关于空气污染气象学介绍

[拼音]：kongqi wuran qixiangxue

[外文]：air pollution meteorology

研究大气运动和大气中污染物相互作用的科学，它是应用气象学的一个分支，也是大气科学中的一个新的领域。自然现象（火山爆发、森林火灾等）和人类活动(工业生产和生活消耗能源和资源)产生的废气和粉尘排入大气中时，造成大气污染。这些污染物被风输送，在大气湍流作用下扩散稀释，通过重力沉降作用和降水冲刷过程，降到地面（水面、土壤）；这些污染物也可能在大气中发生化学变化，变成其他物质。空气污染气象学的主要内容，是研究大气运动引起的污染物输送、扩散、迁移和转化等过程。大气中的污染物，对大气的热平衡、天气气候变化等都有影响，对这些问题的研究也属此学科的内容之一（见平流层和中层大气物理学、大气臭氧层、大气化学）。

简史

空气污染气象学的萌芽可以追溯到第一次世界大战期间。英国为了研究野战时毒气浓度的预报方法，自1921年起进行大气扩散实验。20世纪40年代，原子能工业的兴起和发展，提出了放射性物质污染的预测和控制问题，促进了大气扩散的实验和理论研究。50年代后，由于工业和人口高度集中，相继出现了城市污染事件。以1952年12月的伦敦烟雾事件为例，在持续了三天的下沉逆温和小风天气条件下，伦敦上空的二氧化硫和烟尘等污染物，很难向上扩散和向远方输送，集积的浓度很高，夺去了四千余人的生命。60年代后，核试验和高空飞行使污染范围扩展到平流层。大气污染已由某一工厂引起的局地污染（十几公里范围）转为区域性和全球性的污染。一些国家为了寻求大气环境保护法的依据，和根据大气扩散和自净能力提出控制和消除大气污染的途径，组织了对城市的、区域的和全球范围的大气污染输送、扩散、迁移和转化规律的实验和研究，以及各类大气污染模式的计算和污染预报方法的研究。这些方面不仅和大气边界层、大气湍流、大气湍流扩散的研究有关，而且涉及中尺度和天气尺度的大气运动规律，以及平流层和对流层之间的污染物交换过程、大气的物理和化学过程的相互影响等。大气污染对天气和气候影响的研究，涉及大气科学的大部分分支学科，大气污染的控制问题和大气科学密切相关，所以从60年代以来，逐渐形成了空气污染气象学。

平原地区的空气污染与气象

主要研究平坦地形上空大气污染物的输送和扩散的规律，估算烟囱排放和地面厂房泄漏的污染物对周围环境和下风地区的影响。它是选定烟囱位置和高度，进行厂区和居民区的合理布局的重要依据。由于平原地区的风向和风速在某一水平面上基本是均匀的，因此，污染物的输送规律比较简单。污染源对周围地区的污染频率，由当地风向频率所决定。显然最高频率风向的下风地区受污染机会最多。气流绕过厂区建筑物时，在其背风面产生下沉气流，若烟囱口在此气流内，污染物将被带到背风区。为了避免对附近地区的影响，至少烟囱应比附近建筑物高一倍半。

大气扩散能力和大气稳定度(见大气静力稳定度)密切相关。在晴天小风条件下：夜间在近地面几百米高度内出现辐射逆温，大气稳定，湍流受到抑止，扩散缓慢；中午气温铅直递减率大于1°C/100米时，大气处于不稳定状态，热力湍流发展，扩散能力很强；当气温铅直递减率等于1°C/100米时，大气处于中性状态，湍流得以维持，扩散能力介于稳定和不稳定条件之间。在大风或有云的条件下，风速的增大，虽可增加湍流强度，但由于大风或云层的关系，逆温强度减弱，热对流的发展也受影响。F.帕斯奎尔根据太阳辐射强度（按太阳高度角、云状和云量划分为强、中、弱三级）、云量和风速各因素，将大气稳)，定度分为6类（见表）其中A最不稳定，B不稳定，C稍不稳定，D中性（白天或夜间的阴天情况下都属中性），E稳定，F最稳定。

计算污染物的浓度时，采用扩散实验概括的理想化模式。高烟囱排放的连续点源在下风方向地面的污染物浓度χ的计算公式为：

式中Q为源强(单位时间排放的质量)；ū为平均风速；以排放源为原点，水平面上y轴垂直于平均风向，z轴铅直向上为正方向；σy和σz分别为y方向和z方向的大气扩散参数，H为烟囱高度和烟气抬升高度之和（称为烟囱有效高度）。各类稳定度下的大气扩散参数沿下风方向相对于排放源的距离x 的变化，可由图查找或按σ＝axb计算。其中a和b的数值与大气稳定度有关，由实验测定。

