空氣污染氣象學（簡體書）

大氣環境的空氣污染密切關係到國計民生、人們生活質量，誘發疾病危及生命。而它的形成、危害與氣象條件密切相關。本書旨在論述這一核心問題的模擬與應用及其應對的各類處置和防治。依據我國這一新興學科發展歷程，從基礎理論研究著手，結合作者數十年來的科學研究、實際應用和教學積累，以新的思路和特點作系統論述,為提高對空氣污染預測、控制和防治的科技水平作出應有貢獻。資料源于作者研究團隊長期工作積累並部分引進國外先進材料。根據我國空氣污染氣象學學科發展特點，通過總結論述，提高學術水平並指導實際應用，如新引入的中尺度區域性空氣污染氣象學和城市氣象、大氣化學與氣溶膠物理等領域的預測預報數值模擬等，對改善我國城市和大工業區空氣質量作出重要貢獻。基於我國這一學科有別於國外的發展特點，本書論述材料的引入有兩個主要特點和創新之處。其一，引入新的學術思想和實踐思路，如城市和區域中尺度空氣污染氣象學基礎理論及區域空氣質量數值模擬技術的原理和實用模擬研究；其二，引入大氣化學過程、細顆粒氣溶膠等導致的空氣污染問題的論述，作為空氣污染氣象學重要內容，如對流層臭氧污染、交通污染及霾污染等。以上兩點均有別於國外同類同名教材著作。本書選題及著作國內尚未見，國外則大多系教材。本書系自上世紀後期並進入新世紀以來按照我國空氣污染氣象學學科發展歷程和特點編著論述，內容主要包括空氣污染氣象學問題與大氣污染擴散的基本理論處理，大氣擴散計算與數值模擬，空氣污染的大氣化學與大氣物理問題，中尺度大氣擴散與空氣污染氣象學研究與應用，空氣污染氣象學與城市氣象應用，區域與全球空氣污染氣象學問題。全書注意充分引述了學科發展形成的新領域、新內容、新方法，以適應更新的需要。本書可供國內外大氣科學或氣象類、環境科學與工程類科學研究和業務部門技術人員用，也可兼作高等教育大學本科、研究生及教員教學用書，可供大氣環境研究、環保、能源、化工、交通、冶金、城市環境保護及城市規劃設計等部門科技人員參考使用。

五十年來長期從事大氣物理與大氣環境專業教學與科研工作。主持或承擔多項國家自然科學基金重點項目，國家重點基礎研究項目、國家科技部攻關項目，主持中國氣象局、電力部及各省市環保科技項目，獲獎情況：1，教育部自然科學二等獎；2，中國氣象局氣象科學和技術工作成果應用一等獎；3，電力部科技進步二等獎。

