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1、第二章 大气物理化学基础,一、大气污染物扩散与气象的关系（一）地球大气特征1、大气的组成:（1）恒定组分：指干净大气的组分（CO2除外）（2）可变组分：CO2和H2O（3）不定组分；指大气中的污染物质,2、大气的结构及作用（1）结构：前面已介绍。（2）作用：A、大气是生命活动不可缺少的物质，大气中的氮和氧等元素是生物体的支柱，每人每天平均吸入15Kg的空气；B、大气通过紫外线照射和雷电火花合成有机物；C、保护地球一切生命的安全，减弱陨石和紫外线的损伤；D、保护地球表面的热量，调节气候；E、大气是某些环境物质运移的载体。,（二）气象要素1、风与风向（1）风：指大气的水平运动。（2）风向：指风的来
2、向。风向可用8个方位或16个方位表示，也可用角度表示。以正北方向为零度，将圆角分为360，顺时针旋转。例如风从北方吹来称为北风（N）或称风向为0，东南方吹来的风称东南风（SE）或称风向135。,主导风向；风向是经常变化的，不同地区在一年中都有经常出现的风向，即主导风向。风向频率:表示某风向出现的次数占全年各方向风向出现总次数的百分比。风向决定了污染物的扩散方向。,（3）风速：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。风速是一个矢量，具有大小和方向。在大气边界层中，磨擦力随高度的增加而减小，当气压梯度力不随时高度变化 时，风速随距地面高度增加而增大，风向与等压线的交角随高
3、度增加而减小。通常大气中的污染物浓度与风速成反比，风速增加一倍，下风向浓度将减少一半。,2、气温与气压（1）气温：这里指地面气温，一般是指距地面1.5m高处在百叶箱中观测到的空气温度。常用的气温 单位为摄氏温度（）、热力学温度（K）和华氏温度（F）。三者之间的换算公式如下：TK=t+273.15t=5/9(t F32),气温与大气污染的关系：近地层大气的温度是不断变化的。近地层大气温度的垂直分布决定了大气的稳定程度，以至影响大气污染物的扩散和稀释。因此气温的垂直分布与大气污染程度密切相关。,（2）气压：单位面积上承受的大气柱的重力，即大气的压强。大气层中不同的地方气压不同而产生压力差，从而引起
4、空气的运动。气压的单位有：大气压、帕、毫巴、毫米汞柱，它们之间的关系如下1atm=101325Pa=1013.25mbar=760mmHg,3、大气湿度：表示大气中水汽含量和潮湿程度的重要物理量，它与天气变化密切相关。大气湿度的常用表示方法有以下几种：（1）绝对湿度：单位体积空气中所含的水汽质量，单位：g/m3.(2)水汽压力：空气中所含水汽的分压力，与气压用相同单位mmHg或Pa。注意：通常气温条件下水汽压的值与绝对湿度的值相差不大，因此实际工作中常以水汽压来代替绝对湿度,（3）相对湿度：大气中水汽压与同一温度下的饱和水汽压之比，用百分数表示。（4）露点：气压不变的情况下，降低气温使其达到饱
5、和时的那个温度称为露点。根据气温与露点之差可以判断空气的饱和程度，即相对湿度的大小。差值越大，相对湿度越小；反之亦然。,4、云与辐射（1）云（2）辐射:物质以电磁波形式放射能量。（3）云和辐射的关系：云对辐射起屏障作用，它即能阻挡白天的太阳辐射，又阻挡地面向上的辐射。总的效果是减少垂直温度梯度，减弱的程度视云量的多少而定。阴天，温度层结的昼夜变化几乎消失，大气接近中性状态；同理，温度层结也随季节变化。例如，夏季递减强度大，频率高，大气不稳定；冬季，逆温强度大，频率高，大气多出现稳定态。由此可见，辐射和云对大气稳定度可产生重要影响，从而影响到大气污染物的扩散稀释。,二、影响大气污染物扩散能力的主
6、要因素,大气的运动变化主要是由大气中热能的交换引起的，热能主要来自于太阳，热能的交换使得大气的温度有升有降。空气的运动和气压系统的变化活动，使地球上海陆之间、南北之间、地面和高空之间的能量和物质不断交换，生成复杂的气象变化和气候变化。影响大气污染物扩散的主要因素有两方面：一是气象的动力因素；二是 热力因素。,（一）影响大气污染物扩散因素中的动力因素1、风：对大气污染物质的作用是（1）输送作用（2）稀释作用2、湍流：指大气中存在着不同于主流方向各种尺度的次生运动或称为旋涡运动。（1）影响大气湍流的因子：大气垂直稳定度（该因子形成的大气湍流称为热力湍流）、近地面的风速、下垫面的粗糙情况等机械因素（
