环境学导论：影响空气污染的气象因素

实践证明，风向、风速、大气的稳定度、降水情况和雾天，是影响空气污染的重要气象因素。

1. 风的影响

风对空气污染的影响包括风向和风速的大小两个方而。风向影响着污染物的扩散方向。任何地区的风向，一年四季都在变化、但是也都有它自己的主风向。例如北京地区的主风向是西北、北、西南和南。一般情况下，污染源应设在下风向。

风速的大小决定着污染物的扩散和稀释状况。通常，污染物在大气中的浓度与平均风速成反比。若风速增大一倍，则下风向污染物的浓度将减少一半。

由于地面对风的摩擦阻碍作用，所以风速随高度的下降而减少（见表13—1）。

表13—1 风速随高度的变化

100米高处的风速，约为1米高处的3倍。

为了表示风向，风速对空气污染物的扩散的影响，可以采用风向频率玫瑰图和污染系数玫瑰图。

所谓风向频率，就是指某方向的风占全年各风向总和的百分率。如果从一个原点出发，划许多根辐射线，每一条辐射线的方向就是某个地区的一种风向；而线段的长短则表示该方向风的风向频率；将这些线段的末端逐一连接起来，就得到该地区的风向频率玫瑰图。

污染系数则表示风向、风速联合作用对空气污染物的扩散影响。其值可由下式计算：

显然，不同方向的污染系数不尽相同，其大小正好表示该方向空气污染的轻重不同。如果也象绘画风向频率玫瑰图那样，在从某原点发出的辐射线上，截取一定长短的线段，表示该方向上污染系数的大小，并把各线段的末端逐一连接起来，就得到污染系数玫瑰图。风向频率玫瑰图和污染系数玫瑰图，都能直观地反映一个地区的风向，或风向与风速联合作用对空气污染物的扩散影响。换言之，由图可直观看到某地区的某个方向上，由于风的作用，容易造成严重的空气污染情况，这些地区也就不适宜于选作工业区。

2. 大气的稳定性

（1）大气的降温率与大气稳定性的关系

在地球表面的上方，大气温度随高度变化的速率，是气象变化的一个重要因素，它直接影响空气的垂直混合状况。换言之，大气温度随高度的分布情况与大气的稳定性关系密切，同时影响着受污染的空气被较洁净的空气混合而冲稀其污染浓度的作用。因此，有必要对大气温度随高度的变化情况作一简单介绍。

如果把大气温度沿垂直方向随高度变化的速率称为垂直降温率，并用下式表示：

式中r—垂直降温率；

T—温度；

h—离地面的高度。

垂直绝热降温率（Adiabatic lapse rate）就是空气在绝热条件下上升时，由于上升气块所受的压力降低而膨胀，消耗了内能，使气块温度随之下降的速率。此外，绝热就是指该气块与其周围不存在任何热交换。由于干空气可近似看作理想气体，同时根据气压随高度变化的关素式：

式中ρ—大气压力；

h—高度；

ρ—空气的密度；

g—重力加速度。

并利用有关的热力学公式，可以推导出计算垂直绝热降温率的数学式：

式中M—空气的克分子量；

ρ—空气的克分子恒压热容。

把相应的数值代入式（13—4）后，便可求得r之值：

r＝0.98℃/100米≈1℃/100米

0001这就是说，为空气作绝热上升时，离开地面每升高100米，气温下降1℃，或每升高英尺，气温下降5.4F。通常把这一r值称为空气的绝热降温率。显然，这是指理想情况而言的，实际情况往往远非如此。由于各地区空气的成份不同、干湿等也有别，所以r之值也就不总是等于1℃/100米。例如r＞1℃/100米，就是超绝热（Super adiabatic）降温率。此时气块上升的降温率大于绝热降温率，造成气块的温度低于理想的温度。冷者下沉，下沉后受到地表的辐射热又上升，以致发生垂直混合。显然，此时大气是不稳定的，它有利于空中的污染物扩散开来。从控制空气污染的角度出发，这是我们所期待的气象条件。与此相反，当r＜1℃/100米，即次绝热降温（Subadiabatic）时，空气是稳定的。此时空气上升的降温率低于绝热降温率，以致气块的温度稍高于理想的温度。这样，不同高度的空气层之间，就很难发生垂直混合；因此，空气基本上是稳定的，这会使空中污染物积累起来。

