第三章 大气扩散 精选PPT.ppt
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1、第三章 大气扩散 第1页,本讲稿共78页n大气污染的出现一般由三个因素共同作用引起,即污染源、大气污染的出现一般由三个因素共同作用引起,即污染源、现场大气状态和污染物接受体。现场大气状态和污染物接受体。n污染物通过污染源排放到大气中,与大气相互作用,通污染物通过污染源排放到大气中,与大气相互作用,通过混合、反应、转移等过程对接受体产生影响。过混合、反应、转移等过程对接受体产生影响。n大气污染也可以看做是污染源排放出的污染物、对污染物大气污染也可以看做是污染源排放出的污染物、对污染物起稀释作用的大气和承受污染的物体三者之间相互关联、起稀释作用的大气和承受污染的物体三者之间相互关联、相互影响而产生
2、的一种效应。相互影响而产生的一种效应。第2页,本讲稿共78页由此可以断定,一个区域或地区造成大气环境污染的程由此可以断定,一个区域或地区造成大气环境污染的程度,不仅决定于度,不仅决定于污染源污染源污染源污染源排放的排放的污染物特性污染物特性污染物特性污染物特性、排放总量、与排放总量、与排放总量、与排放总量、与污染源距离的远近以及污染物的污染途径等污染源距离的远近以及污染物的污染途径等污染源距离的远近以及污染物的污染途径等污染源距离的远近以及污染物的污染途径等,其次还与,其次还与气象要气象要气象要气象要素素素素、地形地形地形地形(马斯河谷烟雾事件发生在地势比较低洼的地方,(马斯河谷烟雾事件发生在
3、地势比较低洼的地方,(马斯河谷烟雾事件发生在地势比较低洼的地方,(马斯河谷烟雾事件发生在地势比较低洼的地方,那里不利于大气污染物的扩散和迁移)那里不利于大气污染物的扩散和迁移)那里不利于大气污染物的扩散和迁移)那里不利于大气污染物的扩散和迁移)等因素有关,其中等因素有关,其中以以气象要素气象要素气象要素气象要素的影响最为突出。的影响最为突出。第3页,本讲稿共78页影响污染物在大气中运动的影响污染物在大气中运动的气象因气象因素素主要有主要有风、湍流、逆温和大气稳定风、湍流、逆温和大气稳定度等。度等。一、影响大气污染扩散的气象因素一、影响大气污染扩散的气象因素第4页,本讲稿共78页所谓风是指空气在
4、水平方向的运动。风的运动规律可用所谓风是指空气在水平方向的运动。风的运动规律可用所谓风是指空气在水平方向的运动。风的运动规律可用所谓风是指空气在水平方向的运动。风的运动规律可用风向风向风向风向和和和和风速风速风速风速描述。描述。描述。描述。排入大气中的污染物在风的作用下,会沿着排入大气中的污染物在风的作用下,会沿着排入大气中的污染物在风的作用下,会沿着排入大气中的污染物在风的作用下,会沿着下风向下风向下风向下风向迁移、输送、扩散迁移、输送、扩散迁移、输送、扩散迁移、输送、扩散和稀释,风速越大,污染物被输送的距离越远,其浓度越低。和稀释,风速越大,污染物被输送的距离越远,其浓度越低。和稀释,风速
5、越大,污染物被输送的距离越远,其浓度越低。和稀释,风速越大,污染物被输送的距离越远,其浓度越低。风向风向是指风吹来的方向。是指风吹来的方向。是指风吹来的方向。是指风吹来的方向。可用可用可用可用8 8个方位或个方位或个方位或个方位或1616方位表示。方位表示。方位表示。方位表示。风速风速是指空气是指空气是指空气是指空气在单位时间内水平运动的距离。在单位时间内水平运动的距离。在单位时间内水平运动的距离。在单位时间内水平运动的距离。大气污染不仅受大气污染不仅受大气污染不仅受大气污染不仅受风向风向风向风向,也受,也受,也受,也受风速风速风速风速的影响。的影响。的影响。的影响。1、风、风第5页,本讲稿共
