污染氣象01 緒論

污染氣象學(xué)王云龍環(huán)境科學(xué)系wangyl@課程介紹研究大氣環(huán)境中由自然因子及人為因子支配構(gòu)成的大氣污染系統(tǒng)的基本特征和變化規(guī)律運用氣象學(xué)方法研究空氣污染物自排放源進入大氣層后的散布規(guī)律，其核心是大氣輸送與擴散

通過本課程學(xué)習(xí)，希望能夠使學(xué)生掌握空氣污染擴散輸送的基本概念、基本理論，為將來從事天氣、氣候、空氣污染、環(huán)境工程、生態(tài)環(huán)境等研究工作打下基礎(chǔ)。課程內(nèi)容第一章概述第二章氣象條件對空氣污染的影響第三章空氣污染散布的基本理論處理第四章理想條件下空氣污染物散布的處理第五章城市與區(qū)域大氣擴散參考書目蔣維楣等編著，空氣污染氣象學(xué)教程（第二版），氣象出版社，2004蔣維楣主編，空氣污染氣象學(xué)南京大學(xué)出版社，2003唐永鑾等編著，大氣環(huán)境學(xué)，中山大學(xué)出版社，1988程勝高張聰辰等著，環(huán)境影響評價與環(huán)境規(guī)劃，中國環(huán)境科學(xué)出版社，1999F.Pasquilletal,Atmosphericdiffusion,3rdedition,1983S.R.Hannaetal,HandbookonAtmosphericDiffusion,3rdEdition,1982課程安排平時成績（30％）點名、作業(yè)（3-5次）、提問考試（閉卷）（70％）第一章概述§1.1空氣污染問題§1.2空氣污染氣象學(xué)研究§1.1空氣污染問題1.1.1空氣污染

什么是空氣污染

由于人為或者自然的因素，使大氣組成的成分、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)發(fā)生變化，與原本情況相比，增加了有害物質(zhì)，使環(huán)境空氣質(zhì)量惡化，擾亂并破壞了人類正常的生活環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)潔凈大氣

氮、氧、氬、二氧化碳、水汽、懸浮物、微量氣體成分等。組成成分及比例基本保持不變。大氣環(huán)境容量

在自然凈化能力之內(nèi)所允許的污染物排放量。把滿足一定環(huán)境目標(biāo)的污染物排放量定位允許排放總量。

既發(fā)展生產(chǎn)，又保護環(huán)境1.1.2空氣污染物及其濃度

空氣污染物（100多種）

以各種方式排放進入大氣層，并且有可能對人和生物、建筑材料以及整個大氣環(huán)境構(gòu)成危害或帶來不利影響的物質(zhì)。

一次污染物:直接污染空氣

主要有二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、二氧化氮、顆粒物（飄塵、降塵、油煙等）、氨氣、及含氧、氮、氯、硫有機化合物以及放射性物質(zhì)等

二次污染物：經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成新的污染物

光化學(xué)煙霧等（倫敦（1952）、洛杉磯）根據(jù)污染物的物理形態(tài)和化學(xué)成分劃分：顆粒污染物（TSP）碳氧化物（CO2,CO等）氮氧化物（NO,NO2等）硫化物（SO2）鹵化物(HF，CL2，HCL)碳氫化合物（烷烴、烯烴及芳烴）氧化劑（O3等）放射性物質(zhì)

事件回放

1986年4月26日當(dāng)?shù)貢r間1點24分，蘇聯(lián)的烏克蘭共和國切爾諾貝利（Чорнобиль，Chernobyl）核能發(fā)電廠（原本以列寧的名字來命名）發(fā)生嚴重泄漏及爆炸事故。事故導(dǎo)致31人當(dāng)場死亡，上萬人由于放射性物質(zhì)遠期影響而致命或重病，至今仍有被放射線影響而導(dǎo)致畸形胎兒的出生。這是有史以來最嚴重的核事故。

外泄的輻射塵隨著大氣飄散到前蘇聯(lián)的西部地區(qū)、東歐地區(qū)、北歐的斯堪地維亞半島。烏克蘭、白俄羅斯、俄羅斯受污染最為嚴重，由于風(fēng)向的關(guān)系，據(jù)估計約有60%的放射性物質(zhì)落在白俄羅斯的土地。此事故引起大眾對于前蘇聯(lián)的核電廠安全性的關(guān)注，事故間接導(dǎo)致了蘇聯(lián)的瓦解。

