大气压变小温度计的水柱会怎样

6．4．3　大气污染与气象动力学

一个受到严重污染的城市，就其整个空气质量来说，是污浊的，但也经常会出现空气十分清新的时候．空气质量出现这种周期性波动，并不是该地区污染源发生了巨大变化，而是气象条件发生了较大变化．因此，研究气象动力学的改变对认识与解决空气污染起着十分重要的作用．要了解污染的扩散，先要了解大气是怎样运动的，因为污染物往往是随风漂流的．图6－9所示是大气层高度与温度的变化规律，根据这些规律我们将大气层分为对流层、同温层、中间层与电离层等．其中，对空气污染影响最大的是对流层．

图6－9　大气中空气温度随高度的变化规律

在对流层中，大气温度随高度的分布规律受地面影响很大，温度变化情况复杂．白天地面吸收太阳辐射后将部分热量向上传递，使近地层的空气首先增温，然后通过湍流、对流等传导方式，将热量向上传递，形成气温随高度的递减型分布，此种分布形式以晴天的中午最明显，如图6－10（c）所示．夜间太阳辐射为零，地面因本身辐射冷却降温，使近地层的空气由下而上逐渐降温，形成气温随高度增加的递增型分布，此种分布以秋天的半夜为代表，如图6－10（a）所示．日出后，近地面的空气随着地面的增热很快升温，使低层逆温很快消失，而离地面较高处的空气仍然保持着夜间的分布状态，故形成下层递减、上层递增的清晨转换型分布，此种分布以早晨6时为代表，如图6－10（b）所示．日落前后，由于地面迅速冷却，近地面的气层迅速降温，因而形成下层递增、上层递减的傍晚转换型分布，此种分布以晚上18时为代表，如图6－10（d）所示．

上述温度廓线的日变化规律在阴天、大风时不明显，晴天微风时比较明显．一般情况下，近地层温度的垂直变化比高层大气温度的变化大得多．

图6－10　日照对近地层大气温度分布的影响

下面我们来分析一下对流层内气流是怎样运动的．我们在地表面放一个气球，假设这个气球的球壁很薄，它的张力可忽略不计，从而球内的气体压力总是等于球外当地的大气压；同时球壁又是很保温的，这样球内外就无能量的交换．如果我们将这个理想的气球从地球表面一直上升到高空，由于大气压力的渐渐减低，气球将绝热膨胀，这时气球内的气体温度将随着高度的升高而降低，如图6－11中的虚线所示．注意，此时虚线不一定是大气中的实际温度线，我们称之为绝热线．

再来看一看大气的温度，如图6－10所示，太阳光并不能直接加热大气层，而是从下面靠温暖的地面把热量传给大气层，因而大气层的温度受多方面因素的影响，并且，大气层的温度随高度的变化不一定刚好是绝热的．这个变化规律对大气的运动乃至污染的扩散起着重要的作用．

假如大气温度随高度的变化是过绝热的，即大气温度随高度降低的速度比绝

图6－11　大气对流层温度对气体扩散影响分析示意

热线来得快，如图6－11中所示的虚线I．此时，若有一个气球，它开始处在地面①的位置，它的压力为P₁，密度为ρ₁，温度为T₁，根据气体状态方程，有：P₁＝ρ₁RT₁，其中R为普适气体常数．如将该气球绝热地升高h到达水平②的高度，则气球内的压力P₂＝ρ₂RT₂，这里ρ₂和T₂分别为气球内气体的密度和温度．此时在水平②高度，气球外大气的压力也应满足气体状态方程，即P₂′＝ρ₂′RT₂′，这里ρ₂′和T₂′分别为大气的密度和温度．因为气球内外气体压力应该是相等的，即：P₂′＝P₂，所以在水平②高度，气球内空气的密度ρ₂与大气中空气的密度ρ₂′满足：

ρ2＝ρ₂′×（T₂′/T₂）．

因为是过绝热状态，所以T₂′＜T₂，因此ρ₂＜ρ_2′．这说明气球中的空气密度比大气中的低，气球受到的大气浮力大于自身重量，它将一直往上飞去．这时的大气是不稳定的，表面略微受热的气体就会向上运动，产生对流风．