对于工厂地面设备和厂房泄漏的气体，可按面源或线源来计算，计算公式可由点源公式推导出来。

水陆交界地区的空气污染与气象

在沿海或湖滨地区，水陆之间的温差产生的局地环流称为海（湖）陆风(见海陆风)。低层气流把排入的污染物输送到一定距离后，又从高空返回到原地，使原地的污染浓度增高。有时陆风带走的污染物被海风带回，也使空气中的污染物浓度增高。美国洛杉矶市的光化学烟雾就是在这种环流条件下产生的。春夏两季，水温比陆面温度低得多。水面上的空气流经陆面时被加热，把原在水面上空形成的逆温层破坏。这时逆温层上部积聚的污染物被热对流带到地面，使该处污染物浓度加大，称为“熏烟”现象。由于湖面逆温可维持几个小时，这种现象可延续较长的时间。同样，在秋冬两季，由陆面吹来的稳定空气流经不结冰的水面时，也会出现“熏烟”现象。由于陆面的粗糙度一般大于水面，所以陆面上的大气湍流扩散通常比水面上的强。

山区的空气污染与气象

地形起伏使得接受的太阳日辐射强度和辐射冷却不均匀，由此引起的热力环流，称为地形风。山坡白天有上坡风，夜间有下坡风;山谷白天有谷风，夜间有山风(见山谷风)。深谷还可以出现山谷风的闭合环流，其上部的反向气流称为反向山谷风。在山区和平原之间，还有大型坡风(又称山区-平原风)。在山谷中的不同位置，不同高度的气流有很大差异，因此不同排放点的污染物输送路径也不相同。山坡上的烟囱高度若低于坡风的厚度（几十米），则污染物被下坡风带到平原或山谷中，这对利用山坡地形来增加烟囱的排放高度是不利的，若排放口处于闭合环流之中，也不利于污染物排出，而使当地污染物的浓度增高。高烟囱的烟气，在迎风的山坡上造成的污染较大。气流过山的动力作用在背风坡产生下沉气流或涡旋；谷风在不稳定条件下，风速较大时也出现下沉现象。这都会使烟囱排放的烟气向下倾斜或下沉到地面。山谷中的曲折地段，因地形阻塞而出现小风，会使这一地区的污染加重。山区逆温维持时间比平原地区长，而且还可能出现多层逆温。逆温层和山谷构成一个“管道”，限制了污染物的扩散，加重了下风地区的污染。污染物在两个逆温层之间积累，当逆温破坏后，就出现“熏烟”现象。虽然地形引起的气流扰动，加大了湍流的强度，山区的大气扩散参数比平原地区要大几倍，但由于水平输送不如平原地区，因此山区（尤其是山间盆地和谷地）的空气污染，通常比平原严重。

城市空气的污染与气象

城市热岛效应，使夜间的低空不出现逆温（见城市气候），但在几百米高度之上，仍为一稳定层所覆盖，而在稳定层之下形成城市混合层。混合作用使该层内的浓度铅直分布趋于均匀。同时，热岛效应使农村的冷空气向城市辐合而上升，形成了热岛环流。该环流的水平辐合流场使接近地面的污染物向城市汇集，加重了城市的污染；另一方面，其辐合上升气流使高烟囱的烟气上升，输往远处，又可减少对城市的污染。此外，城市的建筑群使地面的粗糙度增大，减弱了风速的铅直变化，加上建筑物之间的“渠道”作用，形成了复杂的局地环流。以上种种情况，都说明城市中的污染物的输送过程相当复杂。但总的说来，城市建筑物对气流的扰动和热对流作用，使城市的湍流比平原地区强，因此大气扩散参数比平原地区大得多。为了研究城市大气污染和提出控制污染的措施，进行了各种性能模式的试验，包括箱模式、统计模式和数学物理模式等。

把城市由地面到混合层顶看成一个箱体，箱内的平均浓度是由城市污染物总排放量和流量之间的动态平衡决定的，它正比于污染物总排入量，而与平均风速和混合层高度的乘积成反比。此模式用于估算一个城市的平均污染情况。