下面将气体方程式与图13—2相结合，简要说明次绝热降温时，气块稳定于原点的道理。

假设有一气块在次绝热降温的大气中运动，并设想该气块与周围空气之间有一气膜分隔开，而且气块在作垂直运动的过程中，其温度变化的规律服从绝热降温率。由理想气体的状态方程式

图13-2 次绝热降温时空气稳定于原点

P＝ρRT 　（13—5）

式中 P—压力；

ρ—气体的密度；

R—理想气体常数；

T—绝对温度。

并以“b”表示气块中的空气；“a”表示周围的空气，则分别有：

Pa＝ρaRTn　（13—6）

P b＝ρbRTb　（13—7）

若忽略气块内张力所引起的影响，则气块处于原点0处的内外气压相等，所以有：

当气块由原点上升到u点时，因周围气温Ta高于气块内部温度Tb，即气块较重，所以下降返回原点；当气块下降到点F时，则周围气温Ta低于气块内部温度Tb，此时气块较轻，重又上浮返回原点，结果气块不上不下，保持在原点稳定。因此，空中污染物也就不能扩散开去。

假如高度增大时，气温反而上升，即d T＞0，或垂直降温率则该空气层便成为逆温层（Inversion layer）°此时上层空气密度低，下层空气密度高，空气在垂直方向上不存在任何运动，气层异常稳定，以致常常发生空气污染事故（见图13—3）。(www.xing528.com)

图13-3 绝热降温率成为气层稳定与不稳定的分界线

图13-4 大气稳定性和排烟类型

习惯上把出现逆温层所在的高度称为逆温高度；而把开始出现逆温至逆温消失的高度范围，称为逆温层厚度；逆温层内的最大温度差，则称为逆温强度。

不同降温率对烟囱的排烟型式影响很大（见图13—4）。由图可见，超绝热降温时，大气不稳定，出现波浪型排烟，它能使污染物风速扩散。

逆温时，由于大气稳定，形成扇型（Fanning）排烟，它严重地妨碍空中污染物的垂直运动，只能朝水平方向扩散（见图13—4 中）。

当大气的上层为逆温，下层是超绝热降温，即上层稳定，下层不稳定时，形成熏烟型（Fumigation）排烟，空中污染物被熏烟带回地面，使污染更为严重。

（2）产生逆温的原因

① 哈德黎环流与下降逆温

逆温层的形成有许多原因，最常见的是所谓下沉逆温（Subsidence inversion），即当上层空气下沉时，落入高压气团中，因受压而变热，使气温高于下层的空气。

由十八世纪英国气象学家哈德黎（Hadley）而命名的哈德黎环流机理可说明下沉逆温现象。假定地球表面光滑，且无转动，当太阳直晒在赤道上时，赤道周围的空气因受热而上升，同时膨胀，并自身冷却。当上升到对流层顶时，空气则分向南北流去，很可能到极区较冷的地方又下降，而形成如图13—5所示的简单的大气环流模型。实际上，在赤道上方升起的气流向南北流经纬线±30°时即下降，部分回流，形成 个哈德黎环流；部分沿地面向北流，到±60°时上升，形成另一个哈德黎环流；在±60。和±9o°（即两极点）间，再形成第三个哈德黎环流（见图13—6）。这类环流的存在对世界各地区的气候有决定性的影响，它说明在中纬度地区为什么会产生下沉逆温现象。而在赤道和±60。纬线处，空气上升，膨胀并自冷。空气越冷，饱和湿度也越小，多余的湿气就冷凝成云、雾和雨。相反，在纬线±30。的地区，较干燥的空气下沉，压缩并自热，结果晴天多雨水少。如自热后气温比下层的空气高，那就引起下沉逆温（见图13—7）。

图13-5 园滑静止的地球在赤道 热时可能的大气环流模型

图13-6 第一象限内的哈德 环流

图13-7 哈德黎环流形成的下沉逆温

图13—7指的是阳光直射在赤道时的情况；即在春分（3月21 日）和秋分（9月23日）这两天的情况，夏季时，上图向北移动，冬季则向南移动。

上述模型虽然粗糙，但有助于说明世界海平面大气压力图。很明显，赤道附近是低压区，纬线±30。附近是高压区，高压区的气候良好，温暖干燥；可惜有时会产生下降逆温，造成地区性空气污染。

