科普驿站 第九十六期
主题：大气污染
科目：生态
难度：B1
讲师：燕归
六、大气的边缘温度场
1.气温垂直递减率
在对流层，随着高度的上升温度逐渐降低，我们用气温垂直递减率来描述气温随高度的变化,用下面这个式子来表达干空气块或未饱和湿空气块在绝热条件下的变化规律:
γ=-dT/dz
其中T为干空气块温度，假定所研究的系统与周围空气没有热交换，那么大气中的热力过程称为绝热过程，由热力学第一定律可推导出大气绝热过程方程:
{Cp为空气的定压比热[J/（kg·K）}
假定各项系数为已知量，系统为绝热系统，由大气绝热过程方程可推导出下式:
（式中Ti表示干空气块的温度，它不同于周围空气的温度）
若空气块压力等于周围的大气压，即满足所谓准静力条件Pi=P,Pi+dPi=P+dP,用气体静力学方程表达为:
代入原式得:
即干空气定压比热。事实上大部分大气过程都是绝热过程，完全由外界压力变化引起，当一块空气从地面绝热上升时将因为气压减小膨胀，一部分内能用于反抗压力对外做膨胀功，所以温度逐渐下降；反之则上升（一小块空气作快速垂直运动，是来不及与周围进行热交换的）。
由上式可得，每上升一百米气温下降0.98K,对于做绝热升降运动的湿空气块，在其未达到饱和状态前，都可认为每百米变化温度为1K。
2.大气的稳定程度
大气稳定度是指在垂直方向上大气稳定的程度。污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切的关系。空气块在外力作用下可能发生三种情况：
① 当外力去除后，气块就减速并有返回原来高度的趋势，这种大气是稳定的：γ-γd <0 。
② 当外力去除后，气块加速上升或下降，这种大气不稳定的：γ-γd> 0。
③ 当外力去除后，气块被外力推到哪里就停到哪里或作等速运动，这种大气是中性的：γ=γd。
3.逆温
在大气的边界层（尤其近地层），空气温度的变化主要是受地表长波辐射的影响。一般将气温随高度增加而增加的气层称为逆温层（阻挡层）。当发生等温或逆温时，大气是稳定的，所以由于逆温层 (等温层可视为逆温层的一个特例)的存在，大大阻碍了气流的垂直运动。若逆温层存在于空中某高度，上升的污染气流不能穿过逆温层而积聚在它的下方,则会造成严重的大气污染现象。根据逆温生成的过程，可将逆温分为辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温及湍流逆温等五种。
（1）辐射逆温：在晴空无云 (或少云)的夜间，当风速较小(< 3m/s)时，地面因强烈的有效辐射而很快冷却，近地面气层冷却最为强烈，较高的气层冷却较慢，因而形成了自地面开始逐渐向上发展的逆温层，称为辐射逆温。
辐射逆温在陆地上常年可见，但冬季最强。在中纬度地区的冬季，辐射逆温层厚度可达200-300m，有时可达400m左右。冬季晴朗无云和微风的白天，由于地面辐射超过太阳辐射，也会形成逆温层。辐射逆温与大气污染的关系最为密切。
（2）下沉逆温：下沉逆温又称压缩逆温。当高压区内某一层空气发生强度较大的气团下沉运动时,常可使原来具有稳定层结的空气层压缩成逆温层结（γ＜0）。下沉逆温多出现在高压控制区内，范围很广，厚度也很大，一般可达数百米。下沉气流一般达到某一高度就停止了，所以下沉逆温多发生在高空大气中。
（3）平流逆温：由暖空气平流到冷地表面上而形成的逆温称为平流逆温。这是由于低层空气受地表面影响大，降温多，上层空气降温少所形成的。暖空气与地面之间温差越大，逆温越强。当冬季中纬度沿海地区的海上暖空气流到大陆上及暖空气平流到低地、盆地内积聚的冷空气上面时，皆可形成平流逆温。
（4）湍流逆温：低层空气湍流混合形成的逆温称为湍流逆温。实际上空气的运动都是一种湍流运动,其结果是使大气中包含的热量、水分以及污染物质得以充分的交换和混合。
（5）锋面逆温：在对流层中的冷空气团与暖空气团相遇时，暖空气团因其密度小就会爬到冷空气上面去，形成一个倾斜的过渡区，称为锋面。在锋面上，如果冷暖空气的温差较大，也可以出现逆温，这种逆温称为锋面逆温。锋面逆温仅在冷空气一边可以看到。
4.不同温度层结下的烟型。
从烟囱排出的烟流扩散的形状与大气的温度层结密切相关。
（1）γ-γd>0，气温层结处于不稳定状态。翻卷形（波浪型）；多出现于太阳光较强的晴朗中午，烟云扩散快，一般不会造成公害事件。
（2）γ-γd≈0，锥形；烟云扩散较远，一般不会造成公害事件。
（3）γ-γd<-1，烟囱出口处于逆温层中。扇形（平展型）；烟云扩散较慢，如遇高大阻挡，则不易扩散。
（4）下部是稳定的大气，上部是不稳定的大气。屋脊形（上升型）；烟云向上扩散为主，地面污染较小。
（5）下部γ-γd >0，上部 γ-γd <-1 漫烟形（薰烟型）；烟云向下扩散，容易造成公害事件。
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