大量排放物,如二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等,这些污染物在大气中相互作用、转化,并与气象条件相互影响,最终形成大气污染。
大气污染物通过大气运动传输,受到大气稳定度、湍流和风场等气象因素的影响。
大气稳定度是指大气的垂直运动特性,分为稳定和不稳定两种状态。
在稳定状态下,污染物难以扩散,容易积累形成污染物锁定效应;而在不稳定状态下,污染物容易扩散,减少对人类和环境的影响。
湍流是指大气中的无规则运动,它能够促进污染物的混合和扩散。
湍流的强弱与大气湍流能量密切相关,一般来说,湍流能量越大,湍流强度越强,污染物扩散效果越好。
风场是指大气中的风速和风向分布情况。
风速决定了污染物的迁移速度,风向则决定了污染物的传输路径。
大气污染控制工程需要通过对风场的监测和模拟,来预测和控制大气污染的扩散范围和影响。
大气污染气象学的研究内容大气污染气象学是一门兼具理论研究和应用探索的学科。
其研究内容主要包括以下几个方面:1.大气污染形成机理的研究:通过研究大气污染的源排放、污染物转化、光化学反应等过程,揭示大气污染形成的机理和规律。
2.大气污染传输过程的研究:通过数值模拟和观测手段,研究大气污染物在大气中的传输与扩散规律,为大气污染的防治提供科学依据。
3.大气污染气象要素的监测与分析:通过气象观测设备和技术手段,监测大气污染的重要指标,如浓度分布、成分变化、来源与去向等,为大气污染控制提供数据支持。
4.大气污染防治技术的优化与应用:通过对大气污染气象学的研究,结合大气污染防治技术,优化控制策略和措施,提高大气污染治理效果。
第三章大气污染气象学讲授2学时教学要求要求了解与大气污染相关的气象学基本知识,理解和掌握大气圈的结构、主要气象要素、大气稳定度和逆温的概念。
教学重点掌握大气层结构及大气的热力过程。
教学难点大气的热力过程、大气稳定度和逆温。
教学内容:§3-1大气圈结构及气象要素§3-2大气的热力过程§3-3大气的运动和风污染物排入大气后是否引起严重大气污染除取决于污染物的排入量外与污染物在大气中的扩散稀释速度关系极大。
各区域常常进行环境监测,测定各污染物的情况,我们会发现在同天大气监测值差别很大。
而统一污染源不可能差别很大,有时监测值会几百倍,造成这种现象的原因是与污染物的传输扩散与气象条件有着密切的关系。
近年来,在研究各种气象条件对大气污染物的传输扩散作用和大气污染物质对天气和气候的影响条件中逐渐形成了一门新的分支学科——大气污染气象学。
本章只讨论气象条件对大气污染物的传输扩散作用,初步掌握厂址选择和烟囱设计中的一些问题,为进一步学习污染气象学知识打下基础。
§3-1 概述一.低层大气的成分:干洁空气、水汽、气溶胶粒子。
二.大气的垂直结构三.影响大气污染的主要气象要素气象要素(因子):表示大气状态和物理现象的物理量在气象上称之。
气象要素的数值是直接观测获得的,主要有:气温、气湿、气压、风向、风速、云况、能见度、降水、蒸发、日照时数、太阳辐射、地面辐射、大气辐射等,下面分别介绍几个:1. 气温:空气湿度是反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量,常用的表示方法有:绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。
2.风a)定义:什么是风?空气水平方向的流动叫风。
b)形成:风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的,而气压的水平分布不均是由湿度分布不均造成。
风的特性用风向与风速表示,它是一向量。
由于温度分布不均而形成的风从图a看出地面AB上,t1 = t2 ,水平方向上的温度和气压到处相等,AB上空各高度在水平方向上的T、P也到处相等,则等压(各处气都相等的面)与地面平行,此时大气静止状(无风)。
B来看,A、B两地受热不均,A地气温高于B地(t1>t2),A地的空气因受热膨胀上升而使等压面抬高,因而在A地上空各高度上的气压比B地上空间高度要高,造成等压面自A 地的气压必高于B地的气压,在水平气压梯度力的作用下,空气自A地某高度流向B地。
