环境科学导论第2章 大气环境及污染问题(2)

作用，必须在以上一般高斯扩散模式基础上加以修
改，即得到高斯倾斜烟流扩散模式。
VS x 2 (z H ) 2 ux Q y C ( x, y , z , H ) {exp[ 2 ]} 2 2u x y z 2 y 2 z

α 为可沉降颗粒物 (10~100um) 在 TSP 中所占的比重， 0< α <1, vs为颗粒物沉降速度， vs由斯托克公式计算：

式中：
ρ ：颗粒物的密度(g/cm3) g ：重力加速度(980cm/s) d ：颗粒物平均粒径（cm） u ：空气的粘滞系数（1.8×10-2g/m· s）
2 g d VS = 18
5.3

高斯扩散模式中各参数的估算
大气稳定度可以用气温垂直递减率与干绝热递减率 之差来判别。 一个空气气块在大气中运动的加速度计算公式为：

ag

d
T
z
当r – rd >0 当r – rd <0 当r = rd


a > 0 大气不稳定(正常温度层结) a < 0 大气稳定(正常、等温或逆温层结) a = 0 大气是中性
第4节 影响大气污染的气象条件和地理因素






4.1 温度层结 气温垂直递减率 ：气温随高度的升高而下降的数 值，通常以r表示。 干绝热递减率（rd）：干空气块或未饱和的湿空气 块在绝热条件下每升高单位高度（通常取单位高度为 100 米 ） 所 造 成 的 温 度 下 降 数 值 称 为 rd ， 一 般 为 0.98k/100m. 在对流层中，气温垂直变化的总趋势是随着高度 的增加气温逐渐降低： （1）地面是近地面大气的主要和直接的热源 （2）水汽和固体杂质的分布从低空向高空减少，水 汽和固体杂质吸收地面辐射的能力很强，从而 使近地面温度高于上层。
γ>0，γ=γd，大气处 于中性稳定状态
出现于多云 或阴天的白 天，强风的 夜晚或冬季 夜间。 多出现于弱 晴朗的夜晚 和早晨。
高空风较大，扩散主要靠 热力和动力作用。
扩散速度、落地浓 度较前者低，污染 物输送较远。
烟云在垂直方向扩散速度小， 平展形 厚度在纵向变化不大，在水 平方向上有缓慢扩散。
γ<0，γ<γd，，出现 逆温层，大气处于 稳定状态

5.1 一般高斯扩散模式 高斯(Gaussion)扩散模式是大气扩散模 式中最为著名和应用最广泛的大气扩散模式， 其中，点源高斯扩散模式又最为常用。


1、高斯扩散模式的坐标系
原点为地面源排放点或高架源排放点在地面的 投影点，x轴向为平均风向, y轴在水平面上垂直于x 轴，正向在 x 轴的左侧， Z 轴垂直于水平面 oxy ，向 上方为正向，即为右手坐标系。
微风，几乎无湍流发生。
污染物可传送较远 地方，遇阻时不易 扩散稀释，在逆温 层下污染物浓度大。
烟云下侧边缘清晰，呈平直 爬升形 状，而其上部出现湍流扩散。
排出口上方：γ>0， γ>γd，大气处于不 稳定状态； 排出口下方：γ<0， γ<γd，大气处于稳 定状态
多出现于日 落后，因地 面有辐射逆 温，大气稳 定，高空大 气不稳定。 日出后地面 低层空气增 温，使逆温 自下而上逐 渐破坏但上 部仍保持逆 温。
(2)城市覆盖物(如建筑、水泥路面等)热容量 大， 白天吸收太阳辐射热，夜间放热缓慢，使低层 空气变暖； (3)城市上空笼罩一层烟雾和CO2，吸收地面长 波辐射。
第5节 大气污染物扩散模式

有界大气扩散 ： 大气污染物排放源多位 于近地面或接近地面的大气边界层，因此， 污染物在大气中的扩散多在边界层中进行， 并受到地面的影响，我们称这种大气扩散为 有界大气扩散。
大气状况
发生情况
与风、湍流关系
地面污染状况 由于扩散速度快， 近污染源地区污染 物落地浓度较高， 一般不会形成烟雾 事件
波浪形
γ>0，γ>γd，大气不 稳定，对流强烈
出现于阳光 较强的白天
伴随有较强的热扩散，微 风
锥形
烟云离开排放口一定距离后， 云轴基本上保持水平，外形 似椭圆锥，烟云规则扩散能 力比波浪型弱。
吹向城市市区的特殊的局地风，称为城市热岛环流或
城市（郊）风。

