卡門渦街

[拼音]：kongqi wuran qixiangxue

[英文]：air pollution meteorology

研究大氣運動和大氣中汙染物相互作用的科學，它是應用氣象學的一個分支，也是大氣科學中的一個新的領域。自然現象（火山爆發、森林火災等）和人類活動(工業生產和生活消耗能源和資源)產生的廢氣和粉塵排入大氣中時，造成大氣汙染。這些汙染物被風輸送，在大氣湍流作用下擴散稀釋，通過重力沉降作用和降水沖刷過程，降到地面（水面、土壤）；這些汙染物也可能在大氣中發生化學變化，變成其他物質。空氣汙染氣象學的主要內容，是研究大氣運動引起的汙染物輸送、擴散、遷移和轉化等過程。大氣中的汙染物，對大氣的熱平衡、天氣氣候變化等都有影響，對這些問題的研究也屬此學科的內容之一（見平流層和中層大氣物理學、大氣臭氧層、大氣化學）。

簡史

空氣汙染氣象學的萌芽可以追溯到第一次世界大戰期間。英國為了研究野戰時毒氣濃度的預報方法，自1921年起進行大氣擴散實驗。20世紀40年代，原子能工業的興起和發展，提出了放射性物質汙染的預測和控制問題，促進了大氣擴散的實驗和理論研究。50年代後，由於工業和人口高度集中，相繼出現了城市汙染事件。以1952年12月的倫敦煙霧事件為例，在持續了三天的下沉逆溫和小風天氣條件下，倫敦上空的二氧化硫和煙塵等汙染物，很難向上擴散和向遠方輸送，集積的濃度很高，奪去了四千餘人的生命。60年代後，核試驗和高空飛行使汙染範圍擴充套件到平流層。大氣汙染已由某一工廠引起的局地汙染（十幾公里範圍）轉為區域性和全球性的汙染。一些國家為了尋求大氣環境保護法的依據，和根據大氣擴散和自淨能力提出控制和消除大氣汙染的途徑，組織了對城市的、區域的和全球範圍的大氣汙染輸送、擴散、遷移和轉化規律的實驗和研究，以及各類大氣汙染模式的計算和汙染預報方法的研究。這些方面不僅和大氣邊界層、大氣湍流、大氣湍流擴散的研究有關，而且涉及中尺度和天氣尺度的大氣運動規律，以及平流層和對流層之間的汙染物交換過程、大氣的物理和化學過程的相互影響等。大氣汙染對天氣和氣候影響的研究，涉及大氣科學的大部分分支學科，大氣汙染的控制問題和大氣科學密切相關，所以從60年代以來，逐漸形成了空氣汙染氣象學。

平原地區的空氣汙染與氣象

主要研究平坦地形上空大氣汙染物的輸送和擴散的規律，估算煙囪排放和地面廠房洩漏的汙染物對周圍環境和下風地區的影響。它是選定煙囪位置和高度，進行廠區和居民區的合理佈局的重要依據。由於平原地區的風向和風速在某一水平面上基本是均勻的，因此，汙染物的輸送規律比較簡單。汙染源對周圍地區的汙染頻率，由當地風向頻率所決定。顯然最高頻率風向的下風地區受汙染機會最多。氣流繞過廠區建築物時，在其背風面產生下沉氣流，若煙囪口在此氣流內，汙染物將被帶到背風區。為了避免對附近地區的影響，至少煙囪應比附近建築物高一倍半。

大氣擴散能力和大氣穩定度(見大氣靜力穩定度)密切相關。在晴天小風條件下：夜間在近地面幾百米高度內出現輻射逆溫，大氣穩定，湍流受到抑止，擴散緩慢；中午氣溫鉛直遞減率大於1°C/100米時，大氣處於不穩定狀態，熱力湍流發展，擴散能力很強；當氣溫鉛直遞減率等於1°C/100米時，大氣處於中性狀態，湍流得以維持，擴散能力介於穩定和不穩定條件之間。在大風或有云的條件下，風速的增大，雖可增加湍流強度，但由於大風或雲層的關係，逆溫強度減弱，熱對流的發展也受影響。F.帕斯奎爾根據太陽輻射強度（按太陽高度角、雲狀和雲量劃分為強、中、弱三級）、雲量和風速各因素，將大氣穩)，定度分為6類（見表）其中A最不穩定，B不穩定，C稍不穩定，D中性（白天或夜間的陰天情況下都屬中性），E穩定，F最穩定。