空氣污染氣象學問題和大氣擴散的基本理論
§1空氣污染問題與空氣污染的影響





空氣污染與空氣污染物
1.1.1空氣污染
1.1.2空氣污染物及其濃度
1.1.3空氣污染的影響
1.1.4空氣質量標準



1.2空氣污染源

1.2.1按照人類生產活動內容分類

1.2.2按污染源排放方式分類

1.2.3按污染源排放位置分類

1.2.4按污染物排放高度分類

1.2.5按污染物排放口的形式分類

1.2.6按污染物排放的物理過程分類

1.3空氣污染的控制與管理

§2空氣污染氣象學研究

2.1空氣污染氣象學的研究的內容及其發展

2.2空氣污染氣象學的研究意義和應用

2.3空氣污染氣象學研究的基本方法

§3大氣結構與大氣動力學基本特徵

3.1大氣組成與熱力結構

3.1.1大氣組成

3.1.2大氣的熱力結構

3.2大氣狀態變量與大氣熱力學

3.2.1大氣的狀態變量

3.2.2大氣熱力學

3.3大氣層結與穩定度

3.4大氣動力學與守恆定律

3.5粘性流與非粘性流

§4大氣邊界層

4.1大氣邊界層與地球-大氣交換過程

4.1.1地表能量平衡

4.1.2地氣物質交換

4.1.3地氣動量交換

4.1.4地表植被對陸氣交換的影響

4.2邊界層湍流特徵與結構

4.2.1大氣邊界層湍流的特徵

4.2.2大氣邊界層湍流的統計描述

4.3近地層及其廓線規律

4.3.1風速隨高度的分佈

4.3.2溫度、濕度隨高度的分佈

4.4對流邊界層與穩定邊界層

4.4.1對流邊界層

4.4.2穩定邊界層

§5大氣擴散與空氣污染物散佈的一般描述

5.1大氣擴散描述的基本途徑

5.2空氣污染物散佈的一些基本特徵

5.2.1空氣污染物的濃度分佈

5.2.2採樣時間對平均濃度的影響

§6梯度輸送理論的基本處理

6.1梯度輸送理論

6.2湍流擴散方程

6.3擴散方程的簡化與求解

6.3.1無風瞬時點源的解

6.3.2無風連續點源的解

6.3.3有風瞬時點源的解

6.3.4有風連續點源的解

6.3.5方程的數值求解

6.4湍流擴散係數

§7湍流統計理論的基本處理

7.1湍流擴散的拉格朗日描述與特徵

7.2泰勒公式及討論

7.2.1泰勒公式及其導出

7.2.2泰勒公式的另一種形式

7.2.3泰勒公式的一些推論

7.2.4泰勒公式的譜函數形式

§8相似理論的基本處理

8.1量綱分析與定理

8.2相似理論

8.3拉氏相似性假設與擴散的基本數學處理

8.4中性層結條件下的平均位移

8.5非中性層結條件下的平均位移

8.6相似理論在對流混合層擴散問題中的應用

§9三種基本理論處理的比較討論

§10小結





第二章空氣污染的大氣化學與大氣物理問題

§1氣象因子對空氣污染物濃度的影響




空氣污染氣象學影響因子


大氣邊界層結構及其特徵

風和湍流

氣溫與大氣穩定度

輻射與雲

天氣形勢




1.2氣象因子與空氣污染物濃度的統計關係

1.3氣象因子對污染物濃度日變化和季節變化的影響

§2空氣污染氣象學中的大氣化學過程

2.1均相氣相過程




均相液相過程



2.2.1雲化學

2.2.2降水化學

2.2.3酸雨問題

2.3非均相化學過程

§3空氣污染物的清除過程

3.1幹清除

3.1.1幹沉積速度的測量

3.1.2幹沉積速度的理論計算

3.1.3植被對幹沉積速度的影響

3.2濕清除

§4氣溶膠與空氣污染

4.1氣溶膠的基本特徵及化學組成

4.1.1等效直徑

4.1.2氣溶膠粒子的譜分佈

4.1.3氣溶膠粒子的化學組分

4.1.4氣溶膠粒子的吸濕性增長

4.1.5氣溶膠粒子的壽命

4.2氣溶膠的來源

4.2.1火山

4.2.2球外隕星物質

4.2.3風揚塵

4.2.4海洋

4.2.5生物過程

4.2.6生物質燃燒

4.2.7人為源的直接排放

4.3二次氣溶膠的產生過程

