第三章 大气扩散

第三章大气扩散

§1 大气层结构和气象要素

为了有效地控制大气污染，除需要采取安装净化装置等各种技术措施外，还需充分利用大气对污染物的扩散和稀释能力。污染物从污染源排到大气中的扩散过程，于排放源本身的特性，气象条件、地面特征和周围地区建筑物分布等因素有关。本章主要对这些因素特别是气象条件、大气中污染物的浓度的估计以及厂址选择和烟囱设计等问题，作一简要介绍。

一、大气层结构

大气层的结构是气象要素的垂直分布情况，如气温、气压、大气密度和大气成分的垂直分布等。这里主要对气温的垂直分布情况简要介绍一下。大气共分为五层：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层

二、气象要素

表示大气状态的物理量和物理现象，统称气象要素。气象要素有：气温、气压、空气湿度、风向、风速、云况和能见度等。这些气象要素，都是从观测直接获得的。

1、气温

气象上讲的地面气温一般是指距地面1.5m高处在百叶箱中观测到的空气温度。

2、气压

气压是指大气的压强。气象上常用的气压单位是毫巴（mb），与其它气压单位的关系是

1atm=10132Pa=1013.26mb=760mmHg

3、空气湿度

空气的湿度简称气湿，反映了大气中水汽的含量的多少和空气的潮湿程度。常用的表示方法有：绝对湿度、水汽压力、相对湿度、饱和气压、露点等。

4、风向和风速

气象上把水平方向上的空气运动称为风。风是一个矢量。具有大小和方向。风向是指风的方向。例如，风从东方来称东风；风向北吹称南风。风向可用8个或16个方位表示。也可用角度表示。

风速是指单位时间内空气在水平方向运动的距离，单位用m/s或km/s表示。通常气象台站所测定的风向、风速，都是指一定时间的平均值。有时也需要测定瞬时

风向、风速。

5、云

云是大气中的水汽凝结现象，它是漂浮在空中的大量小水滴或小冰晶或两者的混合物构成的。云的生成，外形特征。量的多少，分布及演变，不仅反映了当时大气的运动状态，而且预示着天气演变的趋势。

云量是指云遮住天空的成数。我国将天空分为10等分，云遮蔽了几分，云量就是几分。例如碧空无云，云量为零；阴天云量为10。国外将天空分为8等分，云遮蔽了几分，云量就是几。两者的换算关系为：

国外云量×1.25=我国云量

6、能见度

能见度是在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到或辨认出的目标物最大水平距离，单位用m或km表示。能见度的大小反映了大气透明度或浑浊的程度。

§2 大气边界层的温度场

一、温度直减率

γ来表示，简称温度直气温随高度的变化特征可以用气温垂直递减率Z

T?

=/

-?

减率。它是指单位（通常取100m）高差气温变化率的负值。若气温随高度增加是递减的，γ为正值，反之，γ为负值。

如果有一小块空气作快速垂直运动，来不及和周围的空气进行充分的热交换，而外界的压力变化却很大，则可认为该空气块的运动为绝热运动。实际上多数情况的大气过程都可视为绝热过程，它的气温变化完全是由外界压力变化引起的。

当一空气块从地面绝热上升时，将因其周围气压的减小而膨胀，一部分内能用于反抗外压力而作膨胀功，因而它的温度将逐渐增大，外压力对它作压缩功，转化为它的内能，因而它的温度将逐渐上升。

二、气温的垂直分布

气温沿铅直高度的分布，可用坐标图上的曲线表示，如图所示。这种曲线称为

温度层结曲线

大气中的温度层结有四种类型：1、气温随高度增加而递减，即γ>0，称为正常分布层结或递减层结；2、气温直减率等于或近似等于干绝热直减率，即γ=γd ，称为中性层结；3、气温不随高度变化，即γ=0，称为等温层结；4、气温随高度增加而增加，即γ<0，称为气温逆转，简称逆温。