城郊风在市区汇合产生上升气流。当城市周围有 较多产生大气污染的工厂时，就会使污染物在夜间向 市中心输送，造成严重污染，特别是夜间城市上空有 逆温层存在。

城市热岛环流

。
产生城乡温度差异的主要原因
(1)城市人口密集、工业集中，能耗水平源自文库；


逆温的类型 ：根据逆温生成的过程，可 将逆温分为


（1）辐射逆温
（2）下沉逆温


（3）平流逆温
（4）锋面逆温
（5）湍流逆温
其中，辐射逆温和平流逆温与大气污染 的关系最密切。

辐射逆温 ：在晴空无云（少云）的夜晚，当风速较小
（< 2-3m/s）时，地面因强烈的有效辐射的减少而很快 冷却，近地面气层冷却最为强烈，较高的气层冷却较 慢，因而形成了自地面开始逐渐向上发展的逆温层， 称为辐射逆温。以冬季最强。

地形逆温：常发生在山地、盆地和谷地中。
由于山坡散热快，山坡上的冷空气沿山坡下沉 到谷底，谷底原来较暖的空气被冷空气抬挤上 升，从而出现温度的倒置现象。这样的逆温主 要是在一定的地形条件下形成的，所以称为地 形逆温。

4.4 不同温度 层结和大 气稳定度 下的烟型

烟形
性状 烟云在上下左右方向摆动很 大，扩散速度快，烟云呈剧 烈翻卷状，烟团向下风向输 送。
Q y C ( x, y,0,0) exp( 2 ) U y z 2 y
2
Q C ( x,0,0,0) U y z


5.2 TSP扩散—沉降模式（高斯倾斜烟流扩 散模式）
在以上一般高斯模式中，认为颗粒物的粒径小 于10微米，因此，其沉降作用可以忽略。 当颗粒物的粒径大于10微米时，颗粒物除了随 平流场运动以外，还由于重力下沉作用，使得烟羽 的中轴线逐渐向地面倾斜，为了反映颗粒物的沉降
地面连续源高斯扩散模式
令高架连续点源高斯扩散模式的一般形 式中的H = 0, 便得到地面连续源在其下风向 任何一点(x, y, z)的污染物浓度值计算公式：
Q y z C ( x, y, z;0) exp( 2 ) exp( 2 ) U y z 2 y 2 z
2
2

由以上 地面连续源高斯扩散模式 ，可得 出地面源的地面任何一点（x, y, 0）和地面轴 线上任何一点（x, 0,0）的污染物浓度扩散模 式：
温度层结的定义 ：大气中气温在垂直方向上的分布
称为温度层结。
大气中温度层结有四种类型： （1）气温随高度增加而递减，即r > 0，称为 正常分布层结或递减层结； （ 2 ） 气温垂直递减率等于或近似等于干绝热 递减率，即r = rd，称为中性层结； （3）气温不随高度变化，即r = 0，称为等温 层结； （4）气温随高度增加而增加，即r < 0，称为 逆温。

（ B ）由于垂直方向上 风速 分布的不均匀性和地
面粗糙度引起的 机械湍流， 它的强度取决于风速梯
度和地面粗糙度。

（3）作用：湍流具有极强的扩散能力，风速越大， 湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物的浓 度也越低。
4.7

影响大气污染的地理因素
影响大气污染的主要地理因素有： （1）地形和地物的影响 （2）局地环流（包括山谷风，海陆风和城市 热岛环流）的影响。
Z Z
Z
Z
Z
T a b
T c
T d
T e
T
a表示下午时分；b表示日落时分；c 黎明时分；d表示日出后的早晨；e表示上午10点左右
平流逆温：暖空气平流到冷空气表面而形成
的逆温。

