地理人教版（2019）选择性必修3 1.3大气污染的扩散 课件（共50张ppt）

(共50张PPT)
第三节 污染物在大气中的扩散
一个区域的大气污染程度取决于该区域内排放污染物的源参数，气象条件和近地层下垫面的状况。
大气污染扩散是大气中的污染物在湍流的混合作用下逐渐分散稀释的过程。主要受风向、风速、气流温度分布、大气稳定度等气象条件和地形条件的影响。
气象条件和下垫面状况决定了大气对污染物的稀释、扩散的速率和迁移转化途径。在源参数一定的情况下，气象条件和下垫面状况是影响大气污染的重要因素。
一、影响空气污染的气象因素
1、风和湍流
（1）风的概念
水平方向的空气运动称为风，风是一个矢量，具有大小和方向。
风速用来表示风的大小；
风速：u＝3.02×F 3/2 （km/h）
式中F为风力等级，0－12级
风向（风的吹向）指风的来向，指从外面吹向地区中心的方向。
主导风向
主导风向指风频最大的风向角的范围。风向角范围一般在连续45度左右，对于以16方位角表示的风向，主导风向指连续2-3个风向角的范围。
某区域的主导风向应有明显的优势，其主导风向角风频之和应≧30%，否则可称该区域没有主导风向或主导风不明显。
（2）风对空气污染的影响
风速大小决定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；
风向影响污染物的扩散方向。
在没有主导风向的地区，应考虑项目对全方位的环境敏感区的影响。
风向频率：指一定时间内（年或月），某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分率.
16方位风向角
风向频率=某风向出现次数/各风向总次数×100%
（3）风玫瑰图
风玫瑰图指在各方向线上按各方向风的出现频率，截取相应的长度，将相邻方向线上的截点用直线联结的闭合折线图形 。
在极坐标上绘出的某一地区在某一时段内各风向出现的频率或各风向的平均风速的统计图。前者为“风向玫瑰图”，后者为“风速玫瑰图”，图形似玫瑰花朵。在风向玫瑰图中，频率最大的方位，表示该风向出现次数最多。
最常见的风玫瑰图是一个圆，圆上引出16条放射线，代表16个不同方向，每条直线的长度与这个方向的风的频度成正比。静风频度放在中间。
通常采用一个地区多年的平均统计资料绘制风玫瑰图。
风玫瑰图
图1中该地区最大风频的风向为北风，约为20％（每一间隔代表风向频率5％）；中心圆圈内的数字代表静风的频率。
3为风频风速玫瑰图，每一方向上既反映风频大小（线段长度），又反映这一方向的平均风速（线段末段的风羽多少）；
4～5为无量化的风玫瑰简易图，线段的长度表示风频的相对大小。
（4）污染系数及污染风频
污染系数＝风向频率÷该风向的平均风速
即 Fi = fi / ui （表示来自i方向的污染程度）
污染风频（Ri）：指该方向上污染系数与该地总平均风速的乘积，即：Ri = Fi ×u = fi × u/ui
根据各风向的污染风频，可以绘制污染风频玫瑰图，据此可判断污染严重的方位。
污染系数亦可绘制成污染系数玫瑰图，污染系数越大，下风方向的污染就越严重。
（5）大气湍流
大气湍流是大气中一种不规则的随机运动，湍流每一点上的压强、速度、温度等物理特性等随机涨落。
大气湍流是大气中的一种重要运动形式，它的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强，远大于分子运动的交换强度。
大气湍流的存在同时对光波、声波和电磁波在大气中的传播产生一定的干扰作用。
湍流分类
（a）机械湍流：由机械和动力因素引起，底层大气的主要形式；
（b）热力湍流：由地表受热不均，或大气层结不稳定引起空气在垂直方向的运动。
湍流具有极强的扩散作用，风和湍流是决定大气中扩散状况的最直接因子，其他气象因素都是通过湍流的作用影响扩散稀释的。
2 大气稳定度
大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的重要因素。指空气块在垂直方向的稳定程度，按以下进行分级：
A-强不稳定 B-不稳定 C-弱不稳定
D-中性 E-较稳定 F-稳定
P：风速高度指数，与风速和地形有关的参数。（教材P37）
2 大气稳定度
大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的重要因素。指空气块在垂直方向的稳定程度，按以下进行分级：
