第二节 大气污染物的迁移扩散

第二节大气污染物的迁移扩散1、气体循环：大气组分通过大气圈与其它圈层发生的物理、化学、生物过程进行物质交换、转换。源（source）大气组分产生的途径和过程。天然源：由自然界发生的物理、化学、生物过程向大气输送物质：扬尘（地面土石风化，大气颗粒物来源）火山（H2S、SO2、COS、HCl、HF、颗粒物SPM，可传送到平流层）森林草原火灾（CO、CO2、SOx、NOx、VOC、SPM）海水溅沫（海洋SPM）、植物排放（萜烯→O3）一、盒子模型森林草原火灾（CO、CO2、SOx、NOx、VOC、SPM）海水溅沫（海洋SPM）、植物排放（萜烯→O3）人为源：人类生活、生产活动向大气输送污染物：工业排放源（烟、尘、SOx、NOx、CO、CO2、卤化物、VOC、以燃料燃烧为重）交通运输排放源生活排放源（取暖、炉灶、影响不低于甚至超过工业大锅炉）农业排放源汇（sink）大气组分从大气中去除的途径和过程，包括：（a）降水湿去除（b）大气中化学反应转化为其它气体或微粒（c）地表物质吸收或反应去除（d）向平流层输送颗粒物的汇包括（a）降水湿沉降：雨除（发生在云层当中，被去除物参与成云）、冲刷（发生在云层下，被去除物被雨水带下）（b）干沉降（c）与地表物质碰撞干去除2、盒子模式视大气圈为盒子，是各种大气组分的储库，Fi=Ri，Mi恒定。Fi：输入速率Ri：输出速率Mi：大气中总量环境水的盒子模式，求FH2O和RH2OFH2O=(2.16×1016+0.9×1015)mol/y=2.25×1016mol/yRH2O=(1.9×1016+3.5×1015)mol/y=2.25×1016mol/y储库（reservoir）：气体和微粒在大气中的留存（形式）。停留时间（t）：某种组分在大气储库中存在的平均时间称为平均停留时间或停留时间。ti=Mi/Fi或Ri源强Fi=天然源排放速率+人为源排放速率=源速率汇强Ri=干沉降速率+湿沉降速率+化学反应去除速率+向平流层输入速率=汇速率例：甲烷在对流层平均浓度c=1.55ppm，不随时间变化，则FCH4=RCH4=1.5×1014mol/y，求停留时间。610)(全部部分ppmxWWVV,810)(全部部分pphmx910)(全部部分ppbx1210)(全部部分pptx作业：全球对流层清洁大气中总硫的平均浓度c=1ppb，Fs=Rs=200Tg/y（1Tg=1012g），求停留时间。准永久性气体（非循环性气体）可变化组分强可变组分物种ArNeKrXeHeNeO2ti(y)~107~107~107~107~107~106103物种H2OCONOxSO2H2SHCSPMti(days)~1073~1858~102~40.5~2~210~30（SPM:悬浮微粒物质,包括海盐、土壤、有机来源）物种CO2CH4H2N2OO3ti(y)5~152.5~86~810~2根据停留时间：二、大气污染物1、概念大气污染：大气中存在的某种物质超过了正常的环境水平，且对受体产生了可以测量出来的不良效应。受体包括人、生物、材料、气候等。大气污染物：使大气产生污染的称为大气污染物。大气污染物一旦进入大气这个动态体系（源的输入），就参加到与植物、海洋、土壤等不断进行的物质交换过程，参与大气循环过程。经过一定时间后，又通过大气中的化学反应、生物活动和物理沉降等过程从大气中除去（汇的输出）。如果输出大气的速率小于输入大气的速率，就会在大气中相对地积累。当浓度高到超过安全水平时，就会直接地或间接地对人、畜、水体、植被和材料造成急、慢性伤害。这就是大气污染形成的过程。2、大气污染对大气性质的影响：降低能见度由于气体分子和颗粒物对可见光的吸收和散射的结果形成雾及降水尽管城市温度较高而pH值较低，但雾的生成频率高于农村减少太阳辐射改变温度和风的分布3、分类按物理状态分（1）气态污染物（约占90%）：常温下是气体或蒸汽（gasesandvapors），就是以气态方式输入并停留在大气中的污染物，包括SOx、NOx、COx、HC、CFCs等。