6第四章污染气象.ppt
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1、第四章 污染气象,2009年10月14日晚上,第30届尤金史密斯人道主义纪实基 金在美国纽约美国亚洲协会举行隆重的颁奖仪式,来自中国的 卢广以关注中国污染的专题摄影获得了尤金史密斯人道主 义摄影奖,河南安阳市范家庄离炼钢炉只有一墙之隔,村里每天都下铁雨,村民在这污染严重的环境下生活 2008年3月24日,宁夏石嘴山湖滨工业园区高大的烟囱上粉尘从天而降,当地 居民叫苦连天,他们出门就得做好防范措施 2006年4月22日,内蒙古拉僧庙发电厂二条黑色的巨龙覆盖着村庄 2005年7月26日,河北省涉县天津钢铁厂是重污染企业,企业规模还在不断扩大,严重影响当地居民的生活 2008年3月18日,江西省胡口
2、县化工园区在长江边上,化工厂私自填埋长江堤岸,扩大化工厂规模。2009年6月25日,在黄河边放羊的老汉受不了第三排水沟散发的臭气 2006年4月23日,15岁的甘肃天水人杨新闰,上完小学二年级就辍学了,跟着父母来到黑龙贵工业区,他一天能赚16元 2005年4月8日,江苏连云港盐场工人在愤怒地说,风往我们这边吹时,化工厂排入的气体又臭又刺鼻受不了,到了晚上毒气放得更多 2008年7月19日,每天大量粉尘吸进肺部。在这里干一、二年,他们就感到身体不适,甚至发病,这些民工大多是贫困地区来的,电厂和炼油厂的污染可使附近果树不结实,农作物减产,牲畜死亡。如我国在20世纪50年代投产的望亭电厂、微水电厂,
3、因粉尘与二氧化硫污染,向附近农民赔过款。广东马坝冶炼厂,在不利的气象条件下,烟雾排不出去,曾经被迫停产。1952年12月58日英国伦敦的严重污染事故曾一次使30004000人死亡。,寂静的春天1962年在美国问世时,是一本很有争议的书,是标志着人类首次关注环境问题的著作。它那惊世骇俗的关于农药危害人类环境的预言,不仅受到与之利害攸关的生产与经济部门的猛烈抨击,而且也强烈震撼了社会广大民众。,寂静的春天是一本引发了全世界环境保护事业的书,书中描述人类可能将面临一个没有鸟、蜜蜂和蝴蝶的世界。作者是美国海洋生物学家蕾切尔卡逊,于1962年出版。这是这本不寻常的书,在世界范围内引起人们对野生动物的关注
4、,唤起了人们的环境意识,这本书同时引发了公众对环境问题的注意,促使环境保护问题提到了各国政府面前,各种环境保护组织纷纷成立,从而促使联合国于1972年6月12日在斯德哥尔摩召开了“人类环境大会”,并由各国签署了“人类环境宣言”,开始了环境保护事业。,化学研究进入误区。,膨大剂、三聚氰胺、瘦肉精,4.1 气象与大气污染 4.1.1 大气污染概述 4.1.2 大气污染的危害和影响 4.1.3 影响大气污染的气象因子和天气形势,4.2 大气污染浓度计算 4.2.1 大气扩散的基本理论 4.2.2 大气扩散模式 4.2.3 扩散参数的估计,4.3 大气污染的控制与管理 4.3.1 城市的全面规划和合理
5、布局 4.3.2 工厂厂址选择和烟囱高度设计 4.3.3 城区集中供暖、供热 4.3.4 改变燃料构成和净化汽车尾气 4.3.5 增大城市绿化面积 4.3.6 大气质量标准 4.3.7 主要大气污染物的治理技术,4.4 空气污染预报 4.4.1 空气污染气象条件预报 4.4.2 空气污染浓度预报,4.1 气象与大气污染,4.1.1 大气污染概述,氮、氧、氩等含量几乎不变,二氧化碳、水汽、臭氧,灰尘、烟粒、氮氧化物、硫化物等,大 气,4.1,4.1,大气污染与空气污染没有实质的差别,严格来说是研究的范围不同,大气污染是指大区域或全球性的,空气污染是指某个场所或局部地区的污染。,1、大气污染的含义
