空气污染气象学

（一）研究什么

运用气象学方法研究空气污染物自排放源进入大气层后的散布规律，核心是研究大气输送和扩散

（二）大气污染

大气污染是指由于人类活动或自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够浓度，达到足够时间，因此危害了人体的舒适，健康或造成了环境污染的现象

2.1 大气污染物

大气污染物：以各种方式排放进入大气层，并且有可能对人和生物、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

主要污染物：

• 颗粒污染物（TSP）：以煤和石油为燃料的火力发电厂、工业锅炉、垃圾焚烧、生活取暖、各种工厂、柴油发动机、建筑、采矿、露天采矿、水泥厂等
• 碳氧化物（CO2,CO等）：使用汽油和柴油的汽车、燃料燃烧等
• 氮氧化物（NO,NO2等）：以煤和石油为燃料的火力发电厂、工业锅炉、垃圾焚烧、使用汽油的汽车等
• 硫化物（SO2）：以煤和石油为燃料的火力发电厂、工业锅炉、垃圾焚烧、生活取暖、柴油发动机、金属冶炼厂、造纸厂等
• 卤化物(HF，CL2，HCL)
• 碳氢化合物（烷烃、烯烃及芳烃）
• 氧化剂（O3等）
• 放射性物质
• 挥发性有机物（VOCs）
• 重金属

2.2 大气环境容量

在一定环境标准下某一环境单元大气所能承纳的污染物的最大允许量

（三）一次和二次污染

3.1 一次污染物

原始排放的直接污染大气的污染物质

主要有二氧化硫、一氧化碳、 氮氧化物、 二氧化氮、颗粒物（飘尘、降尘、油烟等）、氨气、及含氧、 氮、氯、硫有机化合物以及放射性物质等

3.2 二次污染物

经化学反应生成新的污染物质

主要有：臭氧、过氧乙酰、基硝酸酯、二次气溶胶，以及光化学烟雾等

（四）空气污染源

• 自然源与人为源
• 按照人类活动内容分类：工业、农业、居民生活
• 按照污染物排放方式分类：连续、间歇、瞬时
• 按照污染物排放位置分类：固定、移动、无组织
• 按照污染物排放高度分类：高架、地面
• 按照污染物排放口的形式分类：点源、线源、面源、体源

（五）空气污染物浓度（涉及计算）

质量浓度和体积浓度

质量浓度： 溶质质量 / 溶液体积，常用$mg/m^3$
体积浓度：溶质体积 / 溶液体积

几种pp

质量浓度和体积浓度的换算

质量浓度 = 体积浓度$\frac{摩尔质量}{22.4}$

（六）空气质量

6.1 空气质量指数

AQI,是定量描述空气质量状况的无量纲指数

6.2 空气质量标准

（七）边界层对空气污染影响

7.1 大气边界层

• 大气边界层是指大气层最底下的一个薄层
• 厚度约为几百米到3公里
• 是大气与下垫面直接发生相互作用的层次，受到分子粘性，湍流摩擦，辐射增温，水汽交换，物质扩散等各种交换作用和地形的影响
• 湍流应力是一个重要的因子
• 与地面的作用时间尺度为1小时甚至更短

7.2 边界层分层

• 贴地层：1m，分子粘性力占主要，地表的细致结构直接影响该层的空气运动
• 近地层：50－100m，湍流应力超过分子粘性力，大气结构主要依赖于垂直方向的湍流输送，动量、热量和水汽的湍流垂直输送通量随高度变化很小，又称常通量层
• 上部摩擦层：科氏力、湍流应力、气压梯度力三力平衡

7.3 典型条件下大气边界层结构日变化

• 典型条件：小风，无云，高压区，下垫面为平坦陆地
  
• 图中不同时段对应的温度垂直廓线
  
  • S1：边界层达到最高，下层是超绝热过程，地面加热大气非常强，随着高度升高温度剧烈降低，边界层混合均匀温度随高度不变；再上方是夹卷层，存在逆温
  • S2：太阳下山地面出现逆温，形成稳定边界层，稳定边界层上方为残留层
  • S3：夜间地面逆温增强，热力因素影响减弱，动力因素影响较大，湍流较弱，残留层高度逐渐降低
  • S4: 日出后地面开始被加热，逆温消失，有稳定边界层和残余层，稳定边界层由于地面加热湍流作用增强逐渐变为混合层
  • S5：地面继续加热，稳定边界层完全消失
  • S6：地面继续加热，下方的热泡加热使得残余层变为混合层

7.4 湍流

泰勒和冯卡门对湍流的定义是 “ 湍流是常在流体流过固体表面或者相同流体分层流动中出现的一种不规则的流动”

