污染氣象學

污染氣象學主要研究近地層大氣運動對污染物擴散、輸送、沉降等物理過程和分解、化合等化學過程，以及大氣污染對天氣和氣候變化的影響。污染氣象學是氣象學與物理學、化學以及技術科學的交叉學科。研究方法主要採用施放煙體，蒐集空氣樣品和用攝影等辦法研究污染物濃度的時空分佈以及傳播和擴散規律。數學模擬也是普遍採用的方法。70年代以來污染氣象學已成為國際科學協作的重大項目和聯合國有關環境問題的大型國際會議的重要議題。 ^[2] 

研究大氣運動同大氣中污染物相互作用的學科。它是現代氣象學的一個分支，也是環境科學的重要組成部分。

產業革命以來，工業飛速發展，人口急劇增長，消耗了大量的煤、石油、天然氣等燃料，排出的二氧化硫、二氧化碳等大氣污染物的數量日益增多。早在1861年就有學者指出，大氣中二氧化碳含量增加，温室效應會增強，可能影響氣候。 ^[1] 

1921年，英國為了弄清軍事上施放毒氣的氣象條件，開始進行大氣擴散實驗。40年代，原子能工業興起，一些國家開始進行放射性物質污染預測和控制的研究，促進了大氣擴散實驗和理論研究的發展。 ^[1] 

50～60年代，一些工業集中的地區和城市相繼發生嚴重的大氣污染事件。其原因一是排入大氣中的污染物數量大、濃度高；二是氣象條件不利於大氣污染物的擴散和遷移。為了控制和消除大氣污染，一些國家開展了城市或區域性的大氣污染物輸送、擴散、遷移和轉化規律的實驗和研究，並在一些污染嚴重的地區開展了大氣污染預報的研究。 ^[1] 

70年代，在全球範圍內出現了頻繁的氣候災害，如非洲出現嚴重乾旱等，人們把這些現象歸因於大氣污染。這樣就推動了許多氣象學者不僅進行氣象因素對污染物擴散影響的研究，而且開展了大氣污染對天氣、氣候影響的研究。 ^[1] 

同時，高空飛行器對平流層的污染以及污染物在 平流層和對流層之間的遷移轉化，促使人們研究全球性的大氣污染與氣象的關係。在此基礎上，氣象學分化出一個新的學科——污染氣象學。 ^[1] 

污染物在大氣中的擴散和輸送受風和温度的空間分佈的制約，而大氣湍流運動則引起污染物的稀釋和再分配。大氣中存在不同尺度的渦旋運動。時間尺度在數十分鐘以下的渦旋運動稱為大氣湍流。大氣湍流使空氣發生強烈的混合，造成其物理屬性的擴散．其強度和尺度遠大於分子擴散，是大氣中．特別是邊界層中各種物理量傳輸的主要過程。大氣中許多物理過程都受到大氣湍流的影響。大氣湍流的發生有其動力條件和熱力條件。風速切變是擾動產生的動力因素，而温度分佈不均勻則是大氣湍流產生的熱力因素。 ^[3] 

平原地區：在平原地區，風向和風速在某一水平面上是均勻的。某一污染源排放的污染物受當地風向頻率的影響，最高風頻的下風地區受污染的次數最多。在晴天的夜間，風速較小時，近地面幾百米高度出現輻射逆温層，大氣穩定，污染物的擴散能力差。在中午前後，温度垂直遞減率每100米可大於1℃，熱力和動力湍流發展，大氣很不穩定，污染物的擴散能力增強。 ^[1] 

沿海（或濱湖）地區：由於海陸風的交換，有時低層排放的污染物被海（陸）風輸送到一定距離後，又會被高空反氣流帶回到原地，導致原地污染物濃度的增加。由於水陸氣温的差異，水面逆温層的空氣流經陸面，逆温層上部積聚的污染物被熱對流帶到地面，在短時間內會產生污染物濃度增高的“燻煙過程”。 ^[1] 

山區：地形起伏使得接受的太陽日輻射強度和輻射冷卻不均勻，由此引起熱力環流，稱地形風。山坡白天有上坡風，夜間有下坡風。山谷白天有穀風，夜間有山風。深谷還可出現山谷風的閉合環流，其上都的反向氣流稱反向山谷風。在山區和平原之間還有大型坡風。在山谷中不同位置、不同高度的氣流有很大差異，因此，不同排放高度上的污染物輸送路徑也不同。山坡上的煙囱，若高度低於坡風厚度(幾十米)，剛污染物被下坡風帶到平原或山谷中，這對利用山坡地形來增加煙囱排放高度是不利的；若排放口位於閉合環流中，也不利於污染物的擴散稀釋而使當地污染物濃度增高。高煙囱的煙氣在迎風坡上造成的污染較重，氣流過山的動力作用在背風坡產生下沉氣流或渦旋；穀風在不穩定條件下，風速較大時也出現下沉現象。這都會使煙囱排放的煙氣向下傾斜或下沉到地面。山谷中的曲折地段因地形阻塞出現小風，會使一些地區的污染加重。山區逆温維持時間比平原地區長，而且還可能出現多層逆温，逆温頂盞和山谷構成一個“管道”，限制了污染物的擴散，加煎了下風地區的污染。污染物在兩個逆温層之間積累，逆温破壞後會出現燻煙現象。雖然地形引起的氣流擾動加大了湍流強度，山區的大氣擴散參數比平原地區要大幾倍，但由於水平輸送不如平原地區，因此，山區(尤其是山間盆地和谷地)的空氣污染通常比平原嚴重。 ^[4] 

