空气污染气象学概论•空气污染问题•一、空气污染•如图1.1示意的途径与系统中,自污染源排放的空气污染物,在一定条件下,历经各种大气过程而达到接受体。这里的核心过程则是大气输送与扩散过程以及在这一过程中发生的迁移变化和清除过程。发生这些过程的范围小至几百米,大至区域、洲际乃望全球性各种不同尺度。概论(续)•自然状态下的洁净大气:•是由氮、氧、氩、水汽和二氧化碳等成分构成,并且其中还含有一些悬浮的固态或液态气溶胶粒子。其主要成分在离地面几十公里以下的大气层里,组成比例基本不变。自然大气中亦有微量的其它气体成分,如氖、氦、氟等惰性气体及臭氧、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等,但总和极少,不到空气总容积的0.01%。•大气环境容量:•大气因通常具有一定的自净能力,即大气环境具有一定的容量。它是指在自然净化能力之内所容许的污染物排放量,把满足一定环境目标的污染物排放量定为容许排放总量。只有当污染物排放量超过大气的自净能力,即超过环境容量时才构成空气污染。概论(续)•二、空气污染物及浓废•(一)空气污染物•以各种方式排放进入大气层并有可能对人和生物、建筑材料以及整个大气环境构成危害或带来不利影响的物质称之为空气污染物。迄今,认为对人类危害较大的,已被人们注意的就有100多种。在与空气成分的混合过程中,还会发生各种物理变化与化学变化。这样,把原始排放的直接污染大气的污染物质称之为一次污染物,而把经化学反应生成的新的污染物质称之为二次污染物。这种产生二次污染物的过程称之为二次污染。根据空气污染物的物理形态和化学成分,将共分为以下几类:•1.颗粒污染物。•指以固体或液体微粒形式存在于空气介质中的分散休,自分子大小到大于10微米粒径的各种微粒,有飘尘、降尘等,总称总悬浮微粒(TSP);•2.碳的氧化物。主要是:二氧化碳、一氧化碳等气体污柒物。•3.氮氧化物。主要系一氧化氮和二氧化氮等气体污染物以及由此可能产生的二次污染物(主要来源于石油的燃烧,特别是机动车的废气排放)冰岛埃亚菲亚德拉冰盖冰川火山爆发图(2010)冰岛火山从4月14日开始喷发,导致欧洲出现自二战以来最大规模的航班禁飞——一周内造成800万乘客滞留,10万多架航班受影响冰岛埃亚菲亚德拉冰盖冰川火山爆发图(2010)火山灰达到自喷发以来的第一个最高点,高达1万米冰岛埃亚菲亚德拉冰盖冰川火山爆发图(2010)冰岛火山每秒钟喷出约50吨火山灰,影响了约10万架次航班,航空业遭受25亿欧元的巨大损失印度尼西亚锡纳朋火山时隔400年再次喷发切尔诺贝利核事故25年后切尔诺贝利核事故•4.硫化物:主要的是二氧化硫,这是迄今认为的最主要的空气污染物,还有硫化氢等气体污染物以及由二氧化硫化学转化生成的硫酸盐等酸性污染物。(主要来源于含硫煤炭的燃烧和火山爆发等)•5.卤化物。主要的有氟化氢、氯气和氯化氢等气体污染物。•6.碳氢化合物。主要包括烷烃、烯烃和芳烃类复杂多样的含碳和含氢化合物。•7.氧化型。主要是指在空气中具有高度氧化性质的一些化合物,如臭氧及共他过氧化物。•8.放射性物质。一些偶发事件可能污染大气,如由于核装置的事故使大气受到放射性污染。如切尔诺贝利核电站80年代发生反应堆外泄,造成大范围、长时间的严重空气污染。空气污染物浓度•浓度有两种表示法,一是质量浓度,单位体积空气中含污染物质量,毫克/立方米;一是体积浓度,污染物体积与整个空气容积之比,ppm为单位,即污染物体积占空气容积的百万分之一,亦可用ppb、ppt等。空气污染源•排放空气污染物进入大气的源称之为空气污染源,它分为自然源和人工源两大类。污染源与污染物的分类关系如图所示。按照不同情况和研究目的,可以从不同角度对空气污染源进行分类。•A按照人类生产活动内容分类•(1)工业污染源指在工业生产过程中排放出废气污染物的源。(主要是各种工厂的烟囱)•(2)农业污染源指农田在使用农药、化肥过程中产生或残留在地面和土壤中,井经大气输送和扩散进入大气层的污染物的源。