C来看,由于b空气流动的结果,B地上空因空气流入造成堆积而使质量增加,地面气压升高。
A地上空空气质量减少,地面气压下降,于是地面上产生了自B地指向A地的水平气压梯度,因此空气自B地流向A地这样形成了高空自A地流向B地,地面自B地流向A地的空气环流。
风的形成除热力原因外,还有动力原因,自然界的风是由于这两种原因综合作用的结果,但只要有温差存在,空气就不会停止运动。
a)风的度量风的大小有叫风速:在单位时间内,空气水平流动的距离,m/s。
风速的测定:EL型电接风向风速仪(连续自动测定每10分钟的平均风速值),通常,气象台站测得的风向、风速都是指一定时间的平均值。
小时平均风速(一般在一年期间);10分钟平均风速(在实验室)风向:分为16方位,见图2-2,还有一表示方法,以北为零点,沿顺时针方向旋转。
注意字的写法:NE 东北NNE 北东北b)性质:随时在变化,如我国季风是我们的特色(冬天东北风);(1)随高度变化,在一定范围内,风随高度的增大而增大。
地面有建筑物,树木的影响。
风速随高度变化的曲线叫风速廓线,其数学表达式叫风速廓线模式。
风速廓线模式都是在气象要素正常分布的情况下推导出来的。
在近地层中性层结情况下推导的两个表达式分别为:对数律:Z-------离地面的高度Z0-------粗糙度(m)M-------系数指数律:Z1-------风速仪的高度------- Z1高度处的平均风速(m/s)m---------指数(2)随地理位置而变山区会产生山风、谷风,海区有海陆风(上海大连等)3.云云是发生在高空的水汽凝结现象。
形成的基本条件:水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境。
云的分类:高云:离地面5000m以上,冰晶构成;中云:离地面2500—5000m间,过冷的微小水滴及冰晶构成;低云:离地面2500m以下,由微小水滴和冰晶构成。
云量:云量是指云遮蔽天空的成数。
将天空分为十份。
这十分中被云所遮盖的成数称为云量。
如在云层中还有少量空隙(空隙总量不到天空的1/20)记为10 ;当天空无云或云量不到1/20时,云量为0。
国外云量与我国云量间的关系,国际云量(8分)总云量:指所有云遮蔽天空的成数,不论云的层次和高度。
低云量:低云的云掩盖天空的成数。
云量的纪录:一般云量/低云量的形式记录如10/7。
云状:多种多样,1932年国际云学委员会出版的国际云图,云状分为四族十属。
云高:指云底距地面的垂直距离,以米为单位。
测定方法:激光测云仪、弧光测云仪等,目力测定法。
4.能见度在当时的天气情况下,正常人的眼睛所能看到的最大距离叫能见度。
能见就是能把目标物的轮廓从它的天空背景上分辨出来,为了知道能见距离的远近,首先必须选择若干固定的目标物,量出他们距测点的距离。
四.能见度的大小反应了大气的混浊程度,反应出大气中杂质的多少。
气压与高度的关系任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量,可见气压总是随高度的增加而降低的。
气压随高度递减关系式可用气体静力学方程式描述设一单位截面积的垂直气柱,在Z高度上气压为P,在(Z+ΔZ)气压下降数量等ΔZ这段气柱的重量,即:(P-ΔP)-P=ρgΔZ则ΔP=-ρgΔZ。
g---重力加速度;ρ----空气的密度微分式:dp=-ρgdz-------(a)即静力方程式,它表示空气在静止状态下,气压随高度的变化规律称为气压梯度或单位高度的气压差将气体状态方程式P V = n R T以T m平均气温代替真实气温T分别从P1P2、Z1 Z2积分得:此式即压高公式------静力方程式得积分式据实测近地层高度每升高100米,气压平均降低约12.4毫巴,在高层小于此值。
§3-2 大气的热力过程一.太阳辐射太阳的辐射能是地球表面和大气的唯一能量来源,地面和大气获得辐射能增热的同时,本身放出热辐射而冷却,所以大气内部始终存在着冷与暖的变化,冷、暖在某种意义上讲决定着空气的干湿与降水,决定着低气压的分布,影响着大气的运动,也就影响了排放至大气的污染物质的扩散稀释。
