大氣結(jié)構(gòu)與氣象
有效地防止大氣污染的途徑，除了采用除塵及廢氣凈化裝置等各種工程技術(shù)手段外，還需充分利用大氣的湍流混合作用對污染物的擴散稀釋能力，即大氣的自凈能力。污染物從污染源排放到大氣中的擴散過程及其危害程度，主要決定于氣象因素，此外還與污染物的特征和排放特性，以及排放區(qū)的地形地貌狀況有關(guān)。
一、大氣的結(jié)構(gòu)
氣象學中的大氣是指地球引力作用下包圍地球的空氣層，其最外層的界限難以確定。通常把自地面至1200 km左右范圍內(nèi)的空氣層稱做大氣圈或大氣層，而空氣總質(zhì)量的98．2％集中在距離地球表面30 km以下。超過1200 km的范圍，由于空氣極其稀薄，一般視為宇宙空間。
自然狀態(tài)的大氣由多種氣體的混合物、水蒸氣和懸浮微粒組成。其中，純凈干空氣中的氧氣、氮氣和氬氣三種主要成分的總和占空氣體積的99.97％，它們之間的比例從地面直到90km高空基本不變，為大氣的恒定的組分；二氧化碳由于燃料燃燒和動物的呼吸，陸地的含量比海上多，臭氧主要集中在55～60km高空，水蒸氣含量在4％以下，在極地或沙漠區(qū)的體積分數(shù)接近于零，這些為大氣的可變的組分；而來源于人類社會生產(chǎn)和火山爆發(fā)、森林火災、海嘯、地震等暫時性的災害排放的煤煙、粉塵、氯化氫、硫化氫、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物為大氣的不定的組分。
大氣的結(jié)構(gòu)是指垂直（即豎直）方向上大氣的密度、溫度及其組成的分布狀況。根據(jù)大氣溫度在垂直方向上的分布規(guī)律，可將大氣劃分為四層：對流層、平流層、中間層和暖層。
1. 對流層
對流層是大氣圈最靠近地面的一層，集中了大氣質(zhì)量的75％和幾乎全部的水蒸氣、微塵雜質(zhì)。受太陽輻射與大氣環(huán)流的影響，對流層中空氣的湍流運動和垂直方向混合比較強烈，主要的天氣現(xiàn)象云雨風雪等都發(fā)生在這一層，有可能形成污染物易于擴散的氣象條件，也可能生成對環(huán)境產(chǎn)生有危害的逆溫氣象條件。因此，該層對大氣污染物的擴散、輸送和轉(zhuǎn)化影響最大。
大氣對流層的厚度不恒定，隨地球緯度增高而降低，且與季節(jié)的變化有關(guān)，赤道附近約為15km,中緯度地區(qū)約為10～12 km，兩極地區(qū)約為8km；同一地區(qū)，夏季比冬季厚。一般情況下，對流層中的氣溫沿垂直高度自下而上遞減，約每升高100m平均降低0．65℃。
從地面向上至1～1.5 km高度范圍內(nèi)的對流層稱為大氣邊界層，該層空氣流動受地表影響最大。由于氣流受地面阻滯和摩擦作用的的影響，風速隨高度的增加而增大，因此又稱為摩擦層。地表面冷熱的變化使氣溫在晝夜之間有明顯的差異，可相差十幾乃至幾十度。由于從地面到lOOm左右的近地層在垂直方向上熱量和動量的交換甚微，所以上下氣溫之差可達1～2℃。大氣邊界層對人類生產(chǎn)和生活的影響最大，污染物的遷移擴散和稀釋轉(zhuǎn)化也主要在這一層進行。
邊界層以上的氣流受地面摩擦作用的影響越來越小，可以忽略不計，因此稱為自由大氣。
2. 平流層