7、该因子形成的湍流称为机械湍流）（2）对大气污染物的作用：混合稀释,风和湍流对大气污染的影响：风和湍流是决定污染物在大气中的扩散状态的最直接和最本质的因子，是决定污染物扩散的决定因素。凡有利于增大风速、增强湍流的气象条件，都有利于污染物的稀释扩散，否则将会使污染严重。,（二）影响大气污染物扩散因素中的热力因素 热力因素主要指大气的温度层结和大气稳定度。温度层结：指地球表面上方的大气温度随高度的变化情况，即在垂直方向上的气温分布。气温的垂直分布决定着大气的稳定度，而大气稳定度又影响着湍流的强度，因而温度层结与大气污染程度有着紧密的关系。,1、大气边界层的温度场：（1）气温垂直递减率：为了描述气温垂
8、直分布的特点，经常利用气温垂直递减率这个概念。它指气温随高度的升高而降低的快慢，用每上升单位高度（100 米）的降低值，即气温垂直递减率=T/Z来表示。气温垂直递减率有三种情况：气温随高度的增加而降低，此时0；气温随高度的升高而增加时 0，气温随高度的升高不变时=0。,（2）绝热变化和干绝热递减率,绝热变化：空气与外界无热量交换，由于外界压力的变化，使其被压缩或向外膨胀时所引起的温度变化，称为气温的绝热变化。在绝热过程中，空气内能的变化是由于外力压缩它，对它做功，或由空气以膨胀的形式反抗外力做功的结果。当空气 上升时，由于周围气压的降低，使空气膨胀而降温；相反空气下降时，由于气压的增加，使空气
9、被压缩而增温。,干绝热递减率：干空气绝热上升单位距离时的温度降低值，又称为干空气的绝热垂直递减率，常以d=dTi/dZ表示。式中Ti为干空气团的温度。干绝热递增减率为一近似常数，其值大约为1100m。思考：气温垂直递减率和气温干绝热递减率有何区别？,2、大气稳定度（1）大气稳定度的含义：指在垂直方向上大气稳定的程度，即大气是否易于发生对流，与和d有关。,（2）大气稳定度的分类：稳定平衡 不稳定平衡 中性平衡,d,d,d,d,=d,d,不稳定平衡,中性平衡,稳定平衡,=0,（3）大气稳定度的判定（定性）：当d 时，大气是稳定的：当d时，大气是不稳定的；当d=时，大气是中性平衡状态。大气稳定度还可
10、细分为A、B、C、D、E、F六个级别，分别代表极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定和稳定。,（4）大气稳定度的确定方法（帕斯奎尔法，见教材P259-260）具体步骤如下：计算太阳倾角 计算太阳高度角 由云量和太阳高度角查表14-3查出辐射等级数 由辐射等级数和地面风速查表14-4得到稳定度等级（后面将进一步介绍）,（三）几种气象状况对大气污染物扩散的影响,1、1、逆温的概念：将大气的温度随着高度升高而增加的现象，称作逆温。发生逆温的大气层称作逆温层。在逆温条件下，rord，大气处于稳定状态，严重影响了污染物的垂直扩散，易造成大气污染。,2、逆温的类型：根据逆温发生的原因可分为5类：辐射逆温
11、（接地逆温）：是经常发生在无风（2.5m/s）或小风少云的夜晚，由于强烈的有效辐射使地面和近地面大气层强烈冷却降温，而上层空气降温较慢，上暖下冷的逆温现象。地形逆温：是由于局部地区的地形而形成的逆温。主要是在盆地和谷地中，日落后山坡散热较快，使冷空气沿斜坡下滑，把谷底的热空气抬升而形成上部气温比下部气温高的逆温。,下沉逆温（沉降性逆温）：在高压控制区，高空存在着大规模的下沉气流，由于下沉气流施热增温作用，致使下沉运动的终止高度出现了逆温。多见于副热带反气旋区，特点是范围大，不连接地面而出现在某一高度上，所以又称作上部逆温。锋面逆温：是由于冷暖两种气团相遇，暖气团位于冷气团之上而形成的。,平流逆
12、温：主要发生在冬季中纬度沿海地区，由于海陆存在温差，当海上暖空气流到陆地上空时，便形成了平流逆温。由于逆温时的大气状态十分恶劣，因此在逆温层内大气的垂直运动受阻，处于逆温层内的烟尘等污染物和水汽凝结物因不易扩散而大量积累，使能见度变坏，空气质量恶化，严重时甚至发生污染事件。,2、烟流形状、大气污染状况与大气稳定度的关系（教材P257）,大气污染状况与大气稳定度有密切的关系，下面以一高架源连续排放烟云为例来说明大气稳定度对大气污染物的影响。高架排放的烟云有5 种类型：（1）翻卷型（波浪形）：出现于大气不稳定状态下，r0，rrd的情况下，温度随高度的增加而降低，烟云在上下左右方向上摆动很大，扩散速