6、78页某一风向频率越大,其下风向受污染的机率就越高某一风向频率越大,其下风向受污染的机率就越高某一风向频率越大,其下风向受污染的机率就越高某一风向频率越大,其下风向受污染的机率就越高;反之机率越低。反之机率越低。也就是说,大气污染程度与风向频率成也就是说,大气污染程度与风向频率成也就是说,大气污染程度与风向频率成也就是说,大气污染程度与风向频率成正比。正比。正比。正比。某一风向的风速越大,则下风向的污染程度越小,因某一风向的风速越大,则下风向的污染程度越小,因为来自上风向的污染物输送、扩散和稀释能力加大,为来自上风向的污染物输送、扩散和稀释能力加大,使大气中污染物浓度降低,即使大气中污染物浓度
7、降低,即大气污染程度与风速成大气污染程度与风速成大气污染程度与风速成大气污染程度与风速成反比。即风速增加一倍,则下风向污染物浓度也相应反比。即风速增加一倍,则下风向污染物浓度也相应反比。即风速增加一倍,则下风向污染物浓度也相应反比。即风速增加一倍,则下风向污染物浓度也相应会减少一半。会减少一半。会减少一半。会减少一半。第6页,本讲稿共78页风对污染物的作用有两点:一是对污染物沿下风方风对污染物的作用有两点:一是对污染物沿下风方向的转移,二是在转移过程中对污染物浓度的稀释向的转移,二是在转移过程中对污染物浓度的稀释作用。作用。为综合反映某一地区为综合反映某一地区风向频率风向频率和和平均风速平均风
8、速对大气污对大气污染影响的程度,常用染影响的程度,常用污染系数污染系数来表达:来表达:气象预报的风速指的是距地面气象预报的风速指的是距地面10m10m高处在高处在一定时间内观测到的平均风速。一定时间内观测到的平均风速。第7页,本讲稿共78页第8页,本讲稿共78页风向频率风向频率是指是指在一定时间内在一定时间内自自某个方位某个方位(东、西、(东、西、南、北等)所吹来的风的南、北等)所吹来的风的重复次数重复次数和和该时间内该时间内各个各个不同方向吹来的不同方向吹来的全部风的次数全部风的次数相比的百分数。相比的百分数。第9页,本讲稿共78页风向频率玫瑰图风向频率玫瑰图风向玫瑰图是气象学上对风向研究的
9、风向玫瑰图是气象学上对风向研究的一种方法和手段,它反映过去风向发一种方法和手段,它反映过去风向发生的频率,预示未来风向发生频率的生的频率,预示未来风向发生频率的趋势。趋势。根据公式计算出各风向的污染系数,绘根据公式计算出各风向的污染系数,绘成成风玫瑰图风玫瑰图,污染系数越大,下风向的污染就越污染系数越大,下风向的污染就越严重。严重。如果从一个原点出发,画出许如果从一个原点出发,画出许多根辐射线,每一根线的方向多根辐射线,每一根线的方向就是某个地区的一种方向,而就是某个地区的一种方向,而线段的长短则表示该方向风的线段的长短则表示该方向风的风向频率,将这些线段的末端风向频率,将这些线段的末端逐一连
10、接起来,即为该地区的逐一连接起来,即为该地区的风向频率玫瑰图。风向频率玫瑰图。第10页,本讲稿共78页第11页,本讲稿共78页风向频率及污染系数实例风向频率及污染系数实例风向频率及污染系数实例风向频率及污染系数实例此表为测定各方位风向频率和风速后的污染系数计算实例,此表为测定各方位风向频率和风速后的污染系数计算实例,相相对污染系数对污染系数为某方位污染系数与各方位污染系数之和的比值。为某方位污染系数与各方位污染系数之和的比值。第12页,本讲稿共78页第13页,本讲稿共78页所谓大气湍流,是指大气中无规则的、三维的小尺度运动。即风除在水所谓大气湍流,是指大气中无规则的、三维的小尺度运动。即风除在