平流層是指從對流層頂?shù)诫x地高度約55 km范圍的大氣層，該層和對流層包含了大氣質(zhì)量的99.9 ％。平流層內(nèi)空氣稀薄，比較干燥，幾乎沒有水汽和塵埃。平流層的溫度分布是：從對流層頂?shù)诫x地約22km的高度范圍為同溫層，氣溫幾乎不隨高度變化，約為－55℃。從22km繼續(xù)向上進入臭氧帶，在這里太陽的紫外輻射被吸收，轉(zhuǎn)化為熱能，導致氣溫隨高度增加而上升，到達層頂時氣溫升高到－3℃左右。平流層內(nèi)氣溫下低上高的分布規(guī)律，使得該層空氣的豎直對流混合微弱，大氣基本處于平流運動。因此，該層大氣的透明度較好，氣流穩(wěn)定，很少出現(xiàn)云雨及風暴等天氣現(xiàn)象。
平流層中的臭氧層是80～100km處的氧分子在太陽紫外輻射作用下光解為氧原子，再與其它氧分子化合成臭氧而形成的，其化合作用主要在30～60km處。從對流層頂向上，臭氧濃度逐漸增大，在22～25km處達最大值，往后逐漸減小，到平流層頂臭氧含量極其微小。因為40km以上，在光化作用下，由氧化合為臭氧和由臭氧光解成氧的過程幾乎保持平衡狀態(tài)。在某種環(huán)流作用下，臭氧被送到很少光解的高度以下積聚，集中在15～35km高度之間。通常將22～25km處稱為臭氧層。
3. 中間層
中間層是指從平流層頂?shù)礁叨?0km左右范圍內(nèi)的大氣層，其空氣質(zhì)量僅占大氣質(zhì)量的10－3。該層內(nèi)溫度隨高度的增加而下降，層頂?shù)臏囟瓤山档剑?3℃左右。因此，空氣的對流運動強烈，垂直方向混合明顯。
4. 暖層
暖層為中層頂延伸到800km高空的大氣層，該層的空氣質(zhì)量只有大氣質(zhì)量的10－5。暖層在強烈的太陽紫外線和宇宙射線作用下，其氣溫隨高度上升而迅速增高，暖層頂部溫度可高達500～2000K，且晝夜溫度變化很大。暖層的空氣處于高度電離狀態(tài)，因此存在著大量的離子和電子，故又稱為電離層。
二、氣象要素
氣象條件是影響大氣中污染物擴散的主要因素。歷史上發(fā)生過的重大空氣污染危害事件，都是在不利于污染物擴散的氣象條件下發(fā)生的。為了掌握污染物的擴散規(guī)律，以便采取有效措施防治大氣污染的形成，必須了解氣象條件對大氣擴散的影響，以及局部氣象因素與地形地貌狀況之間的關(guān)系。
在氣象學中，氣象要素是指用于描述的物理狀態(tài)與現(xiàn)象的物理量，包括氣壓、氣溫、氣濕、云、風、能見度以及太陽輻射等。這些要素都能從觀測直接獲得，并隨著時間經(jīng)常變化，彼此之間相互制約。不同的氣象要素組合呈現(xiàn)不同的氣象特征，因此對污染物在大氣中的輸送擴散產(chǎn)生不同的影響。其中風和大氣不規(guī)則的湍流運動是直接影響大氣污染物擴散的氣象特征，而氣溫的垂直分布又制約著風場與湍流結(jié)構(gòu)。下面介紹主要的氣象要素：
1. 氣壓
氣壓是指大氣的壓強，即單位面積上所承受的大氣柱的重力。氣壓的單位為Pa，氣象學中常用毫巴(mbar)或百帕（hPa）表示。定義溫度為273K時，位于緯度45o平均海平面上的氣壓值為1013.25hPa，稱為標準大氣壓。對于任一地區(qū)，氣壓的變化總是隨著高度的增加而降低。
2. 氣溫
氣溫是指離地面1.5 m高處的百葉箱內(nèi)測量到的大氣溫度。氣溫的單位一般為℃，理論計算中則用絕對溫度K表示。
3. 氣濕
氣濕即為大氣的濕度，用以表示空氣中的水蒸氣含量，氣象學中常用絕對濕度、水蒸氣分壓、露點、相對濕度和比濕等量來表示。