計算汙染物的濃度時，採用擴散實驗概括的理想化模式。高煙囪排放的連續點源在下風方向地面的汙染物濃度χ的計算公式為：

式中Q為源強(單位時間排放的質量)；ū為平均風速；以排放源為原點，水平面上y軸垂直於平均風向，z軸鉛直向上為正方向；σy和σz分別為y方向和z方向的大氣擴散引數，H為煙囪高度和煙氣抬升高度之和（稱為煙囪有效高度）。各類穩定度下的大氣擴散引數沿下風方向相對於排放源的距離x 的變化，可由圖查詢或按σ＝axb計算。其中a和b的數值與大氣穩定度有關，由實驗測定。

對於工廠地面裝置和廠房洩漏的氣體，可按面源或線源來計算，計算公式可由點源公式推匯出來。

水陸交界地區的空氣汙染與氣象

在沿海或湖濱地區，水陸之間的溫差產生的局地環流稱為海（湖）陸風(見海陸風)。低層氣流把排入的汙染物輸送到一定距離後，又從高空返回到原地，使原地的汙染濃度增高。有時陸風帶走的汙染物被海風帶回，也使空氣中的汙染物濃度增高。美國洛杉磯市的光化學煙霧就是在這種環流條件下產生的。春夏兩季，水溫比陸面溫度低得多。水面上的空氣流經陸面時被加熱，把原在水面上空形成的逆溫層破壞。這時逆溫層上部積聚的汙染物被熱對流帶到地面，使該處汙染物濃度加大，稱為“薰煙”現象。由於湖面逆溫可維持幾個小時，這種現象可延續較長的時間。同樣，在秋冬兩季，由陸面吹來的穩定空氣流經不結冰的水面時，也會出現“薰煙”現象。由於陸面的粗糙度一般大於水面，所以陸面上的大氣湍流擴散通常比水面上的強。

山區的空氣汙染與氣象

地形起伏使得接受的太陽日輻射強度和輻射冷卻不均勻，由此引起的熱力環流，稱為地形風。山坡白天有上坡風，夜間有下坡風;山谷白天有穀風，夜間有山風(見山谷風)。深谷還可以出現山谷風的閉合環流，其上部的反向氣流稱為反向山谷風。在山區和平原之間，還有大型坡風(又稱山區-平原風)。在山谷中的不同位置，不同高度的氣流有很大差異，因此不同排放點的汙染物輸送路徑也不相同。山坡上的煙囪高度若低於坡風的厚度（幾十米），則汙染物被下坡風帶到平原或山谷中，這對利用山坡地形來增加煙囪的排放高度是不利的，若排放口處於閉合環流之中，也不利於汙染物排出，而使當地汙染物的濃度增高。高煙囪的煙氣，在迎風的山坡上造成的汙染較大。氣流過山的動力作用在背風坡產生下沉氣流或渦旋；穀風在不穩定條件下，風速較大時也出現下沉現象。這都會使煙囪排放的煙氣向下傾斜或下沉到地面。山谷中的曲折地段，因地形阻塞而出現小風，會使這一地區的汙染加重。山區逆溫維持時間比平原地區長，而且還可能出現多層逆溫。逆溫層和山谷構成一個“管道”，限制了汙染物的擴散，加重了下風地區的汙染。汙染物在兩個逆溫層之間積累，當逆溫破壞後，就出現“薰煙”現象。雖然地形引起的氣流擾動，加大了湍流的強度，山區的大氣擴散引數比平原地區要大幾倍，但由於水平輸送不如平原地區，因此山區（尤其是山間盆地和谷地）的空氣汙染，通常比平原嚴重。

城市空氣的汙染與氣象

城市熱島效應，使夜間的低空不出現逆溫（見城市氣候），但在幾百米高度之上，仍為一穩定層所覆蓋，而在穩定層之下形成城市混合層。混合作用使該層內的濃度鉛直分佈趨於均勻。同時，熱島效應使農村的冷空氣向城市輻合而上升，形成了熱島環流。該環流的水平輻合流場使接近地面的汙染物向城市彙集，加重了城市的汙染；另一方面，其輻合上升氣流使高煙囪的煙氣上升，輸往遠處，又可減少對城市的汙染。此外，城市的建築群使地面的粗糙度增大，減弱了風速的鉛直變化，加上建築物之間的“渠道”作用，形成了複雜的局地環流。以上種種情況，都說明城市中的汙染物的輸送過程相當複雜。但總的說來，城市建築物對氣流的擾動和熱對流作用，使城市的湍流比平原地區強，因此大氣擴散引數比平原地區大得多。為了研究城市大氣汙染和提出控制汙染的措施，進行了各種效能模式的試驗，包括箱模式、統計模式和數學物理模式等。