4.3.1氣—粒轉化

4.3.2倫敦煙霧

4.3.3光化學煙霧

4.4氣溶膠來源解析

4.5氣溶膠與能見度

4.5.1氣溶膠的消光作用

4.5.2能見度確定的經驗方法與公式

§5臭氧污染及其成因

5.1臭氧的作用

5.2臭氧的形成和破壞過程

5.2.1平流層臭氧

5.2.2對流層臭氧

5.3氣溶膠與臭氧的相互作用

§6小結



第三章空氣污染物散佈的數值模擬

§1空氣污染物散佈的模擬方法

1.1歐拉型模式和拉格朗日型模式

1.2在線和離線耦合的氣象模式與空氣污染物擴散模式

§2歐拉型空氣質量模式的控制方程組及邊界層參數化

2.1控制方程組

2.1.1大氣平均運動方程組

2.1.2污染物輸送方程

2.2閉合問題

2.2.1局地閉合—1階閉合

2.2.2局地閉合---1.5階閉合

2.2.3局地閉合---E-ε閉合

2.2.4二階閉合

2.2.5高階閉合

2.2.6非局地閉合

2.3大氣邊界層參數化

2.3.1貼地層

2.3.2近地層

2.3.3Ekman層

2.4地面影響、水汽過程和輻射作用

2.4.1地面影響

2.4.2地面能量平衡

2.4.3輻射平衡

2.4.4水汽過程

2.5大氣化學反應機制

2.6大氣化學模式的數值求解

2.7初始條件和邊界條件

2.7.1初始條件

2.7.2邊界條件

2.8基本坐標

§3拉格朗日隨機遊動模式

§4後向氣流軌跡模式

§5大渦模擬（LES）

5.1LES的網格體積平均方程

5.2次網格模式

5.2.1Smagorinski模式

5.2.2隨機次網格（次濾波）模式

5.2.3次網格模式在邊界附近的處理

5.3邊界條件

§6空氣質量預測預報模式介紹

6.1城市尺度空氣質量預報模式

6.1.1城市空氣質量預報的方法

6.1.2城市空氣質量數值預報特點

6.2區域尺度空氣質量模式

6.2.1美國CAMx光化學數值預報模式系統

6.2.2MODEL3模式

6.2.3WRF-CHEM模式

6.2.4中國霧-霾數值預報系統CUACEHaze-fog

6.3全球尺度大氣化學模式

§7污染源排放清單製作原理及方法

7.1污染源的時空分佈及其影響

7.2污染源排放清單的製作

7.3排放清單的評估與驗證

§8同化技術在空氣污染數值模擬研究和預測中的應用

8.1資料同化技術的基本概念和方法

8.1.1集合卡爾曼濾波

8.1.2變分同化

8.1.3最優插值

8.1.4牛頓鬆弛近

8.2污染物濃度初始場同化

8.3污染物排放源反演處理的原理及方法

8.4同化技術的實際應用示例

§9小結



第四章局地空氣污染物散佈的計算處理

§1連續點源高斯擴散模式

1.1無界情形

1.2有界情形

1.3地面源

1.4地面濃度和地面最高濃度

§2連續線源、面源和體源擴散計算公式

2.1橫向風積分濃度與線源擴散計算公式

2.2面源擴散公式

2.3體源擴散公式

§3煙團擴散模式

3.1靜風煙團模式

3.2煙團軌跡模式

3.2.1一般原理

3.2.2ERT煙團軌跡模式

§4大氣擴散參數

4.1早期的大氣擴散參數處理模式

4.1.1梯度觀測法

4.1.2直接測量湍流特徵量的方法

4.2穩定度擴散級別與擴散曲線法

4.2.1P-G-T法

4.2.2擴散曲線法的修改完善與討論

4.3風向脈動與擴散函數法

4.3.1方法原理

4.3.2擴散函數fy和fz的確定

§5煙流抬升與大氣清除過程

5.1煙流抬升及抬升高度計算與應用

5.1.1煙流抬升物理模型及影響因子

5.1.2煙流抬升軌跡與終極抬升概念

5.1.3煙流抬升方程及其閉合求解

5.1.4環境湍流與煙流抬升

5.1.5煙流抬升高度實用計算公式

5.2大氣清除過程及計算處理

5.2.1大氣清除過程的一般表述

5.2.2高斯煙流擴散公式的修正形式