絕對濕度就是單位體積濕空氣中所含水蒸氣質(zhì)量，單位為g/m3，其數(shù)值為濕空氣中水蒸氣的密度，表明了濕空氣中實際的水蒸氣含量。水蒸氣分壓是指濕空氣溫度下水蒸氣的壓力，它隨空氣的濕度增加而增大。當空氣溫度不變時，空氣中的水蒸氣含量達到最大值時的分壓力稱為飽和水蒸氣壓，此時的空氣稱為飽和空氣，溫度即稱為露點。飽和水蒸氣壓隨溫度降低而下降，若降低飽和空氣的溫度，則空氣中的一部分水蒸氣將凝結(jié)下來，即結(jié)露。相對濕度是濕空氣中實際的水蒸氣含量與同溫下最大可能含有的水蒸氣含量的比值，也即實際的水蒸氣分壓與飽和水蒸氣壓之比，表明了濕空氣吸收水蒸氣的能力及其潮濕程度。相對濕度愈小，空氣愈干燥，反之則表示空氣潮濕。比濕是指單位質(zhì)量干空氣含有的水蒸氣質(zhì)量，單位是g/kg。
4. 云
云是指漂浮在大氣中的微小水滴或冰晶構(gòu)成的匯集物質(zhì)。云吸收或反射太陽的輻射，反映了氣象要素的變化和大氣運動的狀況，其形成、數(shù)量、分布及演變也預示著天氣的變化趨勢，可用云量和云高來描述。
云遮蔽天空的份額稱為云量。我國規(guī)定將視野內(nèi)的天空分為10等分，云遮蔽的成數(shù)即為云量。例如：云密布的陰天時的云量為10；云遮蔽天空3成時云量為3；當碧空無云的晴天時，云量則為0。而國外是把天空分為8等分來，仍按云遮蔽的成數(shù)來計算云量。
云底距地面的高度稱為云高。按云高的不同范圍分為：云底高度在2500m以下稱為低云；云底高度在2500～5000m之間稱為中云；而云底高度大于5000m之上稱為高云。
5. 能見度
能見度是指正常視力的人在當時的天氣條件下，從水平方向中能夠看到或辨認出目標物的最大距離，單位是m或km。能見度的大小反映了大氣混濁或透明的程度，一般分為十個級別，0級的白日視程為最小，50m以下，9級的白日視程為最大，大于50km。
6. 風
風是指空氣在水平方向的運動。風的運動規(guī)律可用風向和風速描述。風向是指風的來向，通常可用16個或8個方位表示，如西北風指風從西北方來。此外也可用角度表示，以北風為0o，8個方位中相鄰兩方位的夾角為45o，正北與風向的反方向的順時針方向夾角稱為風向角，如東南風的風向角為135o。
風速是指空氣在單位時間內(nèi)水平運動的距離。氣象預報的風向和風速指的是距地面10m高處在一定時間內(nèi)觀測到的平均風速。
在自由大氣中，風受地面摩擦力的影響很小，一般可以忽略不計，風的運動處于水平的勻速運動。但在大氣邊界層中，空氣運動受到地面摩擦力的影響，使風速隨高度升高而增大。
空氣的大規(guī)模運動形成風。地球兩極和赤道之間大氣的溫差，陸地與海洋之間的溫差以及陸地上局部地貌不同之間的溫差，從而對空氣產(chǎn)生的熱力作用，形成各種類型風，如海陸風、季風、山谷風、峽谷風等。
當氣壓基本不變時，日出后由于地面吸收太陽的輻射，由底部氣層開始的熱渦流上升運動逐漸增強，使大氣上下混合強度增大，因此下層風速漸大，一般在午后達到最大值；而夜間在地面的冷卻作用下，湍流活動減弱直至停止，使下層風速減小，乃至靜止。反之，高層大氣的白天風速最小，夜間風速最大。