原因：低层空气受表面影响大，降温多， 上层空气降温少所致的。 当冬季中纬度沿海地区的海上暖空气流到 大陆上，以及暖空气平流到低地、盆地内积聚 的冷空气上面时，皆可形成平流逆温。
一般来说， r 越大，大气越不稳定，反之， 大气越稳定。
4.3 逆温层 气温随高度增加而增加的气层，即r < 0 或r =0，称为逆温层。等温层可视为逆温层的 一个特例。 大气近地面层空气的温度的变化主要受地 面长波辐射的影响。大气温度层结一般是r > 0 ，但在特定的条件下，也会发生r < 0或r = 0 的现象，即发生了逆温或等温现象。 根据大气稳定度分析，发生逆温时，大气 是稳定的。逆温层的存在，大大阻碍了气温的 垂直运动，也将逆温层称为阻挡层。 污染气体多积聚在逆温层下面，往往导致 严重大气污染。

2、高斯扩散一般模式成立的假设条件 ·污染物浓度在y轴和z轴上的分布符合正



态分布；
·在全部空间中风速是均匀和稳定的；


·源强是连续均匀的（mg/s）；
·污染物在扩散过程中质量是守恒的，化


学性质是稳定的，不发生沉降现象；
·排放源周边地区较平坦开阔
3、高架连续点源高斯扩散模式及几种常见的形式 一般形式：
排出口上方有微风，伴有 湍流；排出口下凡，几乎 无风，无湍流。
烟囱高度处于不稳 定层时，污染物不 向下扩散，对地面 污染较小。
烟云上侧边缘清晰，呈平直 漫烟形 状，下部有较强的湍流扩散， 烟云上方有逆温层。
排出口上方：γ<0， γ<γd，大气稳定； 排出口下方：γ>0， γ>γd，大气不稳定
烟云下部有明显热扩散， 上部热扩散很弱，风在烟 云之间流动。


Q y2 (z H )2 (z H )2 C ( x, y, z; H ) exp( 2 ){exp[ ] exp[ ]} 2 2 2U y z 2 y 2 z 2 z




Q 为污染源的源强（mg /s）， H 为烟囱有效高度(m)， U 为烟囱实际高度处的平均风速(m/s)， δ y,δ z为y轴和z轴上的扩散系数（即污染物浓度在y 轴和z轴上正态分布的标准偏差） C (x ,y, z, H) 为污染源下风向任一点(x, y, z) 处的污染 物浓度(mg / m3 )。
烟囱低于稳定层时， 烟云就像被盖子盖 住似的，烟云只向 下扩散，地面污染 严重。
翻卷型烟型
平展型烟型
上升型烟型
4.5


大气的水平运动和湍流运动
大气的水平运动 ( 风 ) 对于大气污 染物的第一个作用就是输送作用； 第二个作用是对污染物浓度的冲 淡稀释作用。


大气湍流

（1）大气湍流：大气的上下左右无规则摆动运动。 （2）成因： （ A ）由于垂直方向 温度 分布的不均匀性引起的 热力湍流，它的强度取决于大气稳定度。

4.2 大气稳定度 大气稳定度的定义：指在垂直方向上大气稳定 的程度。



污染物在大气中扩散与大气稳定度有密切 关系。
一个空气块由于某种原因受到外力的作用， 产生了上升或下降运动后，当外力去除后，可 能发生三种情况：(1) 气块减速并有返回原来 高度的趋势，称这种大气是 稳定 ； (2) 气块加 速上升或下降，称这种大气是不稳定；(3) 气 块被外力推到那里就停到那里或作等速运动， 称这种大气是中性。

几种特殊形式
(1) 下风向地面任何一点的污染物浓度 (z = 0)

Q y H C ( x, y,0; H ) exp[ ( 2 2 ) U y z 2 y 2 z
2
2

(2) 下风向烟流中心线地面任何一点污染物 浓度(z = 0, y = 0)
H C ( x,0,0; H ) exp( 2 ) U y z 2 z

地形地物的影响
（1）山脉 （ 2 ）高大建筑物：在建筑物背风面局部形成 涡流。



局地环流的影响
由于地形的差异，往往会造成地表热 力性质的不均匀性，进而形成各种局地 环流。 局地环流的形成对当地的大气污 染的形成作用较为明显。
城市热岛环流

定义：由于城市温度经常比农村高(特别是夜
间)，气压比乡村低，所以可以形成一种从周围农村
Q
2
(3)地面轴线最大污染物落地浓度
出现地面轴线最大落地浓度点时的Z轴的扩散系数为
δ z∣x C max = H/ 2
将上式代入到地面轴线浓度计算公式, 可得出
C ( x,0,0; H ) max
2Q z 0.234Q z 2 2 eUH y UH y
(4)