• 湍流理论四个基本概念：随机性、涡粘性、级串、标度律
• 目前认为湍流的存在和维持有三大类型
  • 风切变产生湍流：地表摩擦作用
  • 对流产生湍流：地表非绝热加热
  • 波产生湍流：开尔文－亥姆霍兹波

7.5 雷诺数

• 雷诺通过雷诺实验得出了一个无量纲数雷诺数Re
• 雷诺数：惯性力与粘性力之比，判定流体层流还是湍流状态，雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响大于惯性，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性对流场的影响大于粘滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场
  

7.6 湍流的特点

• 不规则性和随机性：从动力学的观点来看，湍流是不可预测的，多以统计学方法研究
• 扩散性：湍流会引起动量，热量和流动中其他物质的快速扩散，且扩散能力比分子运动强得多
• 大雷诺数特性：雷诺数=惯性力/粘性力
• 涡旋性：湍流内部包含着很多大小不同，相互叠加的，高频的，有漩的三维运动的湍涡
• 耗散性：湍流运动由于分子粘性作用要耗散能量，从大尺度湍涡由于耗散作用分解为更小尺度的湍涡，因此需要不断从外部获取能量，才能维持湍流
• 连续性：湍流是一种连续介质的运动现象
• 流动性
• 间歇性：湍流区和非湍流区边界的时空不确定性
• 猝发与拟序（相干）结构：边界层内外区之间强烈地相互作用时，边界层在空间某个位置上会突然发生局部破裂的现象。即从条带结构到速度剖面的扭曲，再到流场振荡和展向涡旋的产生，最后到条带结构的破碎。猝发现象是近壁区湍流重要的一种拟序运动。说明湍流不是完全无秩序、无内部结构的运动

7.7 有无湍流时的烟团扩散（重点）

烟团在三种不同尺度湍涡条件下的扩散：

• 湍涡小于烟团：烟团会慢慢长大，空间移动不明显

• 湍涡远大于烟团：烟团主要跟随大湍涡运动

• 两者尺度相当：烟团被撕裂变形，导致扩散剧烈
  
  圆圈是烟团，有方向的弧线是湍涡

（八）天气对空气污染影响

8.1 大气稳定度影响

决定于环境大气的温度直减率和上升气块的绝热减温率，描述大气层结对于在其中做垂直运动的气团其什么影响的热力性质

大气逆温影响

大气环境温度随高度升高
形成原因：

• 辐射逆温：地表辐射冷却
• 下沉逆温：空气下沉压缩增温形成逆温
• 平流逆温：暖空气平流到冷地面形成逆温
• 地形逆温：局部地区地形造成的逆温
• 锋面逆温：锋面上形成的逆温
• 湍流逆温：低层空气湍流混合形成逆温

8.2 五种垂直递减率关系对应的烟型和性质（重点）

• 扇型：稳定

• 烟熏型：上不稳定，下部不稳定

• 波浪型：不稳定

• 锥型：中性

• 屋脊型：上部不稳定，下部稳定
  

8.3 辐射影响

• 辐射强时，大气不稳定，有利于污染物扩散
• 辐射弱时，大气稳定，甚至形成逆温，不利于扩散
• 有云时，反射太阳辐射，加强大气逆温，让大气层结趋于稳定，不利于污染物的扩散

8.4 天气形式影响

• 在槽脊系统中，脊处为重污染，槽处污染校，因为脊处有反气旋流畅，产生下沉运动，不利于污染物扩散

（九）下垫面的影响

9.1 海路风影响

白天陆地温度高，陆地气压低海洋气压高，盛行海风；晚上陆地温度低，气压高，盛行陆风

• 海陆风直接携带污染物，将其输送到下风方
• 海风登陆后，沿海地区一定范围内会形成热力内边界层（TIBL），污染物在内边界层中扩展，形成熏烟型扩散
• 海陆风环流会通过改变化学反应的条件以及反应物的浓度分布影响二次污染物的化学反应
• 在海陆风昼夜循环下，陆风时段，污染物通过陆风向洋面输送，随后的海风时段，污染物又被海风输送回陆地，该循环过程造成污染物浓度不断累积增加

9.2 城市下垫面对空气污染影响

• 存在许多人为的热源和污染源
• 沥青、混凝土表面，不透水，水分相变消耗的热量少
• 建筑物吸收热量，使城市储存一部分热量

城市热岛：由于城市人类活动影响以及城乡太阳辐射的
差异等，使得城市温度经常比乡村高，城区暖而轻的空气要上升，而四周冷空气要向城区辐合补充，形成所谓“城乡热岛环流”或称“城市风”

