环境科学导论第2章 大气环境及污染问题(2)

5.1 一般高斯扩散模式 高斯(Gaussion)扩散模式是大气扩散模 式中最为著名和应用最广泛的大气扩散模式， 其中，点源高斯扩散模式又最为常用。


1、高斯扩散模式的坐标系
原点为地面源排放点或高架源排放点在地面的 投影点，x轴向为平均风向, y轴在水平面上垂直于x 轴，正向在 x 轴的左侧， Z 轴垂直于水平面 oxy ，向 上方为正向，即为右手坐标系。
第4节 影响大气污染的气象条件和地理因素






4.1 温度层结 气温垂直递减率 ：气温随高度的升高而下降的数 值，通常以r表示。 干绝热递减率（rd）：干空气块或未饱和的湿空气 块在绝热条件下每升高单位高度（通常取单位高度为 100 米 ） 所 造 成 的 温 度 下 降 数 值 称 为 rd ， 一 般 为 0.98k/100m. 在对流层中，气温垂直变化的总趋势是随着高度 的增加气温逐渐降低： （1）地面是近地面大气的主要和直接的热源 （2）水汽和固体杂质的分布从低空向高空减少，水 汽和固体杂质吸收地面辐射的能力很强，从而 使近地面温度高于上层。
γ>0，γ=γd，大气处 于中性稳定状态
出现于多云 或阴天的白 天，强风的 夜晚或冬季 夜间。 多出现于弱 晴朗的夜晚 和早晨。
高空风较大，扩散主要靠 热力和动力作用。
扩散速度、落地浓 度较前者低，污染 物输送较远。
烟云在垂直方向扩散速度小， 平展形 厚度在纵向变化不大，在水 平方向上有缓慢扩散。
γ<0，γ<γd，，出现 逆温层，大气处于 稳定状态


Q y2 (z H )2 (z H )2 C ( x, y, z; H ) exp( 2 ){exp[ ] exp[ ]} 2 2 2U y z 2 y 2 z 2 z




Q 为污染源的源强（mg /s）， H 为烟囱有效高度(m)， U 为烟囱实际高度处的平均风速(m/s)， δ y,δ z为y轴和z轴上的扩散系数（即污染物浓度在y 轴和z轴上正态分布的标准偏差） C (x ,y, z, H) 为污染源下风向任一点(x, y, z) 处的污染 物浓度(mg / m3 )。
一般来说， r 越大，大气越不稳定，反之， 大气越稳定。
4.3 逆温层 气温随高度增加而增加的气层，即r < 0 或r =0，称为逆温层。等温层可视为逆温层的 一个特例。 大气近地面层空气的温度的变化主要受地 面长波辐射的影响。大气温度层结一般是r > 0 ，但在特定的条件下，也会发生r < 0或r = 0 的现象，即发生了逆温或等温现象。 根据大气稳定度分析，发生逆温时，大气 是稳定的。逆温层的存在，大大阻碍了气温的 垂直运动，也将逆温层称为阻挡层。 污染气体多积聚在逆温层下面，往往导致 严重大气污染。
Z Z
Z
Z
Z
T a b
T c
T d
T e
T
a表示下午时分；b表示日落时分；c 黎明时分；d表示日出后的早晨；e表示上午10点左右
平流逆温：暖空气平流到冷空气表面而形成
的逆温。

原因：低层空气受表面影响大，降温多， 上层空气降温少所致的。 当冬季中纬度沿海地区的海上暖空气流到 大陆上，以及暖空气平流到低地、盆地内积聚 的冷空气上面时，皆可形成平流逆温。

式中：
ρ ：颗粒物的密度(g/cm3) g ：重力加速度(980cm/s) d ：颗粒物平均粒径（cm） u ：空气的粘滞系数（1.8×10-2g/m· s）
2 g d VS = 18
5.3

高斯扩散模式中各参数的估算
Q
2
(3)地面轴线最大污染物落地浓度
出现地面轴线最大落地浓度点时的Z轴的扩散系数为
δ z∣x C max = H/ 2
将上式代入到地面轴线浓度计算公式, 可得出
C ( x,0,0; H ) max
2Q z 0.234Q z 2 2 eUH y UH y
(4)


（ B ）由于垂直方向上 风速 分布的不均匀性和地
面粗糙度引起的 机械湍流， 它的强度取决于风速梯
度和地面粗糙度。

（3）作用：湍流具有极强的扩散能力，风速越大， 湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物的浓 度也越低。
4.7

影响大气污染的地理因素
影响大气污染的主要地理因素有： （1）地形和地物的影响 （2）局地环流（包括山谷风，海陆风和城市 热岛环流）的影响。
排出口上方有微风，伴有 湍流；排出口下凡，几乎 无风，无湍流。
烟囱高度处于不稳 定层时，污染物不 向下扩散，对地面 污染较小。
烟云上侧边缘清晰，呈平直 漫烟形 状，下部有较强的湍流扩散， 烟云上方有逆温层。
排出口上方：γ<0， γ<γd，大气稳定； 排出口下方：γ>0， γ>γd，大气不稳定
烟云下部有明显热扩散， 上部热扩散很弱，风在烟 云之间流动。
(2)城市覆盖物(如建筑、水泥路面等)热容量 大， 白天吸收太阳辐射热，夜间放热缓慢，使低层 空气变暖； (3)城市上空笼罩一层烟雾和CO2，吸收地面长 波辐射。
第5节 大气污染物扩散模式

