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雾霾生命周期涉及的各个过程,是“污染气象学”的基础知识之一。12月20日写的博文说到各个过程的具体说明,在经典书籍里都可以查到,如P. Pasquill and F. B. Smith的Atmospheric Diffusion, 1983年第三版, 出版商为Erllis Horwood Limited。又如李宗恺,潘云仙,孙润桥的《空气污染气象学原理及应用》,1985年第一版,气象出版社。较新的教材有《空气污染气象学教程》,蒋维楣、孙鉴泞、曹文俊和蒋瑞宾编著,2004年第二版,气象出版社。但因为是教材,内容相对简单些。

污染物在大气中经历的主要过程如图:

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图中:

混合层(Mixing layer)和行星边界层的含义相似,特指污染物主要在该层内输送扩散。混合层厚度由气象条件决定。一般情况下,夏季最厚,可达2000-3000米;冬季最薄,可以只有几百米。在其顶部空气的垂直运动几乎可以忽略,因此混合层内的烟气很难越过顶部进入“自由大气”。但混合层顶不是刚性的,而且高度随时间变化,因此有部分烟气会“逃逸”离开混合层,进入“自由大气”。这部分逃逸烟气有可能被输送长距离,甚至不再回到地面。

(注:“混合层”也可以称为“大气边界层”或“行星边界层”,只是最贴近地面的薄层。是“对流层~Troposphere”的最低层。对流层在中纬度约10公里高,上面是“平流层~Stratosphere”。如果坐飞机,大部分时间是在平流层内飞的,长时间在对流层内飞机会颠簸,乘客受不了。另外,臭氧层在平流层内,中心约25公里高)

主要过程包括:

1、初始阶段,因为烟气物理性质(速度和温度)和周围空气不同而发生

烟流抬升(Plume rise)特指烟囱排放的烟气,可能有初始的垂直速度和高温,因此有一个(力学和热力学)抬升过程。抬得越高,造成地面浓度越低。和烟囱本身高度一起,是评价该“高架”点源排放烟气环境影响的重要参数。烟囱口排出的气态或颗粒态污染物属于“一次(Primary) ”污染物。

2、输送过程

平流输送(Advection)指较大尺度的盛行风对烟气的整体输送。

湍流扩散(Turbulent diffusion)指小尺度的湍流使烟气向四周扩散。

化学转化(Chemical transformation)指烟气进入大气之后经历的各种化学反应过程。气体和气体反应称为均相反应,其他都是复相反应。我们关心的“二次颗粒物(Secondary)”,就是通过化学反应才产生的。和酸雨和雾霾相关的主要是二氧化硫和氮氧化物经反应生成硫酸滴、硝酸滴、硫酸盐和硝酸盐。

云过程(Cloud processes)污染物可以混合进入云雾中,并经历化学反应过程(大都是复相反应)。吸湿性细颗粒物是参与雾滴和云滴生成的重要角色。称为“凝结核~CCN”。洁净的水蒸汽不容易凝结,有了凝结核能促进成雾成云。

蒸发(Evaporation)指一定气象条件下,云滴会被蒸发,包含的气态和颗粒态污染物会回到空气中。值得注意的是,有的高积云(对流云团)可以直上穿过“对流层(Troposphere)顶”进入“平流层(Stratosphere)”。空气污染物可能通过高积云顶的蒸发进入“臭氧层”导致臭氧层被破坏。

3、清除过程:

重力沉降(Gravitational settling)指尺度比较大的粗颗粒物,即PM10中尺度大于2.5微米的颗粒物,及大于PM10的颗粒物,因为重力下降到地面。重力沉降过程在全空间发生。PM2.5等细颗粒物因为空气阻力等原因,一般不考虑它们的重力沉降。

干沉积(Dry deposition)只在地面附近发生。因为污染物和地表接触,发生吸收和吸附使污染物停留在地面,不再介入输送,因此被从大气中“清除”。干沉积的强度由污染物性态(气态/颗粒态,颗粒大小,组分)、地表性态(土面、草地、农田、森林、湿地、水面、海面。。)和地表附近空气流动状态(有风、强风、湍流。。)决定。

湿沉降(Wet scavenging)指降水过程(雨、雪、雹)清除污染物的过程,又可再分为雨洗和淋洗。

雨洗(Rainout)指雨滴(雪、冰)离开云底之前,已经含有(凝结核和在云过程中进入的)污染物的被清除。

淋洗(Washout)指雨滴(雪、冰)离开云底之后下降,通过污染空气时又吸收吸附的污染物的被清除。

关于这些过程的讨论和研究,是从空气污染发展到一个新阶段~酸雨~时得到重视的。酸雨问题在上世纪60年代被发现,70到90年代进入研究高潮。形成酸雨的主要“前体物(precursors)”是二氧化硫和氮氧化物和细颗粒物:硫酸盐和硝酸盐。二氧化硫和氮氧化物寿命较短,除了被“清除”外,还大量经历化学转化形成二次颗粒物:硫酸盐和硝酸盐。这些细颗粒物能经历长距离输送,及至跨国界。曾经受到国际(北美,西欧,以及东亚)各国的密切关注。之后发达国家改善了能源结构,北美和西欧的酸雨争论淡化了,虽然我国酸雨严重,但输送到邻国的证据仍然不足。

湿沉降是非常有效的清除机制,但也是有效率的,涉及降水类型和“雨滴谱(大小分布)”和污染物的性态,以及降水强度和持续时间。但是,对于大范围的雾霾,不仅污染物不断地继续排放,而且降水区域未必能覆盖。因此大量污染物被风吹(平流输送)和散布(湍流扩散)到别的地方。像今年华北华东12月上旬的大范围雾霾,很少降水。12月16-17日虽然降水了,但雨带主要在长江以南。因此大量污染物被输送到东海再被清除的可能性很大。

湿沉降和干沉积十分复杂,涉及繁杂的计算公式和观测数据。关于干沉积,查了一些资料,对于最简单的轨迹模式,曾见到二氧化硫和硫酸根的干沉积速率,分别取为0.008m/s和0.002m/s。即细颗粒物干沉积效率常低于气态污染物。

湿沉降和干沉积的研究仍然得到国内外的重视,在核事故和燃煤排放汞污染的大气输送扩散问题中显得特别重要。

 此文来自科学网蒋大和博客,转载请注明出处。)

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这家伙很懒,什么都没写!

—— 云云

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