（2）大气颗粒物（气溶胶，占10%）：大气气溶胶体系中分散的各种粒子。按形成过程分一次污染物是指直接从污染源排放的污染物质，如CO、SO2、NO等。二次污染物是指由一次污染物经化学反应或光化学反应形成的污染物质，如光化学氧化剂Ox（光化学烟雾）、臭氧（O3）、硫酸盐颗粒物等。按粒径分（1）总悬浮颗粒物TSP：采用标准的大容量采样器在铝膜上收集到的总颗粒物的质量。采用标准的大容量采样器在铝膜上收集到的总颗粒物的质量。（2）飘尘SPM：Dp≤10mm的颗粒物。（3）可吸入粒子IP：可通过呼吸进入呼吸系统的颗粒物，Dp≤10mm。（4）降尘：采用降尘罐所能收集到的颗粒物。细粒子：fineparticle,Dp＜2.5m粗粒子：coarseparticle,Dp＞2.5m按化学类型分（1）含硫化合物（SO2、H2S、(CH3)2S、H2SO4）；（2）含氮化合物（NO、NO2、NH3、HNO2、N2O）；（3）一氧化碳和二氧化碳；（4）碳氢化合物和碳、氢、氧化合物（烃类、醛、酮等）；（5）光化学氧化剂（O3、PAN、H2O2等）；（6）含卤素化合物（HF、HCl和CFCs等）；（7）颗粒物（H2SO4、SO42-、NO3-、多环芳烃及重金属元素等）；（8）放射性物质。1、风和大气湍流的影响A、影响污染物在大气中扩散的三个因素：风：气块规则运动时水平方向速度分量，使污染物向下风向扩散；湍流：使污染物向各个方向扩散；浓度梯度：使污染物发生质量扩散。三种作用中风和湍流起主导作用。三、影响大气污染物迁移的因素（一）大气水平运动1.受力①气压梯度力②地转偏向力③惯性离心力④摩擦力：内摩擦力（动力、阻力）外摩擦力（阻力）⑤重力直接动力2.全球大气水平运动18太阳辐射大气压（高、低压）气压梯度力大气水平运动环流重力近地层地转偏向力风带（二）大气湍流运动1.定义：大气的无规则运动2.分类：①热力湍流：垂直方向上温度分布不均引起②机械湍流：垂直方向上风速不均或地面粗糙引起3.作用：强扩散能力4.湍流扩散理论①梯度输送理论：分子扩散②湍流统计理论：流体运动③相似理论：与正态分布相似B、摩擦层：具有乱流特征的气层，也称乱流混合层。底部与地面接触，顶以上的气层为自由大气。厚度1000到1500米之间，污染物主要在该层扩散。1、风和大气湍流的影响摩擦层里存在两种乱流：动力乱流：也称为湍流，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的；热力乱流：又称对流，起因于地表面温度与地表面附近温度不均一，近地面空气受热膨胀而上升，随之上面的冷空气下降，从而形成对流。在摩擦层内，有时以动力乱流为主，有时动力乱流与热力乱流共存，且主次难分。这些都是大气污染物迁移的主要原因。两种形式的乱流常并存。dv/dt=(T'-T)g/Tdv/dt——气块加速度T'——受热气块温度T——大气温度g——重力加速度由于受热气块温度较高，密度较小，从而促使气块上升。上升过程中气体温度下降并最终达到与外界气体温度一致，当受热气块会上升至T’=T时。气块与周围大气达到中性平衡，气块停止上升，这个高度定义为对流混合层上限，或称最大混合层高度。•气体污染物的扩散很大程度取决于对流与混合的程度，垂直运动程度越大，用于稀释污染物的大气容积量也就越大。日变化夜间最大混合层高度较低，夜间逆温较重情况下，最大混合层高度甚至可以达到零；白天则升高，可能达到2000—3000m。季节性变化冬季平均最大混合层高度最小，夏初为最大。当最大混合层高度小于1500m时，城市会普遍出现污染现象。2、天气形势和地理形势的影响A、天气形势：指大范围气压分布的状况，局部地区的气象件总是受到天气形势的影响。如下沉逆温，使污染物长时间的积累在逆温层而不能扩散。B、地理形势：不同地形地面之间的物理性质差异引起热状况在水平方向上分布不均匀。