环境科学导论第2章 大气环境及污染问题(2)

（1）气温随高度增加而递减，即r > 0，称为 正常分布层结或递减层结；
（2）气温垂直递减率等于或近似等于干绝热 递减率，即r = rd，称为中性层结；
（3）气温不随高度变化，即r = 0，称为等温
层结；
（4）气温随高度增加而增加，即r < 0，称为 逆温。
4.2 大气稳定度
大气稳定度的定义：指在垂直方向上大气稳定 的程度。
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； (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。
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。
城市热岛环流
定义：由于城市温度经常比农村高(特别是夜
间)，气压比乡村低，所以可以形成一种从周围农村 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。
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
大气状况
发生情况
与风、湍流关系
污染物在大气中扩散与大气稳定度有密切 关系。
一个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，当外力去除后，可 能发生三种情况：(1) 气块减速并有返回原来 高度的趋势，称这种大气是稳定；(2)气块加 速上升或下降，称这种大气是不稳定；(3) 气 块被外力推到那里就停到那里或作等速运动， 称这种大气是中性。
C(x, y, z;0) Q exp( y 2 ) exp( z 2 )
U y z
2
2 y
2
2 z
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：
C(x,
y,0,0)
Q
U y z
exp(
y2
2
2 y
)
C(x,0,0,0) Q
大气稳定度可以用气温垂直递减率与干绝热递减率 之差来判别。
一个空气气块在大气中运动的加速度计算公式为：
a g d z
T
当r – rd >0 a > 0 大气不稳定(正常温度层结)
当r – rd <0 a < 0 大气稳定(正常、等温或逆温层结)
当r = rd
a = 0 大气是中性
一般来说，r越大，大气越不稳定，反之，
b
c
d
e
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。
地面污染状况
波浪形
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。
γ>0，γ>γd，大气不 稳定，对流强烈
出现于阳光 较强的白天
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。
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
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.
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 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。
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。
漫烟形
烟云上侧边缘清晰，呈平直 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
日出后地面 低层空气增 温，使逆温 自下而上逐 渐破坏但上 部仍保持逆
2、高斯扩散一般模式成立的假设条件 ·污染物浓度在y轴和z轴上的分布符合正 态分布； ·在全部空间中风速是均匀和稳定的； ·源强是连续均匀的（mg/s）； ·污染物在扩散过程中质量是守恒的，化 学性质是稳定的，不发生沉降现象； ·排放源周边地区较平坦开阔
3、高架连续点源高斯扩散模式及几种常见的形式 一般形式：
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。
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
He = Hs +△H
2、影响烟气抬升高度的因素
（1）烟气的抬升首先决定于具有的初始动能和浮力
初始动能决定于烟囱的内直径和排气速度。
浮力决定于烟气与周围大气的温度差。
（2）烟气的抬升决定于烟气与周围大气混合的速率
烟气与周围大气混合的越快，烟气所具有的初始动能和 热量损失的也越快，从而抬升的高度也越低。
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。
（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。
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。
温度层结的定义：大气中气温在垂直方向上的分布
称为温度层结。
大气中温度层结有四种类型：
温。
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。
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。
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。
C(x, y, z; H ) Q exp( y 2 ){exp[ (z H )2 ] exp[ (z H )2 ]}
2U y z
2
2 y
2
2 z
2
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)， δy,δz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 )。
2
2 z
(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
δz∣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
eUH 2
z y
0.234Q UH 2
z y
(4) 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：
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。
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