13、度较快，烟云呈剧烈翻卷。由于扩散速度较快，靠近污染源地区污染物落地浓度较高，在较远的下风处污染较轻，该种烟云多发生在晴朗的中午。,（2）锥形烟流：外形类似一个椭圆锥，当烟流离开排放口一定距离后，云轴基本保持水平。烟流比翻卷形规则，大气处于中性或弱稳定r0，r=rd。扩散速度及落地浓度均比翻卷形低，污染物运输较远。该种烟流多出现在阴天或多云天以及冬季夜晚。,（3）扇形烟流：其扩散在垂直方向受到抑制，在水平方向扩散成扇形。大气处于稳定状态r0，rrd，出现逆温层。污染物可以传送到很远的下风向。（4）屋脊型烟流：其下侧r0，rrd边缘清晰，呈平直状，上部出现湍流扩散，烟囱出口上方大气处于不稳定状态r
14、0，rrd；下方大气则处于稳定状态r0，rrd。烟气中污染物不向下方扩散 而只向上方扩散，对地面污染较小。该种烟型多出现在日落前后。,（5）熏烟型：烟流的上侧边缘清晰，呈平直状，烟流的下部有较强的湍流扩散，烟上方有逆温层。烟气上升到一定程度后受到逆温层的控制。烟囱出口上方大气稳定r0，rrd；下方大气不稳定rrd。这种情况下烟云就好象被盖子盖住一样，只能向下部，象烟熏一样直扑地面。在污染源附近的污染物浓度较高，地面污染严重。,3、气压分布与大气污染,（1）低压控制区 特点：空气有上升运动，云天较多，通常风速也较大 与大气污染的关系：大气多为中性或不稳定状态，有利于污染物的稀释扩散。,（2）强高
15、压控制区：特点：天气晴朗，风速较小，由于大范围内空气的下沉运动，在几百米到一二千米的上空形成下沉逆温。与大气污染的关系：阻挡着污染物向上湍流扩散。若高压大气系统是静止的或移动很慢的微风天气，又连续几天出现逆温时，由于大气对污染物的扩散稀释能力大大下降，将会出现所谓的空气“停滞”现象。这时即使处在正常情况下不足以造成大气污染的污染源，也可能出现大范围的污染危害。如再处于不利的地形条件，就会出现严重的污染情况，如世界闻名的伦敦烟雾事件就是在这样的条件下发生的。,4、雾与逆温,雾和逆温与大气污染的关系：一是有利于一次污染物的积累，二是促进二次污染物的形成。时间分布特点：雾并伴随出现 的逆温所导致的空
16、气污染以冬季最为严重，秋末初春次之，夏季最轻。例1：1948年10月底，美国多诺拉这个拥有1.4万人的工业小镇，由于大雾和逆温的出现，空气中SO2和金属粉尘等迅速堆集，造成了6000人患病，17人死亡。例2：1930年2月，比利时马斯河谷地区出现大雾和逆温，致使当地工厂排放的大量污染物沉积，导致几千居民发病，死亡60余人。,5、局部气流,地形和地貌的差异，加上日照时间的变化，地表热力性质的不均匀性，造成局部热力环流，其水平范围一般在几至几十公里，局部气流对当地的大气污染有显著的影响。常见的有：（1）城市热岛效应：热岛效应形成的原因：城市上空污染物具有保温作用，增加了大气的逆辐射；城市建筑物和道
17、路的建材改变了地表热交换和大气的动力学特性，更易大量吸收热辐射；城市大量高层建筑减低风速，使热量水平输送相对困难；城市居民生产、生活形成丰富的热源。,热岛环流的形成和危害：形成条件：（1）城市热岛效应应在几百米以上有一稳定层所覆盖，而在稳定层以下形成城市混合层，混合层使该层内的垂直浓度趋于均匀；（2）热岛效应使农村的冷空气向城市辐合而上升。与大气污染的关系：（1）该环流的水平辐射流场使接近地面的污染物向城市聚集，加重了城市的污染；（2）其辐合上升气流使高烟囱的烟上升，输往远处，又可减少对城市的污染。影响热岛效应的因素：热岛效应的强度与局部地区气象（如云量、风速等）、季节、地形、建筑形态以及城市
18、规模、性质有关。,热岛效应造成危害的例子：东京在2000年夏天超过30摄氏度的日数为67天，有41个热得夜不能寐的夜晚，而10年前只有23天难以入眠。急救车出动次数也从1985年的100次增加到628次，2000年死于热浪的人数达207人。,（2）山谷风（3）海陆风,（谷风）,山风,（山风）,三、大气污染化学,大气污染化学的概念：它是研究大气的组成、各种成分的性质、来源和发生于大气中的化学现象、化学过程及其规律的学科，是大气科学的一个分支。大气污染化学的兴起：（1）工业革命后使用煤作燃料发生由煤烟引起的煤烟污染事件；（2）二战以后，又大量使用石油作燃料，出现了光化学污染问题；（3）核爆炸把放射
19、性尘埃抛射到平流层，造成全球性放射性污染；（4）超音速飞机在平流层飞行，排出大量的氮氧化物等，对臭氧层有破坏作用，又使大气化学的研究范围从对流层扩展到平流层。20世纪60年代以后，当出现了光化学烟雾、臭氧层破坏、酸雨等一系列环境问题时，人们进一步关注大气污染化学的研究。,（一）降水与大气污染,降水与大气污染的关系：大气降水对去除大气污染物有重要作用。一般降水前后空气中气溶胶或气态物质可以减少2/3或更多。因此研究降水中的成分、降水量、降水的变化、降水的地区差异，有助于探明大气污染状况，为大气污染防治提供重要依据。,1、云、雾对大气污染物的作用（1）云雾的形成：云雾是悬浮在大气中的水汽凝结物，可
