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第二章：大气环境化学Chapter2AtmosphericEnvironmentalChemistry第二节大气中污染物的迁移大气中污染物的迁移是指从污染源排放出来的污染物由于空气的运动使其传输和分散的过程.污染物的迁移过程可导致污染物浓度降低.主要内容：辐射逆温层大气稳定度大气污染数学模式影响大气污染物迁移的因素一、辐射逆温层对流层大气的重要热源是来自地面的长波辐射，故离地面越近气温越高；离地面越远气温越低。随高度升高气温的降低率称为大气垂直递减率：在对流层中，Γ0,则dT/dz0，Γ=0.6K/100m，即每升高100m气温降低0.6℃。一定条件下出现反常现象：当Γ=0时，称为等温层；当Γ0时，称为逆温层。大气层稳定性强，对大气的垂直运动起阻碍作用。根据逆温形成的过程不同，可分为两种：近地面层的逆温自由大气层的逆温辐射逆温平流逆温融雪逆温地形逆温热力条件乱流逆温下沉逆温锋面逆温动力条件辐射逆温产生特点：因地面强烈辐射冷却降温而形成。该逆温层多发生在距地面100-150m高度内。最有利于辐射逆温发展的条件是平静而晴朗的夜晚。云和风能减弱辐射逆温。风速超过2-3m/s，逆温就不易形成。辐射逆温：地面因强烈辐射作用而冷却降温,形成的近地面层大气逆温现象。形成条件：白天日照强烈，夜间天空晴朗无风、无云。ABC-白天温度层结曲线；FEC-夜间层结曲线；DBC-清晨层结曲线.日出后地面温度上升，逆温层近地面处首先破坏，自下而上逐渐变薄，最后消失。1、概念指气层的稳定度，即大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。受密度层结和温度层结共同作用。二、大气稳定度稳定的大气：当大气中某一气块在垂直方向上有一个小的位移，如果层结大气使气块趋于回到原来的平衡位置，则称层结是稳定的，ΓdΓaΓd:干绝热垂直递减率。Γa：大气垂直递减率。不稳定的大气：如果层结大气使气块趋于继续离开原来位置，则称层结是不稳定的，ΓdΓa中性的大气：介于上两者之间，Γd=Γa研究大气垂直递减率，可用于判断，气块稳定情况，气体垂直混合情况，考察污染物扩散情况。2大气稳定度状况基本假定:–坐标系（见p50图2-25）右手坐标，y为横风向，z为垂直向–四点假设a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布b．全部高度风速均匀稳定c．源强是连续均匀稳定的d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）1.高架连续点源大气污染模式（1）烟流模型基本公式三、大气污染数学模式c—污染物浓度，g/m3Q—源强，g/s；指污染物排放速率,与空气中污染物质的浓度成正比。ū—烟囱高度处的平均风速，m/s；σy—侧向扩散参数，污染物在y方向分布的标准偏差，是距离y的函数，m；σz—竖向扩散参数，污染物在z方向分布的标准偏差，是距离z的函数，m；H—烟囱的有效高度（烟轴高度，由烟囱几何高度Hs和烟流抬升高度ΔH组成，即H=Hs+ΔH），ΔH：烟囱顶距烟轴的距离，随x而变化的。依正态分布假定和地面对烟流的反射作用，由全反射原理推导可得出下风向任一点的浓度分布。(2)有效源高计算Holland公式：有效源高H，系指烟流中心线距地面的高度；为烟囱高度HS与烟羽抬升高度△H之和，H=HS+△H。抬升高度△H计算式：烟羽抬升主要取决于两个方面，一是烟羽排出时的初始动量和浮力；二是周围大气的性质。通常采用经验或半经验公式计算得到。Vs实际状态烟流出口速度，m/s；d烟囱出口直径,m；TsTa分别是烟气出口温度和环境大气温度，K;P大气压，Pa；Qh烟气热释放率，J/s,单位时间排出烟气的热量；ū烟囱口高度处的平均风速，m/sHolland公式比较保守，适用于中性大气条件，特别在烟囱高、热释放率比较强的情况下。Holland建议稳定时减小10％～20％，不稳时增加10％～20％。(3)扩散参数的确定P－G曲线法Pasquill根据常规气象资料：风速、云量、云状和日照等，将大气扩散稀释能力分为A、B、C、D、E、F六个稳定度等级。Gifford建立了不同稳定度等级下，与下风向距离S的函数关系，并绘制成P－G曲线图。见P52图2-26.yz方法要点：大气分成A---F共六个稳定度等级（依据气象参数：云、日照、风速······）x--σy曲线（六条），（分别对应A、B····F稳定度级）扩散参数的确定－P－G曲线法P－G曲线的应用–根据常规资料确定稳定度级别扩散参数的确定－P-G曲线法P－G曲线的应用–利用扩散曲线确定和yz4.高架连续排放点源下风浓度计算实例例：某火力发电厂的烟囱高20m，顶部直径4m，SO2发生率为270g/s，烟囱出口处风速为3m/s，烟气温度598K，地面风速2.1m/s，风向为西南。如果烟囱顶部的气温为283K，地面气压为100×103pa，烟囱高度处的风速为4m/s，问在清晨日出时，距离烟囱600m处，SO2的浓度是多少？