有界大气扩散 ： 大气污染物排放源多位 于近地面或接近地面的大气边界层，因此， 污染物在大气中的扩散多在边界层中进行， 并受到地面的影响，我们称这种大气扩散为 有界大气扩散。


逆温的类型 ：根据逆温生成的过程，可 将逆温分为


（1）辐射逆温
（2）下沉逆温


（3）平流逆温
（4）锋面逆温
（5）湍流逆温
其中，辐射逆温和平流逆温与大气污染 的关系最密切。

辐射逆温 ：在晴空无云（少云）的夜晚，当风速较小
（< 2-3m/s）时，地面因强烈的有效辐射的减少而很快 冷却，近地面气层冷却最为强烈，较高的气层冷却较 慢，因而形成了自地面开始逐渐向上发展的逆温层， 称为辐射逆温。以冬季最强。
地面连续源高斯扩散模式
令高架连续点源高斯扩散模式的一般形 式中的H = 0, 便得到地面连续源在其下风向 任何一点(x, y, z)的污染物浓度值计算公式：
Q y z C ( x, y, z;0) exp( 2 ) exp( 2 ) U y z 2 y 2 z
2
2

由以上 地面连续源高斯扩散模式 ，可得 出地面源的地面任何一点（x, y, 0）和地面轴 线上任何一点（x, 0,0）的污染物浓度扩散模 式：
吹向城市市区的特殊的局地风，称为城市热岛环流或
城市（郊）风。

城郊风在市区汇合产生上升气流。当城市周围有 较多产生大气污染的工厂时，就会使污染物在夜间向 市中心输送，造成严重污染，特别是夜间城市上空有 逆温层存在。

城市热岛环流

。
产生城乡温度差异的主要原因
(1)城市人口密集、工业集中，能耗水平高；
烟囱低于稳定层时， 烟云就像被盖子盖 住似的，烟云只向 下扩散，地面污染 严重。
翻卷型烟型
平展型烟型
上升型烟型
4.5


大气的水平运动和湍流运动
大气的水平运动 ( 风 ) 对于大气污 染物的第一个作用就是输送作用； 第二个作用是对污染物浓度的冲 淡稀释作用。


大气湍流

（1）大气湍流：大气的上下左右无规则摆动运动。 （2）成因： （ A ）由于垂直方向 温度 分布的不均匀性引起的 热力湍流，它的强度取决于大气稳定度。
Q y C ( x, y,0,0) exp( 2 ) U y z 2 y
2
Q C ( x,0,0,0) U y z


5.2 TSP扩散—沉降模式（高斯倾斜烟流扩 散模式）
在以上一般高斯模式中，认为颗粒物的粒径小 于10微米，因此，其沉降作用可以忽略。 当颗粒物的粒径大于10微米时，颗粒物除了随 平流场运动以外，还由于重力下沉作用，使得烟羽 的中轴线逐渐向地面倾斜，为了反映颗粒物的沉降

地形逆温：常发生在山地、盆地和谷地中。
由于山坡散热快，山坡上的冷空气沿山坡下沉 到谷底，谷底原来较暖的空气被冷空气抬挤上 升，从而出现温度的倒置现象。这样的逆温主 要是在一定的地形条件下形成的，所以称为地 形逆温。

4.4 不同温度 层结和大 气稳定度 下的烟型

烟形
性状 烟云在上下左右方向摆动很 大，扩散速度快，烟云呈剧 烈翻卷状，烟团向下风向输 送。
大气状况
发生情况
与风、湍流关系
地面污染状况 由于扩散速度快， 近污染源地区污染 物落地浓度较高， 一般不会形成烟雾 事件
波浪形
γ>0，γ>γd，大气不 稳定，对流强烈
出现于阳光 较强的白天
伴随有较强的热扩散，微 风
锥形
烟云离开排放口一定距离后， 云轴基本上保持水平，外形 似椭圆锥，烟云规则扩散能 力比波浪型弱。

作用，必须在以上一般高斯扩散模式基础上加以修
改，即得到高斯倾斜烟流扩散模式。
VS x 2 (z H ) 2 ux Q y C ( x, y , z , H ) {exp[ 2 ]} 2 2u x y z 2 y 2 z

α 为可沉降颗粒物 (10~100um) 在 TSP 中所占的比重， 0< α <1, vs为颗粒物沉降速度， vs由斯托克公式计算：

地形地物的影响
（1）山脉 （ 2 ）高大建筑物：在建筑物背风面局部形成 涡流。



局地环流的影响
由于地形的差异，往往会造成地表热 力性质的不均匀性，进而形成各种局地 环流。 局地环流的形成对当地的大气污 染的形成作用较为明显。