•(3)城市生活污染源指城市商业、交通、生活活动中排放废气污染物,如居民生活用炉灶和采暖锅炉放出大量烟尘和有害气体,以及交通运输的废气排放源等。空气污染源(续)•B按污染物排放方式分类•(1)连续源:污染物以持续、定常的方式向大气层排放的污染源。(如持续生产的工厂烟囱)•(2)间歇源:污染物以规则或不规则的间歇性方式排放的污染源。(如非连续生产的工厂烟囱)•(3)瞬时源:污染物以突发性方式在短时“瞬间”排放的污染源。(如爆炸等)空气污染源(续)•C按污染源排放位置分类•(1)固定源:位置固定不变的污染源,如烟囱排放源,居民生活排放源等。•(2)移动源:位置是移动的污染源,如车、船、飞机等排放源。•(3)无组织排放源无规则或泄漏向大气层排放污染物的源。如火灾、事故排放)•空气污染源(续)•D按污染物排放高度分类•(1)高架源污染物通过离地一定高度的排放口排放污染物的源。如工厂烟囱。•(2)地面源污染物通过位于地面或低矮高度上的排放口排放的源。如居民生活排放。空气污染源(续)•E按污染物排放口的形式分类•(1)点源:污染物的排放口呈一定口径的点状排放的污染源。如烟囱。•(2)线源:污染物排放口构成线状排放源,如工厂车间天窗排气,或由移动源构成线状排放的源,如道路车辆的废气徘放。•(3)面源:在一定区域范围,以低矮密集的方式自地面或不大的高度排放污染物的源。•(4)体源:由源本身或附近建筑物的空气动力学作用使污染物呈一定体积向大气层排放的源,如楼房的通风排气设施等。空气污染的危害与影响•污染源、污染物(达到一定浓度)以及对人类及其生存环境造成危害与影响,这是构成空气污染问题的基本要素。当今的人们已经比较充分地认识到了空气污染的各方面危害和影响,主要的归结于以下方面•1.对人体健康的危害。如光化学烟雾可能引起呼吸道粘膜受损,严重的可导致气管和肺部疾病;可吸入颗粒物会导致许多呼吸系统病变;•2.对生物体的危害,包括对动物与植物的危害.如放射性污染物发出的高能射线会破坏动植物正常的生理过程,甚至使基因产生突变。•3.对各类物品的危害,如建筑材料、金属制品、•胶、皮革、绢品以及各类文化艺术和文物的危害.•4.对全球气候变化的影响,这是近一二十年来特别令人关注的课题,包括如温室气体效应和臭氧层破坏等方面的作用和危害,•5.对酸雨威胁的作用,降水酸化和其它酸性沉积物的生成•都是空气污染的直接后果。空气污染控制和管理•我国目前主要实行浓度控制和总量控制;•浓度控制:即通过控制污染源排放口排出的污染物浓度,来控制大气环境质量的方法;•总量控制:通过给定被控制区域内污染源允许排放总量,并优化分配到源,从而保证大气环境质量的办法。一、空气污染气象学的研究内容与发展•空气污染气象学是研究空气污染问题与气象学的相互关系,运用气象学的原理和方法研究气象因子对空气污染物散布的支配作用和在各种条件下的影响,预测空气污染物的散布及其变化规律,以求能找到及时处理解决空气污染问题的正确途径,保护环境。其核心问题是大气湍流扩散,其尺度自几百米的小尺度局地范围到中远距离的中尺度和大尺度范围,主要的研究内容包括:•1各种气象条件下,空气污染物的散布规律,包括污染物自源排放后的输送、湍流扩散、迁移与清除过程以及这些条件下对空气污染物浓度的定量估算;•2不同区域范围,不同下垫面条件和不同尺度大气过程支配与影响下的空气污染气象学规律及其定性和定量的预测分析;•3各种大气环境规划与管理所需的科学依据和局地工程大气环境影响评估所需的定性和定量分析;•4空气污染气象学的风洞和水槽模拟实验研究;2影响空气污染物扩散的主要因子•对大气污染状况的监测工作中,常常会发现在同一地点发自同一污染源的空气污染物,对其浓度监测结果的分析有时可测到很高的浓度,有时却测不出来,不同时间的测量值也有很大差异。这固然与污染源排放条件的变化以及采样点位置的选取有关,但主要是气象条件的影响所敢。大气扩散的理论研究和试验研究表明在不同的气象条件下,同一污染源排放所造成的地面污染浓度可相差几十倍乃至几百倍。