城市：熱島效應使城市温度的垂直分佈在白天和夜晚都是遞減的，形成城市混合層。污染物的垂直擴散受到限制，混合層內的污染物濃度趨於均勻。熱島效應形成熱島環流，還會增加輻合區的污染。輻合上升氣流使高煙囱的煙氣上升，減少了對城市的污染。由於城市對氣流的擾動和城市大氣的熱對流造成的湍流比平原地區強，所以城市大氣擴散的能力比平原大得多。 ^[1] 

污染物在大氣環境諸因素的影響下發生極為複雜的化學反應。這些反應可使污染物毒性增強或減弱，或者喪失，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。三氧化硫溶於大氣中的水，形成硫酸霧。二氧化硫也可溶於水，形成亞硫酸，再氧化成硫酸。氮氧化物與臭氧化合溶於大氣中的水，可形成硝酸。硫酸和硝酸可使雨水酸化，也可能與其他物質化合形成鹽類。氮氧化合物和碳氫化合物共存於大氣中，經紫外線照射，會發生光化學反應而產生危害甚大的光化學煙霧。 ^[1] 

大氣污染對局部地區氣候和區域氣候也會發生影響。由於大氣污染，英國倫敦和曼徹斯特曾出現過這樣的情況：一年中有兩百多天中午的能見度不到10.5公里。由於能見度降低，受污染地區的太陽輻射量比周圍地區少15～20%，而紫外線則少得更多。

城市污染源向大氣中排放大量顆粒物。這些顆粒物作為凝結核把水氣凝聚成水滴，在熱島輻合上升氣流的作用下造成降水。據英國和北美幾個城市統計，這些城市的降水量比郊區多5～10%。 ^[1] 

全球每年有數億噸煙塵和氣體排入大氣，但通過遷移、轉化過程又從大氣中清除出去，不在大氣中積累。在大氣中自然進行的這種過程稱為大氣自淨過程。清除途徑包括①重力沉降：煙塵受重力作用沉降到地面。粒子越重，沉降速度越大。②降水沖刷：雨雪在降落過程中通過碰撞而捕獲大氣中的顆粒物。捕獲量同雨滴大小、顆粒物大小和密度有關。雪花面積大，落速慢，沖刷效果比雨滴大。③大氣化學反應：污染物在大氣中發生一系列化學反應之後，有的不再具有毒性，有的形成新的污染物而沉降至地面。如二氧化硫在大氣中氧化成三氧化硫，三氧化硫遇大氣中的水滴就形成硫酸霧。酸霧遇其他物質可形成硫酸鹽沉降至地面。 ^[4] 

大氣污染對全球氣候的影響，也是污染氣象學的一個重要的研究內容。從19世紀開始，大氣中的二氧化碳在不斷增長，1860年為290ppm,1958年為313ppm，1971年又增至323ppm。二氧化碳吸收太陽和地面的紅外輻射形成温室效應，會使地面温度增加。不過50年代以來全球二氧化碳排放量雖然增多，但氣温反而下降。關於這個問題還需要探討。 ^[1] 

大氣中的飄塵有三分之一是人為排放的。過去認為飄塵具有“陽傘效應”，它能反射和吸收太陽輻射能,特別是減少紫外光的透過，使地面獲得的太陽輻射能減少，引起氣温降低。以後的模式試驗表明，飄塵增加不多時，地面有增温現象。個別科學家甚至認為，飄塵越多，增熱效果越大。因此，飄塵的全球效應仍是值得繼續研究的問題。

人類消費能源所釋放的熱量也有增温的效應。據估計，當前全球人為釋放的熱量約相當於全球接受的太陽輻射能量的萬分之一。即使今後人口增加到200億,人為釋放的熱量也只有全球接受的太陽輻射能量的 0.5%左右,只能使地面氣温增加1℃。美國和澳大利亞等國學者根據地球上不同地區的用能分佈進行數學模式計算，認為在人類使用能量的水平上，對氣候尚不至於有顯著的影響。 ^[1] 

以上表明，大氣污染對某些局部地區氣候有顯著的影響，但它的全球效應尚未得到確切的結論。

污染氣象學是氣象學和技術科學的結合體，又是氣象學和化學、空氣動力學等學科的結合體。它的發展將促進氣象科學和相應科學的發展。大氣污染證明了人類本身也參加了氣象過程，並且影響越來越大。因此，污染氣象學的出現也是氣象科學向綜合性學科發展的一個里程碑。

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