（十）基于高斯法描述大气扩散

大气扩散基本特征：物质在大气中扩散，在沿着顺风向运动的同时，向各个方向扩散。在平稳和均匀湍流场下，扩散粒子位移的概率服从正态分布

10.1 描述空间散布的坐标

x方向：平均风方向
y方向：平均风向横切面

• 浓度和风速成反比

10.2 横向风分布

由于湍流作用，污染物还会向左右以及上下方向扩散，在扩散的时候服从正态分布

10.3 扩散参数

上式中的${\sigma }_y$称为粒子散布的标准差，也称为扩散系数，表征污染物浓度和平均值的偏离程度，和大气扩散能力密切相关

其计算方法和标准差的计算方法相同

• 大气层结越不稳定，湍流交换越强烈，扩散系数越大
• 相同气象条件，地表越粗糙，扩散参数越大

10.4 烟流边界

污染物浓度下降到等于轴线浓度1/10处的两点距离

10.5 点源高斯扩散公式（重点）

对于平均烟柳的情况，其浓度分布是符合正态分布的，因此假设概率密度分布函数为高斯分布，可获得连续点源的高斯扩散公式—现今普遍应用的大气扩散模式基础

10.5.1 假设

• 污染物是被动的，进入大气后即跟随周围的空气作相同的运动；
• 扩散过程中无任何形式的转化，污染物不被清除，即质量守恒；
• 流场（风速）均匀、稳定；
• 源强连续均匀；
• y、z方向为正态分布

10.5.2 无界空间连续点源

湍流均匀定常，设源位于无界空间，取X轴与平均风向一致，则
污染物浓度在y和z方向符合高斯分布

• Q：源强
• $\bar{u}$平均风速

10.5.3 有界情形（重中之重）

需要考虑地面存在，假设地面无吸收和吸附作用，污染物本身无沉降，无反应。地面对污染物为全反射面。坐标原点选在污染源在地面的投影点，取x轴为平均风向，Z轴指向天顶与地面垂直，取右手坐标系

适用条件：

• 下垫面平坦开阔，性质均匀
• 扩散物质随周围空气被动运动，物质守恒，不发生转化
• 地面为全反射作用
• 扩散物质处于同一类温度层结的气层中，扩散范围小于10km
• 平均流场平直、稳定，平均风向和风速无显著的时间变化
• 连续点源公式仅适用于风速＞1～2m/s的有风情形

核心思想：某点的污染物浓度时除了无界时该点的浓度+地面反弹回来的浓度，将地面当作镜面来看，除了实体源外还会有像源（镜像的源）

总贡献公式：

• 令H为0就是地面源
• 令z为0就是地面的浓度
• 令y为0就是轴线浓度
• 对x求导，可以求最大浓度

地面最大浓度$x_m$处的扩散系数和浓度

10.6 线源和面源的处理

线源：呈线状分布的污染物排放源，等价于连续点源沿着线源长度范围的积分
面源：水平方向呈面块状散布的污染物排放源，由点源公式沿x,y方向积分得到

（十一）高斯扩散公式中关键参数的获取

高斯扩散公式中国的关键参数是：源强Q，平均风速，有效源高，大气扩散参数

11.1 P-G法（获得扩散系数）

根据云况，日射以及地面风速，将大气扩散能力分级，然后根据扩散曲线读取不同下风距离处的扩散参数

步骤：

1. 通过考虑太阳高度角，云量，地面风速，查表得到日射等级
2. 根据当天的日射等级，根据距离源的距离，查表得出扩散参数

11.2 P-G法求地面最大浓度和对应离源距离

1. 查表得到日射等级后
2. 根据公式，得到${\sigma }_z$
   
3. 知道${\sigma }_z$就可以根据右图查出对应的x，就是$x_m$
   
4. 之后即可算出最大浓度

（十三）烟流抬升模型

13.1 抬升阶段

• 喷出阶段：烟气在自身具有的初始动量的作用下垂直向上喷射，边缘上烟气和周围空气的湍流交换尚未发展，因此烟流轮廓清晰

• 浮升阶段：烟气温度与出口环境气温之差造成的浮力加速度的作用，由其造成的烟气上升速度不久便超过动力上升速度并使烟流继续上升而进入浮力抬升阶段，持续的混合过程会使烟流体内外的温差不断减小，上升速度减缓

• 瓦解阶段：至浮升阶段的后期烟流上升速度逐渐减缓，由速度切变造成的自生湍流变得很弱

• 变平阶段：以大气中大湍涡为代表的环境湍流起主导作用。使烟
  流体继续散开胀大，抬升完全停止，烟流渐渐变平。此时，烟流达终极抬升高度并以此计算实际的烟流抬升高度