假如大气是次绝热的，即大气温度随高度降低的速度比绝热线来得慢，如图6－11中的虚线Ⅱ所示．进行类似的分析得到，ρ₂＞ρ₂″．这说明气球内的气体比大气重，气球重新回到①的位置．此时天气闷热，无对流气流运动，地表面的污染物也就无法扩散出去．更有甚者，如果大气的气温随高度不降低反而升高，称这时的大气层为逆温层，这逆温层就像一个盖子一样把污染物盖在地球表面，时间一长就会造成严重的大气污染．在分析烟云的扩散过程时，可近似将烟团看成这种绝热的小气球．图6－12给出了在不同温度分布情况下，烟雾扩散状况的差异．图6－12（a）所示为不稳定状态，图6－12（b）所示为中稳定状态，图6－12（c）所示为稳定状态，图6－12（d）所示为下层稳定、上层不稳定状态，图6－12（e）所示为下层不稳定、上层稳定状态．

图6－12

图6－12　大气温度的变化对烟雾扩散的影响

从图6－12可看出，大气温度的垂直变化情况对大气污染物的扩散影响非常大，图6－12（a）所示是波浪型烟型，这时大气处于很不稳定的状况，对流强烈，流场中有较大尺度的湍流涡，活动剧烈，扩散十分迅速，排入大气的烟云上下翻滚，沿主要风向流动扩散很快，污染物很少着地，只有较低烟囱排出的一定污染物可能在离烟囱不远处与地面接触，这可以通过升高烟囱的高度来解决污染问题．这种烟型多发生于夏季或其他季节的晴天中午或午后．

图6－12（b）是锥型烟型，出现在大气为中性的条件下，烟流呈圆锥形．这种扩散一般是强风和阴天的特征．

图6－12（c）所示是平展型烟型，此时大气处于稳定状态，烟囱出口处在逆温层中，湍流受到抑制．这种烟流沿垂直方向的扩散很小，像扁平的带子伸向远方．这时污染情况因烟囱高度的不同而不同．当烟囱很高时，近处地面上下不会产生污染，远方会造成污染；若烟囱很低，则近处地面上会造成严重污染．此现象多发生在晴夜或早晨．

图6－12（d）是爬升型烟型，这种烟流的下部是稳定的大气，上部是不稳定的大气．这种情况一般出现在日落后一个短时间内，此时由于地面辐射降温，自下而上逐渐形成逆温，但在烟囱高度以上仍保持递减状态，因此烟云不向下方扩散．这种烟型对地面污染较小．

图6－12（e）是漫烟型，出现这种烟型时，风力一般较弱，烟气不能向上方大气扩散而大量下沉，使下风方地面污染物浓度明显上升，往往造成近地面较严重的污染．这种烟型多发生在冬季日出后．

从对上述几种烟型的分析中可看出，大气逆温层是致使大气污染的罪魁祸首，它就像一个阻挡层一样阻碍了污染物向上方大气扩散．引起大气逆温的因素主要有：

（1）辐射逆温．在晴朗无云（或少云）的夜晚，当风比较小时，地面因强烈的有效辐射而很快冷却，近地面的气温也随之下降．离地面越近，空气受地表的影响越大，降温越厉害，于是形成了自地面开始的逆温．辐射逆温在大陆上常年可见，冬季最强．辐射逆温在大气中最常出现，中纬度地区的冬季逆温层可达数百米，而高纬度地区可达几千米，它的出现与大气污染的关系最密切．

（2）平流逆温．暖空气水平流到冷地表面上，下层空气受地表影响大，降温多，上层空气降温少，而形成逆温．平流逆温的强弱取决于暖空气与冷地表面的温差，温差愈大，逆温愈强．

（3）哈得利（Hadley）环流和下沉逆温层．在北纬30°地区，大气环流向下流，上面气压高，下面低，形成下沉逆温层，这些地方的城市更容易发生空气污染事件，如中国的重庆、武汉、上海和拉萨等．在山谷地带，由于冷空气下沉聚积，冷热空气对流减少，也会形成下沉逆温层．

（4）湍流逆温．这是低层空气因湍流混合形成的逆温层，这种逆温层厚度不大，一般只有几十米．

（5）锋面逆温．锋面逆温是由于大气中冷暖空气团相遇而形成的一倾斜过渡层，较暖的空气总是位于较冷空气之上而形成逆温．这种逆温层是一个动态过程，随气流而移动，所以一般对空气污染不是很重要．

在实际大气中出现的逆温，有时是几种原因共同形成的，比较复杂，应作具体分析．