大气污染控制理论与方法-环境科学与工程学院ppt课件

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1、.,大气污染控制理论与方法,环境科学与工程学院,.,第二章 污染气象学基础知识,21 主要气象要素及大气的基本物理性质； 22 大气的热力过程； 23 大气污染与气象的关系； 34 大气扩散模式； 35 污染物浓度估算； 36 厂址选择和烟囱设计。,.,31 主要气象要素及大气的基本物理性质,一、低层大气的成分：干洁空气、水汽、气溶胶粒子 二、大气的垂直结构 三、影响大气污染的主要气象要素 气象要素（因子）： 表示大气状态的物理现象和物理量，气象学中统称为。 与大气污染关系密切的气象要素主要有： 气温、气压、空气湿度（气湿）、风（风向、风速）、云况、能见度、降水、蒸发、日照时数、太阳辐射、 地

2、面辐射、大气辐射等。,.,1、气温： 表示大气温度高低的物理量。通常指距地面1.5m高处百叶箱中的空气温度。 2、气压： 任一点的气压值等于该地单位面积上的大气柱重量. 气压总是随高度的增加而降低的。气压随高度递减关系式可用气体静力学方程式描述，即P=-gZ，其积分式压高公式： 据实测近地层高度每升高100米，气压平均降低约12.4毫巴（1mb=100Pa) ，在高层小于此值。 3、空气湿度（气湿）： 反映空气中水汽含量和空气潮湿程度的一个物理量。 常用的表示方法有：绝对湿度、水蒸气压力、体积百分比、含湿量、相对湿度、露点等。,.,4、风（wind speed and direction) 什

3、么是风？空气的流动就形成风。水平(horizontal)方向的空气运动称为风。 风的形成：风主要由于气压的水平分布不均匀而引起的，而气压的水平分布不均是由温度分布不均造成。,风的形成除热力原因外，还有动力原因，自然界的风是由于这两种原因综合作用的结果，但只要有温差存在，空气就不 会停止运动。,.,风的度量（风向和风速） 风是矢量，有方向和大小，即风向和风速。 风速(风的大小)：单位时间内空气在水平方向移动的距离， 常用单位：m/s，Km/s。 风向(风的来向)：可用8个方位或16方位表示(地面风),见图2-2；也可用角度表示(高空风):以北为零点，沿顺时针方向旋转正北为360(或0) ;正东9

4、0;正南180;正西270。,.,风的性质： 随时在变化：如我国季风（北京附近冬天东北风）； 随高度变化：在一定范围内，风随高度的增大而增大。地面有建筑物，树木的影响。 风速随高度变化的曲线叫风速廓线，其数学表达式叫风速廓线模式。在近地层中性层结情况下推导的两个表达式分别为：,随地理位置而变：山区会产生山风、谷风、海风，海区有海陆风（如上海、大连等）。,.,5、云 云：是发生在高空的水汽凝结现象。 形成的基本条件：水蒸汽和使水蒸汽达到饱和凝结的环境。 云量：指云遮蔽天空的成数。在我国，将天空分为10等份，有几分天空被云遮盖，云量就是几。如：云占天空的1/10，云量记为1；在云层中有少量空隙（空

5、隙总量不到天空的1/20）记为10；当天空无云或云量不到1/20时，云量为0。 国外，将天空分为8等份。 国外云量与我国云量间的关系，国外云量1.25=我国云量。 总云量：指所有云遮蔽天空的成数，不论云的层次和高度。 低云量：低云的云掩盖天空的成数。 云量的记录：一般总云量/低云量的形式记录，如10/7。 云状：多种多样，1932年国际云学委员会出版的国际云图将云状分为四族十属。 云高：指云底距地面的垂直距离，以米为单位。测定方法：激光测云仪、弧光测云仪等，目力测定法,.,6、能见度 能见度：在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到或辨认出目标物的最大距离，单位：m，Km。 能见度