20、以清除大气中的气溶胶颗粒和气态污染物。云的形成首先是由凝结核活化过程开始，即云雾化学过程首先从气溶胶粒子的云雾内清除过程开始。此过程首先溶解气溶胶物质。大气气溶胶的可溶物质主要是海盐、硫酸和硝酸及其硫酸盐和硝酸盐。,（2）云雾中的化学反应：云雾滴能吸收大气中的微量组分并在其中发生化学反应，其反应过程如下：CO2+H2O H2CO3 H2CO3 H+HCO3-HCO3-H+CO32-NH3+H2O(NH4)OH(NH4)OH NH 4+OH-,气体进入水溶液后发生水解可能继续发生下列反应：SO2+O3 SO3+O2 SO3+H2O H2SO4 H2SO4 2H+SO42-SO42-+2O3 SO
21、42-+3O2 HSO32-+O3 H+SO42-+O2 HSO3-+H2O2 H+SO42-+H2O SO2+H2O+Mn2+O3 2H+SO42-+O2+Mn2+,气体成分的去向：（1）SOX的去向：绝大部分以SO42-的形式存在，HSO32-只存在于酸性溶液中。（2）痕量组分的去向：大气中还有一些痕量组分OH-、H2O、HNO2、H2S、HC、HBr 以及有机化学成分等。它们多少也会被云雾滴吸收，并发生氧化还原反应。但是当云雾消散后，吸收、吸附的污染物及其反应生成物仍可进入大气中。,2、影响大气降水中的化学成分的因素,大气降水中的化学成分与其所处地区、季节有很大的关系。（1）海陆的差异：
22、海洋来的气团含盐量高，Cl-、Na+较多，硫酸盐粒子含量较少。内陆气团一般含HCO3 2-、SO42-、Ca2+较多。因此沿海地区的降水中所含的Cl-、Na+较内陆地区高。热带气团中的NH4+、HNO3含量较极地气团高。,（2）城市之间的差异：不同的城市之间自然、人为活动和周围地区的污染物的长距离输送不同。降水云下的气溶胶浓度及化学成分很大程度上代表当地污染物来源分布特点和地形气候特点。城市地区观测的地面降水化学成分及其浓度与当地污染状况有密切的关系。降水过程本身是大气污染物的重要清除过程。多雨地区大气中污染物浓度要比干燥地区低得多。（3）不同季节之间的差异：由于不同季节受不同气团的影响，降水
23、中的化学成分也有一定的变化。一般降水的含盐量冬季低于夏季。例子：我国华北和西北地区，夏季降水含盐量在40mg/L以上，冬季降水含盐量为15-30mg/L。,3、降水的pH值,影响降水pH值的因素：（1）地理环境和季节的变化。沿海一带pH值较低，与海滨污泥排出大量的硫化氢以及燃烧放出的硫氧化物、氮氧化物有关。内陆地区pH值高是由于含钙土泥散布在空气中，土壤中又排出较多的氨气，使雨水中的Ca2+、NH4+增多，导致中和作用的结果。（2）阴阳离子的数量：如HCO32-、SO42-、NO3-、Cl-等 会引起pH值下降；NH4+、Ca2+、Mg2+、Na+等可引起pH 值上升。人们生活生产中排至大气中
24、的SO2转变为硫酸，使雨中H浓度增加，导致雨水呈强酸性反应，形成酸雨降落。,（二）酸雨化学,1、酸雨的概念：指空气污染造成的酸性废水，从广义上讲，酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪、雾、雹等大气降水和其它酸性沉降物。通常认为大气降水与二氧化碳气体平衡时的酸度（PH=5.6）为降水天然酸度，并将其作为判断是否酸化的标准。当降水的PH值低于5.6时，降水即为酸雨。分析 表明，酸雨中含有多种无机酸或有机酸，其中绝大部分是硫酸和硝酸。,2、酸雨的形成：一般认为酸雨主要是由人为排放的硫氧化物和氮氧化物等酸性气体转化而形成的。酸雨的形成机理如下图所示：,酸雨形成的条件,内因：SO2、NO2,外因,催化条件：
25、氢氧自由基,气象条件：如降水等,（三）臭氧破坏化学,科学家们认为，臭氧减少是由于人类活动向大气中排入氯氟烃(CFCs)和含溴卤化烷烃哈龙(Halons)等引起的。自然条件如低温、背景气溶胶等为臭氧损耗提供适宜的场所，人为活动排放的物质进入平流层，大大加强了臭氧的清除过程，改变了多少个世纪以来形成的臭氧动态平衡，导致臭氧不断损耗。臭氧的损耗机理如下：,Cl+O3ClO+O2；Br+O3BRO+O2ClO+OCl+O2；BrO+OBr+O2净结果：O3+O2O2,四、大气污染扩散模式,大气污染扩散的基本问题是研究湍流与烟流传播和物质浓度衰减关系问题，目前广泛应用的理论有三种：（1）梯度输送理论：它