解：根据给定的条件，查表2－4,得当时大气稳定度为E级,由图2－26查得下风向600m处的y为34m，z为14m，由Holland公式计算出烟羽升高度：)(214589283589101001068.25.1443)1068.25.1(355mdTTTpudvHsass＝－＝＝由于稳定度为E级，可将计算出的烟羽升高度值减少15％，即：H＝21×85％＝18(m)距烟囱下风向600m处SO2浓度（即高架连续点源地面轴线浓度，y=0、z=0)：)/(0022.01421820exp14341.214.3270)}2{exp()00(32222mgHuQHxczzy＝＝＝、、、四、影响大气污染物迁移的因素大气污染迁移的影响因素风:是指空气水平方向的运动，风可使污染物向下风向扩散；湍流:是指空气不同与水平方向的次生运动，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。影响特征大气中气块的两种不同性质的运动摩擦层：在对流层中（1~2km以下），空气的水平运动受地表的的机械摩擦、地表强烈的热力作用的影响而产生乱流，该层又称为乱流混合层，摩擦层顶以上的气层称为自由大气。动力乱流：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，也称为湍流；热力乱流：也称为对流，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。这些都是使大气中污染物迁移的主要原因。乱流动力乱流（湍流）热力乱流（对流）乱流的形成：大气中，一理想的处于平衡状态的气块，受到周围大气温差带来的浮力作用，产生向上（或向下）的加速度运动，推导可得：不同稳定度状况下的最大混合层高度结论：受热气块不断向上运动，直到T’与T相等，气块与周围大气达到中性平衡。这时所相应的高度，定义为对流混合层上限，或称为最大混合层高度（MMD)。不同稳定度状况下的最大混合层高度实线：实际大气气温随高度的递变虚线：干燥气块温度随高度的变化a图：白天，正常大气中气块沿干绝热线膨胀而上升，所达到的最大混合层高度；b图：为夜间稳定大气时的最大混合层高度，在这种情况下最大混合层高度明显低；c图：是白天有逆温出现时的最大混合层高度。2.天气形势与地理地势的影响天气形势对迁移扩散影响的几点说明：天气形势是指大范围气压分布的状况，局部地区的气象条件总是受天气形势的影响；局部地区的扩散条件与大范围的天气形势互相关联；某些天气系统与区域性大气污染有密切联系，不利的天气形势和地形特征结合在一起常常可使某一地区的污染程度加重。在大气环流中，在北纬30°形成的下沉气流，常使其内部气温绝热升高，形成下沉逆温层。一个例子：由于不同地形地貌之间的物理性质存在着很大差异，从而引起热辐射状况在水平方向上分布不均匀；上述热力差异在弱的天气系统条件下有可能产生局地环流。诸如海陆风、城郊风和山谷风等。地理地势对迁移扩散的影响海洋由于大量海水，其表面温度变化缓慢，而大陆表面温度变化剧烈；受地表辐射的影响，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形成海风；夜间情况相反，陆地上空的空气流向海洋生成陆风。(1)海陆风热气流上升冷气流下降陆地海洋海陆风热气流上升冷气流下降陆地海洋陆风海陆风海风热气流上升冷气流下降陆地海洋海风海陆风陆风海陆风对空气污染的影响：一是循环作用；处在局地环流之中的污染源，污染物有可能循环积累达到较高的浓度，直接排入上层反向气流的污染物，有一部分会随环流重新带回地面，提高了下层上风向的浓度。二是往返作用；在海陆风转换期间，随陆风输向海洋的污染物会被发展起来的海风带回陆地。在城市中心，企、事业单位和居民燃烧大量燃料，使大量热能被排入到大气中，造成市区温度比郊区高，这个现象称为城市热岛效应。(2)城郊风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，便形成了城郊环流；在城郊环流作用下，城市和郊区排放的烟尘等污染物被聚积在城市上空，形成烟幕，导致市区大气污染加剧。山谷风是山区山坡和谷地受热不均而产生的一种局地环流；白天受热的山坡把热量传递给其上面的空气，使坡上空气比同高度的谷中空气温度高，比重轻，产生上升气流；同时，谷底中的冷空气沿坡爬升补充上升空气流下的空间，便形成由谷底流向山坡的气流，称为谷风；夜间情况相反，山坡上的空气温度下降较谷底快，山坡上的冷空气沿坡下滑形成山风。(3)山谷风山谷风山谷风：谷风山谷风：山风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。因地形阻挡，河谷和凹地的风速很小，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。山区地形逆温和山谷风转换时往往造成山区严重空气污染重要因素。山区地形逆温的特点