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说说“污染气象学”（3）---- “静稳”和大气稳定状态: 热度 3 Talky 2013-12-28 15:56; 说说“污染气象学”（ 3 ） ---- “静稳”和大气稳定状态发生雾霾时，常听到新闻报道“ 静稳 ”气象条件是诱因。其实说法有毛病，问问网友：静是静了，稳吗？ “静”是说无风或微风，“稳”是指大气稳定状态。举个例子：这几天冷空气下来了，气象报告会说“冷高压”天气系统控制。请问北京网友，有没有风小或无风的情况？冷高压系统控制时，低层大气气温垂直分布会呈“逆温”，即地面气温低于或等于上层气温。这时大气处于稳定状态，清早起来，如果北风不大，就可能会看到“ 大漠孤烟直 ”的景象。这才是又静又稳。当然湿度也很低，但也不能解释为什么这样的“静稳”条件没有引起 PM2.5 的高浓度！我宁可说， 12 月上旬的华东严重雾霾是发生在“ 静 - 中性 - 混合层薄 ”的气象条件下。记得前一阵网友的抱怨吗？今年秋天不像秋天，气温降不下来。其实是北方冷空气团比较弱，南边的热空气团顶着僵持。这时地面风速较小，出现“静”的状态，但垂直气温的分布，却可能出现“低空逆温”，即在几百米高处上面有层稳定的空气压着，污染物被限制在“只有几百米厚（引自美国 NASA 遥感 12 月 7 日华东地区雾霾的解释）”的混合层内。但是，在这几百米厚的混合层内，空气其实不是很稳定的，呈中性稳定状态的可能性大。即空气的混乱运动程度尚可，中等级别的大气湍流。持续几天，风小，污染物停留在原地和附近晃悠，被限制在薄混合层内积累，湿度又比较高，因此造成大范围持续的雾霾。等到冷气团加强了，就会推动“冷锋”南下，甚至 “北风怒号” ~ 既不静也不稳了。北方被“吹出好天气”，上海是冷空气挟严重雾霾过境。先后进入冷高压，空气质量得到了改善。污染物哪里去了？一方面因为北风和一定程度的偏西风，累积在那里的污染物被“吹”向了南方和偏东方，最后去了海洋。当然冷锋阵面附近可能有降水区出现，“湿沉降”。像后来的 12 月 16-17 日。 “高压”对于气流特性来说，还意味着“辐散”。即当地地面气压较高，气流会向较低气压方向流动。因此继续排放的污染物，不容易再聚集起来，而是容易随北风南下，向更大范围扩散，“沉积”去了。 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- “大漠孤烟直”是又静又稳，“夏日炎炎”是静而不稳，“北风怒号”是又不静又不稳。在“说说‘污染气象学’（ 1 ）”中已经介绍过“风”，风指空气大尺度的水平运动。一般情况下，风受到大范围天气形势的控制，例如季风。但在大范围风速较小的情况下，当地地形可能造成区域、城市，或局部地区的“静”。明显例子是盆地地形（如四川），北京（西、北、东北有山），兰州、乌鲁木齐等城市。大气稳定状态表征空气混乱运动（小尺度，大气湍流）的强度。大气湍流的强弱则由下层气温高低（夏日炎炎 ~ 热力学因素）和风速（北风怒号 ~ 动力学因素）决定。因为太阳照射地面，以及地面生态系统的活动，一般情况下地面附近气温高于上层空气。根据理论分析，干空气在理想情况下，上升 100 米，会降温 0.98 度，称为“ 干绝热直减率 (Dry Lapse Rate) ”。实际空气里含有水汽，降温较少，约为 0.65 度。这样的降温规律在气象学里被用作判断大气稳定度的一种标准。气温垂直分布降温弱于、等于或强于这一标准的，相应大气层被认定为处于稳定、中性和不稳定状态。 “ 逆温（层） inversion ”是一个重要的污染气象学名词。指在某一层空气内气温随高度不是减小，而是等同或增大，即向上降温弱于直减率标准。在逆温层内，大气处于强稳定状态。空气运动主要是水平方向的（风），但在很不稳定的状态下，如夏日炎炎地面气温很高时，会发生上下的对流运动，同时促进地面附近污染物向上层空气混合或扩散。大气湍流的强度由动力学及热力学两个因素决定。动力学因素和流体力学中的湍流流动相同，来自于宏观流动（如风速 U ），和边界面的摩擦力（用摩擦速度 u * 表征），代表性的判据称为雷诺数（ Reynolds Number ） Re = UL/ n 。其中 L 是流动的特征（代表性）尺度，这里可以是混合层（或边界层）厚度； n 是空气的运动学粘性系数，可以查表得到。雷诺数实际上是宏观运动和地面附近粘性运动的尺度之比，因此雷诺数越大，流动越混乱，湍流强度就越大。风越大，越不稳定。但是，空气运动还受热力学因素的促进或约束，即气温的垂直分布。