26、是菲克用理论类比建立起来的理论。菲克认为分子扩散规律和傅里叶提出的热传导规律类似。这个理论的中心思想是在单位时间内物质经过单位面积输送的通量与浓度梯度成正比。,（2）湍流统计理论：泰勒首先用统计学的方法去研究湍流扩散问题。该理论的中心是阐述扩散粒子关于时间和空间的概率分布，以便求出扩散粒子的浓度的空间分布和随时间的变化。高斯在大量实测资料分析的基础上，应用湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式，即通常所说的高斯模式，它是目前应用最广的模式。,（3）相似理论：这是在量纲分析的基础上发展起来的理论。利用这些理论进行研究时，常采用数值分析法、现场研究法和实验室模拟研究法三种方法。理论和方法的应用
27、截然不可分，应将它们很好地结合在一起，得出与实际大气污染扩散模式相符合的计算模式。,（一）点源扩散模式,实际处理的大气污染物排放源有点源、线源、面源和体源几种形式，其中点源是最简单也是最常见的一种污染源形式。1、坐标系：大量的观测事实表明，从点源排放的大气污染物在开阔平坦的地形条件下以烟流形式扩散，并处在湍流随机运动中，其浓度分布通常符合在平均烟流轴两侧是正态分布，即高斯分布的规律。高斯模型的坐标系如下图所示：,注：原点O为排放点或高架源排放点在地面的投影。X轴的正方向为平均风向；Y轴在水平面上垂直于X轴，指向纸里面为正；Z轴通过原点O垂直于XOY平面，向上为正。,2、正态分布的几点假设,由于
28、烟流浓度分布按高斯模型符合正态分布，因此可作出下述假设：（1）污染物浓度在Y、z轴上的分布为正态分布；（2）在空间中风只在一个方向上做均匀的稳定的运动；（3）污染物在扩散的过程中没有衰减和增生，遵守质量守恒定律；（4）源强连续均匀；（5）地表面足够平坦；（6）在X轴方向上，污染物平流输送作用（平均通量）远大于该方向上的湍流扩散作用。,3、无限空间中的扩散模式,当污染源位于无限空间中，X轴与烟流轴线重合，在上述假设的条件下，可以导出无限空间连续点源扩散的模式:,（对应教材P264：公式14-27，应对教材上的公式进行改正。）,浓度的单位是什么？,4、高架连续点源的扩散模式,高架连续点源的扩散，心
29、须考虑地面对扩散的影响，可以认为地面象镜子 一样对污染物全反射。这样根据全反射原理，利用“像源法”来处理这一问题。所以空间任一点的污染物浓度可以看成是两部分之和：一部分 是不考虑地面影响时该点所具有的污染物浓度；另一点是地面全反射时该点增加的污染物浓度。也就是说，空间任一点的污染物浓度，都是由实源和虚源在该点造成的浓度之和。据此可得到高架连续点源的扩散模式。,O,O,O,实源的供献：P 点在以实源为原点的坐标系中的垂直坐标（距离烟流中心线的垂直距离）为（zH）。当不考虑地面影响时，它在P 点所造成的污染物浓度为,虚源的供献：P 点在以像源为原点的坐标系中的垂直坐标（距离像源的烟流中心线的垂直距
30、离）为（z+H）。它在P 点所造成的污染物浓度为,式中：H污染源离地面的高度，m。,C=C实+C虚，即,注：按照上述公式对教材P265：公式14-30进行校正。,又称高斯扩散模式,（1）地面浓度模式：,高架连续点源模式在几种特殊情况下的形式,（2）地面轴线浓度模式：,（3）高架连续点源地面最大轴线浓度：由于 y，z 是距离x的函数，而且随x的增大而增大，但q/（y z）又随x的增大而减小，exp-H 2/（2 z2）随x增大而增大，这两项共同作用的结果，必然在某一距离x处出现浓度的最大值。在最简单的情况下，假设比值y/z 不随距离x而变化，此时得到地面最大轴线浓度及离污染源相应的距离公式：,(
31、4)地面连续点源的扩散模式：地面连续点源扩散模式可由高架连续点源扩散 模式中令H=0而得到：,比较：地面连续点源造成的污染物浓度恰好是无界空间连续点源所造成浓度的2倍,*使用高斯扩散模式时的注意事项 高斯模式的成功运用是有一定的假设前提的，使用时应注意以下问题：（1）该模式较适用于估算较长时间内的平均浓度，不能真实地估算非平稳状态下的或短期的污染物浓度的涨落；（2）该模式本身没有计入风向和风速的变化，也未包括由风切变引起的湍流影响（3）该 公式适用于平均风速大于2m/s时的情况。(4)在实际应用中，当需要考虑污染物在大气中比较复杂的实际散布过程和各种非理想情况时，应将高斯扩散的基本模式给以适当
