空气污染气象学

应用气象学的一个分支

空气污染气象学是研究大气运动和大气中污染物相互作用的科学，它是应用气象学的一个分支，也是大气科学中的一个新的领域。自然现象（火山爆发、森林火灾等）和人类活动（工业生产和生活消耗能源和资源）产生的废气和粉尘排入大气中时，造成大气污染。这些污染物被风输送，在大气湍流作用下扩散稀释，通过重力沉降作用和降水冲刷过程，降到地面（水面、土壤）；这些污染物也可能在大气中发生化学变化，变成其他物质。空气污染气象学的主要内容，是研究大气运动引起的污染物输送、扩散、迁移和转化等过程。

简介

空气污染气象学作为一个学科领域，它既是大气科学的一个分支，又是环境科学与环境工程学科的一个重要组成部分。它研究大气环境中由自然因子和人为因子支配构成的大气污染系统的基本特征和变化规律，并运用气象学方法研究空气污染物自排放源进人大气层后的散布规律，其核心是大气输送与扩散。需要研究的是一个发生在多维、多尺度，具有相互联系与反馈作用的复杂系统中的包括大气物理与化学，乃至地质、地理和生物等过程的综合性闻题。

发展历程

空气污染气象学发展至今，经历三个阶段，第一阶段可溯源至20世纪二三十年代至五六十年代，这一时期主要由于产业革命后，工业经济的发展，尤其与能源利用伴随而来的空气污染问题以及二次世界大战的防化学武器和后来和平利用原子能和核气象学的发展需要，，空气污染气象学作为一个学科分支开始发展。随着人们环境保护意识的日益增强，在空气污染管理、控制和规划决策工作中，需要运用空气污染气象学的基本原理与方法，对局地空气污染物的散布作计算并应用处理。这一时期，研究和处理问题的条件基本上限于均匀、定常条件和一二十公里的水平范围，主要运用的是高斯模型的技术方法，因此，行内俗称之为P-G扩散曲线法的时代。随着大气污染问题研究与处理的范围日趋扩大，上述均匀、定常条件和一二十公里水平范围的不断突破，即引人了非均匀下垫面条件(如山地、水陆等)、非定常以及不再能满足定常和均一分布的气象条件(如大气层结稳定度分布)下的大气输送与扩散问题。

于是自70年代开始至80年代中期，空气污染气象学的学科发展进入第二阶段。这时期主要的研究和应用处理，是适应因突破有限条件而带来的对高斯模型的必需的修正和应用考虑，最具有代表性的如对流边界层和稳定边界层条件下的扩散以及山地地形和水陆交界下垫面条件下的扩散计算，而水平范围仍只能限于50公里以内。这时边界层气象学研究进展和大量的成果被引人并有效地推进局地空气污染物扩散计算与应用，这也是这一时期空气污染气象学发展的重要特点之一。

到上世纪80年代后期至90年代初期，随着大气边界层气象学实验和理论研究的进一步发展，电子计算机技术的大力推进，自20世纪70年代初期开始发展起来的三维数值模拟技术得到长足的发展，使得空气污染气象学的研究和应用处理有条件进人了全面实施数值模拟，即空气污染模拟研究的第三阶段。这时以数值模拟技术作各种条件下大气动力学方程组的数值求解的模式大量涌现并日趋成熟完善。采用各种湍流闭合技术乃至直接实现体积平均的大涡模拟(LES)技术可以直接描绘支配污染物扩散的湍流涡旋，使模拟结果更为接近真实。中尺度气象学与中尺度气象模拟技术的建立，促使空气污染气象学开创了中尺度空气污染气象学的新领域而不断发展，并成为空气污染气象学发展进人第三阶段的重要标志。这一进展尤其为城市空气污染气象学的应用赋予了强大的生命力。如果说在第二阶段对发生在山地地形和水陆交界下垫面条件下的空气污染气象学问题，还可以用一些修正的办法得到一定程度或部分的处理解决的话，那么，对于城市空气污染气象学问题的模拟研究与应用处理，则必需运用全面的数值模拟技术，运用中尺度空气污染气象学的多尺度空气污染模拟技术，才能得到相当完善的处理。

研究内容

空气污染气象学是一门研究空气污染问题与气象学的相互关系的学科。在空气污染气象学研究工作中，常利用气象学的原理和方法来研究不同气象要素对空气污染物输送、扩散的作用和在各种条件下的影响，并预测空气污染物的散布及其变化规律，目的在能找到并及时处理解决空气污染问题的正确途径，保护环境。空气污染问题的核心是大气湍流扩散，关心的尺度从几百米的局地污染、小尺度污染到中尺度和大尺度范围的污染问题。主要的研究内容包括

(1)各种气象条件下，空气污染物的散布规律，包括污染物排放以后的输送、扩散、清除过程和这些条件下空气污染物浓度的计算分析。

(2)不同区域范围，不同下垫面条件和不同尺度大气过程支配与影响评估所需的定性与定量分析。

(3)各种大气环境规划与管理所需的科学依据和局地工程大气环境影响评价分析。

(4)空气污染气象学的风洞和水槽模拟实验研究。

研究领域

空气污染气象学研究具有广泛的应用领域，它在以下领域取得许多进展并发挥了重要作用，这些领域主要包括：

(1)在规划设计工作中，为发展经济保护环境而提供污染气象学条件的分析和科学依据。

a、城市建设和工业区规划——如何使城市建设与工业区规划布局能够保证对居民和农作物、城市环境的污染影响及危害减到最小，这是规划与设计工作中需考虑的诸多因素之一。例如，对风向频率和不利气象条件的分析，可以从布局上避免重复污染和高污染浓度的发生。

b、厂址选择与工程环境影响的评价——通过污染气象学测试，对拟建厂址地区提供有关通风稀释和扩散能力的分析，从大气环境和空气质量角度做出选址结论和评估。例如，除考虑风向外，污染气象条件中，重点分析风速和低层逆温层，包括其出现时间与出现频率、强度与出现高度，考虑工程排放源可能造成的最大污染物浓度及其影响范围等。

c、烟囱高度设计——加高烟囱可以减少邻近地区地面污染物浓度，但需增加投资并造成较远距离和长远的污染影响，例如区域污染和酸雨影响等因此需要确定合适的烟囱高度。

(2)发展大气污染预测业务，实施各种环境多种尺度的污染物浓度预测

a、区域预测——预测尺度在几百公里以上，时间为1-2天的区域污染状况，着重研究可能形成大范围严重污染的天气形势并利用现有的天气预报结果。

b、城市空气质量预测——预测尺度在1-100km范围，时间在几小时到1-2天。由于城市下垫面复杂，城市的情况也各异，因而问题很复杂。随着经济的发展，人们对环境质量的要求越来越高，所以这是一个新的有发展潜力的方向。

c、局地空气污染和特定污染源污染物排放的预测——预测范围在几十米到数十公里，时间为几小时到1天的局地污染物浓度分布，这是应用最为广泛，研究相对成熟的应用领域。

d、大气环境质量评价——即对大气环境从空气质量角度评价其污染状况。例如，根据不同的目的和要求，按照一定的原则与方法，对区域环境的空气质量作出分析评估，反映现状，并研究发展趋势，实施日常的空气污染控制与大气环境管理、综合防治。

e、监视全球环境变化。这是空气污染气象学近些年来确立的一个新研究领域，即由王空气污染而产生的酸性沉积物、微量气体及二氧化碳的增加，带来全球环境变化的可能性和发展趋势，成为当代空气污染气象学研究与应用的热点。

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