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污染气象学

标签: 污染气象学 现代气象学 环境科学 污染物 气候变化

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  研究大气运动同大气中污染物相互作用的学科。它是现代气象学的一个分支,也是环境科学的重要组成部分。
  发展过程 产业革命以来,工业飞速发展,人口急剧增长,消耗了大量的煤、石油、天然气等燃料,排出的二氧化硫、二氧化碳等大气污染物的数量日益增多。早在1861年就有学者指出,大气中二氧化碳含量增加,温室效应会增强,可能影响气候。1921年,英国为了弄清军事上施放毒气的气象条件,开始进行大气扩散实验。40年代,原子能工业兴起,一些国家开始进行放射性物质污染预测和控制的研究,促进了大气扩散实验和理论研究的发展。50~60年代,一些工业集中的地区和城市相继发生严重的大气污染事件。其原因一是排入大气中的污染物数量大和浓度高;二是气象条件不利于大气污染物的扩散和迁移。为了控制和消除大气污染,一些国家开展了城市或区域性的大气污染物输送、扩散、迁移和转化规律的实验和研究,并在一些污染严重的地区开展了大气污染预报的研究。70年代,在全球范围内出现了频繁的气候灾害,如非洲出现严重干旱等,人们把这些现象归因于大气污染。这样就推动了许多气象学者不仅进行气象因素对污染物扩散影响的研究,而且开展了大气污染对天气、气候影响的研究。同时,高空飞行器对平流层的污染以及污染物在平流层和对流层之间的迁移转化,促使人们研究全球性的大气污染与气象的关系。在此基础上,气象学分蘖出一个新的学科──污染气象学。
  研究内容 污染气象学主要研究近地层大气运动引起的污染物扩散、输送、迁移和转化过程,以及大气污染对天气和气候变化的影响。
  大气运动对污染物扩散的影响 污染物在大气中的扩散和输送受风和温度的空间分布的制约,而大气湍流运动则引起污染物的稀释和再分配。风和温度的空间分布、大气湍流状况同地形、下垫面状况(水面、陆面、植被、城市等)有密切关系。地形和下垫面等状况不同,也会影响污染物的输送和扩散过程。
  平原地区:风向和风速在某一水平面上是均匀的。某一污染源排放的污染物受当地风向频率的影响,最高风频的下风地区受污染的次数最多。在晴天的夜间,风速较小时,近地面几百米高度出现辐射逆温层,大气稳定,污染物的扩散能力差。在中午前后,温度垂直递减率每100米可大于1℃,热力和动力湍流发展,大气很不稳定,污染物的扩散能力增强。
  沿海(或滨湖)地区:由于海陆风的交换,有时低层排放的污染物被海陆风输送到一定距离后,又会被高空反气流带回到原地,导致原地污染物浓度的增加。由于水陆气温的差异(春、夏季水面气温低于陆面,而秋、冬季则相反),在冷水面(或陆面)形成的逆温层的空气流经暖陆面(或水面)逆温层被破坏,逆温层上部积聚的污染物被热对流带到地面,在短时间内会产生污染物浓度增高的“熏烟过程”。
  此外,由于陆面的粗糙度大于水面,水陆温度差异,造成大气稳定度的差异,大气扩散能力也出现很大差异,一般说来,陆面的大气扩散参数大于水面。
  山区:由于地形起伏,造成日辐射强度和辐射冷却不均而引起的热力环流,称为地形风。在地形的影响下,山谷中不同位置、不同高度的大气运动状况不同,对污染物的输送能力也各不相同。
  城市:热岛效应使城市温度的垂直分布在白天和夜晚都是递减的,形成城市混合层。污染物的垂直扩散受到限制,混合层内的污染物浓度趋于均匀。热岛效应形成热岛环流,还会增加辐合区的污染。辐合上升气流使高烟囱的烟气上升,减少了对城市的污染。由于城市对气流的扰动和城市大气的热对流造成的湍流比平原地区强,所以城市大气扩散的能力比平原大得多。
  在重力作用下,大气中一些颗粒物会沉降到地面。大气降水能冲洗大气中的污染物。雨雪在降落过程中通过碰撞而捕获大气中的颗粒物,捕获量同雨滴大小、颗粒物大小和密度有关。雪花比雨滴体积大,降落慢,同样的降水量,雪的冲刷能力比雨大。气态污染物是通过分子扩散被雨雪溶解的,气体的分子扩散系数越大,溶解度也越大,清洗作用也就越大。因此降水的冲刷作用能使大气中的污染物浓度显著减低。
  气象因素对污染物分解和化合的作用 污染物在大气环境诸因素的影响下发生极为复杂的化学反应。这些反应可使污染物毒性增强或减弱,或者丧失,或者形成新的污染物。二氧化硫在日光照射下可氧化成三氧化硫。三氧化硫溶于大气中的水,形成硫酸雾。二氧化硫也可溶于水,形成亚硫酸,再氧化成硫酸。氮氧化物与臭氧化合溶于大气中的水,可形成硝酸。硫酸和硝酸可使雨水酸化,也可能与其他物质化合形成盐类。氮氧化合物和碳氢化合物共存于大气中,经紫外线照射,会发生光化学反应而产生危害甚大的光化学烟雾。
  大气污染对局部气候的影响 大气污染对局部地区气候和区域气候也会发生影响。由于大气污染,英国伦敦和曼彻斯特曾出现过这样的情况:一年中有两百多天中午的能见度不到10.5公里。由于能见度降低,受污染地区的太阳辐射量比周围地区少15~20%,而紫外线则少得更多。
  城市污染源向大气中排放大量颗粒物。这些颗粒物作为凝结核把水气凝聚成水滴,在热岛辐合上升气流的作用下造成降水。据英国和北美几个城市统计,这些城市的降水量比郊区多5~10%。
  大气污染的全球效应 大气污染对全球气候的影响,也是污染气象学的一个重要的研究内容。从19世纪开始,大气中的二氧化碳在不断增长,1860年为290ppm,1958年为313ppm,1971年又增至323ppm。二氧化碳吸收太阳和地面的红外辐射形成温室效应,会使地面温度增加。不过50年代以来全球二氧化碳排放量虽然增多,但气温反而下降。关于这个问题还需要探讨。
  大气中的飘尘有三分之一是人为排放的。过去认为飘尘具有“阳伞效应”,它能反射和吸收太阳辐射能,特别是减少紫外光的透过,使地面获得的太阳辐射能减少,引起气温降低。以后的模式试验表明,飘尘增加不多时,地面有增温现象。个别科学家甚至认为,飘尘越多,增热效果越大。因此,飘尘的全球效应仍是值得继续研究的问题。
  人类消费能源所释放的热量也有增温的效应。据估计,当前全球人为释放的热量约相当于全球接受的太阳辐射能量的万分之一。即使今后人口增加到200亿,人为释放的热量也只有全球接受的太阳辐射能量的 0.5%左右,只能使地面气温增加1℃。美国和澳大利亚等国学者根据地球上不同地区的用能分布进行数学模式计算,认为在近期人类使用能量的水平上,对气候尚不至于有显著的影响。
  以上表明,大气污染对某些局部地区气候有显著的影响,但它的全球效应尚未得到确切的结论。
  展望 污染气象学是气象学和技术科学的结合体,又是气象学和化学、空气动力学等学科的结合体。它的发展将促进气象科学和相应科学的发展。大气污染证明了人类本身也参加了气象过程,并且影响越来越大。因此,污染气象学的出现也是气象科学向综合性学科发展的一个里程碑。

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