② 引起逆温的其它原因

除高压气团能造成下降逆温外，还有另外一些原因可以造成对流层的逆温现象。例如在经过一个寒冷而晴朗的夜晚后，次日早晨地表就会出现辐射逆温（Radiation inversion）现象。这是因为在夜里地表将热量辐射到空间后变冷了。如果当时有云，则有些能量可借云层反射回地面，使地表温度不致降得太多。但如晴朗无云，则地表会迅速冷下来，紧接着使地面的空气也变冷了，以致其温度低于其上部空气的温度，从而产生逆温现象。到了白天，太阳晒热地表后，逆温现象才消失。图13—8是一天中不同时间的温度变化曲线，它表明逆温层的形成与消失。清晨，太阳晒热地表，使低层空气的温度升高；这样，就形成了垂直混合的空气层（见图13—8（b））。如果原来悬浮在上面定空气层中的污染物突然落入此混合层中，便会有更多的污染物向地面降落，造成该地区短时期的严重污染。这就是前述的熏烟现象。

图13—8（a）为极区的夜间辐射逆温，在漫长的极夜里，它有时可持续数星期之久，可能引起严重的污染事故。

图13-8 一天内大气层的温度变化

有时下沉逆温和辐射逆温会同时发生；高空为下沉逆温，低空为辐射逆温（如图13—9所示）。

又如海岸逆温（Coastal inversion），是由于白天里陆地被太阳晒热后，地面的热空气上升，将海上的冷空气吸入，使沿岸地面产生逆温。当海风移动到内地时，逆温层变窄，最后消失（见图13—10）。

图13-9 两种逆温并存

图13- 10 海岸逆温的形成

还有地形逆温（Geographical inversion），是因局部地区地理条件的特点而形成的。例如在山区，晚上稠密寒冷的空气沿山坡流聚在山谷中，上层虽有热气流通过，也不会影响山谷中滞止的冷气团；因此，山谷中便形成了上温下冷的逆温层。这种状况有时可以保持一整天之久，不到阳光直射山谷，或热风劲吹，是不会消失的（见图13—11）。因此，建设在山谷中的工业城市，由于山地可以阻碍空气的水平流动，而逆温的存在又阻止了污染物的垂直稀释作用，所以，这类城市的空气污染问题特别严重。著名的马斯河谷和多诺拉公害事件都是因此而发生的。

图13-11 地形逆温的形成

3. 降水的影响

各种形式的降水，特别是降雨，能有效地吸收、淋洗空气中的各种污染物。所以大雨之后，空气格外新鲜，就是这个道理。

4. 雾的影响

雾象一顶盖子，它会使空气污染状况加剧。

以上所讨论的风、大气的稳定性（即大气的逆温状况，或垂直混合高度——在地表之上能够发生强有力的垂直混合作用的整个高度）、降水情况及雾的出现，就是影响空气污染物扩散的主要气象因素。国家气象中心（或气象站）应收集上述数据，制成图表，以供使用。一般地说，上午的风速和混合高度均低于下午；靠近水体的地区，白天温度变化小，从而混合高度变化也少。

5. 空气污染“事故日”与污染指数

上述诸气象因素达到什么水平才会使空气污染加剧至发生事故的程度呢？一般，如果一个地区连续几天低混合高度、低风速和无雨，就最可能发生空气污染。采用“事故日”的多少可以表示大气污染的可能性。经验证明，发生事故日的条件大致是：持续2天混合高度小于1500米，风速小于4米/秒和无大雨。由事故日等值线图，可看出事故日最多的地区，只应作农业区；而事故日少的地区可作工业区。

最近，人们又采用污染指数来概括风、大气稳定性，降水及混合层高度等气象因素影响污染物扩散的共同作用。

污染指数可按下式计算求得：

式中 Id—d方向上的污染指数；

s—大气的稳定性；

v—风速；

h—混合高度。

p—降水。

s、p、v、h在计算时均按实际气象资料的数值转换成无量纲的相对值；这样经过计算所得的Id值也是一个无量纲的数。Id值越大。说明d方向下侧的污染越重。

由大量的实际资料的计算中发现，Id≤0.8时，为清洁型大气。换言之，这些地区不容易发生空气污染事故，可以作为工业区。