6、,当大气中的人为废弃(包括可变成分和微量成分)含量及存在时间达到一定限值,对人、动物、植物产生的有害影响达到可监测程度时,大气就被污染了。,4.1,4.1,2、大气污染源,图4.1大气污染源分类,4.1,一个能将污染排放到大气中的装备,称为污染源或排放源,如烟囱、汽车、核反应堆等。,4.1,连续点源一般指排放大量污染物的烟囱、放散管、通风口等。,4.1,4.1.2 大气污染的危害和影响,1、对人体健康的危害,(1)烟尘和粉尘,大于10m的颗粒物,大多被鼻腔和咽喉所捕集,但不进入肺部;小于10m的飘尘经过呼吸道沉积于肺泡,部分飘尘被溶解后进入血液,造成血液中毒,未溶解的部分被细胞吸收。,4.1,
7、PM2.5可 入肺颗 粒物,?,(2)二氧化硫,主要刺激人体呼吸道,通常与多种污染物共存,危害更大。,表4.1 SO2浓度对人体的影响,4.1,(4)光化学氧化剂,(3)氮氧化物(NO、NO2),NO对人的生理影响目前不十分清楚,但高浓度的NO会使动物的中枢神经发生病变;NO2会引起肺水肿或慢性支气管炎,NO2的飘尘最易侵入肺部。,氮氧化合物和碳氢化合物进入大气后,在阳光照射下,经光化学反应形成二次污染光化学烟雾。浓度高时对眼睛、呼吸道影响。,4.1,一氧化碳(CO)浓度为900ppm时,人接触1小时后头痛、眼睛呆滞;浓度为1200ppm时,人神经麻痹,有生命危险。,(5)其它有害物质,碳氧化
8、物 种类很多,对眼、鼻和呼吸道都有强烈的刺激作用,在一定的条件下,对肝、肾和心血管系统的功能产生破坏作用。,氟化物对眼睛和呼吸道有强烈的刺激作用。高浓度的氟化物可引起肺水肿和支气管炎,对骨骼、造血系统、神经系统、牙齿造成损坏。,4.1,2、对气候的影响,(1)对太阳辐射能的影响,以南京为例,冬季大气污染 物随耗煤量的增加,到达地 面的直接辐射逐年减少,明显增加(见表2),总辐射(城市比郊区低10%-20%),辐射平衡(见表4.3)、紫外线三者都减少,太阳高度角较小时减弱30%-50%,角度大时削减5%-10%,4.1,表4.2 不同风向的散射辐射,测站在下风向时,散射辐射增大明显,4.1,表4
9、.3 混合污染物对辐射平衡的影响,污染区下风方向的辐射平衡要比上风方向减少36%(表4-3),大气中的二氧化碳CO2对太阳的短波辐射几乎没有 消弱作用,但对地表来的长波辐射有较强的吸收作 用。因此CO2对地表有保温作用。如果CO2浓度增加, 保温作用增强;大气中的尘埃,犹如地球的遮阳伞, 反射和吸收太阳辐射,降低地面温度。尘埃作为凝结 核使云雾降水的频率增加,对地表也有冷却作用。,4.1,大气中的污染物愈多,大气愈浑浊,能见度降低(见表4.4)。能见度较低时,交通事故明显增多。由于能见度的观测比大气污染浓度测定方便,因此有时用能见度估计大气污染的程度。,表4.4 不同风向的散射辐射,能见度是影
10、响海、陆、空交通运输的重要因素而低能见度的出现不但影响交通运输的正常进行还具有极大的危险性是诱发重大交通事故的主要气象条件,4.1,由于大气中的污染浓度的增加,特别是二氧化碳浓度的 增加,使气温上升(图4-2),但大气中的尘埃等混合污染 物的增加,使到达地表的太阳辐射减小而使温度降低。,近污染浓度的增加导致大气浑浊度的增加,如华盛顿上 空的浑浊度增加了57%,瑞士增加了70%。浑浊度的增加使太 阳光的反射率也增加,导致到达地面的太阳辐射能减少,气 温下降。当反射率增加1%,大气温度下降1.7。如果大气 中浑浊度按每10年30%的速度增加,则几十年后,北半球就 会降到过去冰河时期的低温。,二氧化
