污染氣象學

產業革命以來，工業飛速發展，人口急劇增長，煤、石油、天然氣等燃料消耗日增，引起大量廢氣排入大氣。20世紀50～60年代，一些工業區和城市相繼發生大氣污染事件，嚴重影響人們健康與經濟發展。1961年，科學家指出，大氣二氧化碳含量的增加，溫室效應會增強，可能影響氣候。70年代初，全球氣候災害增多，如非洲嚴重旱災等，不少學者認為是由於大氣污染所致。

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，搜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。

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。

污染氣象學是大氣科學的一個新分支，它是研究在不同氣象條件下，進入大氣的污染物在大氣中輸送、擴散稀

釋、轉化和移除的規律及應用的科學。本學科萌芽於20世紀20年代，1921年英國人便進行大氣擴散試驗，但只

是到了50年代后，現代工業的發展和城市人口高度集中，相繼出現了嚴重的城市或工業區污染事件，促使人們對大

氣污染的廣泛關注和研究，到60年代便逐漸形成這門獨立的新學科。

空氣污染氣象學研究的內容主要有：

①　污染源和污染物的種類和特性。

②　污染物在大氣中的風輸送、湍流擴散過程與規律。

③　污染物濃度觀測與計算技術方法。

④　空氣污染防治方法。

⑤　空氣污染的危害及對人類生存環境的影響等。

污染氣象學對環境保護、城市規劃和能源、化工、冶金、衛生、國防等部門都有極其重要的意義。其研究

方法有：野外測量、實驗室（如風洞試驗）和數值模擬研究等。

1.　空氣污染由於人類活動或自然過程，向大氣中排進了一些有害物質（稱污染物），當排入量夠多（污染

物濃度達一定限度），則使原來潔凈空氣的品質下降，若這種情況維持時間夠長，便會對人類、動物、植物和大氣

中的物品產生危害和不良影響，這種大氣狀態稱為空氣污染。組成空氣污染有三個要素：污染源、污染物濃度、對

人和生物有危害。

大氣有一定的自凈能力，現代大工業發展以前，因自然過程等排進大氣的污染物，與由大氣自凈過程而從大氣

移除的量基本平衡。但是20世紀五、六十年代以後，現代大工業迅速發展，人類排進大氣的污染物量大大超過了大

氣的自凈能力，致使目前全球大氣都遭到不同程度的污染。這引起了各國的關注，我國已把保護環境（大氣環境、

水環境等）作為國家的基本國策。

2 .污染源與污染物向大氣排入有害物質的源地稱污染源，進入大氣的有害物質稱污染物。

污染源分人工源和自然源，自然源包括火山噴發、森林著火、風吹揚塵等，它們每年向大氣排入約5.5 億噸污

染物，人工源包括工業污染源、農業污染源、城鄉交通和居民生活污染源等，它們每年向大氣排入超過6.5 億噸的

污染物，以工業污染排放量為主。中國1990年工業源共排放大氣污染物約0.4 億噸，按人口平均遠低於發達國家的排發水平。

大氣污染物分為一次污染物和二次污染物，共有100 多種。從污染源排進大氣后，直接污染空氣的稱一次污染

物，主要有二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、二氧化氮、顆粒物（飄塵、降塵、油煙等）、氨氣、及含氧、氮、氯、