6、的大小反应了大气的混浊现象，反映出大气中杂质的多少。大气中的雾、水汽、烟尘等，可使能见度降低。 7、太阳高度角 太阳高度角为太阳光线与地平线间的夹角，是影响太阳辐射强弱的最主要的因子之一。ho即太阳高度角，它随时间而变化。 8、降水 降水是指大气中降落至地面的液态或固态水的通称。如雨、雪等。降水是清除大气污染物的重要机制之一。 四、大气的基本物理性质（自学）,.,2-2 大气的热力过程,一 、太阳辐射 1、什么是辐射？ 自然界中的一切物体都以电磁波的形式时刻不停的向外传递能量，这种传递能量的方式称为辐射，以辐射的方式向四周输送的能量称辐射能，有时简称辐射。 2、大气对太阳辐射的减弱及影响因素

7、（1）吸收辐射;（2）散射作用;（3）反射;（4）透过大气层. 3、大气温度依地面温度的变化关系 地面温度（土壤温度）的日变化是周期性的，具有一最高值和最低值，在一天里地表温度最高值在13点左右，最低温度在日出前后。 气温的年变化曲线与地表温度年变化曲线平行，但振幅较小。 二、气温的垂直变化,.,.,.,2、干绝热递减率： 绝热垂直递减率（绝热直减率）：气块在绝热过程中，垂直方向上每升降单位距离时的温度变化值。（通常取100m）， 单位：/100m。 干绝热垂直递减率d（干绝热直减率）: 干气块（包括未饱和湿空气）在绝热过程中，垂直方向上每升降单位距离的温度变化值。（通常取100米），根据计算

8、，得到d约为0.98/100m，近似1/100m。 （1）准静力条件 绝热过程中气温、气压都是指大气中气块本身的特性，但是对于气压而言，一般情况PP环，若过程进行的十分缓慢，可使外界气压变化与系统内部气压变化充分平衡，每一瞬间外部气压与内部气压看成是相等的，即P=P环，这个条件称为准静力条件。讨论的大多数过程我们认为满足准静力条件，即P=P。,.,.,干绝热：气团是未饱和状态，不会有状态的变化，负号“”表示气块在干绝热上升过程中温度随高度的升高而降低，若不计高度、纬度影响，取g=9.18m/s2，CP=1004.8J/(KgK)则d=0.98K/100m 1K/100m。表示干空气在作干绝热上

9、升（或下降）运动时，每升高（或下降）100m，温度降低（或升高）1。 （3）湿空气的绝热变化 湿空气团作绝热升降时情况较复杂，在升降过程中若无相变化，其温度直减率和干绝热直减率一样，每升降100m，温度变化1 ；若有相变化，每升高100m，温度变化小于1。湿空气上升达到饱和状态并开始凝结的高度称为凝结高度，在凝结高度以下，其温度变化同干空气一样；在凝结高度以上，温度变化小于干空气的变化值，饱和空气每上升（或下降）单位距离空气的温度变化，称为湿绝热递减率m，约为0.5/100m。,.,三、大气的静力稳定度 大气的静力稳定度：指大气垂直运动的气团是加速、抑制，还是无影响的一种热力学性质。大气稳定度

10、影响大气污染物的扩散能力。 1、气温的垂直分布 （1）温度层结：温度随高度的分布情况。它影响大气垂直方向的流动情况，由于地面构筑物不同，温度层结不同。 （2）温度层结类型 温度随高度的增加而降低（Z t），正常分布，或递减层结，一般情况是这种规律。 温度梯度等于或近似于1/100m，称中性层结。 温度随高度增加而升高（Z t ），称为逆温层结。 温度不随高度变化，称为等温层结。 见下图所示：,.,图： 层结曲线,a 递减层结 b 中性层结 c 逆温层结 d 等温层结,.,（3）温度层结日变化,.,（4）温度变化的实质： 温度变化的实质是内能变化。 （5）环境温度直减率（定义与干绝热直减率相同）

11、，环境温度的变化。 不是一常数，随太阳辐射、气候等而变化，对流层中环境温度直减率的平均值为0.65/100m。 大气环境的各种状态： （见下一页图示） （6）位温（） 位温：把各层中的气块由最初的压力P循着干绝热的程序订正到一个标准压力1000hPa时所具有的温度。 任何一气块的位温是不变的（干绝热情况）；而非绝热情况下，位温是变化的。位温比气温更能代表气块的热力学性质。 1标准大气压力=1013.25mb（毫巴） 1mb=103达因/cm2,.,大气环境的各种状态：, （平均状态） =d = 1/100m （干绝热状态） = 0 （等温状态） d （超绝热状态）,.,2、大气稳定度 （1）什