海陸風出現(xiàn)在沿海地區(qū)，是由于海陸接壤區(qū)域的地理差異產(chǎn)生的熱力效應，形成以一天為周期而變化的大氣局部環(huán)流。在吸收相同熱量的條件下，由于陸地的熱容量小于海水，因此地表溫度的升降變化比海水快。白天，陽光照射下的陸地溫升比海洋快，近地層陸地上空的氣溫高于海面上空，空氣密度小而上升，因此產(chǎn)生水平氣壓梯度，低層氣壓低于海上，于是下層空氣從海面上流向陸地，稱為海風；而陸地高層空間的氣壓高于海上，氣流由陸地流向海洋，從而在這一區(qū)域形成空氣的閉合環(huán)流。夜間，陸地溫降又比海洋快，近地氣層的氣溫低于海面上的氣溫，形成了高于海面上的氣壓，于是下層空氣從陸地流向海上，稱為陸風，并與高空的逆向氣流形成閉合環(huán)流。
海陸風的影響區(qū)域有限。海風高約1000m，一般深入到陸地20～40km處，最大風力為5～6級；陸風高約100～300m，延伸到海上8～lOkm處，風力不過3級。在內(nèi)陸的江河湖泊岸邊，也會出現(xiàn)類似的環(huán)流，但強度和活動范圍均較小。
季風也是由于陸地和海洋的地理差異產(chǎn)生的熱力效應，形成以一年四季為周期而變化的大氣環(huán)流，但影響的范圍比海陸風大得多。夏季，大陸上空的氣溫高于海洋上空，形成低層空氣從海洋流向大陸，而高層大氣相反流動，于是構(gòu)成了夏季的季風環(huán)流，類似于白天海風環(huán)流的循環(huán)。冬季，大陸上空的氣溫低于海洋上空，形成低層空氣從大陸流向海洋，高層大氣由海洋流向大陸的冬季的季風環(huán)流，類似于夜間陸風環(huán)流的循環(huán)。我國處于太平洋西岸和印度洋西側(cè)，夏季大陸盛行東南風，西南地區(qū)吹西南風；冬季大陸盛行西北風，西南地區(qū)吹東北風。
山谷風是山區(qū)地理差異產(chǎn)生的熱力作用而引起的另外一種局地風，也是以一天為周期循環(huán)變化。白天，山坡吸受較強的太陽輻射，氣溫增高，因空氣密度小而上升，形成空氣從谷底沿山坡向上流動，稱為谷風；同時在高空產(chǎn)生由山坡指向山谷的水平氣壓梯度，從而產(chǎn)生谷底上空的下降氣流，形成空氣的熱力循環(huán)。夜間，山坡的冷卻速度快，氣溫比同高度的谷底上空低，空氣密度大，使得空氣沿山坡向谷底流動，形成山風，同時構(gòu)成與白天反向的熱力環(huán)流。
峽谷風是由于氣流從開闊地區(qū)進入流動截面積縮小的狹窄峽谷口時，因氣流加速而形成的順峽谷流動的強風。
影響大氣擴散的若干因素
大氣污染物在大氣湍流混合作用下被擴散稀釋。大氣污染擴散主要受到氣象條件、地貌狀況及污染物的特征的影響。
一、氣象因子影響
影響污染物擴散的氣象因子主要是大氣穩(wěn)定度和風。
1. 大氣穩(wěn)定度
大氣穩(wěn)定度隨著氣溫層結(jié)的分布而變化，是直接影響大氣污染物擴散的極重要因素。大氣越不穩(wěn)定，污染物的擴散速率就越快；反之，則越慢。當近地面的大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，由于上部氣溫低而密度大，下部氣溫高而密度小，兩者之間形成的密度差導致空氣在豎直方向產(chǎn)生強烈的對流，使得煙流迅速擴散。大氣處于逆溫層結(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)時，將抑制空氣的上下擴散，使得排向大氣的各種污染物質(zhì)因此而在局部地區(qū)大量聚積。當污染物的濃度增大到一定程度并在局部地區(qū)停留足夠長的時間，就可能造成大氣污染。
2. 風
