大气污染治理技术：气象要素对其影响

与污染有关的气象要素主要有风、大气湍流和大气稳定度等。有时，各气象因素之间互相作用，实际情况较复杂，这里只作一些简单的分析。

（一）风对大气污染物扩散和输送的影响

风对大气污染的影响包括风向和风速两方面，一般情况下，风向影响污染物的水平迁移扩散方向，总是不断将污染物向下风方向输送，污染区总是分布在下风方向上，高污染浓度常出现在大气污染源的下风向，风速的大小决定了大气扩散稀释作用的强弱和对污染物输送距离的远近，风速越大，单位时间内混入烟气中的清洁空气愈多，大气扩散稀释作用越强；风速很大时，污染物输送的距离可能很长，但浓度将变得很小，通常，污染物在大气中的浓度与平均风速成反比，风速增大一倍，下风向污染物浓度将减小一半，风对大气污染物的影响发生在从地面起到污染物扩散所及的各高度，特别是高架源排放的污染物的扩散高度很高，所以各高度上的风都很重要，为利用地面风速资料推断各高度上风的分布，需要了解边界中风的垂直分布特征，风速随高度变化的曲线称为风速廓线，表征风速廓线的数学表达式（即风速廓线模式）有对数律风速廓线模式和指数律风速廓线模式。

1.对数律模式

对数律模式用来描述中性层结时近地层的风速廓线，即

式中　——已知高度z处的平均风速，m/s；

　　　u*——摩擦速度，m/s；

　　　K——卡门常数，在大气中K=0.44；

　　　z0——地面粗糙度，m。

表3.5列出了一些有代表性的地面粗糙度值。实际的z0和u*值，是利用在不同高度上测得的风速值，按上式而求得的。利用上式又求得不同高度及凹凸不平的地表的风速值。但应该注意对数律模式适合于中性层结的条件，而在非中性层结情况下应用，会出现较大的误差。

表3.5　有代表性的地面粗糙度

2.指数律模式

对于非中性层结时的风速廓线，可以用简单指数律模式描述。

式中　——已知高度z1处的平均风速，m/s；

　　　m——稳定度参数

参数m的变化取决于温度层结和地面粗糙度，尤其是温度层结越不稳定时m值越小。在实际应用时，m值最好实测。当无实测数据时，可按《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》选取。200m以下按表3.6选取，200m以上取200m处的风速。

表3.6　不同稳定度下的m值

大气、污染物在扩散过程中，由地表到所及的各高度上都会受到风的影响，利用风速廓线模式可计算出不同高度上的风速，便于进行大气污染物浓度估计。

（二）湍流对大气污染物的扩散作用

烟囱里排出的烟流在随风飘动的过程中，会上下左右摆动，体积越来越大，最后消失在大气中，这就是大气湍流扩散的结果。

湍流的扩散作用与风的稀释冲淡作用不同。在风的作用下，烟气进入大气之后，可顺风拉长。而湍流则可使烟气沿着三维空间的方向迅速延展开来，大气中污染物的扩散主要是靠大气湍流的作用来完成的。湍流越强，扩散效应也就越显著。(https://www.xing528.com)

湍流是由大大小小的尺度不同的涡旋组成的气流。根据涡旋的尺度可分为三类，小涡旋，尺寸比烟团小，因为扩散速度慢，烟气沿水平方向几乎成直线前进；大涡旋，尺寸比烟团大，这时烟团可能被大尺度的湍流夹带。前进路线呈曲线状；复合尺度湍流，湍流由大小与烟团尺寸相似的涡旋组成，烟团被涡旋迅速撕裂，沿着下风向不断扩大，浓度逐渐稀释。

在实际生活中可以感到风速时大时小，有阵性，而且沿主导风向常出现左右和上下的无规则摆动。大气的这种无规则的阵性和摆动，叫作大气湍流。如果大气中只有风而无湍流运动，则污染物在烟囱口被直接冲淡稀释，污染物的扩散速率很慢。湍流是边界层中大气运动的基础，湍流对于大气中物质和能量的输送有十分重要的作用，大气污染物的稀释主要靠湍流扩散来进行。污染物排入大气后，形成浓度梯度，它们除随风作整体飘移外，湍流混合作用会不断将周围的清新空气卷入已污染的烟气，使污染物质从高浓度区向低浓度区分散、稀释，这种过程就是湍流扩散过程。湍流输送速率极大，它比分子输送速率要大105～106倍。所以，分子扩散效应在大气扩散中可忽略不计。