选择控制城市污染的气象因子，利用气象资料和同时监测的污染物浓度资料建立统计关系。根据气象资料用此关系式计算观测点的污染浓度。

由 4个方面组成：

（1）污染源的简化，掌握污染源的分布、排放方式和排放量随时间的变化，按照模式的要求进行简化。

（2）掌握城市边界层结构（风和温度的水平分布、铅直分布及其随时间的变化）和各类稳定度下的大气扩散参数。

（3）掌握污染物在大气中的沉降、 降水冲刷和大气化学转化规律， 以便模拟污染物在大气中的迁移转化过程。

（4）根据上述三方面的资料，建立大气污染多源模式并进行计算。

将模式的计算结果与监测浓度分布进行对比，进一步验正和修改模式（见图）。修改后的模式便可用于大气环境质量预测和防治途径的研究。若能预报出模式需要的气象参数（见天气预报），就能做出污染预报。

大气自净过程

全球每年有数亿吨的烟尘和气体排入大气。但通过各种迁移、转化过程又被清除出大气，不在大气中积累。在大气中自然进行的这种过程，称为大气自净过程，一般包括重力沉降、降水冲刷和大气化学反应三种过程。

烟尘受重力作用沉降到地面，粒子越重，沉降速度越大。直径大于10～20微米的粒子，沉降速度常大于1厘米/秒，其沉降作用不能忽略。下沉运动使烟道向下倾斜，近距离烟尘的浓度比同一排放量的气体浓度大，而远距离则相反。地面最大浓度可比无沉降过程的大百分之几十。到达地面的污染物，由于碰撞、吸附、植物吸收和化学反应等过程，一部分沉积到地面，一部分返回大气中。地面上单位面积单位时间的沉积量正比于地面大气污染物的浓度。其比例系数称为沉积速度。此速度越大，沉积量也越大。

云雾滴很小，只能吸收小粒子。雨(雪)在降落过程中与粒子碰撞而捕获的粒子数和雨滴(雪花)扫过的体积内总粒子数之比同雨滴大小、粒子大小及粒子密度有关。由于雪花面积大，落速比水滴慢，对粒子的冲刷效果比雨滴大。气体中的污染物不断扩散到雨雪上而被溶解或者发生化学反应。分子扩散系数越大，溶解度或反应速率越大，被雨雪清洗的气体污染物越多。

污染物在大气中发生一系列化学反应之后，有的不再具毒性（如硫酸雾与空气中的氨化合成无毒的中性硫酸铵），有的形成新的污染物。种类繁多的污染物在大气中的化学反应是极其复杂的。以二氧化硫为例，在日光照射下可氧化成三氧化硫。大气中若含有起催化作用的二氧化氮和臭氧气体，这种反应的速度更快。三氧化硫在空气中遇水滴就形成硫酸雾。二氧化硫还可溶于水滴形成亚硫酸，然后再氧化成硫酸。酸雾遇到其他物质（金属飘尘、氨等）形成硫酸盐，再由降水冲刷形成酸雨降落地面。氮的氧化物和臭氧化合后，溶于水滴而形成硝酸，然后再与其他物质化合成硝酸盐，而被降水清除出大气。光化学反应过程在大气中形成的酸雾和酸盐微粒，称为光化学烟雾（见降水化学）。

空气污染对天气和气候的影响

空气污染对城市气候的影响比较明显，但还没有充分的事实证明这种污染会造成全球的气候变化。可能有两种引起全球气候变化的因素：

（1）二氧化碳含量增加，引起气候变暖。

（2）气溶胶增多，增加大气对太阳辐射的反射率，使全球大气的气温降低（见人类活动对气候的影响）。70年代以来空气污染对天气气候的影响已受到各方面的注意，各国为此建立了大量的日常监测工作，进行研究和模式计算。如何确定这两种因素的综合作用对全球气温变化的影响，是主要的研究课题之一。

参考书目

1. R.W.Shaw，R.E.Munn，Air Pollution Meteorology，D.Reidel Publ.，Dordrecht，Holland，1971.
2. 中国科学院大气物理研究所:《山区空气污染与气象》，科学出版社，北京，1978。
3. D.H.斯莱德编，张永兴等译:《气象学与原子能》，原子能出版社，北京，1979。(D.H.Slade，ed.，MeteorologyandAtomic Energy，U.S. Atomic Energy Committee，Washington，D.C.，1968.)
4. A.C.Stern，ed.，Air Pollution，3rd ed.，Vol.Ⅱ，Academic Press，New York，1977.