11、水平方向运动外,还会由上、下、左、右方向的乱运动,风对污染物的稀平方向运动外,还会由上、下、左、右方向的乱运动,风对污染物的稀释作用,实际上是由于风的无规则阵性和摆动造成大气湍流所引起的。释作用,实际上是由于风的无规则阵性和摆动造成大气湍流所引起的。(有点象分子的热运动有点象分子的热运动)大气湍流表现为大气湍流表现为气流的速度气流的速度气流的速度气流的速度和和方向方向方向方向随随时间和空间时间和空间时间和空间时间和空间位置的不同而呈位置的不同而呈随机随机随机随机变化变化变化变化,并由此引起,并由此引起温度温度温度温度、湿度湿度湿度湿度以及以及污染物浓度污染物浓度污染物浓度污染物浓度等气象属性的
12、随机涨等气象属性的随机涨落。落。2湍流湍流(Turbulent Flow)第14页,本讲稿共78页把湍流想象成是由许多湍涡形成的,湍涡的把湍流想象成是由许多湍涡形成的,湍涡的不规则运动与分子运动极为相似。不同的是,不规则运动与分子运动极为相似。不同的是,分子的运动以分子为单位,湍流以湍涡为单分子的运动以分子为单位,湍流以湍涡为单位,湍涡运动速度比分子运动速度大的多,位,湍涡运动速度比分子运动速度大的多,比分子扩散快比分子扩散快105106倍。倍。没有湍流运动,没有湍流运动,污染物的扩散就成了问题污染物的扩散就成了问题。第15页,本讲稿共78页近地面大气湍流的形成和强度,主要取决于机械湍流和近地
13、面大气湍流的形成和强度,主要取决于机械湍流和热力湍流。热力湍流。l机械湍流,是指由于机械的或机械湍流,是指由于机械的或动力的作用引起的湍流,其大动力的作用引起的湍流,其大小决定于小决定于风速风速分布和分布和地面粗糙地面粗糙度度,当空气流过粗糙的地表,当空气流过粗糙的地表时,会随地面的起伏而抬升时,会随地面的起伏而抬升或下沉,从而产生垂直方向或下沉,从而产生垂直方向湍流,风速越大机械湍流强湍流,风速越大机械湍流强度越大。度越大。l热力湍流,是指由于大气的热力湍流,是指由于大气的垂直方向温度变化引起的湍垂直方向温度变化引起的湍流,其强度流,其强度决定于大气垂直方决定于大气垂直方向的稳定程度向的稳定
14、程度,垂直方向的温,垂直方向的温度变化越大,热力湍流的强度度变化越大,热力湍流的强度越大;相反即越小。越大;相反即越小。第16页,本讲稿共78页排放到大气中的污染物质,在湍流作用下被排放到大气中的污染物质,在湍流作用下被扩散和稀释。扩散和稀释。湍流运动造成大气中各组分间湍流运动造成大气中各组分间的强烈混合。当污染物由污染源排入大气中的强烈混合。当污染物由污染源排入大气中时,高浓度部分污染物由于湍流混合,不断时,高浓度部分污染物由于湍流混合,不断被清洁空气渗入,同时又无规则地分散到其被清洁空气渗入,同时又无规则地分散到其他方向去,使污染物不断地被稀释、冲淡。他方向去,使污染物不断地被稀释、冲淡。
15、第17页,本讲稿共78页比如我们日常所看到的,烟囱中冒出的烟气比如我们日常所看到的,烟囱中冒出的烟气比如我们日常所看到的,烟囱中冒出的烟气比如我们日常所看到的,烟囱中冒出的烟气总总总总是向下风方向飘去是向下风方向飘去是向下风方向飘去是向下风方向飘去,并,并,并,并不断地向四周扩散不断地向四周扩散不断地向四周扩散不断地向四周扩散,这就,这就,这就,这就是大气对污染物的输送和稀释扩散过程。是大气对污染物的输送和稀释扩散过程。是大气对污染物的输送和稀释扩散过程。是大气对污染物的输送和稀释扩散过程。只有风无湍流,从烟囱中排出的废气像一条只有风无湍流,从烟囱中排出的废气像一条只有风无湍流,从烟囱中排出的