A-强不稳定 B-不稳定 C-弱不稳定
D-中性 E-较稳定 F-稳定
当大气层结不稳定时，热力湍流发展旺盛，对流强烈，污染物易扩散。
当大气层结稳定时，湍流受到抑制，污染物不易扩散稀释，特别当逆温层出现时，通常风力弱或无风，低空象蒙上一个“盖子“，使烟尘聚集地表，造成严重污染。
建设项目选址应充分考虑大气稳定度。
（1）大气气温的垂直递减率）
气温随高度的变化称为气温垂直递减率。
＝－d T / d Z
正常情况下，对流层从地面获得能量，温度随高度增加而降低，大气层平均每升高100 m，气温降低0.65℃，因此， ≈ 0.65℃/100 m。
这是总的趋势，实际上，大气的温度层结还受多种因素影响。
（2）气块的干绝热递减率 d
干空气块或未饱和的湿空气块在绝热条件下，每升高单位高度所造成的温度下降数值。通常取100米表示：
d＝－d Ti /d Z ≈ g/Cp＝0.98 (℃/100m)
一般近似为： d=1℃/100m
注： d与 的概念和涵义都不同。
（3）温度层结：大气的温度在垂直方向上的分布
温度层结曲线
4：逆温γ<0；气温随高度增加而
增加，称为逆温，不利于大气污染物的扩散。
1：正常层结，γ> 1；
2：中性层结，γ=1 ；
1和2为对流层中正常的大气层结（γ> 0） ，气温随高度的增加而递减，有利于污染物的扩散。
3：等温层结，γ=0 ；气温不随高度变化，为等温层结。
(4) 大气稳定度的判断
判断：假如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：
(a) 稳定大气：外力去除后，气块减速并有返回原来高度的趋势；
(b) 不稳定大气：外力去除后，气块加速上升或下降；
(c) 中性大气：外力去除后 ，气块静止或作等速运动。
判断依据： 当γ<γ d时，大气处于稳定平衡状态。
当γ> γ d时，大气处于不稳定状态；
当γ=γ d时，大气处于中性平衡状态；
可见：大气的垂直递减率γ越大 ，大气越不稳定；
气块的干绝热递减率 γ d越小，气块越不稳定。
在大气某高度，气团在垂直方向上相对稳定的程度，与γ和γd有关。
假设：某气团的状态函数为Ti、Pi和ρi，周围大气状态函数为T、P、ρ。单位体积气团受到周围大气的浮力为ρ·g，气团本身的重力为－ρi·g。
在浮力和重力作用下的向上加速度为：
a ＝g (ρ—ρi) / ρi
大气稳定度
根据准静力条件(Pi＝P)和理想气体状态方程:
ρ=P / RT 则：a ＝g (T—Ti) / T
气团运动满足绝热条件，在△Z高度下的温度：
Ti ＝Ti0－γd △Z
周围大气温度:
T ＝T0－γ△Z
在同一起始温度下, T0＝Ti0 ，则：
a ＝g △Z(γ—γd ) / T
高度
11℃ —11.2℃
12℃ —12.0℃
13℃ —12.8℃
11℃ —11.0℃
12℃ —12.0℃
13℃ —13.0℃
11℃ —10.8℃
12℃ —12.0℃
13℃ —13.2℃
100
200
300
A
Γ 0.8℃/100m
B
1.0℃/100m
C
1.2℃/100m
0
A：γ－γd＜0，
气团减速运动，大气稳定。
B：γ－γd = 0，大气是中性的。
C：γ－γd＞0，气团加速运动，大气不稳定。
用γ－γd ≠0 作为大气静力稳定度的判据。
3. 逆温
逆温：温度随高度增加升高，气层稳定性强，对大气垂直运动起阻碍作用。
种类及其产生原因：
（a）下沉逆温；
（b）辐射逆温；
（c）平流逆温；
（d）湍流逆温；
（e）锋面逆温。
辐射逆温层
一般，对流层中γ＞ 0，γ ＝ 0称等温层
γ＜ 0 气温随高度增加而升高，称逆温气层。
近地面的逆温多由热力学条件形成，以辐射逆温为主。
辐射逆温：地面因强烈辐射而冷却降温所形成的逆温现象。
有利形成条件：平静而晴朗的夜晚
逆温层结曲线
白天：ABC
夜晚：FEC，
逆温层最厚DBC
(a) 正常温度层结
(b) 逆温开始生成，随地面辐射增强，迅速冷却，逐渐向上发展
(c) 辐射达到最强时为黎明前
(d) 日出后，地面增温，空气自下而上增温，逆温逐渐消失
(e) 上午10时左右，逆温消失
这种逆温冬季最强，中纬度地区可达200~300m

　
　
a b c d e
下午时 日落前1h 黎明时 日出后 上午10时
辐射逆温的日变化规律
形成逆温层
逆温层逐渐消失
开始形成逆温
逆温完全消失
正常温度层结
下沉逆温/压缩逆温：
大规模气流在下沉过程中受到压缩而增温.