夏日炎炎时，常常是微风或无风，也静，但水泥地面被晒得发烫，下层空气温度远高于上层，有时几乎可以看到路面上气流的垂直运动（对流）。这时大气湍流的强度很高，水平和垂直方向都有很强的扩散能力。反之，冬日清晨，冰霜遍野，地面气温低于上层。这是处于“逆温”稳定状态。大气湍流微弱，烟流难以向四周和垂直方向扩散。如果没风，就可能发生“孤烟直”。“孤烟”指没有扩散， “直”是因为烟气温度较高，有浮力助它上升。如果烟气温度不高，就可能造成厨房四周乌烟瘴气了。判别大气层热力学稳定状态的简单方法就是实际垂直降温率和中性值（ Neutral - 上述 100 米降温 0.98 度或 0.65 度）的比较。同时考虑动力学和热力学因素来判别大气稳定状态的参数有理查逊数和莫宁 - 奥布霍夫长度尺度。下次来说说“混合层”的问题。; 个人分类: 科普|11888 次阅读|5 个评论

比较说明“空气污染物输送过程”的两张简图: 热度 4 Talky 2013-12-25 11:12; 上篇博文“ 说说“污染气象学”（ 2 ） ---- 污染物在大气中经历的主要过程 ”介绍了空气污染物被排放进入大气后，会经历的主要物理化学过程，和沉降或沉积，因此被从大气中“清除”的生命周期。是我自己画的简图。很费神，有点私心，原来转成黑白上传了，已经复原为彩色。博文受到两位气象界的博主评论，我想说明一下，博文只是想起科普作用，并没有新创见。因此把网上找到的一张关于酸雨污染物输送的图也贴在下面（早就下载了，忘了出处），供比较。我觉得我画得更加专业些。例如，下图出现了wet deposition，但正确的是wet scavenging；又如，下图只有dry deposition，我分别画了“重力沉降”和“干沉积”。气象专业人士会确认我画的是对的。有意思的是，下图中出现了“acid fog”即酸雾，也许和我们“雾霾”相关呢！这两张图的主要差别是，我画的企图说明一般空气污染物排放后经历的各个过程，包括烟流抬升、重力沉降等。但没有画其他污染源，如汽车尾气，地面扬尘等。网上的图主要说明酸雨前体物的输送过程。主要是气态污染物和硫酸盐/硝酸盐。因此没有画“重力沉降(gravitational settling)” ，但其干沉积(dry deposition)没有画在地表附近是不对的，容易引起误解，干沉积仅在地面附近发生。; 个人分类: 科普|11710 次阅读|20 个评论

说说“污染气象学”（2）---- 污染物在大气中经历的主要过程: 热度 4 Talky 2013-12-23 23:13; 说说“污染气象学”（ 2 ） ---- 污染物在大气中经历的主要过程雾霾生命周期涉及的各个过程，是“污染气象学”的基础知识之一。 12 月 20 日写的博文说到各个过程的具体说明，在经典书籍里都可以查到，如 P. Pasquill and F. B. Smith 的 Atmospheric Diffusion, 1983 年第三版 , 出版商为 Erllis Horwood Limited 。又如李宗恺，潘云仙，孙润桥的《空气污染气象学原理及应用》， 1985 年第一版，气象出版社。较新的教材有《空气污染气象学教程》，蒋维楣、孙鉴泞、曹文俊和蒋瑞宾编著，2004年第二版，气象出版社。但因为是教材，内容相对简单些。污染物在大气中经历的主要过程如图：图中：混合层（ Mixing layer ）和行星边界层的含义相似，特指污染物主要在该层内输送扩散。混合层厚度由气象条件决定。一般情况下，夏季最厚，可达 2000-3000 米；冬季最薄，可以只有几百米。在其顶部空气的垂直运动几乎可以忽略，因此混合层内的烟气很难越过顶部进入“自由大气”。但混合层顶不是刚性的，而且高度随时间变化，因此有部分烟气会“逃逸”离开混合层，进入“自由大气”。这部分逃逸烟气有可能被输送长距离，甚至不再回到地面。（注：“混合层”也可以称为“大气边界层”或“行星边界层”，只是最贴近地面的薄层。是“对流层 ~Troposphere ”的最低层。对流层在中纬度约 10 公里高，上面是“平流层 ~Stratosphere ”。如果坐飞机，大部分时间是在平流层内飞的，长时间在对流层内飞机会颠簸，乘客受不了。另外，臭氧层在平流层内，中心约 25 公里高）主要过程包括： 1 、初始阶段，因为烟气物理性质（速度和温度）和周围空气不同而发生烟流抬升（ Plume rise ）特指烟囱排放的烟气，可能有初始的垂直速度和高温，因此有一个（力学和热力学）抬升过程。抬得越高，造成地面浓度越低。和烟囱本身高度一起，是评价该“高架”点源排放烟气环境影响的重要参数。