上升一般维持到烟囱出口口径10被左右的距离范围

13.2 影响因素

• 排放烟气的初始动量和浮力是决定上升高度的基本因素
• 初始动量：烟气出口速度和源出口半径影响
• 浮力：受烟气密度和周围环境空气的密度差影响
• 环境大气性质：周围空气混合的速率（湍流的强弱），平均风速的影响
• 下垫面性质：地形的影响，地面粗糙度是影响湍流强弱的因素之一，粗糙地面上空湍流活跃，不利于烟流抬升

13.3 烟流抬升高度计算

适用于中性大气条件

$w_0$为烟气出口速度，d为排放出口内径，Q为烟源热释放率

（十四）大气环境评价

环境影响评价是建立在环境监测技术、污染物扩散规律、环境质量
对人体健康影响、自然界自净能力等基础上发展而来的一门科学技
术，其功能包括判断功能、预测功能、选择功能和导向功能

（十五）大气扩散基本原理

模拟大气污染物的迁移过程，预测在不同污染源、气象及下垫面条件下污染物浓度时空分布的数学模型，是低层大气中污染物迁移和扩撒规律的数学描述

• 拉格朗日模式：利用跟随流体移动的质点来描述大气污染物的输送扩散
• 欧拉模式：根域固定坐标系描述大气污染物的输送扩散
• 模式维度：零维（箱模式），一维（z,t），二维(x,z,t)，三维(x,y,z,t)

15.1 拉格朗日箱模式

定义一个体积足够小的流体单元，单元内所有点与气流保持相同的速度运动，不用考虑传输项

15.2 欧拉模式

F(in)表示输入，E是emission排放，P是化学反应产生Chemical production，L是化学反应消除Chemical loss D是Deposition沉降，F(out)是输出

通过对上式时间积分，看到，随着时间的增长，会趋于污染物质量会趋于稳定解

15.3 浓度的计算

体积：$V=H\Delta x\Delta y$,H为混合层高度

上式两侧同时除以$\Delta x\Delta y$之后得到单位面积上的表达式

其中：

• $q_i=\frac{E_i}{\Delta x\Delta y}$表示排放通量
• $s_i=\frac{D_i}{\Delta x\Delta y}$表示沉降通量

15.4 考虑混合层高度的变化

• 若H下降，箱内浓度不变化
• 若H上升，从上部卷入空气稀释改变箱内浓度
  

（十六）排放源清单

指特定区域内各类污染源在一定时间间隔内向大气环境中排放的各种污染物的排放量的集合

排放强度 = 活动水平 $\times$ 排放因子

16.1 建立方法

• 直接测量法：在污染源排气管处安装在线监测设备，获取污染源实时排放信息，经计算转化为一定时间内的排放量；精确度高，成本高
• 模型法：利用卫星遥感和地面信息，得到某污染物的环境分布浓度，应用模型反算法，推算出排放源强分布
• 调研法：通过调查、测试等手段，逐一获得排污设备的位置、活动水平、工艺技术、污染控制措施等信息，并据此估算出污染物排放量
• 排放因子法：将污染源按经济部门、技术特征等分为若干类别，分别统计每一类污染源的活动水平信息和排放因子信息，计算出污染物排放量

16.2 排放量计算

（十七）空气质量模式

建立在科学的理论和假设基础上，用数值方法描述大气中污染物
的传输、扩散、化学反应以及清除过程，通过输入研究区域的源排放、地形以及气象资料等，运行模式而得到空气质量数据

17.1 模式发展

• 第一代：以局地烟流扩散模式以及盒子模式、拉格朗日轨迹模式为代表，应用湍流统计理论建立正态分布模型，即高斯模
• 第二代：加入了较为复杂的气象模型和详细的非线性化学反应机制，以欧拉网格模型为主
• 第三代：提出“一个大气”的概念，将整个大气作为研究对象，在各个空间尺度上模拟所有大气物理和化学过程

17.2 常用模式

• WRF-Chem
• MOZART-4
• CESM

17.3 应用

• 预报污染形式
• 理论研究
• 重要活动保障服务
• 应急服务

（十八）空气污染防治十条

• 是减少污染物排放
• 是严控高耗能、高污染行业新增产能
• 是大力推行清洁生产
• 是加快调整能源结构
• 是强化节能环保指标约束
• 是推行激励与约束并举的节能减排新机制
• 是用法律、标准“倒逼”产业转型升级
• 是建立环渤海包括京津冀、长三角、珠三角等区域联防联控机制
• 是将重污染天气纳入地方政府突发事件应急管理
• 是树立全社会“同呼吸、共奋斗”的行为准则