气象因素对大气污染扩散的影响

（一）风对大气污染物扩散和输送的影响

风对污染物浓度分布的第一个作用是整体输送作用，因而污染区总是在污染源的下风向，基于这个道理，在工业布局上应将污染源安排在易于扩散的城市下风向。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。若风速提高一倍，则在下风向的污染物浓度减少一半。

风速的大小对烟流扩散有很大的影响，在无风或风速很小时，烟流几乎是垂直的，当风速较大时，烟流则是弯曲的。对于地面污染源来说，风速越大，污染物浓度就越小：对于高架污染源来说风速的影响则具有双重性。一方面，风速大会降低抬升高度，使烟气的使烟气的着地浓度增大；另一方面，风速增大，能增加湍流，加快污染物的扩散，使烟气的着地浓度降低。对于某一高架源，存在危险风速，在该风速下地面可能出现最高污染物浓度。但对下风向所有的点的平均浓度而言，风速大对减轻污染是比较有利的。

（二）大气湍流

大气的无规则运动称为大气湍流（atmospheric turbulence）。风速的脉动（或涨落）和风向的摆动就是湍流作用的结果。湍流这种运动普遍存在，树叶的摆动、纸片的飞舞及炊烟的缭绕等现象均是湍流引起的。

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，它的强度主要取决于大气稳定度，另一种是由于垂直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。

大气湍流运动造成流场各部分之问的强烈混合，将大大加快烟气的扩散速率，实践证明，它比分子扩散快105～106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，其他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。

（三）气温的垂直分布

地球表面上方大气圈各气层的温度随着高度的不同而发生变化，不同气层的气温随高度的变化常用气温垂直递减率（γ）表示，气温垂直递减率是指垂直于地球表面方向上每升高100m气温的变化值，对于干空气在绝热上升或下降过程中，每升高或降低100m时温度变化率的数值，称为干空气温度绝热垂直递减率，简称干绝热直减率，用γd表示。

由于气象条件的不同，气温垂直递减率可大于零，等于零或小于零。近地面气层中气温的垂直分布有三种情况。

1.气温随高度的增加而递减，即γ＞0，称为正常分布层结或递减层结。由于地面是大气的主要且直接的热源，所以离地面越远，气温就越低。另一方面水汽和固体杂质在低层比高层多，而它们吸收地面的辐射能力很强，因此，近气温随高度增加而降低是基本特征。

这种情况一般出现在晴朗的白天且风不大时，少云的白天由于太阳强烈照射，地面物体的热容量大，地面增热得很厉害，近地面的空气因此也增热得很快，形成了气温下高上低的状况，热量不断地由低层向高层传递。

2.气温随高度的增加而增加，即γ＜0，称为气温逆转或逆温层结。在大气圈的对流层内，在某一有限厚度的气层中，出现大气温度随高度增加而升高的垂直分布现象称为逆温（temperature inversion），这样的气层称为逆温层。逆温现象一般出现在少云或无风的夜间，夜间太阳辐射等于零，地面无热量收入，但地面辐射却存在。由于少云，大气逆辐射很少，地面因大量热量辐射出去而不断冷却，近地面的这层空气也随之冷却，气层不断地由下向上冷却，就形成了气温下低上高的现象，根据逆温的形成因素，分为辐射性逆温、沉降性逆温、湍流性逆温、峰面逆温和地形逆温5种。因地面强烈辐射冷却会形成辐射性逆温。当近地面上方高空的大规模的高压区空气向低压区沉降时，经高压压缩而被加热的沉降空气比它下方低压区空气温暖，会形成上暖下冷的沉降性逆温。

3.气温随高度基本不变（γ=0），称为等温层结，这种情况常出现于多云天或阴天，白天由于云层反射，到达地面的太阳辐射大为减少，故地面增热得不多，夜间由于云的存在大大加强了大气的逆辐射，使地面有效辐射减弱，地面冷却得不多，因此当有云存在时气温随高度变化不明显，风比较大的日子气层上下交换剧烈，使上下冷暖空气充分混合，因而气温随高度的变化也不明显。

（四）大气稳定度

大气稳定度（atmospheric stability）是指近地层大气作垂直运动的强弱程度，即气块是安定于原来所在的层次，还是易于发生垂直运动。

气象学家把近地层大气划分为稳定、中性和不稳定种状态，假如有一空气块（团）受到对流冲击力的作用产生了向上或向下运动，那么就可能出现三种情况：如果空气团受力移动后，逐渐减速，并有返回原来高度的趋势，这时的气层，对于该气团而言是稳定的，如果空气团一离开原位就逐渐加速运动，有远离原来高度的趋势这时的气层对于该气团而言是不稳定的，如果空气团被推到某一高度后，既不加速也不减速，保持不动，这时的气层对于该气团而言是中性的。图2-3表示一个球的重力模型，不稳定的情形就像一个位于山顶上的球；中性情形就像是在平地上的球；稳定情形则像是处在山谷里的球。