三、烟流形状与大气稳定度的关系

烟流扩散的形状与大气稳定度有密切的关系，如图示5中烟流的形状。

1、波浪型 这种烟流呈波浪状，污染物扩散良好，发生在全层不稳定大气中，即0>-d λλ时。多发生在晴朗的白天，地面最大浓度落地点距烟囱较近，浓度较大。

2、锥型 这种烟流呈圆锥型、发生在中性条件下，即0≈-d λλ。垂直扩散比平展型好，比波浪型差。

3、平展型 这种烟流垂直方向扩散很小，象一条带子飘向远方。从上面看，烟流成扇形展开。它发生在烟囱出口处，于逆温层中，即该层大气1-<-d λλ。污染情况随烟囱高度不同而异。当烟囱很高时，近处地面上不会造成污染，在远方会造成污染；烟囱很低时，会造成近处地面上的严重污染。

4、爬升型（屋脊型） 这种烟流的下部是稳定的大气。上部是不稳定的大气。一般在日落前后出现，地面由于有效辐射的放热，低层形成逆温，而高空仍保持递减层结。它持续时间较短，对近处地面污染较小。

5、漫烟型（熏蒸型） 对于辐射逆温，日出后由于地面增温，低层空气被加热，使逆温从地面向上逐渐消失，即不稳定大气从地面向上逐渐发展，当发展到烟流的下边缘或更高一点时，烟流便发生了向下的强烈扩散，而上边缘处仍处于逆温层中，漫烟型便发生了。这时烟流下部0>-d λλ，上部1-<-d λλ。这种烟流多发生在上午8—10点种，持续时间很短。

对于上述五种典型烟流，这里只从温度层结和大气静力稳定度的角度作了粗略分析。实际的烟流要复杂的多，影响因素也复杂得多。例如，还应考虑动力因素的影响，在近地层主要考虑风和地面粗糙度的影响。这五种烟型可以作为判断大气稳定度的一种依据。

四、逆温

辐射到地球表面的太阳辐射主要是短波。地面吸收太阳辐射的同时也向空中辐射能量，这种辐射主要是长波辐射。大气吸收短波辐射的能力很弱，而吸收长波辐射的能力却极强。因此，在大气边界层特别是近地层内，空气温度的变化主要是受地表长波辐射的影响。近地层空气温度，随着地面温度的增高而增高，而且是自上而下的增高；反之，空气温度随着地表温度降低而降低，亦是自上而下的降低。大气温度层结一般是0>λ，即气温随高度增加而递减的。但在特定条件下也会发生

0=λ或0<λ的现象，即气温随高度增加而不变或增加。一般将气温随高度增加而增加的气层称为逆温层。根据前面对大气稳定度的分析，当发生等温或逆温时，大气是稳定的，所以逆温层的存在大大阻碍了气流的垂直运动，所以也将逆温层称为阻挡层。若逆温层存在于空中某高度，由于上升的气流不能穿过逆温层而积聚在它的下面，则会造成严重的大气污染现象。事实表明，有许多大气污染事件多发生在有逆温及静风的气象条件下，所以在研究污染物的大气扩散时必须对逆温给予足够的重视。

逆温可发生在近地层中，也可能发生在较高气层（自由大气）中。根据逆温生成过程，可将逆温分为辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温及湍流逆温等五种。

1、辐射逆温

在晴朗无云（或少云）的夜间，当风速较小（<3m/s ）时，地面因强烈的有效辐射而很快冷却，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。辐射逆温在日落前1小时开始形成，随着地面辐射的增强，地面迅速冷却，逆温逐渐向上发展，黎明时达到最强，日出后太阳辐射逐渐增强，地面逐渐增温，空气也随之自上而下的增温，逆温便自下而上的逐渐消失，大约在上午10点钟左右逆温层全部消失。

辐射逆温在陆地上常年可见，但以冬季最强。在中纬度地区的冬季，辐射逆温层厚度可达200—300m ，有时可达400m 左右。冬季晴朗无云和微风的白天，由于地面辐射超过太阳辐射，也会形成逆温层。辐射逆温与大气污染的关系最为密切。