32、修正，以扩大其适用范围，如在较远距离时的修正、在静风和很稳定条件下的修正、以及城市、水上、不规则地形条件下的修正等（结合实验数据进行）。,5、有上部逆温时的扩散模式,（1）上部逆温的气象特点：上部逆温是经常出现的一种现象。上部逆温层就象一个盖子使污染物的铅直扩散受到限制，扩散只能在地面和逆温层之间进行。所以又称为封闭型扩散。（2）高斯扩散模式的适用条件：只适用于整层大气具有同一稳定度的扩散，对于不接地逆温层（逆温层接地几百米到2千米）的情况并不适合。（3）有上部逆温时的扩散模式：可在高斯扩散模型的基础上，用反射模型来对其扩散公式进行推导，即此种情况下污染物的浓度可看成是实源和无穷多对虚源作用之
33、和。空间任一点浓度如下：,式中：L逆温层底高度或混合层高度，m；n烟流在两界面间的反射次数，一般取3或4就可以了。,模式的简化：在实际工作中地面浓度可按如下方法进行简化处理，设xD为烟羽边缘刚好到达逆温层底时该点离烟缘的水平距离，则有：（1）当xxD时：烟流扩散不受逆温影响，扩散采用以下公式计算：,（2）当xxD时：污染物经多次反射后，在Z方向浓度渐趋均匀，水平方向仍呈正态分布，地面浓度的计算公式为,（3）当xD x2xD时：取x=xD和x=2xD两点的浓度进行对数内插。xD确定方法如下：Z0=2.15zL-H=2.15z,查图得到一个x，即 xD,z=（L-H）/2.15,Z0烟流在铅直方向
34、上的扩散宽度,例题：某电厂烟囱有效源高为150m，SO2的排放量为151g/s，在夏季睛朗的下午，地面风速为4m/s。由于上部锋面逆温将使垂直混合限制在1.5km以内，1.2km高度的平均风速为5m/s。试估算正下风3km和11km处的SO2浓度。,解：夏季晴朗的下午，太阳辐射为强辐射。在地面风速为4m/s时，由表查得大气稳定度为B级，因此：z=（L-H）/2.15=（1500-150）/2.15=628m由表查得XD=4.95km（1）当X=3kmXD时，查表，y=395m,z=363m,则地面轴线浓度为,=6.210-5g/m3,（2）当X=11km2XD时，地面轴线浓度,=6.210-6
35、g/m3,6、熏烟扩散模式（1）熏烟的形成及危害：在晴朗微风的夜晚，地面冷却形成辐射逆温层。日出后，逆温从地面向上逐渐消失。夜间排入稳定层中的大气污染物，受到热力湍流交换的作用，在铅直方向混合，此时上部仍为逆温，扩散不能向上发展，故地面浓度比一般情况下要高出许多倍，从而造成严重污染，这就是熏烟型污染。它一般发生在清晨，持续时间一般为0.52小时。当冷空气移向较暖下垫面时，也可能形成熏烟污染。（2）熏烟扩散模式：熏烟造成的浓度在y方向仍呈正态分布，其扩散模式如下：,式中：p=（hi-H）/z；hi逆温层消失高度，m；yF考虑到熏烟过程对稳定条件下扩散参数影响的水平扩散参数，myF=y（稳定）+H
36、/8,地面轴线浓度为：,（1）当hi=H+2z时：烟流全部受到逆温层的抑制而向下扩散，地面熏烟浓度达到最大值：,（2）当hi=H时：地面熏烟浓度为,地面轴线浓度为,（二）线源扩散模式,近几年我国汽车拥有量大量增加汽车尾气对大气污染的程度日益严重。评估汽车尾气对沿途大气污染的状况十分重要。在平坦地形上的公路，可当作一无限长线源。它在横风向产生的浓度是处处相等，因此把点源扩散的高斯模式对变量Y积分，可获得线源扩散模式。,1、当风向与线源垂直时，连续排放的无限长线源下风向浓度模式为,2、当风向与线源不垂直，且风向与线源交角45时，线源下风向的浓度模式为,注意：当45时不能用这一模式。,3、在估算有限
37、源造成的污染物浓度时，必须考虑线源末端引起的“边缘效应”。随着接受点距离的增加，“边缘效应”将在更大的横风距离上起作用。对于横风有限长线源，取通过所关心的接受点的平均风向为X轴，线源的范围从Y1延伸到Y2，且Y1 Y2，则有限长线源扩散模式为,X,Y2,Z,Y1,Y,O,式中，p1=y1/y p2=y2/z,上述公式中：q线源排放强度，又称线源排放速率，单位为g/(m.s)，物理意义指汽车每行驶1m路长，每秒钟所排放的污染物质量(g)，其值与行驶路上的车流量、平均车速和每辆车的单位时间排污量有关。q辆.g/(m.s)=车流量（辆/h）汽车单位时间排污量(g/s)/平均车速（m/h）注：汽车在公