这是由于大气对污染物的稀释扩散能力随着气象条件的不同而发生巨大变化的缘故。影响空气污染物扩散的主要因子•影响空气污染物散布的气象因子主要有:•1大气边界层的结构和特征;•2风和湍流;•3气温和大气稳定度;•4辐射和云;•5天气形势;•下面分别简单回顾和介绍1大气边界层的结构和特征;•大气边界层是直接受地表影响最强烈的垂直气层,它占整个空气质量的1/10,其厚度随天气条件、地表特征而变,一般在I一2千米。在这一层里,气流受地面摩擦力和下垫面地形地物的影响比高层大气显著,并受这一层里的动量、热量、水汽和其它物质的输送及其源量的支配。因此空气污染物的散布与其密切相关。按动力学特征,常把大气边界层分为三层:•1.贴地层是最贴近地面的一层,厚度在1米以内。在这层中,分子粘性应力占有重要地位,同时还要考虑湍流应力。•2.近地层该层高度可达50一100米。这一层直接受下垫面的影响,因此气象要素有明显的日变化。这·—层里湍流应力远超过分子粘性应力,柯氏力与气压梯度力可以忽略不计,大气与地面的相互作用主要依赖于垂直方向的湍流对动量、热量和水汽的输送,而这些湍流垂直输送通量随高度变化很小,故又称常通量层。•3.上部摩擦层(Ekman层)从近地面层到大气边界层项。在这一层里,柯氏力、气压梯度力和湍流应力达到同样量级。2风和湍流•1.风•空气相对于地面的水平运动称为风,它有方向和大小。气象上的风向指风的来向。排入到大气中的污染物在风的作用下,会被输送到其它地区,风速愈大,单位时间内污染物被输送的距离愈远,混入的空气量愈多,污染物浓度愈低,所以风不但对污染物进行水平搬运,而且有稀释冲淡的作用。同时污染物总是分布在污染源的下风方,于是在考虑风速和风对污染物浓度的影响时,常引入污染系数的概念:•由式可知,风频低,风速高,污染系数小,指空气污染程度轻。另外,风随高度的变化亦有影响。风向频率污染系数=平均风速2风和湍流•2湍流•湍流是一种不规则运动,其特征量是时空随机变量。由机械或动力作用生成机械湍流,如近地面风切变,地表非均一性和粗慥度均可产生这种机械湍流活动。由各种热力因子诱生热力作用形•成的湍流称热力湍流,如太阳加热地表导致热对流泡向上运动,地表受热不均匀或气层不稳定等都可引起热力湍流。一般情况下,大气湍流的强弱取决于热力和动力两因子。在气温垂直分布呈强递减时,热力因子起主要作用,而在中性层结情况下,动力因子往往起主要作用。什么是湍流?•无规则的流体运动称为“湍流或乱流。1883年雷诺首先系统地研究了流体中湍流的产生条件。以雷诺数Re表征:•式中U为平均流动速度,L为流动的特征长度,为运动学粘滞系数。•当ReRe*时,流动总是“层流”的,称Re*为下临界雷诺数(1000-2300);•当ReR**时,流动总是“湍流”的,称Re**为上临界雷诺数(12000-13800);eULR•大气中雷诺数一般很大,大气的流动通常是湍流的。大气运动的湍流现象是容易识别的。但是,什么是湍流?要下一个严格而确切的定义却并不容易。目前认为比较恰当的提法是:“湍流是一种不规则运动,其流场的各个特征虽是时间和空间•的随机变量,因此它的统计平均值是有规律的”。这就是说,湍流运动就其个别特征量来说是很不规则的,但其统计平均值还是有一定规律的。湍流运动简单的数学描述•湍流运动简单的数学处理方法最初由雷诺提出。他把湍流流动设想成两种运动的组合,即在一种比较简单的平均运动上叠加了一种起伏很不规则、尺度范围很广的脉动运动,或涡旋性质的运动。一般以:••A是任一气象要素。分别可用其平均值与脉动值之和来表示。'AAA湍流对大气扩散的影响如果大气中只有有规则的风而没有湍涡运动,一个烟团在气流中的运动情形如图(1.5a)所示,烟团仅仅靠分子扩散使烟团长大,速度非常缓慢,事实上大气中存在着剧烈的湍流运动,使烟团与空气之间强烈地混合和交换,大大加强烟团的扩散如图(1.5b)所示。湍流扩散比分子扩散的速率快105—106倍