箱模式

把城市由地面到混合層頂看成一個箱體，箱內的平均濃度是由城市汙染物總排放量和流量之間的動態平衡決定的，它正比於汙染物總排入量，而與平均風速和混合層高度的乘積成反比。此模式用於估算一個城市的平均汙染情況。

統計模式

選擇控制城市汙染的氣象因子，利用氣象資料和同時監測的汙染物濃度資料建立統計關係。根據氣象資料用此關係式計算觀測點的汙染濃度。

數學物理模式

由 4個方面組成：

（1）汙染源的簡化，掌握汙染源的分佈、排放方式和排放量隨時間的變化，按照模式的要求進行簡化。

（2）掌握城市邊界層結構（風和溫度的水平分佈、鉛直分佈及其隨時間的變化）和各類穩定度下的大氣擴散引數。

（3）掌握汙染物在大氣中的沉降、降水沖刷和大氣化學轉化規律，以便模擬汙染物在大氣中的遷移轉化過程。

（4）根據上述三方面的資料，建立大氣汙染多源模式並進行計算。

將模式的計算結果與監測濃度分佈進行對比，進一步驗正和修改模式（見圖）。修改後的模式便可用於大氣環境質量預測和防治途徑的研究。若能預報出模式需要的氣象引數（見天氣預報），就能做出汙染預報。

大氣自淨過程

全球每年有數億噸的煙塵和氣體排入大氣。但通過各種遷移、轉化過程又被清除出大氣，不在大氣中積累。在大氣中自然進行的這種過程，稱為大氣自淨過程，一般包括重力沉降、降水沖刷和大氣化學反應三種過程。

重力沉降

煙塵受重力作用沉降到地面，粒子越重，沉降速度越大。直徑大於10～20微米的粒子，沉降速度常大於1釐米/秒，其沉降作用不能忽略。下沉運動使煙道向下傾斜，近距離煙塵的濃度比同一排放量的氣體濃度大，而遠距離則相反。地面最大濃度可比無沉降過程的大百分之幾十。到達地面的汙染物，由於碰撞、吸附、植物吸收和化學反應等過程，一部分沉積到地面，一部分返回大氣中。地面上單位面積單位時間的沉積量正比於地面大氣汙染物的濃度。其比例係數稱為沉積速度。此速度越大，沉積量也越大。

降水沖刷

雲霧滴很小，只能吸收小粒子。雨(雪)在降落過程中與粒子碰撞而捕獲的粒子數和雨滴(雪花)掃過的體積內總粒子數之比同雨滴大小、粒子大小及粒子密度有關。由於雪花面積大，落速比水滴慢，對粒子的沖刷效果比雨滴大。氣體中的汙染物不斷擴散到雨雪上而被溶解或者發生化學反應。分子擴散係數越大，溶解度或反應速率越大，被雨雪清洗的氣體汙染物越多。

大氣化學反應

汙染物在大氣中發生一系列化學反應之後，有的不再具毒性（如硫酸霧與空氣中的氨化合成無毒的中性硫酸銨），有的形成新的汙染物。種類繁多的汙染物在大氣中的化學反應是極其複雜的。以二氧化硫為例，在日光照射下可氧化成三氧化硫。大氣中若含有起催化作用的二氧化氮和臭氧氣體，這種反應的速度更快。三氧化硫在空氣中遇水滴就形成硫酸霧。二氧化硫還可溶於水滴形成亞硫酸，然後再氧化成硫酸。酸霧遇到其他物質（金屬飄塵、氨等）形成硫酸鹽，再由降水沖刷形成酸雨降落地面。氮的氧化物和臭氧化合後，溶於水滴而形成硝酸，然後再與其他物質化合成硝酸鹽，而被降水清除出大氣。光化學反應過程在大氣中形成的酸霧和酸鹽微粒，稱為光化學煙霧（見降水化學）。