11、碳的保温效应,不可忽视浑浊 度的降温作用,!,4.1,大气浑浊度(atmospheric turbidity ),大气浑浊度是指无云大气铅直气柱中气溶胶散射造成的消光程度。铅直气柱中气溶胶含量越大,大气浑浊度也越大。大气浑浊度T的定义有两种:,铅直气柱中实测气溶胶与分子消光的总光学厚度与分子消光的光学厚度h之比,即T/h,林克浑浊因子(F.Linke于1922年提出)即属此范畴。,铅直气柱中气溶胶的光学厚度。埃斯屈朗(A.ngstrm)发现与波长的关系。,4.1,大气浑浊度随时间和地理位置而变化。一般夏季高于冬季,下午高于上午,并在夏季中午前后达最大值,冬季日变化较小。在北半球,从高纬度地区向
12、赤道,大气浑浊度可增加约12倍,冬季增加的幅度最大。其变化规律对于研究大气气溶胶的分布和输送、垦荒的气候效应、大气污染及全球辐射平衡过程都有一定价值。,4.1,EL(m)是干洁大气状态到达地面的辐射能(不涉及水汽杂质等),E(m)是到达地面的辐射能,E0是到达大气外界辐射能(太阳常数),4.1,3、使酸沉降增多,酸沉降是指大气中的污染物如氧化硫和氧化氮等在空气中发生反应后形成含有硫酸或硝酸的雨雪雾露等湿沉降与酸性气体、颗粒等物质的干沉降的总称。是大气污染带来的直接后果。,酸沉降造成湖泊和土壤的酸化、危害森林和农作物、直接威胁人类的健康,诱发各种疾病、腐蚀金属、建筑物和文明古迹等,严重破坏了生态
13、平衡,4.1,大气污染物的分布,取决于当时当地的大气层结、风向风速、温度的水平分布等气象要素的影响,4.1.3 影响大气污染的气象因子和天气形势,影 响 最 大,4.1,4.1,1、大气湍流与稳定度,(1)大气湍流,湍流是指没有规则的流体运动,也称为乱流。是大气运动的主要形式,大气运动是由大小不一的湍涡、在近地层进行极其复杂的、无规则的随机运动构成的。,无湍流时,烟团仅仅依靠分子 扩散使烟团长大(如右图),烟团 的扩散速率非常缓慢,其扩散速率 比湍流扩散小56个数量级;,a,4.1,当湍流的尺度远比烟团尺度小时(如图b),烟团沿风向水平漂流,同时由于湍涡的搅拌,其边缘和周围空气混合,体积缓慢扩
14、大,烟团内污染物浓度缓慢降低。烟流几乎呈直线向下风运动 。,风向,b,4.1,当烟团进入比自己大得多的湍涡流场中时(如图c),烟团被湍流运动所挟带,随湍涡环流绕行,本身增长有限。烟团在大湍涡的夹带下作较大摆幅的蛇形曲线运动(下风方向),c,4.1,当烟团尺度与湍涡的大小相仿时(如图d),烟团被湍涡迅速拉开撕裂而大幅度变形,横截面快速膨胀,因而扩散较快,烟流呈小摆幅曲线向下风运动烟团内污染物浓度快速降低。,实际大气湍流中,以上三种方式同时存在,当大气湍流越强时,污染物散布的范围越大,大气中污染物的浓度越低,d,4.1,(2)大气稳定度,因下垫面摩擦力和空气粘滞性引起的风速垂直切变造成的,称为动力