1.什么是辐射自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能量,这种传递能量的方式称为辐射,以辐射的方式向四周输送的能量称辐射能,有时简称辐射。
辐射能的不同,在于电磁波的波长不同,波长即指两连续波间波峰至波峰的距离,物体放射的波长视物体的温度而定,物体的温度增加放射的波长减短,太阳由于温度很高,它的辐射波长在0.15—4.0μm(10-4cm)之间。
辐射最强在0.475μm附近。
地球表面平均温度在15℃,辐射最强是在10μm附近,太阳放出主要辐射的波长只有地球放出的波长的,所以我们称太阳辐射是短波,地球辐射是长波,太阳、地球和大气的辐射波长在0.15—120μm 之间,其中0.4—0.76μm可见光波长。
波长<0.4μm为紫外线,波长>0.76μm的为红外线。
据估算一年中整个地球可以从太阳获得1.3×1024卡热量,在不计大气影响条件下,一分钟内太阳投射到地球表面每一平方厘米面积上的能量称为太阳辐射强度。
据计算,在大气上界,即无大气影响条件下,与太阳成垂直的平面上,每平方厘米面积上每分钟获得的热量为1.94卡,这是在日地平均距离下求得的,称为太阳常数。
概括而言:(1)太阳表面温度6000K,它的辐射波长0.15—4.0μm,辐射最强在0.475μm长波;地球表面温度15℃,它的辐射波长2.0—120μm,辐射最强在10μm短波。
(2)各种物体接受辐射波长有选择性。
(3)各种物体高于0℃,就可辐射波长,也可接受辐射波。
(4)太阳辐射的波长是地球的。
2.大气对太阳辐射的减弱及影响因素地球周围若没有大气圈,地面可能获得同样的太阳辐射强度,但由于大气的存在使到达地面的太阳辐射强度远比7.94卡少,这主要由于大气对太阳辐射有减弱、消耗等影响,主要通过下述作用。
(1)吸收辐射大气中的水蒸汽、CO2、吸收波长较长的红外部分,O3能强烈吸收紫外线(0.255μm 的吸收99%),N2不吸收太阳辐射。
大气吸收太阳辐射后变成了热能,因此在平流层臭氧比较集中的地方温度较高。
(2)散射作用散射:使太阳辐射的直线射程发生偏斜,向四面八方散开的现象称为散射。
大气中的云滴、尘粒、空气分子对太阳辐射有散射作用,散射只改变太阳辐射的方向,对大气的热能无影响,经散射,一部分到地面,一部分返宇宙。
(3)反射大气层云层和较大颗粒的尘埃能将一部分太阳辐射反射到空间去,所以阴天地面得到的太阳辐射很少。
上述三种作用以反射作用最大,散射次之,吸收最小。
(4)透过大气层辐射能传递关系:上述中反射和散射返回宇宙空间的占43%,大气直接吸收的占14%,其余43%到达地面被地面吸收。
(包括直接到达地面的27%和散射回地面的16%两部分)3.大气温度依地面温度的变化关系辐射能力极大值对应的波长(λmax)同辐射体的绝对温度T成反比。
温度越高,辐射波长越短。
地面温度为200—300K,据此下地面辐射是种长波辐射,大气也以长波辐射方式向四周输送热量,其中一部分投向地面称为大气的逆辐射。
这样大气能防止地面热量的大量散失,对地面有保温作用。
地面辐射G1与被地面吸收的大气逆辐射G2之差称为地面有效辐射或称夜间有效辐射R=G1-G2。
若无大气,地面的温度不是15℃,而是-23℃(据计算)大气圈的存在防止了夜间地面热量迅速散失引起的急剧降温,因而减少了温度的日变辐。
大气对太阳的短波辐射吸收很少(仅臭氧对其有吸收),而大气中的水汽、CO2能大量吸收地面的长波辐射,因此太阳辐射不是大气,特别不是近地层大气的主要热源。
近地层大气温度主要受地表温度的影响,据统计约有75—95%的地面长波辐射被大气吸收,而且几乎在近地面40—50米的气层中就完全被吸收了。
所以地面温度的同期性变化自然会引起空气温度的自然性变化。
地面温度(土壤温度)的日变化是周期性的,具有一最高值和最低值,在一天里地表温度最高值在13点左右,最低温度在日出前后。
在陆地上,大气温度的波动传播基本遵从土壤中温度波动传播规律,离地面越高,振幅越小,位相越落后,陆地上最高气温出现在14点到5点,最低气温出现在日出时。
海洋气温日变辐稍大于水面温度日变辐,一般洋面温度昼夜都比气温高,洋面气温日变辐为1—2℃;内陆湖面气温日变幅较大,可达10℃左右,水面最高气温出现在12点半左右,最低气温出现在日出前后。