38、路上受到阻塞时，上述公式不适用。,例题：在阴天情况下，风向与公路垂直，平均风速为4m/s，最大交通量为8000辆/h，车辆平均速度为64km/h，每辆车CO排放量为 2102g/s，试求距下风向300m处的地面轴线CO浓度。解：把公路当成一无限长线源，源强为 q=8000 2 102/64000=2.5 103g/m.s 阴天为D级稳定度，查图得x=300m处，z=12.1m,CO地面轴线浓度为,（三）帕斯奎尔扩散曲线法求扩散参数（y，z）,1、方法概述：应用前述高斯扩散模式估算污染物浓度时，需要确定源强q、平均风速、有效源高H、扩散参数y 和z。q、H可通过实测或公式估算得到，但y、z的确定
39、却很困难，需要特殊的气象观测和大量的计算，实际工作十分复杂。帕斯奎尔于1961年推荐了仅需要常规气象资料即可估算烟流扩散参数的方法，吉福德进一步将它制成图表，故此方法又称为P-B曲线法。,2、帕斯奎尔曲线法的要点：（1）根据太阳辐射情况（云量、云状和日照）和距地面10米处的风速，将大气稳定度分为6个级别：即A为极不稳定、B 为不稳定、C为弱不稳定、D为中性、E为弱稳定、F为稳定。（2）根据大气扩散的数据和理论，用曲线表示每个稳定度级别y 和z与距离烟源为x之间的变化关系。利用帕斯奎尔和吉福德给出的不同稳定度时，y 和z随下风距离x之间的变化关系如下图所示，据此可查得烟源下风向距离为x点的扩散参
40、数y 和z。,（见教材P268：图14-21、14-22）,大气稳定度的确定方法,基本思路：首先计算太阳倾角和太阳高度角再由云量和太阳高度角按表查出辐射等级数 然后由辐射等级数和地面风速从表查出稳定度等级。（见教材P259-260）（1）太阳倾角计算式：s=(0.0069180.399912coso+0.070257sin o0.006758cos 2o+0.0009079sin2o 0.002697cos3o+0.001480sin3o)180/式中：o=360dn/365;dn一年中日期的起始数，0，1，2，3，364；s 太阳倾角。,（2）太阳高度角计算式,Ho=arcsinsinsin
41、s+coscosscos(15t+o300)式中：Ho 太阳高度角，（）；当地地理纬度，（）；o当地地理经度，（）；T观测进行时的北京时间，h。,表 太阳辐射等级,云量：指云遮蔽天空的成数。将天空分为10份，这10份中被掩盖的成分称为云量。总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的高低和层次；低云量：低云蔟中的云掩盖天空的成数。,表 大气稳定度等级,（四）烟气的抬升高度,1、烟气的抬升过程：烟气抬升分为四个阶段：（1）喷出阶段：这个阶段主要依靠烟气本身的初始动量向上喷射。（2）浮升阶段：由于烟流的热力作用，烟气密度比空气小，产生浮力上升。（3）瓦解阶段：当烟气上升到一定高度后，烟流与烟气混合，失
42、去动量和浮力开始随风飘动，发生较大的波动。（4）变平阶段：这时烟流完全变平，在大气湍流的作用下，作上下左右扩散，使烟流愈扩愈大。,2、影响烟气抬升的因素,（1）烟气的初始动量和浮力：其中初始动量取决于排气速度的大小，而排气速度又与排烟装置和烟囱的出口直径有关，速度越大，动力抬升越高。烟气的浮力与烟气和周围空气的密度差成正比。而密度差的大小主要取决于它们之间的温差，温差越大，密度差也就越大，产生的浮力也就越大，烟气上升越高。许多资料表明，烟气抬升主要受热力因素的影响。,（2）气象因子：其中影响最大的是烟囱口的平均风速和湍流强度。近地面大气的湍流状况是引起烟气和环境空气相互混合的主要因素，平均风速
43、越大，湍流越强，混合愈快，抬升越小。（3）下垫面：主要表现在起伏的下垫面所引起的动力效应。高大的建筑物和丘陵山地可能引起烟云下泻、下沉等，直接阻碍烟气上升。,3、烟气抬升的公式,烟气抬升由于其影响因素复杂，至今尚未从理论上解决这个问题。现在实用的烟气抬升公式都是经验或半经验的。下面主要介绍三个常用的烟气抬升公式：,（1）霍兰德公式（Holland）,式中：H烟云抬升高度,m；vs烟气出口速度，m/s；d烟囱出口直径,m；烟囱口高度上的平均风速,m/s；QH排出烟气的热量,kJ/s；Ts,Ta分别是烟气和空气的温度，K.,注意：该公式是根据在中性条件下，由美国原子能委员会、原子能实验中心和美国田
44、纳西工程管理局的瓦茨-博尔火电厂的烟气实测资料为基础推导出来的，是一个保守的公式。在稳定度发生变化时应进行校正：,(2)布里吉斯式,当大气稳定时(/Z=0)）当xxF时，H=1.6F1/3 x2/3 1）当xxF 时，H=2.4(F S/)1/3 其中：xF=/S1/2,F=gvsd2(TsTa)/4Ts,S=g(/Z)/Ta=g/Ta,当大气为中性或不稳定时(/Z=0)）当x3.5x*时，H=1.6F1/3 x2/3/）当x3.5x*时，H=1.6F1/3(3.5x*)2/3/其中：当F55时,x*=14F5/3;当F 55时,x*=34F2/5,式中：xF在大气稳定层结下，烟气抬升达最高值