16、废气像一条只有风无湍流,从烟囱中排出的废气像一条“烟管烟管烟管烟管”一样几乎保持着同样粗细,吹向下方,很少扩散。一样几乎保持着同样粗细,吹向下方,很少扩散。一样几乎保持着同样粗细,吹向下方,很少扩散。一样几乎保持着同样粗细,吹向下方,很少扩散。第18页,本讲稿共78页大气湍流是由一系列不规则的涡旋运动组成,这种涡旋大气湍流是由一系列不规则的涡旋运动组成,这种涡旋称为湍涡。根据涡旋的尺度可分为三类。称为湍涡。根据涡旋的尺度可分为三类。(a)小涡旋小涡旋(b)大涡旋大涡旋(c)复合尺度湍流复合尺度湍流(a)无湍流;()无湍流;(b)小湍涡中的烟团;()小湍涡中的烟团;(c)与湍涡尺寸)与湍涡尺寸接
17、近的烟团;(接近的烟团;(d)大湍涡中的烟团)大湍涡中的烟团第19页,本讲稿共78页小湍涡中的烟团小湍涡中的烟团大湍涡中的烟团大湍涡中的烟团与湍涡尺寸接近的烟团与湍涡尺寸接近的烟团第20页,本讲稿共78页第21页,本讲稿共78页第22页,本讲稿共78页第23页,本讲稿共78页风的垂直切变:风随高度变化的不连续现象。有时表现在风的垂直切变:风随高度变化的不连续现象。有时表现在风向上,有时表现在风速上,有时二者皆备。风向上,有时表现在风速上,有时二者皆备。湍流能否发生及其强度大小主要决定于湍流能否发生及其强度大小主要决定于风速大小风速大小风速大小风速大小、地面起伏状况地面起伏状况地面起伏状况地面起
18、伏状况和和近地面大气的热状况近地面大气的热状况近地面大气的热状况近地面大气的热状况。简言之,它与大气稳定度和风速垂直切变有关。简言之,它与大气稳定度和风速垂直切变有关。大大气越不稳定,越有利于湍流的发生;风速垂直切气越不稳定,越有利于湍流的发生;风速垂直切变越大,湍流越易发生。变越大,湍流越易发生。第24页,本讲稿共78页风风和和湍流湍流是决定污染物在大气是决定污染物在大气中扩散状况的最直接的因子,中扩散状况的最直接的因子,也是最本质的因子,是决定污也是最本质的因子,是决定污染物扩散快慢的决定性因素。染物扩散快慢的决定性因素。风速愈大,湍流愈强风速愈大,湍流愈强风速愈大,湍流愈强风速愈大,湍流
19、愈强,污染物扩散稀,污染物扩散稀,污染物扩散稀,污染物扩散稀释的速率就释的速率就释的速率就释的速率就愈快愈快愈快愈快。因此凡是有利于增大。因此凡是有利于增大。因此凡是有利于增大。因此凡是有利于增大风速、增强湍流的气象条件,都有利于风速、增强湍流的气象条件,都有利于风速、增强湍流的气象条件,都有利于风速、增强湍流的气象条件,都有利于污染物的稀释扩散,否则,将会使污染污染物的稀释扩散,否则,将会使污染污染物的稀释扩散,否则,将会使污染污染物的稀释扩散,否则,将会使污染加重。加重。加重。加重。第25页,本讲稿共78页思考题:思考题:决定污染物扩散快慢的决定性因素是决定污染物扩散快慢的决定性因素是什么
20、?为什么?什么?为什么?第26页,本讲稿共78页 3逆温逆温对流层大气的热量主要直接来自地面的长波对流层大气的热量主要直接来自地面的长波辐射,一般情况下,离地面越远,气温越低,辐射,一般情况下,离地面越远,气温越低,即气温随高度增加而递减,平均垂直递减率即气温随高度增加而递减,平均垂直递减率为为0.65/100米。但在一定条件下,对流层的米。但在一定条件下,对流层的某一高度有时也会出现某一高度有时也会出现气温随高度增加而升气温随高度增加而升高的现象,这种气温逆转的现象就是逆温。高的现象,这种气温逆转的现象就是逆温。第27页,本讲稿共78页逆温象一个盖子一样阻碍着气流的垂直运逆温象一个盖子一样阻