2005年一份國際原子能機構(gòu)的報告認為直到當(dāng)時有56人喪生—47名核電站工人及9名兒童患上甲狀腺癌——并估計大約4000人最終將會因這次意外所帶來的疾病而死亡。綠色和平組織及其他人都對研究結(jié)果作出爭論。蘇聯(lián)瓦解后獨立的國家包括俄羅斯、白俄羅斯及烏克蘭等每年仍然投入經(jīng)費與人力致力于災(zāi)難的善后以及居民健康保健。因事故而直接或間接死亡的人數(shù)難以估算，且事故后的長期影響到目前為止仍是個未知數(shù)。空氣污染物濃度質(zhì)量濃度：mg/m3

體積濃度：ppm1ppm表示106kg中有1kg溶質(zhì)

大氣環(huán)境質(zhì)量

環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

中華人民共和國大氣污染防治法

污染源空氣污染源：自然源與人工源（P3）按照人類活動內(nèi)容分類按照污染物排放方式分類按照污染物排放位置分類按照污染物排放高度分類按照污染物放口的形式分類

源分布不同，采用不同的擴散模式1.1.3空氣污染物的危害與影響對人體健康的危害

人體受害有三條途徑，即吸入污染空氣、表面皮膚接觸污染空氣和食入含大氣污染物的食物，除可引起呼吸道和肺部疾病外，還可對心血管系統(tǒng)、肝等產(chǎn)生危害，嚴重的可奪去人的生命。對生物的危害

動物因吸入污染空氣或吃含污染物食物而發(fā)病或死亡，大氣污染物可使植物抗病力下降、影響生長發(fā)育、葉面產(chǎn)生傷斑或枯萎死亡。

對物品的危害

如對紡織衣物、皮革、金屬制品、建筑材料、文化藝術(shù)品等，造成化學(xué)性損害和玷污損害。造成酸性降雨，對農(nóng)業(yè)、林業(yè)、淡水養(yǎng)殖業(yè)等產(chǎn)生不利影響對全球氣候產(chǎn)生影響

大氣污染的防治減少污染物排放量控制排放和充分利用大氣自凈能力廠址選擇、煙囪設(shè)計、城區(qū)與工業(yè)區(qū)規(guī)劃等要合理綠化造林，使有更多植物吸收污染物，減輕大氣污染程度1.2影響空氣污染物散布的主要因子

大氣邊界層是指大氣層最底下的一個薄層，大約1~2公里厚度，是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次;是人類生命和工程活動的主要場所;是地表與大氣之間物質(zhì)和能量交換的通道;是空氣污染和許多氣象災(zāi)害的發(fā)生地……~10km1~2km對流層平流層邊界層1.2.1大氣邊界層：大氣邊界層位于對流層頂部，由于直接與地面相貼而受到分子粘性，湍流摩擦，輻射增熱，水汽交換，物質(zhì)擴散各種交換作用和地形的影響，致使湍流應(yīng)力成為一個重要的因子而不可忽略，與之相聯(lián)系形成大氣邊界層。也就是說，地面是大氣的一個邊界層，這個邊界上的輸送過程支配和影響了大氣最底層1000-2000米，它響應(yīng)地面的作用而且時間尺度為一個小時甚至更短。整個大氣的基本能源是太陽輻射，而太陽輻射的大部分是穿過大氣后再被地面吸收，然后通過邊界層湍流輸送給大氣氣團實際上就是全球不同地區(qū)與下墊面平衡的邊界層霜、露和溫度預(yù)報，實際上都是邊界層預(yù)報、霧發(fā)生在邊界層中污染物大部分被阻擋在邊界層中動量、熱量、水分、物質(zhì)交換過渡層局地自由對流層邊界層頂大氣邊界層的概念化分層冠層或粘性次層上部摩擦層近地面層

作物在邊界層中生長，花粉在邊界層中輸送和擴散到達自由大氣的全部水汽，都是依靠邊界層輸送上去的云中的凝結(jié)核也是通過邊界層輸送上去的雷暴和颶風(fēng)的發(fā)展要依靠邊界層輸送濕的空氣大約50％的大氣動能被耗散在邊界層中海上大氣邊界層風(fēng)切變是海洋的主要能源之一

