空气污染气象学

空气污染气象学的研究与发展：平原地区的空气污染与气象：主要研究平坦地形上空大气污染物的输送和扩散的规律，估算 烟囱排放和地面厂房泄漏的污染物对周围环境和下风地区的影响。它是选定烟囱位置和高 度，进行厂区和居民区的合理布局的重要依据。由于平原地区的风向和风速在某一水平面上 基本是均匀的，因此，污染物的输送规律比较简单。污染源对周围地区的污染频率，由当地 风向频率所决定。显然最高频率风向的下风地区受污染机会最多。气流绕过厂区建筑物时， 在其背风面产生下沉气流，若烟囱口在此气流内，污染物将被带到背风区。为了避免对附近 地区的影响，至少烟囱应比附近建筑物高一倍半。大气扩散能力和大气稳定度（见大气静力稳定度）密切相关。在晴天小风条件下：夜间在近地 面几百米高度内出现辐射逆温，大气稳定，湍流受到抑止，扩散缓慢；中午气温铅直递减率 大于1C/100米时,大气处于不稳定状态，热力湍流发展，扩散能力很强；当气温铅直递 减率等于1C/100米时，大气处于中性状态，湍流得以维持，扩散能力介于稳定和不稳定 条件之间。在大风或有云的条件下，风速的增大，虽可增加湍流强度，但由于大风或云层的 关系，逆温强度减弱，热对流的发展也受影响F.帕斯奎尔根据太阳辐射强度（按太阳高度 角、云状和云量划分为强、中、弱三级）、云量和风速各因素，将大气稳），定度分为6类 （见表）其中A最不稳定，B不稳定，C稍不稳定，D中性（白天或夜间的阴天情况下都属中性），E稳定，F最稳定。计算污染物的浓度时，采用扩散实验概括的理想化模式。高烟囱排放的连续点源在下风方向 地面的污染物浓度X的计算公式为：公式式中Q为源强（单位时间排放的质量）；u为平均风速；以排放源为原点，水平面上y轴垂直 于平均风向，z轴铅直向上为正方向；oy和oz分别为y方向和z方向的大气扩散参数，H 为烟囱高度和烟气抬升高度之和（称为烟囱有效高度）。各类稳定度下的大气扩散参数沿下 风方向相对于排放源的距离x的变化，可由图查找或按o=axb计算。其中a和b的数值与 大气稳定度有关，由实验测定。对于工厂地面设备和厂房泄漏的气体，可按面源或线源来计算，计算公式可由点源公式推导 出来。水陆交界地区的空气污染与气象：在沿海或湖滨地区，水陆之间的温差产生的局地环流称 为海（湖）陆风（见海陆风）。低层气流把排入的污染物输送到一定距离后，又从高空返回到 原地，使原地的污染浓度增高。有时陆风带走的污染物被海风带回，也使空气中的污染物浓 度增高。美国洛杉矶市的光化学烟雾就是在这种环流条件下产生的。春夏两季，水温比陆面 温度低得多。水面上的空气流经陆面时被加热，把原在水面上空形成的逆温层破坏。这时逆 温层上部积聚的污染物被热对流带到地面，使该处污染物浓度加大，称为熏烟现象。由于湖 面逆温可维持几个小时，这种现象可延续较长的时间。同样，在秋冬两季，由陆面吹来的稳 定空气流经不结冰的水面时，也会出现熏烟现象。由于陆面的粗糙度一般大于水面，所以 陆面上的大气湍流扩散通常比水面上的强。山区的空气污染与气象：地形起伏使得接受的太阳日辐射强度和辐射冷却不均匀，由此引起 的热力环流，称为地形风。山坡白天有上坡风，夜间有下坡风;山谷白天有谷风，夜间有山风 （见山谷风）。深谷还可以出现山谷风的闭合环流，其上部的反向气流称为反向山谷风。在山 区和平原之间，还有大型坡风（又称山区-平原风）。在山谷中的不同位置，不同高度的气流有 很大差异，因此不同排放点的污染物输送路径也不相同。山坡上的烟囱高度若低于坡风的厚 度（几十米），则污染物被下坡风带到平原或山谷中，这对利用山坡地形来增加烟囱的排放 高度是不利的，若排放口处于闭合环流之中，也不利于污染物排出，而使当地污染物的浓度 增高。高烟囱的烟气，在迎风的山坡上造成的污染较大。气流过山的动力作用在背风坡产生 下沉气流或涡旋；谷风在不稳定条件下，风速较大时也出现下沉现象。这都会使烟囱排放的 烟气向下倾斜或下沉到地面。山谷中的曲折地段，因地形阻塞而出现小风，会使这一地区的 污染加重。山区逆温维持时间比平原地区长，而且还可能出现多层逆温。逆温层和山谷构成 一个、管道，限制了污染物的扩散，加重了下风地区的污染。污染物在两个逆温层之间积累， 当逆温破坏后，就出现熏烟现象。