21、碍着气流的垂直运动,所以也叫阻挡层。由于污染空气积聚动,所以也叫阻挡层。由于污染空气积聚在它的下面,所以会造成严重的大气污染。在它的下面,所以会造成严重的大气污染。大气污染事件大多都发生在大气污染事件大多都发生在有逆温又静风有逆温又静风的条件下。的条件下。第28页,本讲稿共78页逆温是环境中很重要的大气现象,许多严逆温是环境中很重要的大气现象,许多严重的污染事件都与之有关。逆温现象经常重的污染事件都与之有关。逆温现象经常发生在较低气层中,这时气层稳定性强,发生在较低气层中,这时气层稳定性强,对于大气中垂直运动起阻碍作用,不利于对于大气中垂直运动起阻碍作用,不利于大气中污染物的扩散,导致排放的气
22、体污大气中污染物的扩散,导致排放的气体污染物累积并产生污染事故。染物累积并产生污染事故。第29页,本讲稿共78页F辐射逆温辐射逆温F下沉逆温下沉逆温F平流逆温平流逆温F锋面逆温锋面逆温F湍流逆温湍流逆温F地形逆温地形逆温根据根据逆温发生原因不同逆温发生原因不同,可将逆温分为:,可将逆温分为:第30页,本讲稿共78页(1)辐射逆温)辐射逆温由于地面强烈的辐射冷却而形成的逆温。一般发生在由于地面强烈的辐射冷却而形成的逆温。一般发生在晴空无云(或少云)晴空无云(或少云)晴空无云(或少云)晴空无云(或少云)的的夜晚夜晚夜晚夜晚,当,当风速较小风速较小风速较小风速较小(小于(小于3米米/s)时,地面的长
23、波辐射损失大量热量而使温度)时,地面的长波辐射损失大量热量而使温度迅速下降,贴近地面的空气由于地热传导作用从下面开始冷却,气温也随之下迅速下降,贴近地面的空气由于地热传导作用从下面开始冷却,气温也随之下降。越接近地面的空气降温越大,而远离地面的空气受地面辐射影响较小,损降。越接近地面的空气降温越大,而远离地面的空气受地面辐射影响较小,损失热量也较少,降温速度较慢,因而形成了失热量也较少,降温速度较慢,因而形成了自地面开始向上的逆温层自地面开始向上的逆温层自地面开始向上的逆温层自地面开始向上的逆温层,称作,称作辐射逆温辐射逆温辐射逆温辐射逆温。随着地面辐射冷却的加剧,逆温逐渐向上扩展,随着地面辐
24、射冷却的加剧,逆温逐渐向上扩展,黎明时达最强黎明时达最强黎明时达最强黎明时达最强。一般一般日出后日出后日出后日出后,太阳辐射逐渐增强太阳辐射逐渐增强太阳辐射逐渐增强太阳辐射逐渐增强,地面很快增温地面很快增温地面很快增温地面很快增温,逆温便逐渐自下而上消失。,逆温便逐渐自下而上消失。辐射逆温有非常明显的日变化。辐射逆温有非常明显的日变化。地面白天加热,大气自下而上变暖;地面白天加热,大气自下而上变暖;地面夜间变冷,大气自下而上冷却地面夜间变冷,大气自下而上冷却第31页,本讲稿共78页图为辐射逆温在一昼夜间从生成到消失的过程。图为辐射逆温在一昼夜间从生成到消失的过程。(a)是下午时递减温度层结;是
25、下午时递减温度层结;(b)是日落前是日落前1h逆温开始生成的情况;随着地面辐射的增强,地面迅速冷却,逆逆温开始生成的情况;随着地面辐射的增强,地面迅速冷却,逆温逐渐向上发展,黎明时达到最强温逐渐向上发展,黎明时达到最强(图图c);日出后太阳辐射逐渐增强,地面逐渐;日出后太阳辐射逐渐增强,地面逐渐增温,空气也随之自下而上增温,逆温便自下而上的逐渐消失增温,空气也随之自下而上增温,逆温便自下而上的逐渐消失(图图d);大约在上;大约在上午午10点钟左右逆温层完全消失点钟左右逆温层完全消失(图图e)。辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程第32页,本讲稿共78页辐射逆温在陆地上常年可见辐射逆温在陆地上常
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