…...城市邊界層示意圖生態(tài)邊界層示意圖

總之，大氣邊界層作為一個自由大氣和地表之間的緩沖地帶，是由湍流能源和能匯控制的區(qū)域。邊界層一方面要對大尺度氣壓場(天氣形勢)作出響應(yīng)，另一方面又要對下墊面的物理狀況作出響應(yīng)。因此，發(fā)生在邊界層內(nèi)的運動是非常復(fù)雜的。目前，人們已經(jīng)對大氣邊界層的基本特征有了一定的了解，但是還有很多問題有待于更精確更全面的實驗研究和更深入的理論探討。大氣邊界層主要特征大氣邊界層的主要運動形態(tài)一般是湍流，大氣湍流運動的尺度非常廣；大氣邊界層的另一個重要特征就是由于熱力作用而導(dǎo)致的強烈的日變化由于地面摩擦的存在，大氣運動是非地轉(zhuǎn)的；大氣是非均勻介質(zhì)，大氣密度隨時間和空間變化，特別是鉛直方向上大氣密度不均一；水平尺度遠大于垂直尺度，可視為淺層流體邊界層結(jié)構(gòu)日變化白天：近地面層、混合層、夾卷層；夜間：近地面層、穩(wěn)定邊界層、殘留層邊界層的發(fā)展具有明顯的日變化特點：（高壓區(qū)、小風(fēng)、無云條件）邊界層結(jié)構(gòu)的日變化

對流邊界層結(jié)構(gòu)及其流場圖象。（引自Wyngaard,1990)

穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)及其流場圖象。（引自Wyngaard,1990)蓋帽逆溫上部穩(wěn)定層結(jié)中的波動及下部大對流湍渦湍流層較淺層內(nèi)存在顯著平均梯度,風(fēng)速極值分布湍渦尺度小,伴隨疊加重力波常用的特征尺度變量長度尺度：z：高度；zi：混合層厚度；z0：地表粗糙長度；L：Obukhov尺度；速度尺度：u*：摩擦速度；w*：對流速度尺度；G：地轉(zhuǎn)風(fēng)速；U：地面風(fēng)速；溫度尺度：*：溫度特征尺度；濕度尺度：q*：濕度特征尺度；時間尺度：f：無量綱頻率；參見STULL，P382(一)平均變量梯度（風(fēng)、溫、濕）

近地層大氣中，風(fēng)速、溫度、濕度等氣象要素隨高度迅速變化，其變化特征與大氣穩(wěn)定度有關(guān)。一中性層結(jié)相似理論的一個重要應(yīng)用就是近地層的平均風(fēng)廓線由于近地層風(fēng)速廓線容易在地面觀測，所以人們對它已進行了廣泛研究通常近地層風(fēng)速隨高度大致上呈對數(shù)變化，靠近地面，摩擦曳力使風(fēng)速變?yōu)榱惝?dāng)在半對數(shù)圖紙上作圖時，諸如在靜力中性條件下風(fēng)速廓線對數(shù)關(guān)系就表現(xiàn)為一條直線空氣動力粗糙度長度定義為風(fēng)速為零的高度盡管空氣動力粗糙度長度并不等于地面上各個粗糙元的高度，但是這些粗糙元和空氣動力粗糙度長度之間卻存在一一對應(yīng)的關(guān)系換句話說，對特定的地表而言，空氣動力粗糙度長度一旦被確定，它就不會再隨風(fēng)速，穩(wěn)定度或應(yīng)力而發(fā)生變化如果地面粗糙原因諸如植被的高度和范圍，圍墻興建，房屋建造，森林砍伐等等而發(fā)生變化的話，那么空氣動力粗糙度也會隨之發(fā)生變化空氣動力粗糙度Z0（重要）不同地表粗糙度取值在陸地上，如果各個粗糙元被組合得非常緊密，那么這些粗糙元頂部的作用就好是一個位移了的地面例如在一些林冠中，樹木密集，從空中俯視，樹木密實得就像個固體在有些城市中，房屋極其密集，也有類似的效應(yīng)，也就是說，平均屋頂?shù)乃矫鎸饬髌鸬淖饔镁拖褚粋€位移了的地面一樣零平面位移距離d