图2-3　用一个球的重力模型说明大气稳定度的示意图

大气稳定度与气温垂直速减率有关，气温垂直递减率γ越大，大气越不稳定，此时湍流充分发展，对污染物的扩散稀释能力很强；γ越小，大气就越稳定，如果γ很小甚至等于零（等温）或小于零（逆温），大气则处于稳定状态，湍流受到抑制。人们习惯上将逆温、等温或γ很小的气层称为阻挡层，此层能将污染物阻挡起来，很难再向上扩散稀释，因此大气的稳定度与污染物的扩散有密切关系。(www.xing528.com)

大气是否稳定可以从气温垂直递减率γ和干绝热递减率γd的对比中进行判断。

当γ＞γd时，气块总要离开原来的位置，也就是气块一旦开始上升，就持续上升；一旦开始下降，就持续下降，这样大气湍流增大，处于不稳定状态：

当γ＜γd时，气块有返回原来位置的趋势，湍流减弱，大气处于稳定状态；

当γ=γd时，气块可停留在任何一个位置，此时大气处于中性状态。

大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的极其重要的因素，当大气处于不稳定状况时，对流强烈，烟气迅速扩散，大气处于强稳定状况时，出现逆温层，好像一个“盖子”，使烟气不易扩散，污染物聚集地面，可造成严重污染。若逆温层存在于近地层，处于近地层内的污染物和水汽凝结物因不易向上传送而积聚，导致逆温层内空气质量下降，能见度降低，因此严重的大气污染往往发生在逆温及无风的天气。

大气污染状况和大气稳定度有密切关系，大气稳定度不同，高架点源排放的烟流扩散形状和特点不同，造成的污染状况差别很大。

1.波浪型

在温暖的季节里，天气晴朗的中午，经常出现波浪型的烟流，此时的大气往往是不稳定的，垂直方向和水平方向的湍流强度都很大，扩散良好。所以在和污染源相距一定距离的地点的烟囱的浓度要比漫烟型的低。但由于烟囱达到了靠近源的地面上，所以对于指定高度的烟囱来说，污染物的平均地面浓度似乎是均等的。

2.锥型

烟流形状似圆锥形。它发生在中性条件下，垂直扩散比扇形好，比波浪型差，所以烟囱到污染物开始到达地面的距离要大于波浪型，而小于扇形。锥形常常出现在有云和风低的情况下，昼夜均可能有。

3.扇型

这种烟型发生在烟源的出口处于逆温层中，由于逆温层中湍流极少，所以，烟气在垂直方向上扩散较小，而随着大气平均气流在水平方向上逐渐扩展。从上面看，烟流呈扇型展开，在高烟囱时，在近距离的地面上，不会造成污染，而在远处会造成污染。在低烟排放时，在近距离的地面上会造成污染。

4.爬升型

发生在大气由不稳定转到逆温条件下，它一般在日落后出现。爬升型的条件可视为最佳扩散情况。地面由于有效辐射而散热，低层形成逆温，但高空温度仍然保持递减状态，便发生此烟型。逆温层阻挡污染物向地面扩散，而同时污染物却在逆温层上部受到稀释。所以地面污染物浓度不大。

5.漫烟型

早晨日出后，原来的辐射逆温开始消失，并逐渐被不稳定气层所代替。这种现象通常先从地面开始，然后逐渐向上扩展，日出一段时间后，逆温只在烟囱顶上存在。此时，烟气上方逆温而难以扩散，因此，只在下方的不稳定大气层中扩散，从而增大了地面污染。对烟囱来说，这是最恶劣的条件。多发生在8～10点钟，持续时间很短，约半小时左右，整个逆温完全消失为止。

上面仅仅是从大气稳定度和温度层结的角度对几种典型烟羽形状做了分析，但实际情况要复杂得多，影响因素也很复杂。

（五）天气形势

天气形势是指大范围的气压分布和大气运动状况，低压控制，空气有上升运动，云较多，风速较大，天气多为中性和不稳定状态，有利于扩散。反之，在高压控制区，天气晴朗，风速极小，大范围空气下沉在几百米至一两千米上空形成沉降性逆温。逆温像盖子一样阻挡着污染物向上湍流扩散，若高压大气系统是静止的或移动极慢的微风天气，而又连续几天出现逆温时，大气污染物的扩散稀释能力会大大降低，将会呈现“空气停滞”现象，这时在正常情况下不会造成大气污染的地方，也可能出现大范围的污染，如再处于不利的地形条件，就会造成更严重的空气污染。