逆温分为接地逆温及上层逆温。若从地面开始就出现逆温,称为接地逆温,这时把从地面到某一高度的气层,称为接地逆温层;若在空中某一高度区间出现逆温,称其为上层逆温,该气层称为上部逆温层。逆温层的下限距地面的高度称为逆温高度,逆温层上、下限的高度差称为逆温厚度,上、下限间的温差称为逆温强度。逆温层的不同类型见图5-3。
根据逆温层形成的原因,可将逆温分为辐射逆温、下沉逆温、地形逆温、锋面逆温和平流逆温等几种类型,其中与空气污染关系最密切的是辐射逆温。
(三)大气稳定度与污染物的扩散
1.大气稳定度
大气稳定度是空气团在铅直方向稳定程度的一种度量。当气层中的气团受到对流冲击力的作用,产生了向上或向下的运动,那么当外力消失后,该气团继续运动的趋势,将存在着三种可能的情况。
(1)该气团的运动速度逐渐减小,并有返回原来高度的趋势。这种情况表明此时的气层对该气团是稳定的。
(2)该气团仍继续上升或下降,并且速度不断增加,运动的结果是气团逐渐远离原来的高度。这表明此时的气层是不稳定的。
(3)气团被推到某一高度就停留在那一高度保持不动,这表明该气层是中性的。
空气团在大气中的升降过程可看作为绝热过程,气团在大气中作绝热上升或下降时的温度变化情况,用干绝热递减率来描述,即干空气团或未饱和的湿空气团绝热上升或下降单位高度(通常取100m)时,温度降低或升高的数值用γd表示,γd≈1℃/100m。
大气稳定度用气温垂直递减率(γ)与干绝热递减率(γd)的对比进行判别,当γ>γd时,大气处于不稳定状态;当γ=γd时,气层是中性的;当γ<γd时,大气则处于稳定状态。逆温则是典型的稳定大气的例子。
当大气处于稳定状态时,湍流受到限制,大气不易产生对流,因而大气对污染物的扩散能力很弱。如逆温条件下的大气层均处于稳定状态或强稳定状态,污染物极不易扩散,会引起高浓度污染。当大气处于不稳定状态时,空气对流很少阻碍,湍流可以充分发展,对大气中的污染物扩散稀释能力就很强。
2.大气稳定度与污染物扩散的关系
通过大气稳定度对烟流扩散的影响,可以直观地看出大气稳定度与污染物扩散的关系。图5-4表示的是不同温度层结情况下烟流的典型形状。
(1)波浪型 又称蛇形型。此时大气状况为γ>γd,大气处于不稳定状态。由于对流强烈,污染物扩散快,因此地面最大浓度落地点距烟囱较近且浓度较大。这种情况多发生在晴朗的白天。
(2)锥型 烟气沿主导风向呈锥形流动,这种烟型扩散速度比波浪型低,大气状况为γ=γd,处于中性或弱稳定状态,污染物落地浓度低于波浪型,但污染距离长。这种状况多发生在多云的白天或冬季的夜晚。
(3)扇型 又称平展型。在垂直方向上烟流扩散很小,沿水平方向缓慢扩散,烟流从烟源处呈扇形展开。此时的大气状况为γ<γd,即在烟源出口的一层大气处于逆温,因此污染情况随烟源有效源高的不同而不同。这种烟云对地面污染较轻,且可传送到较远的地方。但若遇到山峰、高层建筑物的阻挡,则可出现下沉现象,造成严重污染。在晴朗天气的夜间或清晨常出现这种烟型。
(4)屋脊型 又称爬升型,排出的烟流呈屋脊形扩散。在排烟出口上方γ>γd,大气处于不稳定状态;排烟口下方γ<γd,大气处于稳定状态,气层为逆温层,因此,排出的烟流只能向上扩散,而不能向下扩散。这种烟型对地面不会造成很大的污染。这种烟型一般出现在日落前后,持续时间较短。
(5)漫烟型 又称熏蒸型。在存在着辐射逆温的情况下,日出后由于地面增温,低层空气被加热,使逆温从地面向上逐渐破坏。当不稳定大气发展到烟流的下缘,而上部仍处于稳定状态时,就出现这种烟型。此时排出口上方仍存在逆温γ<γd,大气稳定,犹如上面盖了一层顶盖,阻止了烟气的向上扩散;而排出口下方,逆温已遭破坏,大气不稳定,γ>γd,造成烟气大量下沉,发生熏烟情况。这种情况多发生在日出以后,持续时间较短,对排出口下风向的附近地面会造成强烈的污染,很多烟雾事件就是在这种情况下形成的。
通过对以上五种不同烟型的产生条件的分析,粗略的了解了温度层结与大气稳定度对烟云扩散的影响。由于影响因素很多,实际烟型要比以上的典型烟型复杂的多,例如风和地面粗糙度都会对烟型及污染物扩散造成影响。但从以上的分析还是可以直观地了解到污染物扩散与大气稳定与否的密切关系。