（重要）零平面位移距離氣流越過林冠層時風(fēng)速為高度的函數(shù)，稠密林冠層的作用就像在實際地面以上位移了某一距離的地面那樣。林冠頂部以上，風(fēng)速廓線隨高度是對數(shù)增大對靜力中性條件來說，我們能確定位移距離d和粗糙度長度，所以：我們已規(guī)定在時已知在靜力中性條件下三個或三個以上高度上的風(fēng)速觀測結(jié)果，利用計算機處理的諸如馬夸特算法或高斯-牛頓一類的非線性回歸算法，很容易求出三個參數(shù)，參見書P144參考

近地層相似性應(yīng)用--地表粗糙長度和零值位移的計算中性層結(jié)近地層風(fēng)廓線：近地層風(fēng)廓線積分形式§1.2.2風(fēng)和湍流風(fēng)：空氣相對于地面的水平運動污染系數(shù)污染系數(shù)＝風(fēng)向頻率/平均風(fēng)速

達芬奇：

用畫筆描述湍流（17世紀）

“烏云被狂風(fēng)卷散撕裂，沙粒從海灘上揚起，樹木彎下了腰”烏云的運動是隨機的，不規(guī)則的，湍流渦旋的尺度在不斷地降級，海灘上沙粒被夾帶著運動，樹木受到地面附近強大的湍流剪切而彎折。二大氣湍流湍流現(xiàn)象自然界中的流體運動存在著兩種完全不同的運動狀態(tài)層流：平順、光滑、清晰，沒有摻混現(xiàn)象湍流（紊流、亂流）：雜亂無章、看上去毫無規(guī)則近地層層流向湍流的轉(zhuǎn)變(Oke,1987)

按照能量學(xué)的觀點，大氣湍流的存在和維持有三大類型：風(fēng)切變產(chǎn)生的湍流地表摩擦作用對流湍流

地表加熱或冷卻作用波產(chǎn)生湍流

密度界面上的開爾文－亥姆霍茲波

-湍流使飛行器阻力急劇增加

-晴空湍流使飛機失事

-血液湍流導(dǎo)致心臟雜音

-消防湍流不利于滅火

-杯中湍流有利于糖的溶解-化工湍流有利于化學(xué)反應(yīng)-有利于污染擴散-云中湍流有利于云滴增長不利有利湍流與我們的生活密切相關(guān)

湍流至今沒有嚴格的科學(xué)定義。但目前已知它有如下11個主要特點：

1、不規(guī)則性和隨機性2、擴散性

3、大雷諾數(shù)性質(zhì) 4、渦旋運動

5、耗散性 6、連續(xù)性

7、流動屬性 8、記憶特性

9、間歇性 10、猝發(fā)與擬序結(jié)構(gòu)

11、混沌特性湍流理論四個基本概念：隨機性、渦粘性、級串、標(biāo)度律Bigwhorlshavelittlewhorls,Whichfeedontheirvelocity;Andlittlewhorlshavelesserwhorls,Andsoontoviscosity大渦用動能哺育小渦，小渦照此把兒女養(yǎng)活。能量沿代代旋渦傳遞，但終于耗散在粘滯里。L.F.理查森：湍流級串：湍流如何傳遞能量？大渦旋套小渦旋，速度有增；小渦旋套微渦旋，粘滯乃生。流的平均部分和湍流部分將大尺度變化與湍流分開的方法:將風(fēng)速實測資料在30分鐘到1小時的時間內(nèi)取平均，消除湍流相對于平均值的正的或負的偏離瞬時風(fēng)速平均風(fēng)速湍流部分譜隙的存在，使我們能用此種方法將流場進行分離實際瞬時風(fēng)速湍流部分平均風(fēng)速風(fēng)速記錄的局部放大。u’表示陣風(fēng)或?qū)嶋H瞬時風(fēng)速U相對于平均風(fēng)速

的偏離大氣邊界層內(nèi)的流動形式

流動形式有三種：平均場、湍流場、波動場。實際上，后兩者是疊加在平均場上的。平均風(fēng)：明顯的日變化風(fēng)速和風(fēng)向及其相關(guān)邊界層屬性具有明顯的垂直梯度一般量級：水平風(fēng)為米的量級