45、所对应的烟囱下风向轴线距离,m；F浮力通量,m4/s3；S大气稳定度参数；/Z位温梯度或者气温垂直递减率,K/m；x*大气湍流开始起主导作用时下风向轴线距离，m；x 下风向距离,m 适用条件：该式适用于中小型热源的烟云抬升计算，火电厂的烟源多采用此式。,(3)国家标准推荐式,国家标准GB/T13201-91推荐的烟气抬升公式如下：A、有风时，中性和不稳定条件 当QH2100kJ/s,T 35K时 H=noQHn1Hsn2/QH=0.35PQ T/Ts T=TsTa 式中：no,n1,n2系数，按下表选取；P大气压力,hPa（百帕），1 hPa=100Pa；Q烟气排放量（实际状态）,m3/s。注
46、：将教材P262：“P大气压力,Pa”更正为“P大气压力,hPa（百帕）”,表 系数n0,n1,n2的值,当1700 kJ/sQH2100 kJ/s时，,H=H 1+(H2 H 1)(QH1700)/400 H1=2(1.5sd+0.01 QH)/H2=noQHn1Hsn2/；其中：s烟气出口速度，m/s,其它符号同上。当QH1700 kJ/S或T35k时 H=2(1.5 s d+0.01 QH)/.,B、凡地面以上10米高度年平均风速 1.5m/s时 H=5.50（QH）1/4(dTa/dZ+0.0098)3/8 式中：dTa/dZ排放源高度以上环境温度垂直变化率，K/m,取值不得小于0.0
47、1 K/m C、有风时，稳定条件H=5.50（QH）1/3(dTa/dZ+0.0098)1/3 1/3,例题：位于平原农村的某工厂，有一座高80m，出口直径高1.5m的烟囱，其排放情况如下：s=20m/s,Ts=165,Ta=15,u10=3m/s,P=1105Pa，试用不同的抬升公式计算中性情况下的有效烟囱高度。解：T=TsTa=(165+273)(15+273)=150K U80=u10(Hs/10)m=3(80/10)0.15=4.1m/s Q=s d2/4=20 1.52/4=35.34m3/s QH=0.35PQ T/Ts=0.35 1000 35.34 150/(165+273)=
48、4235.96kJ/s 采用不同抬升公式计算结果如下表所示：,表 烟囱有效高度的计算结果,选择抬升高度公式的依据：当地的气象条件、地形条件和烟云排放情况,（五）风速的确定,大气边界层的概念：指地面向上1000米的大气层。大气边界层内的风速对污染物的扩散有重要的影响。风速确定的方法：主要有以下两种：,1、对数律,式中：u高度为 z 处的风速，m/s；u*摩擦速度，m/s；k=0.4，卡门常数；z 高度，m；z0地面粗糙度，m，可按下表选取：,有代表性的地面粗糙度,2、指数律,由于气象上测得的地面风速通常为10米高度处的风速，所以上式可写成：,式中：u,u1,u10分别是高度z,z1和10m处的风
49、速，m/s;m是和大气稳定度与地形有关的常数，一般由实验确定。当无实验值时，在200m以下可按下表选取，在200m以上取200m处的风速。,指数m的值,例题：若石油精炼厂自平均有效源高60m处排放出的SO2浓度为80g/s，有效源高处的平均风速为6m/s，试计算冬季阴天正下风向距烟囱500m处地面轴线的SO2浓度。解：在阴天大气条件下，稳定度为D级，由图查得X=500m处，y=35.5m，z=18.1m，将数据代入公式，得,五、烟囱计算,烟囱的作用：充分利用大气的自净作用，降低地面污染物浓度。烟囱设计的内容：烟囱高度和出口内径。计算的思路：在已知污染物地面允许浓度的情况下，运用高斯扩散模式反解
50、烟囱的高度。烟囱的高度：又称为烟囱的几何高度，用HS表示：HS=HH式中：H有效源高，m；H抬升高度，m,（一）烟 囱高度的计算1、“精确”计算法计算过程：先取一个假定的烟囱高度HS，再计算抬升高度H；然后将当地的气象条件、地形条件和污染源条件代入扩散模式进行计算，得出下风向地面浓度分布；再看这些浓度分布数据是否达到规定的要求，如达不到，则另取一个较大的HS，重复以上过程，直到所取的HS在满足地面浓度达标的前提下为最小，这个最小的值HS即为要确定的烟囱高度。,2、“简化”计算法 该法以地面最大浓度不超过规定要求为依据，直接由最大浓度公式求出烟囱高度，简单快速，应用广泛。设允许地面浓度为C允，则