12、么是大气稳定度？ 是指大气中任一高度上的一空气块在铅直方向上的稳定程度。 （2）大气稳定度的分类（3类） 如果一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或者下降的运动，当外力消除后，可能发生三种情况： 气块逐渐减速并有返回原来高度的趋势，此时大气是稳定的。 气块仍然加速上升或下降，此时大气是不稳定的。 气块停留在外力消失时所处的位置，或者做等速运动，这时大气是中性的。 （3）如何判别大气的稳定度？ 设气块状态为T、P、,环境大气状态为T、P、,气块受到的浮力为F1=mg =Vg，重力为：G = Vg。 因而它的静浮力为：F1G = () Vg P=RT P= RT 到达某一位置时P= P（

13、达准静力条件）,.,.,.,.,用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上升空气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。,.,四、逆温 1、定义：温度随高度的增加而增加，此时 。 2、跟我们研究污染有关的因素： 逆温层的消失时间； 逆温层底的高度； 逆温层的厚度； 逆温的强度（温度随高度的变化情况）。 不同季节都应掌握上述数据。 逆温的最危险状况是逆温层正好处于烟囱排放口。 3、逆温形成的过程（自学） 形成逆温的过程多种多样，最主要有以下几种： 辐射逆温（较常见）；平流逆温；锋面逆温； 湍流逆温；下沉逆温。 要求掌握辐射逆温的形成机理，了解其它辐射逆温的形成机理。,.,3-

14、3 大气污染与气象的关系,一、边界层的风和湍流对大气污染的影响 风、湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接最本质的因素。风速越大，湍流越强，污染物扩散速度越快，污染物浓度越低。 （一）风对大气污染物扩散和输送的影响 风对污染物的作用体现为风向和风速两方面的影响。 1、风向影响污染物的水平迁移扩散方向。 2、风速的大小决定了大气扩散稀释作用的强弱。 通常，污染物在大气中的浓度与平均风速成反比，风速增大1倍，下风向污染物将减少一半。 （1）风速随高度的分布：对数律；指数律。 （2）风向频率和污染系数 为综合考虑风向、风速对空气污染物的输送扩散影响，往往要用风向频率和污染系数。,.,风向频率是指一

15、定时间内（年或月），某风向出现次数占各风向出现总次数的百分率。 污染系数表示风向、风速综合作用对空气污染物扩散影响程度。 P越大，某下风向污染越严重。 （二）湍流 1、什么是湍流？ 除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点象分子的热运动） 2、湍流与扩散的关系 把湍流想象成是由许多湍涡形成的，湍涡的不规则运动而形成它与分子运动极为相似。,.,不同的是，分子的运动以分子为单位，湍流以湍涡为单位，湍涡运动速度比分子运动速度大的多，比分子扩散快105106倍。没有湍流运动，污染物的扩散就成了问题。这是因为无湍流时，污染物单靠分子扩散，扩散速度很小；

16、有湍流时，由于其靠湍流扩散，运动的方向和大小都极不规则，使流场各部分间强烈混合，混合加快了扩散速度。若只有风无湍流，从烟囱中排出的废气像一条“烟管”一样几乎保持着同样粗细，吹向下方，很少扩散。 3、形成： 近地层大气湍流有两种：热力湍流；机械湍流。 热力湍流：主要由于大气的铅直稳定度而引起，大气的铅直稳定度是由于气温的垂直分布决定的。 机械湍流：有动力因子产生，由于大气垂直方向上的风速梯度不同和地面粗糙度不同而产生。 归纳而言：风速越大，湍流越强，污染物扩散速度越快，污染物浓度越低。风、湍流是决定污染物在大气中稀释扩散的最直接因素。 （三）地方性风场（自学）,.,二、大气稳定度对大气污染的影响 大气稳定度对烟流扩散有很大的影响，不同稳定度导致从烟囱排出的烟羽形状不同。下面是与稳定度有关的五种典型烟流，。,.,.,三、降水对大气污染的影响 降水对大气污染有净化作用，降水的净化作用与降水的强度和持续时间有关。降水越强，降水