烟囱口排出的气态或颗粒态污染物属于“一次 (Primary) ”污染物。 2 、输送过程平流输送（ Advection ）指较大尺度的盛行风对烟气的整体输送。湍流扩散（ Turbulent diffusion ）指小尺度的湍流使烟气向四周扩散。化学转化（ Chemical transformation ）指烟气进入大气之后经历的各种化学反应过程。气体和气体反应称为均相反应，其他都是复相反应。我们关心的“二次颗粒物（ Secondary ）”，就是通过化学反应才产生的。和酸雨和雾霾相关的主要是二氧化硫和氮氧化物经反应生成硫酸滴、硝酸滴、硫酸盐和硝酸盐。云过程（ Cloud processes ）污染物可以混合进入云雾中，并经历化学反应过程（大都是复相反应）。吸湿性细颗粒物是参与雾滴和云滴生成的重要角色。称为“凝结核 ~CCN ”。洁净的水蒸汽不容易凝结，有了凝结核能促进成雾成云。蒸发（ Evaporation ）指一定气象条件下，云滴会被蒸发，包含的气态和颗粒态污染物会回到空气中。值得注意的是，有的高积云（对流云团）可以直上穿过“对流层（ Troposphere ）顶”进入“平流层（ Stratosphere ）”。空气污染物可能通过高积云顶的蒸发进入“臭氧层”导致臭氧层被破坏。 3 、清除过程：重力沉降（ Gravitational settling ）指尺度比较大的粗颗粒物，即 PM10 中尺度大于 2.5 微米的颗粒物，及大于 PM10 的颗粒物，因为重力下降到地面。重力沉降过程在全空间发生。 PM2.5 等细颗粒物因为空气阻力等原因，一般不考虑它们的重力沉降。干沉积（ Dry deposition ）只在地面附近发生。因为污染物和地表接触，发生吸收和吸附使污染物停留在地面，不再介入输送，因此被从大气中“清除”。干沉积的强度由污染物性态（气态 / 颗粒态，颗粒大小，组分）、地表性态（土面、草地、农田、森林、湿地、水面、海面。。）和地表附近空气流动状态（有风、强风、湍流。。）决定。湿沉降（ Wet scavenging ）指降水过程（雨、雪、雹）清除污染物的过程，又可再分为雨洗和淋洗。雨洗（ Rainout ）指雨滴（雪、冰）离开云底之前，已经含有（凝结核和在云过程中进入的）污染物的被清除。淋洗（ Washout ）指雨滴（雪、冰）离开云底之后下降，通过污染空气时又吸收吸附的污染物的被清除。关于这些过程的讨论和研究，是从空气污染发展到一个新阶段 ~ 酸雨 ~ 时得到重视的。酸雨问题在上世纪 60 年代被发现， 70 到 90 年代进入研究高潮。形成酸雨的主要“前体物（ precursors ）”是二氧化硫和氮氧化物和细颗粒物：硫酸盐和硝酸盐。二氧化硫和氮氧化物寿命较短，除了被“清除”外，还大量经历化学转化形成二次颗粒物：硫酸盐和硝酸盐。这些细颗粒物能经历长距离输送，及至跨国界。曾经受到国际（北美，西欧，以及东亚）各国的密切关注。之后发达国家改善了能源结构，北美和西欧的酸雨争论淡化了，虽然我国酸雨严重，但输送到邻国的证据仍然不足。湿沉降是非常有效的清除机制，但也是有效率的，涉及降水类型和“雨滴谱（大小分布）”和污染物的性态，以及降水强度和持续时间。但是，对于大范围的雾霾，不仅污染物不断地继续排放，而且降水区域未必能覆盖。因此大量污染物被风吹（平流输送）和散布（湍流扩散）到别的地方。像今年华北华东 12 月上旬的大范围雾霾，很少降水。 12 月 16-17 日虽然降水了，但雨带主要在长江以南。因此大量污染物被输送到东海再被清除的可能性很大。湿沉降和干沉积十分复杂，涉及繁杂的计算公式和观测数据。关于干沉积，查了一些资料，对于最简单的轨迹模式，曾见到二氧化硫和硫酸根的干沉积速率，分别取为 0.008m/s 和 0.002m/s 。即细颗粒物干沉积效率常低于气态污染物。湿沉降和干沉积的研究仍然得到国内外的重视，在核事故和燃煤排放汞污染的大气输送扩散问题中显得特别重要。道歉：李芳军博主几天没上科学网了，今天早上（24日）发email告诉我，在我12月20日博文 “霾”的生命周期。。。最后去哪里了？中引用的那张图并没有显示雾霾。所以，我用该图企图说明雾霾可能被海洋“干沉积”是完全错了，外行，没有征得专业人士的确认。图中沿海的土黄色，可能是泥沙流入海洋，冲积起来的颜色？。。。。不过海洋面积广阔，作为雾霾的最后归宿的想法，我觉得说得通的。; 个人分类: 科普|10816 次阅读|13 个评论

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