2、下沉逆温

由于空气下沉受到压缩增温而形成的逆温层称为下沉逆温。下沉逆温的形成主要是由于下降或上升运动中做功，导致某一层的大气温度比它下层的大气温度高，从而形成逆温，原因很复杂，这里不再一一讲解。

下沉逆温多出现在高压控制区内，范围很广，厚度也很大，一般可达数百米。下沉气流一般达到某一高度就停止了，所以下沉逆温多发生在高空大气中。

3、平流逆温

由暖空气平流到冷地表面上而形成的逆温称为平流逆温。这是由于低层空气受地表面影响大、降温多，上层空气降温少所形成的。暖空气与地面之间温差越大，逆温越强。当冬季中纬度沿海地区海上暖空气流到大陆上，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。

4、湍流逆温

低层空气湍流混合形成的逆温称为湍流逆温。实际空气的运动都是一种湍流运

动，其结果将使大气中包含的热量、水分和动量以及污染物质得以充分的交换和混合，这种因湍流运动引起的属性混合称为湍流混合。

湍流逆温的形成主要是在对流层中的冷气团与暖气团相遇时，暖空气因其密度小就会爬升到冷空气上面去，形成一个倾斜的过渡区，称为锋面。在锋面上，如果冷暖空气的温差较大，也可以出现逆温，这种逆温称为锋面逆温。锋面逆温仅在冷空气一边可以看到。

§3引起大气运动的作用力

大气运动是在各种力的作用下产生的。作用于大气上的力，有气压梯度力、重力、地转偏向力、摩擦力（即粘滞力）和惯性离心力。这些力之间的不同结合，构成了不同形式的大气运动和风。

一、水平气压梯度力

单位质量的空气在气压中受到的作用力，称为气压梯度力。这一力可分解为垂直和水平方向两个分量。垂直气压梯度力虽大，但由于有空气质量与之平衡，所以空气在垂直方向所受作用力并不大。水平气压梯度力虽小，但却是大气运动的主要原因。只要水平方向上存在着气压差，就有水平气压梯度力作用在大气上，使大气由高压侧向低压侧加速运动，直到有其它力与之平衡为止。

二、地转偏向力

大气在转动的地球上运动时，由于地球转动而产生的使运动偏离气压梯度方向的力，称为地转偏向力。只有大气相对地面运动时，地转偏向力才产生，它只能改变大气运动的方向，而不能改变运动的速度。

三、惯性离心力

当大气作曲线运动时，将受到惯性离心力的作用。其方向与大气运动方向垂直，由曲线路径的曲率中心指向外；其大小与大气运动的线速度的平方成正比，与曲率半径成反比。实际上，由于大气运动的曲率半径一般很大，所以惯性离心力通常很小。

四、摩擦力

运动速度不同的相邻两层大气之间以及近地面运动的大气和地表之间，皆会产生阻碍大气运动的阻力，即摩擦力。它的方向与大气运动方向相反，它的大小随大气高度不同而异，在近地层中最为显著，高度越高，作用越弱，在1—2km高度，摩擦力始终存在。所以一般把1—2km以下的大气层称为摩擦层，把这以上的大气层称为自由层。

总而言之，这些力的不同组合就构成了不同的大气运动，而大气运动的不同又造成了大气对污染物的扩散稀释能力的不同。我们在治理大气污染时通常是希望污染物能够尽快的扩散，避免在一个小范围内达到一定浓度，因此在设计建设工厂（污染源）时，就一定要考虑到污染物的扩散稀释问题，所以下面我们来讨论一下厂址的选择问题

§4 厂址选择

厂址选择是个复杂的综合性课题，它涉及到政治、经济、技术等多方面的问题。我们国家在建国初期的二三十年中所建的大型工业企业都没有进行一系列的环境影响评价，没有足够考虑建大型工业企业会对环境带来多大的危害，因此，才使得目前我国的大气质量越来越差。