大气烟云在向下风向飘移时，受到大气湍流的作用，使烟团向周界逐渐扩张，见图3.5。

图3.5　风的大小对烟流扩散的影响

（三）大气稳定度的影响

大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的极重要因素。当大气处于不稳定状态时，在近地面的大气层中，下部气温比上部气温高，因而下部空气密度小，空气会产生剧烈的上下对流，烟流会迅速扩散。大气处于稳定状态时，将出现逆温层。逆温层像一个盖子，阻碍着空气的上下对流。烟囱里排出来的各种污染物质，因为不易扩散而大量地积聚起来。随着时间的延长，局部地区大气污染物的浓度逐渐增大，空气质量恶化，严重时就会形成大气污染事件。

烟流在大气中形态的变化，也能够反映出大气稳定度状态。图3.6是5种不同的温度层结状况下，烟流的典型形状。

图3.6　大气稳定度与烟流

1.波浪形

这种烟型曲折呈波浪状。多出现在晴朗的白天，阳光照射强烈，地面急剧加热，使近地面处气温升高。此时大气温度垂直递减率大于干绝热直减率，即γ-γd﹥0，大气极不稳定。烟流可能在高烟囱不远的地方与地面接触，但大气湍流强烈，污染物随着大气运动而很快地扩散，并随着离烟囱距离的增大其浓度迅速降低。

2.锥形

这种烟形如同一个有水平轴的圆锥体。多出现明天的中午和强风的夜间，此时大气处于性中性状态，γ-γd=0。烟流沿风向呈锥形扩散，垂直方向扩散较波浪形差。但烟流在离烟囱很远的地方与地面接触，很少会形成污染。

3.扇形

这种烟流又称为平展形，在垂直方向扩散很小，而呈扇形在水平面上展开。多出现在有弱风晴朗的夜间和早晨，在平坦地区，特别是有积雪时常常发生，此时大气非常稳定，γ-γd﹤-1。污染情况随烟源的高度不同而异，烟源很高时，在近距离的地面上不会造成污染。烟源低时，烟流遇到山丘或高大建筑物的阻挡时，会发生下沉，给该地区造成污染。

4.屋脊形

这种烟流也称为爬升形。它的形成，是因为其下部是稳定的大气，而上部是不稳定的大气。烟流下部平直，上部在不稳定的大气中，沿主导风向进行扩散形成一屋脊状。多出现在日落前后，地面由于有效辐射而失热，低层形成逆温，而高空仍保持递减状态。这种状态持续时间短，若不遇到山丘与局建筑物的阻挡，就不会形成污染。

5.熏烟形

这种烟型又称为漫烟型。它的形成恰好与屋脊型相反。流之上有逆温层，而其下方至地面之间的大气层则是不稳定的，因而烟气只能向下扩散，给地面造成威胁。这种烟型多出现在辐射逆温被破坏时。辐射逆温是常见的逆温情况。在晴朗的夜晚，云少风小，地面因强烈的有效辐射而冷却，近地面处的气温下降急剧，上空则逐渐缓慢。这就形成了自地面开始的，逐渐向上发展的逆温，这就是辐射逆温。日出之后，由于地面增温，低层空气被加热，使逆温从地面向上渐渐地破坏，图3.7示出了一昼夜间辐射逆温的生消过程。图中（a）为下午时正常的递减层结；（b）为日落前1h逆温生成初始；（c）为黎明前逆温达到最强；（d）、（e）则是日出后逆温层白上而下的消失状况。这便导致了不稳定大气自地面向上逐渐发展。当不稳定大气发展到烟流的下边缘时，烟流就强烈向下扩散，而烟流的上边缘仍在逆温中，于是熏烟型烟流就产生了。烟气迅速扩散到地面，造成地面的严重污染，许多烟雾事件就是在这种条件下发生的。

图3.7　辐射逆温的生消过程

影响烟流形成的因素很多，这里只是从温度层结和大气稳定度的角度进行粗略的分析。但是这5种典型烟流可以帮助我们简单地判断大气稳定度状态，并分析大气污染的趋势。