污染物扩散与各种气象的关系

污染物扩散与各种气象的关系

污染物从污染源排放到大气中,只就是一系列复杂过程的开始,污染物在大气中的迁移、扩散就是这些复杂过程的重要方面。大气污染物在迁移、扩散过程中对生态环境产生影响与危害。因此,大气污染物的迁移、扩散规律为人们所关注。

一、影响大气污染的气象因子

大气污染物的行为都就是发生在千变万化的大气中,大气的性状在很大程度上影响污染物的时空分布,世界上一些著名大气污染事件都就是在特定气象条件下发生的。影响大气污染的气象因素最重要的就是流场与温度层结。

(一)风与大气湍流的影响

污染物在大气中的扩散取决于三个因素。风可使污染物向下风向扩散,湍流可使污染物向各方向扩散,浓度梯度可使污染物发生质量扩散,其中风与湍流起主导作用。湍流具有极强的扩散能力,它比分子扩散快105～10６倍,风速越大,湍流越强,污染物的扩散速度就越快,污染物浓度就越低。在自由大气中的乱流及其效应通常极微弱,污染物很少到达这里。

根据湍流形成的原因可分为两种湍流,一种就是动力湍流,它起因于有规律水平运动的气流遇到起伏不平的地形扰动所产生,它们主要取决于风速梯度与地面粗糙等;另一种就是热力湍流,它起因于地表面温度与地表面附近的温度不均一,近地面空气受热膨胀而上升,随之上面的冷空气下降,从而形成垂直运动。它们有时以动力湍流为主,有时动力湍流与热力湍流共存,且主次难分。这些都就是使大气中污染物迁移的主要原因。

(二)温度层结与大气稳定度

1. 大气温度层结

由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层次大气对太阳辐射吸收程度上的差异,使得描述大气状态的温度、密度等气象要素在垂直方向上呈不均匀的分布。人们通常把静大气的温度与密度在垂直方向

上的分布,称为大气温度层结。气温随高度的变化用气温垂直递减率γ来表示,γ = 其单位常用℃ ／１０0ｍ。

气温垂直递减率γ与另一个在空气污染气象学中经常用到的概念——干绝热垂直递减率γd就是不同的。γd表示干空气在绝热升降过程中每变化单位高度时干空气自身温度的变化,它表示干空气的热力学性质,就是一个气象常数,γd= ０．98 ℃ / 10０m 。而γ就是实际环境气温随高度的分布,因时因地而异。

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 ,称为逆温。

2、大气稳定度

污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切的关系,大气稳定度就是指在垂直方向上大气稳定的程度。假如一空气块由于某种原因受到外力的作用,产生了上升或下降运动后,可能发生三种情况:( 1 )

当外力去除后,气块就减速并有返回原来高度的趋势,称这种大气就是稳定的;( 2 )当外力去除后,气块加速上升或下降,称这种大气就是不稳定的;( 3 )当外力去除后,气块静止或作等速运动,称这种大气就是中性的。这种大气静力稳定度与大气中污染物的扩散有密切的关系,当大气处于不稳定状态时,对排放到大气中的污染物扩散作用强烈。反之,大气处于稳定状态时,扩散作用微弱。大气静力稳定度可根据气温垂直递减率γ与干绝热垂直递减率来判断(图 5 －３ )。

当γ> γd时,大气处于不稳定状态

当γ ＝γｄ时,大气处于中性平衡状态

当γ <γｄ时,大气处于稳定平衡状态

逆温时γ <0,因此,γ <γd,这种大气处于非常稳定状态,就是一种最不利于污染物扩散的温度层结,在大气污染问题研究中特别引人注目,对流层逆温按其形成原因可分为以下几类。

( 1 )辐射逆温:辐射逆温经常发生在睛朗无风或小风的夜晚,由于强烈的有效辐射,使地面与近地层大气强烈冷却降温,上层降温较慢而形成上暖下冷的逆温现象,辐射逆温全年都可出现,但冬、秋季更易产生,且强度也大,高度也高。

( 2 )平流逆温:主要发生在冬季中纬度沿海地区,由于海陆之间存在温差,海上暖空气平流到陆地上空时形成。

( ３)下沉逆温:由于空气下沉压缩引起的增温作用,使下沉运动终止的高度上出现逆温,一般多发生在高压区。

此外还有峰面逆温、湍流逆温等。

实际逆温情况就是很复杂的,地形对逆温的形成与分布也有明显影响。通过一定方式了解各高度温度分布,就可以得知上空有无逆温、逆温高度、强度等。目前用于探测逆温的手段主要有:低空探空仪、系留气球、铁塔观测、遥感等。

二、影响大气污染的地理因素

地形地势对大气污染物的扩散与浓度分布有重要影响。地形地势千差万别,但对大气污染物扩散的影响其本质上都就是通过改变局部地区(流场与温度层结等)气象条件来实现的。

这里主要讨论三种典型地形地势条件对大气污染的影响。

(一)山区地形

山区地形复杂,局地环流多样,最常见的局地环流就是山谷风,它就是由于山坡与谷底受热不均匀引起的。晴朗的白天,阳光使山坡首先受热,受热的山坡把热量传给其上的空气,这一部份空气比同高度谷底上空的空气暖,比重轻,于就是就上升,谷底较冷的空气来补充,形成从山谷指向山坡的风,称之为“谷风”。夜间,情况正好相反,山坡冷却较快,其上方空气相应冷却得比同一高度谷底上空的空气快,较冷空气沿山坡流向谷底,形成“山风”。

山谷风对污染物输送有明显的影响。吹山风时排放的污染物向外流出,若不久转为谷风,被污染的空气又被带回谷内。特别就是山谷风交替时,风向不稳,时进时出,反复循环,使空气中污染物浓度不断增加,造成山谷中污染加重。

山区辐射逆温因地形作用而增强。夜间冷空气沿坡下滑,在谷底聚积,逆温发展的速度比平原快,逆温层更厚,强度更大。并且因地形阻挡,河谷与凹地的风速很小,更有利于逆温的形成。因此山区全年逆温天数多,逆温层较厚,逆温强度大,持续时间也较长。

(二)海陆界面

海陆风发生在海陆交界地带,就是以24 小时为周期的一种大气局地环流。海陆风就是由于陆地与海洋的热力性质的差异而引起的。如图５－5 所示,在白天,由于太阳辐射,陆地升温比海洋快,在海陆大气之间产生了温度差、气压差,使低空大气由海洋流向陆地,形成“海风”,高空大气从陆地流向海洋,形成