随着人们对环境保护认识的不断深化，往往要求每一个拟建企业对环境质量可能产生的影响事先作出预评价，其中包括大气污染的预评价。在不同的地区，由于风向、风速、温度层结及地形等的影响，大气对空气污染物的传播扩散能力相差很大。在同一地区，当具有污染源的工厂的位置与周围居民区、作物区等的布局不同时，空气污染造成的危害可能相差很大。因此厂址的选择就显得十分重要。

一、厂址选择中所需要的气候资料

这里指的气候资料是指常年统计形式。

1、风向和风速的气候资料

为了一目了然，风的资料通常都画成风玫瑰图，即在8个或16个方位上给出风向或风速的相对频率或绝对值，用线的长短表示，然后连接各端点即成。

风玫瑰图可以按多年的平均值作，也可以按某月或某季的多年平均值作。山区地形复杂，风向和风速随地点和高度有很大变化，则可以作出不同测点和不同高度的玫瑰图。

在大气污染分析中，常常把静风（风速小于1m/s）和微风（风速在1~2m/s之间）的情况进行单独分析。因为这时的大气通风条件很差，容易引起高的污染浓度。此时，不但应统计出现静风的频率，有条件的还要统计静风的持续时间，并绘出静风持续时间图。

2、大气稳定度的气候资料

一般气象台没有近地层大气温度层结的详细资料，但可以根据帕斯奎尔-特纳尔方法，对某地的大气稳定度进行分类，统计出每个稳定度级别所占的相对频率，并画出相应的图表。还应特别注意要统计逆温资料，如发生时间、持续时间、发生的

高度、平均厚度及逆温强度等。

3、混合层厚度的确定

混合层厚度是影响污染物铅直扩散的重要气象参数。由于温度层结的昼夜变化，混合层厚度也随时间改变。受太阳辐射的影响，下午混合层厚度最大，表征了一天最大的铅直扩散能力。

在求算混合层高度对城市热岛效应进行订正时，要根据城市的规模（面积、人口）、下垫面性质等特点进行。若在预建厂附近没有气象台站，收集不到上述气候资料，或在预建厂附近有医院、疗养院等重点环境保护单位时，都要进行现场观测，以便获得有关气象资料。

二、厂址平均浓度计算

1、按风向方位计算的长期平均浓度

2、利用叠加方法计算长期平均值

三、厂址选择

从防止大气污染的角度考虑，理想的建厂位置是污染物背静浓度小，大气扩散稀释能力强，排放的污染物被输送到城市或居民区的可能性最小的地方。这里仅有利于烟云扩散的角度介绍厂址选择中的有关问题。

1、背景浓度

背景浓度是指该地区已有的污染物浓度水平。它是由当地其他污染源和远距离输送来的污染物造成的。厂址选择要首先收集到或实测到此项资料。显然，在背静浓度已超过大气环境质量标准的地区不宜建厂。有时背静浓度没有超过大气环境质量标准，但再加上拟建厂造成的污染物浓度以后，若超过大气环境质量标准，短期内又无法克服的，也不宜建厂。总之，应选择背景浓度小的地区建厂。

2、对风的考虑

选择厂址时要考虑工厂与环境（包括居住区、作物区和其他企业单位）的相对位置及关系。所以要考虑风向。一般是按风向频率玫瑰图考虑，其规则是：（1）污染源相对居住区来说应设在最小频率风向的上侧，使居住区受害时间最少。

（2）应尽量减少各工厂的重复污染，不宜把各污染源配置在与最大频率风向一致的直线上。

（3）烟囱及无组织排放量大或废气毒性大的工厂，应使其与居住区的距离更远些。

（4）污染源应位于农作物和经济作物抗害能力最弱的生长季节的主导风向的下侧。各种作物对不同有害气体的抗性不同，可合理调整工厂附近作物区的布局，以

减少损失。

仅仅考虑风向频率是不够的，它只能说明污染的时间而不能说明污染的严重程度。设想某一风向出现的频率虽然很小，但吹这种风时常伴随有不利于扩散源稀释的条件，也会造成污染物浓度很高。因此，只按风向频率决定污染源的位置不一定是最佳方案。风速也是一个重要影响因素，应把风向、风速综合起来考虑。

