第三章大气扩散
为了有效地控制大气污染．除需采取安装净化装置等各种技术措施外，还需充分利用大气对污染物的扩散和稀释能力。污染物从污染源排到大气中的扩散过程，与排放源本身的特性、气象条件、地面特征和周围地区建筑物分布等因素有关。本章主要对这些因素特别是气象条件、大气中污染物浓度的估算以及厂址选择和烟囱设计等问题，作一简要介绍。
第一节
气象学的基本概念
一、大气圈垂直结构
大气层的结构是指气象要素的垂直分布情况，如气温、气压、大气密度和大气成分的垂直分布等。根据气温在垂直于下垫面(即地球表面情况)方向上的分布，可将大气分为五层：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。 1．对流层
对流层是大气层最低的一层。平均厚度为12公里。自下垫面算起的对流层的厚度随纬度增加而降低。对流层的主要特征是：
(1)对流层虽然较薄，但却集中了整个大气质量的3／4和几乎全部水汽，主要的大气现象都发生在这一层中，它是天气变化最复杂、对人类活动影响最大的一层；
(2)气温随高度增加而降低，每升高100 m平均降温约0．65℃；
(3)空气具有强烈的对流运动，大气垂直混合很激烈。主要由于下垫面受热不均及其本身特性不同造成的。
(4)温度和湿度的水平分布不均匀。
对流层的下层，厚度约为1—2km，其中气流受地面阻滞和摩擦的影响很大，称为大气边界层(或摩擦层)。其中从地面到100m左右的一层又称近地层。在近地层中．垂直方向上热量和动量的交换甚微．所以温差很大，可达1—2℃。在近地层以上，气流受地面摩擦的影响越来越小。在大气边界层以上的气流．几乎不受地面摩探的影响，所以称为自由大气。
在大气边界层中，由于受地面冷热的直接影响，所以气温的日变化很明显，特别是近地层，昼夜可相差十儿乃至几十度。出于气流运动受地面摩擦的影响，故风速随高度的增高而增大。在这一层中．大气上下有规则的对流和无规则的湍流运动都比较盛行．加上水汽充足，直接影响着污染物的传输、扩散和转化。 2．平流层
从对流层顶到50～60km高度的一层称为平流层。主要特点是：
(1)从对流层项到35—40km左右的一层，气温几乎不随高度变化，称为同温层；从这以上到平流层顶，气温随高度增高而增高，称为逆温层。
(2)几乎没有空气对流运动，空气垂直混合微弱。
- 1通常气象台站所测定的风向、风速，都是指一定时间(如2min或10min)的平均值。
若粗赂估计风速．可依自然现象——风力大小来表示。根据自然现象将风力分为13个等级(0—12级)，则风速υ(单位km/s)为
υ≈3.02F3 5.云
云是大气中的水汽凝结现象、它是由飘浮在空中的大量小水滴或小冰晶或两者的混合物构成的。云的生成，外形特征，量的多少、分布及演变、不仅反映了当时大气的运动状态，而且预示着天气演变的趋势。云对太阳辐射和地面辐射起反射作用，反射的强弱视云的厚度而定。云层存在的效果是使气温随高度的变化减小。
从污染物扩散的观点看，主要关心的是云量和云高。
云量：是指云遮蔽天空的成数。我国将天空分为10等分，云遮蔽了几分，云量就是几。例如碧空无云，云量为零；阴天云量为10。国外将天空分为8等分，云遮蔽几分云量就是几。两者的换算关系为
国外云量×1.25＝我国云量
云高：指云底距地面的高度，根据云底高度可将云分为：
高云：云底高度一般在5000m以上，它由冰晶组成，云体呈白色，有蚕丝般光泽，薄而透明。
中云：云底高度一般在2500～5000m之间，由过冷的微小水滴几冰晶构成，颜色为白色或灰白色，云体稠密。
低云：云底高度一般在2500m以下，不稳定气层中的低云常分散为孤立的大块，稳定气层中低云云层低而黑，结构稀松。 6能见度
能见度是在当时的大气条件下视力正常的人能够从天空背景下看到或辨认出的目标物的最大水平距离，单位用m或km表示。能见度的大小反映大气透明或混浊的程度。
三、大气边界层的温度场
1.干绝热直减率
干空气在绝热上升过程中，每上升单位距离（通常取100m）的湿度变化称为干空气的绝热垂直递减率，简称干绝热直减率。以γd表示，定义式为：
γd＝－dTi dZdi—表示空气块 d—表示干空气
- 34.大气的垂直稳定度 (1)定义：
大气稳定度是指在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流。对于大气稳定度可以作这样的理解，如果一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或下降运动后，可能发生三种情况：(I)当外力去除后，气块就减速并有返回原来高度的趋势，
