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