厂址选择中另一项指标是静风出现频率及其持续时间。全年静风频率很高（例如超过40%）或静风持续时间长的地区，可能引起严重污染，则不宜建厂。对强的热源及山区要作出具体分析。

3、对温度层结的考虑

离地面几百米以内的大气温度层结对污染物的扩散速率影响很大，在选择厂址时必须搜集当地的文牍层结资料。最不利于扩散的是近地层逆温（主要是辐射逆温）和上部逆温。因此，应搜集逆温的强度、厚度、出现频率及持续时间，以及上部逆温底的高度等项资料，特别应当注意逆温伴随有静风或微风的情况时，注意它出现的频率和持续时间。

逆温对高架源和近地面所产生的影响是不同的。逆温对高架源污染影响比较复杂，可以粗略分为两种情况。一种是高架源出口位于逆温层之中，由于逆温铅直湍流微弱，铅直扩散慢，所以源附近的地面浓度反而低。但远距离的地面浓度比没有逆温影响时候要高，高浓度的范围也大。在近地层逆温破坏时将产生漫烟型扩散，造成高浓度，但时间很短，30~60min。高浓度的大小和出现距离随源高而变化。当高架源高到一定程度时，由于烟云在漫长的路径中可能发生水平弯曲和偏转，从而增加了水平扩散，不一定产生高浓度。另一种情况是高架源排烟口高于逆温层，此时产生的屋脊型扩散，这种情况最为有利。

逆温对近地面源影响很大，往往在近距离内造成很高的污染物浓度。工厂常有跑、冒、滴、漏等无组织排放，逆温时地面风速很小，扩散稀释速率很慢，结果在厂区内及附近造成高浓度污染。

中小型工厂的低矮污染源污染范围在几千米以内，高度在数百米以上的上部逆温对这类污染源扩散的影响不大。但是对强而高的源来说，上部逆温的高度常常是造成污染的主要因素。在有上部逆温时，企图用增加烟囱高度来减小地面污染物浓度的做法往往收效甚微。

4、对大气降水作用的考虑

大气降水是从云中降落到地面的水汽凝结体，如雨、雪、雹等。由于降水的产生必须要有充分的水汽和空气的上升运动等条件；所以，以成云致雨过程中的各种化学物理作用都使大气中的污染物受到迁移和转化，如气态污染物可能溶于水中，

雨滴在降落过程中对污染物（如SO2和粉尘）的淋洗净化作用等，都能使污染物浓度降低，减轻了大气的污染程度。降水多的南方空气往往比较清洁，降水少的北方空气比较混浊。

5、对地形的考虑

（1）山谷较深，走向与主导风向交角为450~1350，谷内风速通常很小，不利于扩散稀释。若烟囱有效高度不可能超过经常出现静风及微风的高度时，则不宜建厂。

（2）烟囱的有效高度不可能超过下坡风厚度及背风坡湍流区的地方，不造合建厂。

（3）谷地四周山坡上有居民区及农田，烟囱有效高度不能超过山的高度时，不宜建厂。

（4）四周很高的深谷地不宜建厂。

（5）烟云虽然能过山，仍应考虑是否会造成背风面的污染。不应把居住区设在背风面的污染区。

（6）在水陆风（或海陆风）较稳定的大型水域与山地交界的靠山地段不宜建厂。必建厂时，应使厂区和居住区的连线与岸平行，以减少水陆风（或海陆风）造成的污染。

地形对大气污染的影响十分复杂。上述几点中只是最基本的考虑，对具体情况必须作具体分析。在地形复杂的地方建厂，一般应进行专门的气象观测和现场示踪剂试验，进而可进行风洞模拟试验，以便对当地的扩散稀释条件作出确切的评价，确定必要的对策或防护距离。对工厂合理布局，厂址的选择是一个非常重要的保证措施。