15、湍流,热力条件引起的对流,4.1,低层大气中,大气的温度层结对湍流的强弱起主要作用,层结越不稳定,湍流越强。在大气污染的研究及大气环境评价中,通常以大气稳定度反映湍流的强弱,以及污染物的扩散和稀释状况。,温度(位温)梯度方法,4.1,理查孙(.ichardson)数i,Ri1,湍流易于发展, Ri1不易发展,4.1,帕斯圭尔(Pasquill)方法,按风速、日射、 云量(云状)分成 六个稳定度等级,表4.5帕斯圭尔稳定度分级,AF,极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定、稳定,中纬度地区盛夏的晴 天中午为强日照,冬 季中午为弱日照。此 方法仅适宜平坦开阔地,4.1,帕斯圭尔-特纳尔(Pasq
16、uill-Turner)方法,简称P-T法,由于帕斯圭尔划分稳定度的方法带有一定的主观性,特别是精确确定日射等级较困难,特纳尔提出依据太阳高度角、云量确定辐射等级,再利用辐射等级和风速来确定稳定度分类的方法。如表4.6和4.7.,此方法仅仅利用气象常规资料就可以划分稳定度的类别,简单易行,而且有一定的物理意义和气象意义,应用较广。,4.1,表4.6 P-T太阳辐射等级,4.1,表4.7 P-T大气稳定度等级,大气层结较稳定时,不利于污染物的扩散,因此一个地方污染物的排放时间要根据大气层结稳定度合理安排。,4.1,风廓线方法,近地层风随高度的变化常 用幂函数来表示,即:,用50米和 10米两个
17、高度的风 速资料确 定,表4.8 风廓线大气稳定度等级,Roland(洛兰德,1980年)给出的a值,4.1,表4.9 各稳定度对应的温度梯度,温度(位温)梯度法,根据北京320米高度铁塔的温度资料,对于帕斯圭尔大气 稳定度类别的温度梯度值,划分大气稳定度(表4-9),位温:气体从原有的压强与温度出发,绝热膨胀或压缩到标准压强时的温度。可用来比较不同气压下的气体热状态。用表示,气象方面上的定义,4.1,把某一水样从任一深度以绝热方式提升到海面时所具有的温度,叫做位温。常以表示,即位温。如现场水温5,把它从6000米深处绝热提升到海面时的=0.80,故海水位温=5-0.80 =4.20。位温可根
18、据绝热温度梯度计算,由于海水具有压缩性,当水块上升时,因压力减小而体积膨胀,内能减小,温度降低;当水块下降时,因压力加大而使其体积缩小,内能增加,温度升高。位温不是深度的函数,它是海水热性质的一种指标,可用来研究水团运动的途径。,4.1,2、温度,(1)温度的垂直分布,即温度层结, 是衡量大气稳 定度的标志,气温沿铅直高度的变化,称温度层结或层结。 气温随高度变化快慢这一特征可用气温垂直递减率 来表示。气温垂直递减率的数学定义式为, - dT/dz;它是指单位(通常取100m) 高差气温变化速 率的负值。如果气温随高度增高而降低,为正 值,如果气温随高度增高而增高,为负值。,处于不同平衡状态的
19、小球,层结稳定,湍流减弱,层结不稳定,湍流加强。 在不同的温度层结下烟云类型可分为以下5类。,4.1,波浪型(翻卷型、环链型),整层空气处于不稳定状 态(),烟云摆 动大,扩散快,一般出现在夏季晴天日 射强的中午,此时对流 强,有微风,一般不会发 生污染危害,但在烟囱比 较密集的地方,烟囱附近 会出现高浓度污染。,锥型,当地面和上空的气温差别不大时,即温度的垂直递 减率小于干绝热递减率(),空气层呈中性 或稳定状态,这时垂直扩散较慢。当高空风较大时, 出现水平扩散大于垂直扩散,烟云呈横向圆锥形。,多发生在阴天 的中午和冬季 的夜间,地面 污染浓度较低,4.1,扇型 (平展型),当从地面到上空,