5.2.3幹沉積——下墊面清除

5.2.4濕沉積——降水清除

5.2.5化學轉換和空氣污染物的滯留與遷移

§6小結



第五章城市尺度空氣污染氣象學問題

§1城市空氣污染氣象學問題




城市地區的主要大氣物理過程

城市邊界層大氣過程的多尺度特徵



§2城市冠層對氣象場的影響

2.1城市冠層風場特徵

2.2城市冠層對輻射的影響

2.3城市溫度場與城市熱島

§3城市陸面過程的參數化

3.1城市冠層模式

3.2城市冠層動力學效應參數化

3.3城市冠層熱力學效應參數化

3.4城市樹木冠層效應參數化

3.5顯式分辨建築物的處理

3.6人類活動的影響

§4城市空氣質量多尺度模擬系統

4.1城市空氣多尺度模擬系統框架

4.2區域邊界層氣象環境模式

4.3城市尺度邊界層數值模式

4.4城市小區建築物系統模式

4.5大渦模擬方法

4.6半經驗方法模型

§5城市空氣質量多尺度模擬系統的應用

5.1城市熱島環流對污染物擴散的影響

5.2城市擴張對城市空氣質量的影響

5.3人為熱對城市空氣質量的影響

5.4城市建築特徵對城市空氣質量的影響

5.5城市綠化對城市空氣質量的影響

§6小區尺度空氣污染物擴散的數值模擬

6.1城市街穀與實際小區中的污染擴散

6.2建築群對風場影響的大渦模擬分析

6.3經驗模型在城市建築群情景下的應用

§7小結



第六章中尺度大氣擴散與空氣污染氣象學研究

§1中尺度氣象學基本特徵




中尺度大氣流動及其尺度特徵
1.1.1中尺度時間尺度
1.1.2中尺度空間尺度



1.2中尺度大氣流動不同尺度的相互作用

1.3中尺度環流

1.3.1地形誘生的中尺度環流

1.3.2內部產生的中尺度環流

1.4中尺度對流系統

1.4.1對流雲

1.4.2鋒面環流

1.4.3颮線

1.4.4對流複合體

§2中尺度大氣擴散與空氣污染氣象學研究基本問題

2.1中尺度空氣污染氣象學問題

2.2中尺度空氣污染氣象學研究

2.2.1中尺度空氣污染氣象學的研究內容

2.2.2中尺度空氣污染氣象學的研究意義和應用

2.3中尺度大氣擴散

2.4中尺度大氣擴散的觀測研究

2.4.1中尺度大氣擴散的觀測事實

2.4.2觀測研究

2.5中尺度大氣擴散基本特徵

2.5.1平均流的不穩定性

2.5.2水平擴散與垂直擴散的相對重要性

2.5.3切變增強擴散的重要作用

2.5.4垂直平流的貢獻

2.5.5地面濃度分佈型不同

2.5.6關於拉格朗日積分時間尺度

2.6湍流與中尺度大氣擴散

2.6.1湍流

2.6.2中尺度譜

2.7切變與中尺度大氣擴散

2.7.1同時的與滯後的切變增強

2.7.2日變化和低空急流

§3中尺度環流對污染物擴散的影響

3.1山谷風環流對污染物擴散的影響

3.2海陸風環流對污染物擴散的影響

§4中尺度天氣過程與空氣污染

4.1天氣過程對污染物擴散的影響

4.2空氣污染對天氣的影響

§5小結



第七章區域與全球空氣污染氣象學問題

§1區域與全球大氣環境問題




酸雨污染
1.1.1酸雨問題的由來
1.1.2酸雨的成因
1.1.3酸雨的危害
1.1.4酸雨的防治



1.2區域灰霾污染

1.2.1中國霾污染的長期變化趨勢

1.2.2霾的產生機理

1.2.3霾的治理

1.3沙塵污染

1.3.1沙塵暴的產生

1.3.2沙塵暴的影響和發展趨勢

1.3.3沙塵暴研究及預測與防治

1.4臭氧層保護與臭氧污染控制

1.4.1平流層臭氧變化趨勢及臭氧層保護

1.4.2對流層臭氧污染及其控制

§2遠距離輸送擴散與大氣環境容量

2.1污染物的遠距離輸送

2.2污染物的跨界輸送

2.3區域大氣環境容量

§3空氣污染與氣候的相互作用

3.1空氣污染物的輻射效應

3.1.1污染氣體的溫室效應

3.1.2氣溶膠的氣候效應

3.2氣候變化對空氣污染的影響

§4小結