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1、第五章 生物气溶胶的物理特性及污染范围估计目 录1、 气溶胶的基本概念与数学描述1.1、 气溶胶的概念1.2、 气溶胶的数学描述2、 气溶胶物理特性简述2.1、单个气溶胶粒子的力学问题2.2、气溶胶粒子群的动力学问题3、 气溶胶粒子在大气中的扩散3.1、扩散与气象条件的关系3.2、污染物浓度估算方法3.3、扩散参数估计3.4、高斯模式的几点改进3.5、微生物气溶胶的扩散4、 沉积对污染物浓度的影响4.1、干沉积过程的影响4.2、降水清洗过程的影响5、 其它大气扩散模式简介5.1、高斯模式及其变形模式5.2、统计模式5.3、大气扩散相似模式5.4、K模式Table of Contents1. B
2、asic concept and mathematical description of aerosol1.1 Concept of aerosol1.2 Mathematical description of aerosol2. Physical characters of aerosol 2.1 Dynamical characters of single particle2.2 Dynamical characters of aerosol3. Diffusion of aerosol3.1 Relationship between meteorologic conditions and
3、 diffusion3.2 Estimation methods of pollutant concentration 3.3 Estimation of parameters3.4 Developments of Gauss Model3.5 Diffusion of bioaerosol4 Effects of pollutant concentration distribution by deposition 4.1 Effects of dry-deposition4.2 Effects of wet-deposition5 Simplified character of some d
4、iffusion models5.1 Gauss model and some models deriving from Gauss model5.2 Statistical Model5.3 Similar theoretics Model5.4 K Model第五章 生物气溶胶的物理特性及污染范围估计撰写：孙 振 海 生物气溶胶具有一般气溶胶的物理特性，但其污染过程极为复杂，大致经历生物气溶胶衰亡、水平输送、扩散稀释、干、湿沉积和再扬起等五个过程，有空气污染和表面污染两种污染形式，其污染过程与生物气溶胶的物理学及生物学特性、排放源的性质以及气象条件、地表特征、地形、植被等环境因子密切相关。
5、虽然生物气溶胶造成的污染过程很复杂，但其在大气中的扩散、沉积与输送规律和一般气溶胶粒子的扩散、沉积、输送规律基本相同，所不同的是生物气溶胶粒子除了考虑各种物理衰减作用外，还应该考虑存活与生物衰减过程，因此本章主要讲述一般气溶胶粒子的扩散、输送与沉积过程，同时考虑生物气溶胶本身的特点。第一节 气溶胶的基本概念与数学描述1.1、气溶胶的概念：气溶胶是由连续相和离散相构成的二相分散系统，二相分散系统由于连续相与离散相的物理状态不同而以多种形式存在于自然界（见表5-1）。表5-1 二相分散系统的类型连续相离 散 相气 态液 态固 态气 态混合气体气溶液气溶胶液 态泡 沫乳 液溶液或悬液固 态海绵状物凝
6、胶体合 金 十九世纪，首先对溶液和悬液以及乳液进行了详细的研究，这些研究的成果形成了近代胶体化学的基础。类比于悬液的情况，本世纪初开始进行气溶胶的研究。以空气为介质的气溶胶粒子大小范围在0.001100m之间，自然界大气气溶胶粒子大部分在0.0110m范围内，大于100m的粒子在空气中只能停留很短时间而很快从气溶胶中分离出来。粒子呈悬浮状态的时间即气溶胶的稳定时间（或称寿命时间），因粒子大小不同而异，最短数秒，最长可达数年。小于1.0m的粒子称作亚微米粒子，大于1.0m而小于10m的粒子称作微米粒子，微生物气溶胶粒子通常属于微米粒子范围。需要特别在气溶胶（Aerosol）与蒸汽(Vapor)之
7、间作出明显的定义区分：气溶胶中存在具有明显边界的粒子，穿过这些粒子边界，可以发生热量、动量、质量的传递，它是二相系统；蒸汽则是以分子为单位形成的单相系统，具有单一的气体相。由于蒸汽可通过凝结变成液滴，从而由单相系统转化为二相系统，同时气溶胶中的液滴可以通过蒸发（液气），或者固体粒子通过升华（固气）而转化为蒸汽，说明气溶胶是不稳定的，气溶胶的不稳定性决定了其研究的难度。1.2、气溶胶的数学描述：气溶胶粒子的几何特性，是决定其物理特性的重要因素，在单个气溶胶粒子的情况下，对于液态粒子，由于液体的表面张力作用，液滴基本呈球形，可用其半径或直径来表示其尺度；但大多数固体粒子具有不规则的形状，此时，其尺