则称这种大气是稳定的；(2)当外力去除后，气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；(3)当外力去除后，气块被外力推到哪里就停到哪里或作等速运动，称这种大气是中性的。
(2)大气稳定度的判别
那么，大气是否稳定如何判断呢？根据气块的受力分析，可推导出气块运动时的加速度为：
a=g－dTdZ
由上式可知:当γ－γd>0时，a>0，气块加速运动，大气处于不稳定状态；当γ－γd
辐射到地球表面的太阳辐射主要是短波辐射。地面吸收太阳辐射的同时也向空中辐射能量，这种辐射主要是长波辐射。大气吸收短波辐射的能力很弱，而吸收长波辐射的能力却极强。因此，在大气边界层内特别是近地层内，空气温度的变化主要是受地表长波辐射的影响。近地层空气温度，随着地面温度的增高而增高，而且是自下而上的增高；即气温随高度是垂直递减的，也就是γ>0，但在特定情况下，也会出现γ=0或γ
在有逆温及静风的气象条件下，所以在研究污染物的大气扩散时必须对逆温给予足够的重视。
逆温可以发生在近地层中，也可能发生在较高气层(自由大气)中。根据逆温生成的过程，可将逆温分为辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温及湍流逆温等五种。
(1)．辐射逆温
这种逆温与大气污染的关系最为密切。在晴朗无云(或少云)的夜间．当风速较小(
- 5低层空气湍流混合形成的逆温称为湍流逆温。湍流逆湿的形成过程如图3—8所示．
(a)中的AB是气层在湍流混合前的气温分布．气温直减率γ
混合后．气层的温度将按干绝热直减率变化，如(b)中的CD。但在混合层以上，混合层与不受湍流混合影响的上层空气之间出现了一个过渡层DE，即是逆温层。 (5)锋面逆温
在对流层中的冷空气团与暖空气团相遇时，暖空气因其密度小就会爬到冷空气上面去，形成一个倾斜的过渡区，称为锋面，在锋面上，如果冷暖空气的温差较大；也可以出现逆温，这种逆温称为锋面逆温。锋面逆温仅在冷空气一边可以看到。
第二节
大气污染物的扩散与气象
大量的扩散试验和扩散理论的研究表明，在不同的气象条件下，同一污染源所造成的地面污染物浓度可相差几十倍，这是由于大气对污染物的扩散稀释能力随着气象条件的改变而发生巨大的变化所造成的。下面讨论各种气象因子对大气中污染物扩散的影响。
一、风与湍流
1.风:污染物在大气中的扩散、稀释，直接取决于大气的运动状态。 (1)风及地方性风场
(a)风：污染物质随风飘荡，与空气密度相同的污染烟气总是随着**输送到远方。这是风的第一个作用，即整体的输送作用。风的另一个作用使对污染物的冲淡稀释作用。风速越大，单位时间内与污染烟气混合的清洁空气量越大。所以，污染浓度总是与风速成反比。
(b)地方性风场
- 78重污染的可能性更大。 2.湍流
大气的污规则运动称为大气湍流。风速的脉动（或涨落）和风向的摆动就是湍流作用的结果。
按照湍流形成的原因可分为两种湍流：一种是由于垂直方向温度分布不均匀引起的热力湍流，的强度主要取决于大气稳定度，另一种是由于垂复方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起的机械湍流，它的强度主要决定于风速梯度和地面粗糙度。实际的湍流是上述两种湍流的叠加。
湍流有极强的扩散能力，它比分子扩散快105一106倍。但是在风场运动的主风方向上．由于平均风速比脉动风速大得多，所以在主风方向上风的平流输送作用是主要的。归结起来，风速越大，湍流越强．污染物的扩散速度就越快，污染物的浓度就越低。风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素，其它一切气象因素都是通过风和湍流的作用来影响扩散稀释的。
二、近地层中风速廓线模式
平均风速随高度的变化曲线称为风速廓线．风速廓线的数学表达式称为风速廓线模式。近地层(离地面大约100m左右)的风速廓线模式有多种，这里介绍两种根据湍流半经验理论推导出的模式。 1.对数律风速廓线模式
2.幂次律模式
式中μ——高度Z处的风速、m／s；
*
μ——摩擦速度，m／s；
k——卡门常数，在大气中等于0.44；
Z。———地面粗糙度，m。
M——稳定度参数
*(μ，Z。都是由低层风速实测资料求得的)。
三、温度层结与烟型
我们可以从烟囱排除的烟流形状来直观的看一看温度层结对污染物扩散的影响。下图所示的五种不同温度层结时烟流的曲型形状。
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