進入大氣的污染物的漂移方向主要受風向的影響，依靠風的輸送作用順風而下在下風向地區(qū)稀釋。因此污染物排放源的上風向地區(qū)基本不會形成大氣污染，而下風向區(qū)域的污染程度就比較嚴重。
風速是決定大氣污染物稀釋程度的重要因素之一。由高斯擴散模式的表達式可以看出，風速和大氣稀釋擴散能力之間存在著直接對應關(guān)系，當其它條件相同時，下風向上的任一點污染物濃度與風速成反比關(guān)系。風速愈高，擴散稀釋能力愈強，則大氣中污染物的濃度也就愈低，對排放源附近區(qū)域造成的污染程度就比較輕。
二、地理環(huán)境狀況的影響
影響污染物在大氣中擴散的地理環(huán)境包括地形狀況和地面物體。
1. 地形狀況
陸地和海洋，以及陸地上廣闊的平地和高低起伏的山地及丘陵都可能對污染物的擴散稀釋產(chǎn)生不同的影響。
局部地區(qū)由于地形的熱力作用，會改變近地面氣溫的分布規(guī)律，從而形成前述的地方風，最終影響到污染物的輸送與擴散。
海陸風會形成的局部區(qū)域的環(huán)流，抑制了大氣污染物向遠處的擴散。例如，白天，海岸附近的污染物從高空向海洋擴散出去，可能會隨著海風的環(huán)流回到內(nèi)地，這樣去而復返的循環(huán)使該地區(qū)的污染物遲遲不能擴散，造成空氣污染加重。此外，在日出和日落后，當海風與陸風交替時大氣處于相對穩(wěn)定甚至逆溫狀態(tài)，不利于污染物的擴散。還有，大陸盛行的季風與海陸風交匯，兩者相遇處的污染物濃度也較高，如我國東南沿海夏季風夜間與陸風相遇。有時，大陸上氣溫較高的風與氣溫較低的海風相遇時，會形成鋒面逆溫。
山谷風也會形成的局部區(qū)域的封閉性環(huán)流，不利于大氣污染物的擴散。當夜間出現(xiàn)山風時，由于冷空氣下沉谷底，而高空容易滯留由山谷中部上升的暖空氣，因此時常出現(xiàn)使污染物難以擴散稀釋的逆溫層。若山谷有大氣污染物卷入山谷風形成的環(huán)流中，則會長時間滯留在山谷中難以擴散。
如果在山谷內(nèi)或上風峽谷口建有排放大氣污染物的工廠，則峽谷風不利于污染物的擴散，并且污染物隨峽谷風流動，從而造成峽谷下游地區(qū)的污染。
當煙流越過橫擋于煙流途徑的山坡時，在其迎風面上會發(fā)生下沉現(xiàn)象，使附近區(qū)域污染物濃度增高而形成污染，如背靠山地的城市和鄉(xiāng)村。煙流越過山坡后，又會在背風面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)渦流，使得高空煙流污染物在漩渦作用下重新回到地面，可能使背風面地區(qū)遭到較嚴重點污染。
2. 地面物體
城市是人口密集和工業(yè)集中的地區(qū)。由于人類的活動和工業(yè)生產(chǎn)中大量消耗燃料，使城市成為一大熱源。此外，城市建筑物的材料多為熱容量較高的磚石水泥，白天吸收較多的熱量，夜間因建筑群體擁擠而不宜冷卻，成為一巨大的蓄熱體。因此，城市與周圍郊區(qū)的氣溫比周圍郊區(qū)氣溫高，年平均氣溫一般高于鄉(xiāng)村1～1.5℃，冬季可高出6～8℃。由于城市氣溫高，熱氣流不斷上升，鄉(xiāng)村低層冷空氣向市區(qū)侵入，從而形成封閉的城鄉(xiāng)環(huán)流。這種現(xiàn)象與夏日海洋中的孤島上空形成海風環(huán)流一樣，所以稱之為城市“熱島效應”。