硫有機化合物以及放射性物質等。二次污染物是由於陽光照射污染物、污染物間相互發生化學反應、污染物與大氣

成分發生化學反應生成的有害物質，光化煙霧就是一種二次污染物。

3.大氣環境質量（品質）

大氣環境對人類生存與發展的優劣程度，稱大氣環境質量或大氣品質。空氣潔凈則其大氣環境質量便高。

大氣環境質量高低或好壞，常用大氣污染物濃度的大小來具體衡量，單位體積空氣中含某種污染物的多少，稱

為該種污染物的濃度。根據不危害人體和生態系統與物品的考慮，人為規定污染物濃度的允許值，稱為大氣環境質

量標準。空氣的相應污染物濃度低於規定值，稱大氣質量合標準，高於規定值則稱大氣質量超標準（簡稱超標），

超標越多，則大氣環境質量越壞。世界各國都先後制定了各自的標準，中國於1982年首次頒布了大氣環境質量標準，

按地區類別執行三種等級的標準。風景名勝和自然保護區等，執行一級標準；居民區、商業與文化區等，執行二級

標準；工業區、交通樞紐等，執行三級標準。

大氣污染物濃度常用大氣採樣儀，採集空氣樣品並進行分析而確定。

4 .大氣污染的危害與影響大氣污染對人類及其生存環境造成的危害與影響有如下幾個方面：

①　對人體健康的危害。

②　對生物的危害。

③　對物品的危害。

④　造成酸性降雨，對農業、林業、淡水養殖業等產生不利影響。

⑤　破壞高空臭氧層，形成臭氧空洞，對人類和生物的生存環境產生危害。

⑥　對全球氣候產生影響，導致天氣氣候異常。

如何防治大氣污染，減輕大氣污染的危害與影響，構成了當今重大而緊迫的研究課題。

5.大氣污染的防治防治大氣污染是一個龐大的系統工程，需要個人、集體、國家、乃至全球各國的共同努

力，可考慮如下措施：①　減少污染物排放量。

②　控制排放和充分利用大氣自凈能力。

③　廠址選擇、煙囪設計、城區與工業區規劃等要合理，不要排放大戶過渡集中，不要造成重複迭加污染，形

成局地嚴重污染事件發生。

④　綠化造林，使有更多植物吸收污染物，減輕大氣污染程度。

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，溫室效應會增強，可能影響氣候。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。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和濃度高；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。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。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，氣象學分櫱出一個新的學科──污染氣象學。

研究內容 污染氣象學主要研究近地層大氣運動引起的污染物擴散、輸送、遷移和轉化過程，以及大氣污染對天氣和氣候變化的影響。

大氣運動對污染物擴散的影響 污染物在大氣中的擴散和輸送受風和溫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。風和溫度的空間分佈、大氣湍流狀況同地形、下墊面狀況（水面、陸面、植被、城市等）有密切關係。地形和下墊面等狀況不同，也會影響污染物的輸送和擴散過程。

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溫層，大氣穩定，污染物的擴散能力差。在中午前後，溫度垂直遞減率每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。

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后，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。由於水陸氣溫的差異（春、夏季水面氣溫低於陸面，而秋、冬季則相反），在冷水面（或陸面）形成的逆溫層的空氣流經暖陸面（或水面）逆溫層被破壞，逆溫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“熏煙過程”。

此外，由於陸面的粗糙度大於水面，水陸溫度差異，造成大氣穩定度的差異，大氣擴散能力也出現很大差異，一般說來，陸面的大氣擴散參數大於水面。

山區：由於地形起伏，造成日輻射強度和輻射冷卻不均而引起的熱力環流，稱為地形風。在地形的影響下，山谷中不同位置、不同高度的大氣運動狀況不同，對污染物的輸送能力也各不相同。

城市：熱島效應使城市溫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囪的煙氣上升，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。

在重力作用下，大氣中一些顆粒物會沉降到地面。大氣降水能沖洗大氣中的污染物。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。雪花比雨滴體積大，降落慢，同樣的降水量，雪的沖刷能力比雨大。氣態污染物是通過分子擴散被雨雪溶解的，氣體的分子擴散係數越大，溶解度也越大，清洗作用也就越大。因此降水的沖刷作用能使大氣中的污染物濃度顯著減低。

氣象因素對污染物分解和化合的作用

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。

大氣污染對局部氣候的影響

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％。

大氣污染的全球效應　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溫室效應，會使地面溫度增加。不過50年代以來全球二氧化碳排放量雖然增多，但氣溫反而下降。關於這個問題還需要探討。

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，引起氣溫降低。以後的模式試驗表明，飄塵增加不多時，地面有增溫現象。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溫的效應。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，只能使地面氣溫增加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，認為在近期人類使用能量的水平上，對氣候尚不至於有顯著的影響。

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。

展望　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。

[1] 大唐資料庫 http://info.datang.net/W/W0984.htm

[2] 天津企業 http://www.smetj.gov.cn/ZiXun/disp_bc.asp?id=963

[3] 網易科技 http://tech.163.com/04/1105/01/14CU6F3I0009rt.html