这种热力差异在弱的天气系统条件下就有可能产生局地环流：海陆风、城郊风和山谷风。形成机制：当高压区内某一层空气发生下沉运动时，因气压逐渐增大，以及气层向水平方向辐射，其厚度减少（h’h）。这样空气层顶部下沉的距离（l+h），要比底部下沉的距离（l+h’）大，所以顶部空气的增温要比底部多，从而形成逆温层。CABDD’B’A’C’hh’lA、天气形势：下沉逆温由于空气下沉压缩增温形成的逆温称为下沉逆温。B、地理形势：1）海陆风海风：白天陆地上空的气温增加得比海面上空快，在海陆之间形成指向大陆的气压梯度，较冷的空气从海洋流向大陆而形成海风。陆风：夜间海水温度降低得较慢，海面的温度较陆地高，在海陆之间形成指向海洋的气压梯度，于是陆地上空的空气流向海洋，形成陆风。海陆风对空气污染的影响循环作用：如果污染源处在局地环流之中，污染物可能循环积累达到较高浓度。往返作用：在海陆风转换期间，原来随陆风输向海洋的污染物又会被发展起来的海风带回陆地。海陆风热气流上升冷气流下降陆地海洋海风29热气流上升冷气流下降陆地海洋陆风海陆风陆风30热气流上升冷气流下降陆地海洋海风海陆风2）城郊风城市热岛效应：工业和生活中产生的大量的热能排放到大气中，造成市区的温度比郊区的温度高，这个现象称为城市热岛效应。城市热岛上暖而轻的空气上升，四周郊区的冷空气向城市流动，形成城郊环流，造成污染物在城市上空聚积，导致市区大气污染加重。城郊风（热岛环流）郊区冷空气热岛效应城市冷空气郊区城郊风3）山谷风谷风：白天山坡上温度高，山谷温度低，谷底空气流向山坡形成谷风。山风：夜间山坡上温度下降快，山坡上温度较山谷温度低，山坡空气流向谷底形成山风。山谷风转换时往往造成严重空气污染。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。由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。且地形阻挡，河谷和洼地风速小，更有利于逆温形成。因此山区全年逆温天数多，逆温层厚，强度大，持续时间长。山谷风：山风35山谷风：谷风3637大气中污染物的迁移扩散烟型38性状大气状况发生情况地面污染情况从烟囱排出的烟流扩散的形状与大气的温度层结有密切的关系。可以作为判定大气稳定度的一种依据。①翻卷型（波浪型）②锥型③扇型（长带型）④上扬型（屋脊型）⑤漫烟型波浪型：污染物扩散良好，发生在全层不稳定大气中，即Г-Гd》0，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。锥形：烟流呈圆锥形，发生在中性条件下。扇型：烟流垂直方向扩散很小，像一条带子飘向远方，从上面看，烟流呈扇形展开。发生在烟囱出口处处于逆温层，污染情况随烟囱高度不同而异。40波浪型Г＞ГdZT锥型Г=ГdZTZT扇形（出口在逆温层）烟流形状与大气稳定度的关系上扬型：（屋脊型）烟流的下部是稳定的大气，上部是不稳定的，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，而高空仍递减层结。持续时间短，对近处地面污染较小。漫烟型：对于辐射逆温，日出后由于地面增温，低层空气被加热，使逆温从地面向上消失，即不稳定大气从地面向上逐渐消失，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，而上边缘仍处于逆温层中，熏烟型便发生了，这时烟流多发生在上午8-10点，持续时间很短。42ZTZT漫烟型排出口上方：Г＜0，排出口下方：Г＞γd上扬型排出口上方：Г＞Гd，排出口下方：Г＜0烟流形状与大气稳定度的关系第二节大气污染物及影响其迁移的因素第二节大气污染物及影响其迁移的因素混合比单位表示法（体积、质量）ppm（百万分之一）等这种浓度表示法主要用于气态污染物，对于大气中低浓度物质