城市熱島效應的形成與盛行風和城鄉(xiāng)間的溫差有關(guān)。夜晚城鄉(xiāng)溫差比白天大，熱島效應在無風時最為明顯，從鄉(xiāng)村吹來的風速可達2m/s。雖然熱島效應加強了大氣的湍流，有助于污染物在排放源附近的擴散。但是這種熱力效應構(gòu)成的局部大氣環(huán)流，一方面使得城市排放的大氣污染物會隨著鄉(xiāng)村風流返回城市；另一方面，城市周圍工業(yè)區(qū)的大氣污染物也會被環(huán)流卷吸而涌向市區(qū)，這樣，市區(qū)的污染物濃度反而高于工業(yè)區(qū)，并久久不宜散去。
城市內(nèi)街道和建筑物的吸熱和放熱的不均勻性，還會在群體空間形成類似山谷風的小型環(huán)流或渦流。這些熱力環(huán)流使得不同方位街道的擴散能力受到影響，尤其對汽車尾氣污染物擴散的影響最為突出。如建筑物與在其之間的東西走向街道，白天屋頂吸熱強而街道受熱弱，屋頂上方的熱空氣上升，街道上空的冷空氣下降，構(gòu)成谷風式環(huán)流。晚上屋頂冷卻速度比街面快，使得街道內(nèi)的熱空氣上升而屋頂上空的冷空氣下沉，反向形成山風式環(huán)流。由于建筑物一般為銳邊形狀，環(huán)流在靠近建筑物處還會生成渦流。當污染物被環(huán)流卷吸后就不利于向高空的擴散。
排放源附近的高大密集的建筑物對煙流的擴散有明顯影響。地面上的建筑物除了阻礙了氣流運動而使風速減小，有時還會引起局部環(huán)流，這些都不利于煙流的擴散。例如，當煙流掠過高大建筑物時，建筑物的背面會出現(xiàn)氣流下沉現(xiàn)象，并在接近地面處形成返回氣流，從而產(chǎn)生渦流。結(jié)果，建筑物背風側(cè)的煙流很容易卷入渦流之中，使靠近建筑物背風側(cè)的污染物濃度增大，明顯高于迎風側(cè)。如果建筑物高于排放源，這種情況將更加嚴重。通常，當排放源的高度超過附近建筑物高度2.5倍或5倍以上時，建筑物背面的渦流才不對煙流的擴散產(chǎn)生影響。
三、污染物特征的影響
實際上，大氣污染物在擴散過程中，除了在湍流及平流輸送的主要作用下被稀釋外，對于不同性質(zhì)的污染物，還存在沉降、化合分解、凈化等質(zhì)量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移作用。雖然這些作用對中、小尺度的擴散為次要因素，但對較大粒子沉降的影響仍須考慮，而對較大區(qū)域進行環(huán)境評價時凈化作用的影響不能忽略。大氣及下墊面的凈化作用主要有干沉積、濕沉積和放射性衰變等。
干沉積包括顆粒物的重力沉降與下墊面的清除作用。顯然，粒子的直徑和密度越大，其沉降速度越快，大氣中的顆粒物濃度衰減也越快，但粒子的最大落地濃度靠近排放源。所以，一般在在計算顆粒污染物擴散時應考慮直徑大于l0μm的顆粒物的重力沉降速度。當粒徑小于l0μm的大氣污染物及其塵埃擴散時，碰到下墊面的地面、水面、植物與建筑物等，會因碰撞、吸附、靜電吸引或動物呼吸等作用而被逐漸從煙流中清除出來，也能降低大氣中污染物濃度。但是，這種清除速度很慢，在計算短時擴散時可不考慮。
濕沉積包括大氣中的水汽凝結(jié)物(云或霧)與降水(雨或雪)對污染物的凈化作用。放射性衰變是指大氣中含有的放射物質(zhì)可能產(chǎn)生的衰變現(xiàn)象。這些大氣的自凈化作可能減少某種污染物的濃度，但也可能增加新的污染物。由于問題的復雜性，目前尚未掌握它們對污染物濃度變化的規(guī)律性。