垂直風(fēng)為毫米-米的量級波動：有規(guī)則和一定的周期變化，形式多樣，常見：重力波、慣性波湍流：大氣邊界層的運動形態(tài)，剪切和不穩(wěn)定特性等，湍流對大氣邊界層的發(fā)展和演變有關(guān)鍵作用。大氣湍流和波動疊加在平均場上，表現(xiàn)為風(fēng)的起伏和擾動。分子擴散<<<湍流擴散實際情況中，三種作用都存在，并相互作用。Slade，1968

湍流運動仍然是一種宏觀的流體運動，每個立體單元包含有大量的流體分子，其運動特征是分子運動在宏觀尺度上的平均結(jié)果。因此一般假設(shè)湍流運動滿足N-S方程。但由于這是一個缺乏嚴格證明的假設(shè)，也有不少學(xué)者對此提出過懷疑。提出了不少非N-S方程出發(fā)的研究途徑和理論。觀測資料序列

經(jīng)典湍流統(tǒng)計理論認為湍流脈動是一種完全不規(guī)則的無內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運動。近30年來，人們從實驗中發(fā)現(xiàn)事實并非如此。剪切湍流中發(fā)現(xiàn)有擬序結(jié)構(gòu)（coherentstructure）存在（孤立子、相干渦、條狀結(jié)構(gòu)、斜坡結(jié)構(gòu)等），這是近代湍流研究的重大發(fā)現(xiàn)。它表明湍流并非完全不規(guī)則的運動，而在表面上看來不規(guī)則的運動中具有可檢測的有序運動。

間歇性

(intermittency)的發(fā)現(xiàn)也是近代湍流研究的重大發(fā)現(xiàn)之一，有內(nèi)間歇和外間歇之分。前者系指充分發(fā)展的湍流中某些物理量（特別是高階統(tǒng)計量）并不是在空間（或時間）上每一點都存在的，即有奇異性；后者指湍流區(qū)與非湍流區(qū)邊界的時空不確定性，例如藍天與白云之間的分界面，湍流邊界層與外層之間的界面。

雷諾方程“不封閉問題”（無進展）湍流是如何發(fā)生的？（有進展）實驗測得的許多湍流特性如何解釋？（有進展）２００多年來：

湍流是流體力學(xué)乃至整個自然科學(xué)中最困難的基本問題之一，湍流研究具有巨大的實用價值，是二百多年來自然科學(xué)最富挑戰(zhàn)性的研究課題，吸引了世界上很多優(yōu)秀的科學(xué)工作者：

雷諾、鮑辛尼斯克、普朗特、泰勒、馮卡門、海森堡、周培源、科爾莫歌諾夫、朗道、李政道、錢德拉什卡，茹勒-塔肯斯…...

地氣之間動物質(zhì)和能量交換過程的核心問題就是湍流問題，絕大多數(shù)發(fā)生在大氣邊界層中的物理過程都是通過湍流來實現(xiàn)的。大氣邊界層幾乎總是處于湍流狀態(tài)，層流是極為少見的。云中空氣的運動也幾乎都是湍流。

湍流也是大氣科學(xué)最為重要的基本問題之一。三研究方法理論研究觀測實驗物理模擬數(shù)值模擬

大氣邊界層的研究方法通常是采用理論和實驗相結(jié)合，并以實驗為主，理論上有以混合長理論和相似理論（量綱分析）為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗理論及以概率論數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)的湍流統(tǒng)計理論。在應(yīng)用中又以半經(jīng)驗理論為主。實驗方法則是以野外觀測及室內(nèi)模型實驗同時進行。近幾十年來，由于計算機速度的不斷提高，大氣邊界層的數(shù)值模擬研究方法成為一種常用的研究手段。

中國具有世界上最稠密的常規(guī)氣象觀測站網(wǎng)青藏高原各種條件下的大氣邊界層專項觀測實驗?zāi)仙潮睒O淮河內(nèi)蒙高精度梯度測量系統(tǒng)近地面綜合梯度觀測熱量通量觀測輻射觀測青藏高原：在珠峰進行邊界層氣象和化學(xué)物質(zhì)測量北極：斯瓦爾巴德地區(qū)開展邊界層觀測試驗中國科學(xué)院北京325米氣象塔風(fēng)洞遙感儀器及技術(shù)指標(biāo)風(fēng)溫廓線儀（LAP-3000）美國Radian公司最高探測高度最低探測高度垂直空間分辨