虽然地形引起的气流扰动，加大了湍流的强度，山区的 大气扩散参数比平原地区要大几倍，但由于水平输送不如平原地区，因此山区（尤其是山间 盆地和谷地）的空气污染，通常比平原严重。城市空气的污染与气象：城市热岛效应，使夜间的低空不出现逆温（见城市气候），但在几 百米高度之上，仍为一稳定层所覆盖，而在稳定层之下形成城市混合层。混合作用使该层内 的浓度铅直分布趋于均匀。同时，热岛效应使农村的冷空气向城市辐合而上升，形成了热岛 环流。该环流的水平辐合流场使接近地面的污染物向城市汇集，加重了城市的污染；另一方 面，其辐合上升气流使高烟囱的烟气上升，输往远处，又可减少对城市的污染。此外，城市 的建筑群使地面的粗糙度增大，减弱了风速的铅直变化加上建筑物之间的渠道作用，形成 了复杂的局地环流。以上种种情况，都说明城市中的污染物的输送过程相当复杂。但总的说 来，城市建筑物对气流的扰动和热对流作用，使城市的湍流比平原地区强，因此大气扩散参 数比平原地区大得多。在空气污染气象学的发展进程中，开始，只是从大气污染的现状出发，一方面对宏观的污染 状况进行监测调查与分析，另一方面深入探索空气污染的微观机制及其存在的状态，物理和 化学性质、动力学和运动学规律以及生态效应，研究它们与气象条件的关系和相互影响。因 此，随着环境科学、生态学、大气化学和大气边界层研究的发展，空气污染气象学必将会有 更大的发展。空气污染气象学的研究意义和应用： 空气污染气象学研究的理论意义主要在于它将大气湍流运动与扩散的基本理论引人来处理 空气污染的散布问题。梯度输送理论和湍流统计长期以来对空气污染物散布的理论反洗和模 拟研究起了作用，尽管它们各自具有一些长期理论性，但在它们各自适用的范围可以用于准 确地预测空气污染物浓度并在应用中不断取得进展。尤其是需要处理非均匀非定常和中远距 离较大尺度大气过程的作用和影响，在对流边界层扩散、稳定边界层扩散和中远距离大气输 送与扩散以及大气化学转换，干湿迁移和清除研究领域具有更为重大的意义。空气污染气象学具有广泛的应用领域，他在以下领域取得了许多发展并发挥重要的作用，这 些领域包括：1、在规划设计工作中，为发展经济保护环境而提供污染气象学条件的分析和科学依据；(1) 城市建设和工业规划一一如何使城市建设与工业区规划布局能够保证对居民和农作 物、城市环境的污染影响及危害减至最小，这是规划与设计工作中需要了解的诸多因素之一。(2) 厂址选择与工程环境影响的评价一通过污染气象学测试，对拟建厂地区提供有关通风 稀释和扩散能力的分析，从大气环境的空气质量角度做出选址结论和评估。(3) 烟囱高度设计一加高烟囱可以减少近区局地地面污染物那番能浓度，但需要增加投资 并造成较远距离和长远的污染影响，例如区域污染和酸雨影响等。因此，在工程设计中烟囱 高度的确定，通常应以空气污染气象学原理和处理方法所得结论为依据，以力求确当。由于 各地气象条件不同，下垫面条件有差异，尤其是环境的原有布局和背景污染水准亦不同，实 际应用中应根据具体情况计算确定。2、发展大气污染预测业务，实施各种环境多种尺度的污染物浓度预测：(1) 区域预测一一预测尺度在几百公里以上，时间为12天的区域污染状况，着重研究 可能形成大范围严重污染的天气形势并利用现有的天气预报成果。此项工作已经起步，有待 不断发展；(2) 城市空气质量预测一预测尺度在10100KM范围，数小时到12天时段的城市空 气污染状况。由于城市条件各异，问题比较复杂，正在不断发展；(3) 局地空气污染和特定污染源污染物排放的预测一预测范围在几十到数千米，时间为几 小时到1天的局地污染物浓度分析。这是应用最为广泛，研究相对成熟的应用领域。3、大气环境质量评价，即对大气环境从空气质量角度评价其污染状况，例如，根据不同的 目的和要求，按一定的原则和方法，对区域环境的空气质量做出分析评估，以求反映现状， 研究发展趋势，实施日常的空气污染控制与大气环境管理、综合防治。4、监视全球环境变化，这是空气污染气象学进二三十年来确定的一个新的研究领域，即由 于空气污染而产生的酸性沉积物、微量气体及二氧化碳的增加，带来全球环境变化的可能性 和发展趋势，成为当代空气污染气象学研究与应用的热点。