8、度的表征比较困难，对于如纤维等特殊形状的离散相，可由其厚度与长度来描述其尺度，即二参数描述；其它不规则粒子，则可用不同方向上量度尺度的平均数来描述。气溶胶的群体几何特性，是单个粒子特性的综合或平均，同时必须考虑单位体积内粒子的数量或浓度。气溶胶群体几何特性常用其尺度分布，以及由尺度分布导出的各种特征量来描述。定义n(r)为单位空气体积中，半径在r与r+dr之间的气溶胶粒子数。它是粒子半径r的函数，称n(r )为尺度分布函数。此时，单位体积空气中气溶胶粒子的总数（即数量浓度，单位：个/单位体积）为：当积分上限取足够大时，则有数量累积分布函数N（r）：数量累积分布描述了单位体积内粒径小于某一值的粒
9、子数。1.2.1、几个特征量：由n(r)可以定义平均半径、中值半径、众数半径等特征半径：1.2.1.1、平均半径这里的平均半径是指算术平均半径，是粒子半径之和除以粒子总数。1.2.1.2、中值半径rm：中值半径指小于某一粒径粒子的数量浓度（或质量浓度）等于总数量浓度（或总质量浓度）一半时所对应的粒子半径。1.2.1.3、众数半径rp：众数半径指气溶胶数浓度最大值或概率分布函数最高点所对应的粒子半径。用于表达气溶胶粒子尺度分散程度的特征量，是分布均方差2。以数量分布为例，可由数量分布函数n（r）来求得2。将上式由积分形式转换成离散量的求和，即可得到实用的计算公式。2越大，表示气溶胶的尺度分布（尺
10、度谱）越分散。通常，对于2=0，即气溶胶粒子的粒径是均一的，称为单分散相气溶胶，否则称为多分散相气溶胶。在实际情况下，真正的单分散相气溶胶极罕见，通常把粒谱范围很窄的气溶胶称为单分散相气溶胶，其粒谱宽窄的范围，根据具体情况来确定。1.2.2、几种常用分布函数：在处理气溶胶的分布函数时，必然要涉及函数n（r）的数学表达形式。根据实验数据先取合适的分布函数形式，将会在数据处理中带来很大的方便，现就常见的几种函数表达形式作初步介绍。1.2.2.1、负幂指数分布：在大气气溶胶的某些尺度范围内，特别是在多次采样结果取平均分布时，实验观测表明，气溶胶的尺度分布常呈指数分布形式，其数学表达式为：n（r）=A
11、r-a (5.1.7)其中r为粒子半径，A为常量系数，幂指数a一般在3-4左右，n(r)与r在双对数纸上呈线性关系。1.2.2.2、伽马分布 伽马分布是以函数形式拟合气溶胶的尺度分布。采用这种函数形式拟合实验数据的好处，在于各种特征量的计算比较方便。 在气溶胶尺度分布测量的实验数据中，分布曲线呈单峰不对称分布，通常在峰值左侧（小粒子端）曲线下降很快，而在右侧（大粒子端）曲线下降缓慢，伽马分布函数符合实验结果所显示的这一趋势，其函数表达式为：n(r)=rexp(-br) (5.1.8)分布曲线在处有极大值（峰值），它就是众数半径rp，由（5.1.8）式，可求出积分：其中（x）为自变量是x的伽马函
12、数，其值可由函数表求得。在（5.1.9）式中：m=1，即数量分布的平均半径。m=2，即表面积平均半径。m=3，即容量或质量平均半径。对于尺度分布的实验数据，可以用通常的作图法、差分法或最小二乘法求得参数b、和，进一步可得分布的众数半径、偏斜度、宽度等参数。1.2.2.3、对数-正态分布 正态分布对于自变量的平均数是对称的，气溶胶尺度分布很少符合正态分布。当正态分布的自变量取为粒子半径的对数ln(r)时， ln(r)符合正态分布，对r而言，称为对数-正态分布，其函数表达为：大量实验数据证实，人工发生气溶胶的尺度分布相当严格地遵循对数-正态分布。对数-正态分布可通过图解法来求取各特征量。根据对数-
13、正态分布制成对数-机率纸，用气溶胶粒径测量数据的累积分布值在对数-机率纸上作曲线拟合，可直接读出中值半径、标准差等特征值。第二节 气溶胶物理特性简述气溶胶的定义不仅涉及粒子本身，还与浸没这些粒子的介质（空气）有关。同样，气溶胶的行为（如其随时间而变化的运动方式）也不仅取决于粒子本身的性质，还取决于介质的性质。 当对气溶胶取样时，结果很难对所有尺度粒子都具有同样代表性。粒子性质（如尺度、质量、电荷等）的综合影响，造成一次取样对某些尺度范围的粒子是比较有效的，而在其它的尺度上采样效率很差。即使使用最简单的取样方法，也必须对这一方法的力学方面作定量的考虑，才能用取样粒子数之类的量去推算气溶胶中粒子的
14、浓度。取样过程中，气溶胶的凝聚、蒸发、凝结增长等动力过程一直在进行中，使取样的代表性问题更趋复杂，因此必须对取样前后的气溶胶力学问题作定量考虑。2.1、单个气溶胶粒子力学问题2.1.1、作用在气溶胶粒子上的力 在各向同性的条件下，不可压缩流体的运动，可用纳维-斯托克方程表述，其中包括梯度力、惯性力、粘带力等。气溶胶粒子在这样的介质流体中还受到重力、摩擦力等的作用。以球形粒子为例，可以用雷诺数（Re）来定量描述粒子周围流体粘滞流动的情况，Re数的表述为： 其中f为流体密度、V0是流动速度或粒子在静止流体中运动的初速度，l为粒子特征尺度，为粘滞系数，Re数表征惯性力与粘滞力之比。从（5.2.1）式
15、可见，雷诺数不仅与流体的性质有关，还与在流体中运动粒子本身的几何特征有关。 粒子在空气中移动，最初的运动速度与时间有关，但在稳定的外部条件下，由于空气粘滞性而形成的阻力，粒子的运动速度很快就达到一个不随时间变化的数值，根据这些条件，对完整的纳维一斯托克斯方程进行简化，得到阻力-斯托克斯定律： F=6ru (5.2.2)F为阻力，r是粒子半径，u为粒子的运动速度，为空气粘滞系数。 空气中满足r0.5m 和Re1.0的粒子均可用阻力-斯托克斯定律求出其沉降末速度，在重力场中以重力加速度g作下降运动的球形粒子，此时粒子所受重力mg（m是粒子质量，等于4/3r31，1为粒子密度）等于其所受的阻力，代入（5.2.2），得粒子沉降未速度为：当粒子受力