顶部增温快，底部增温慢，形成逆温层。
多出现在大气高压控制区的高空大气中，逆温范围广，厚度达几百米。
正常温度层结
逆温层结
湍流逆温：由低空大气湍流运动发生热量交换而形成，逆温层出现在混合层以上的过渡层。
逆温层
锋面逆温：冷暖气流在对流层相遇，暖气流在冷气流上方形成的逆温。仅发生在冷空气一方。
平流逆温：海面上空暖气流吹到大陆上空时，下层大气受冷地面影响而降温，上层大气降温慢而形成逆温层。主要发生在中纬度沿海地区冬季。
近地层逆温 辐射逆温、地形逆温、平流逆温、湍流逆温
自由大气逆温 下沉逆温和锋面逆温
逆温常由几种原因共同形成，应综合考虑当时、当地的气象条件和地理条件。
（6） 不同温度层结下的烟型： 波浪型（不稳定）
锥型（中性）
平展型（逆温）
上升型（下稳上不稳）
熏烟型（上稳下不稳）
①波浪型：多出现于夏季午后不稳定层结中，烟云在上下左右各方向波动，此时流场中的大尺度湍涡十分活跃，易引起烟源近距离处的高浓度污染；
波浪型： γ ＞γ d，不稳定，不形成烟雾事件。
不同温度层结下典型的烟羽形状
②锥型：烟气沿主导风向呈锥形运动，横向和竖向的扩散速度相近。
多见于阴天、多云的中性层结条件下；
圆锥型， γ － γ d＝0，中性层结，污染物向远处输送。
③平展型：多出现在夜间，层结稳定或有逆温时，垂直方向烟流扩散速度小，因此，湍流垂直交换受到抑制，烟气以缓慢的横向弥散为主；
形成逆温，γ＜γ d
烟囱高时，污染物被输送到远方；烟囱低时，近地面严重污染。
④上升型（屋脊型）：常见于日落后地面有逆温形成，而烟源高度以上仍为近中性或弱不稳定层结的短时间内烟气难以到达地面。
上升型，对地面污染小，
下部稳定 γ ＜γ d
上部不稳定 γ ＞γ d
⑤熏烟型：多在日出后的短时间内发生，此时烟羽向上扩散受阻，而向下的湍流交换迅速，从而使地面浓度突然增高，与屋脊型的温度层结分布相反；
漫烟型，地面污染严重，
下方不稳定 γ＞ γ d
上方稳定 γ ＜ γ d
以上5种烟型可作为判断大气稳定度的参考。
影响烟云扩散的因素复杂，除气象因素外，还应考虑地形地貌等下垫面的影响。
3、降水的影响
能有效地吸收、淋洗空气中的各种污染物。
4、雾的影响
雾会使空气污染状况加剧。
二. 天气形势和地理形势的影响
不利的天气形势和地形特征结合在一起可使某一地区的污染程度加重。
①天气形势：指大范围气压分布的状况
下沉逆温：大气压分布不均，高压区存在下沉气流，使气温绝热上升，形成上热下冷的逆温现象。污染物长时间积累在逆温层中不能扩散。世界上一些较大的污染事件大多在这种天气形势下形成的。
二、天气形势和地理形势的影响
②地理形势：
由于不同地形地面之间的物理性质存在着很大差异，从而引起热状况在水平方向上分布不均匀。这种热力差异在弱的天气系统条件下就有可能产生局地环流，例如海陆风、城郊风、山谷风
1. 海陆风
白天：海陆间形成指向大陆的气压梯度，生成海风。
夜间：海陆之间形成指向海洋的气压梯度，生成陆风。
海陆风对空气污染的影响的作用：一种是循环作用，另一种是往返作用。