20、气层很稳定或有一个深厚的逆温层时,烟囱排除的烟气既不能向上扩散也不能向下扩散,只能在水平方向呈扇型逐渐散开。,4.1,多发生在晴天的夜间 或清晨、微风、湍流 很弱时。地面浓度较 低,但遇到山或高大 的建筑物阻挡时,该 地区会造成严重污染,熏烟型(下扩散型、漫烟型),当从地面到烟囱大气层结不稳定,烟囱以上的层 结是稳定的或有逆温层存在,烟气只能在烟囱以下 的区域扩散,不能向上扩散,形成地面下风方向的 严重污染。,4.1,多发生在冬季早晨 逆温比较深厚时, 日出后,下部的逆 温层破坏,但上面 的逆温层仍然存在 的状况下,4.1,大气层结与熏烟型相反,从地面到烟囱顶部大 气层结稳定或有逆温层,烟囱顶
21、部以上大气层结不 稳定,烟气下部平直,上部有一定的扩散,是最佳 的扩散条件。,多发生在傍晚时,屋脊型(上升型、城堡型),4.1,由于温度层结对污染的扩散有很大的影响,因 此在实际工作中用来分析污染物单位扩散程度。 也可用逆温强度、厚度、频率来分析大气温度层 结对污染物扩散的影响。,逆温是指气温随高度的增加而增加的现象,大 气 层 结 稳 定,由于逆温层的阻挡作用(阻碍空气对流运动),使 近地层的污染物不易穿过逆温层的屏障向上扩散,在 逆温层的下部有限的空间内聚集,形成高浓度的污染 区域。逆温层强度越大,厚度越厚、维持时间越长, 造成的污染危害越大。,污染气 象学中 常分析,逆温的强度(?/10
22、0米),逆温的顶、底高度(距离地面),逆温的厚度(顶、底高度之差),逆温的频率(出现次数占总观测次数),逆温的生消规律、逆温与污染源高度之间的 关系、有逆温时污染浓度分布特点,4.1,辐射逆温的生成过程,4.1,下沉逆温的生成过程,4.1,(2)温度的水平分布,4.1,由于不同下垫面的物理性质的差异,引起热状况在水平方向上分布的不均匀。特别是在弱的天气系统条件下,这种热力差异会产生一些局地环流,如海陆风、城郊风、山谷风等地方性环流(影响污染物输送范围和路径,影响污染浓度),海陆风对沿岸地区空气污染的影响,沿海和大湖沿岸常见 的局地环流,4.1,4.1,当海风入侵时,海洋的冷空气位于陆地暖空气之
23、下,如图4.5,称为海风锋面。锋面的弱逆温层结。对锋面下得污染物扩散构成一个倾斜的“顶盖”,阻碍污染物向上扩散。因此在海风锋面路径上有较大的排放源时,地面污染浓度会骤然增加,一般维持几十分钟到一个小时。锋面过后,海风风速较大,也清洁,对空气有净化作用。,有可能形成沿岸的循环污染(海陆风的日变 化)。另外在白天地面盛行海风,高空盛行陆风, 当污染源抬升较强时,也可形成污染物的倒流。,4.1,4.1,城市的年平均气温比郊区高0.3-1.8,在特殊气象条件下可高达4-6,这种现象称为热岛效应。城市与郊区形成热岛环流(城郊风)。污染物在局地环流的作用下,聚集在城市上空,形成烟幕。,城郊风对市区空气污染
24、的影响,静风时城郊 之间的环流,有地方性风 时城郊之间的环流,4.1,城市内街道和建筑物吸热和放热的不均匀性,还 会在群体空间形成类似山谷风的小型环流或涡流。这 些热力环流使得不同方位街道的扩散能力受到影响, 尤其对汽车尾气污染物扩散的影响最为突出。如建筑 物与在其之间的东西走向街道,白天屋顶吸热强而街 道受热弱,屋顶上方的热空气上升,街道上空的冷空 气下降,构成谷风式环流。晚上屋顶冷却速度比街面 快,使得街道内的热空气上升而屋顶上空的冷空气下 沉,反向形成山风式环流。由于建筑物一般为锐边形 状,环流在靠近建筑物处还会生成涡流。当污染物被 环流卷吸后就不利于向高空的扩散。,4.1,排放源附近的
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