海陆界面
——海风和陆风；
白天
晚上
海陆风形成机理
白天，地表受太阳辐射而增温，由于陆地土壤热容量比海水热容量小得多，陆地升温比海洋快得多，因此陆地上的气温显著地比附近海洋上的气温高。陆地上空气柱因受热膨胀，海风从每天上午开始直到傍晚，风力以下午为最强。
日落以后，陆地降温比海洋快；到了夜间，海上气温高于陆地，就出现与白天相反的热力环流而形成低层陆风和铅直剖面上的陆风环流。海陆的温差，白天大于夜晚，所以海风较陆风强。
因此，海岛上白天多雨，夜间多晴朗。
2.城郊风：城市热岛效应、城郊环流
城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风。
城市热岛效应是指城市平均气温比周围乡村高的现象。
城市热岛效应是指城市平均气温比周围乡村高的现象，造成的原因有：城市能耗高、城市覆盖物热容量大、城市上空笼罩一层烟雾和二氧化碳等。
城市热岛效应的影响因素
城市下垫面：（大气底部与地表的接触面）城市内有大量的人工构筑物。
人工热源
水气影响
空气污染
绿地减少
人口迁徙
城市热岛效应的危害
由于热岛中心区域近地面气温高，大气做上升运动，与周围地区形成气压差异，周围地区近地面大气向中心区辐合，在城市中心区域形成一个低压旋涡，导致各种大气污染物质在热岛中心区域聚集。表现在：
危害人体健康。
影响人的心理。
消耗大量电力和能源。
气温升高还会加快光化学反应速度，使近地面大气中臭氧浓度增加，影响人体健康。
3.山谷风：山风（夜间）和谷风（白天）；
由于山谷与其附近空气之间的热力差异而引起。
谷风：白天，风从山谷吹向山坡；
山风：夜晚，风从山坡吹向山谷。
山谷风形成机理
白天，山坡接受太阳光热较多，空气增温较多；与山顶相同高度的山谷上空，因离地较远，空气增温较少。山坡上的暖空气不断膨胀上升，在山顶近地面形成低压，并在上空从山坡流向谷地上空，谷地上空空气收缩下沉，在谷底近地面形成高压，谷底的空气则沿山坡向山顶补充，这样便在山坡与山谷间形成热力环流。下层风由谷底吹向山坡，称为谷风；
夜间，山坡上的空气受山坡辐射冷却影响，空气降温较多；而同高度的谷地上空，空气因离地面较远，降温较少。山顶空气收缩下沉，在近地面形成高压，冷空气下沉使空气密度加大大，顺山坡流入谷地，谷底的空气被迫抬升，并从上面向山顶上空流去，形成与白天相反的热力环流。下层风由山坡吹向谷地，称为山风。
4.地形、地物
山脉：过山气流（背风坡、背风涡、下洗）
城市高层建筑（下洗）
四、小结
1、空气中的污染物的积累取决于三个条件：风速、逆温层和地形；
2、厂址选择、新建城市选址应当考虑风向、风速、温度层结和地形的影响，应当选择在山谷外面、远离海岸线或“事故日”较少的地方。
作业
名词解释
大气污染、大气污染物、一次污染物
二次污染物、空气污染指数、温度层结
逆温、大气稳定度、光化学烟雾
TSP、PM10、
简述大气层的垂直结构及各层次特点。
简述影响大气污染的气象因素。
地面因素如何影响大气污染？
简述大气中主要污染物及其危害