第一章 大气环境概述

环境气象学第一章 大气环境概述思维导图，包括：大气的垂直结构(Atmosphere vertical structure)、大气污染和大气污染物、描述大气污染物的特征。

第一章 大气环境概述

• 大气的垂直结构（Atmosphere vertical structure）
  • ①大气压和大气密度（density）
    • a.都随着高度的增加而减小
    • b.海平面气压 1atm=1013hPa
    • c.单位换算：1hPa=100Pa=1millibar(mb)=100N*m^(−2)=100kg*m^(−1)*s^(−2)
  • ②垂直结构
    • 对流层（Troposphere）
      • a.概述：对流层的平均高度为11~13km；质量约占整个大气层的75%；在该层，气温随着高度的增加而减小；具有强对流（Strong convection）的特征（Motion）；其组成成分有氮气、氧气、水、二氧化碳、颗粒物（particles）等；在该层，常见的天气现象有风、雾、雨、雪 等 （附加：干洁大气的主要组成成分：定常→氮气、氧气、氩气 可变→二氧化碳）
      • b.重点关注：边界层
        • 白天
          • 表层（Surface Layer）：厚度一般在50~300m之间；风随高度强烈变化（风切变）
          • 对流混合层（Convective Mixed Layer）：在表层之上；来自表层的热量向上传递（并获得最大加速度）（加热大气，使得暖空气上升）；向下置换冷空气；由于空气向上和向下的运动，空气和污染物混合在这一层
          • 逆温层（Inversion Layer）：气温随着高度的↑而↑；抑制来自表层或混合层的热量向上传递；污染物通常被困在逆温层之下或逆温层之间；逆温层越接近地面，污染物浓度越高
        • 夜晚
          • 表层：气温随着高度的↑而↑（容易形成地表逆温，不利于污染物的扩散），排放的污染物容易聚积在此层
          • 夜间边界层（Nocturnal Boundary Layer）：白天混合层失去浮力的部分（图中表现为该层气温随高度的下降速率＜白天混合层气温随高度下降的速率）
          • 残余层（Residual layer）：白天混合层的剩余部分（在夜间不会发生很大的变化）
    • 平流层（Stratosphere）中间层（Stratosphere）暖层（Thermosphere）散逸层（Exosphere）
• 大气污染和大气污染物
  • ①大气污染：大气中的某些物质浓度过高且（对人/环境）造成危害的现象
  • ②大气污染物
    • 定义：空气中传播的、浓度高到足以威胁人类和动物的健康/危害植物/毒害环境的物质。
    • 主要大气污染物
      • CO（Carbon Monoxide）： 无色无味（odorless）剧毒（highly toxic）气体；CO 与红细胞中的 Hb (血红蛋白)发生反应，会降低血液向体细胞和组织输送 氧气的能力，引起头痛、疲劳、嗜睡，甚至死亡 来源：生物质不完全燃烧，矿物燃料燃烧；大学化学反应与光解（photolysis）；植物，海洋中的生物活动 沉降（Sinks）：氧化成二氧化碳；溶解在海洋、湖泊中; 转移到冰盖、土壤中；被土壤中的微生物除去
      • SO2（Sulfur Dioxide）：无色，有刺激性气味（irritating）的气体 来源：火山爆发；化石燃料燃烧；海盐；发电厂；矿石加工；化工产品制造；造纸厂 沉降：大气化学反应→酸雨（acid deposition）；溶解在海洋、湖泊、云中；转移到冰盖、土壤中 危害（Hazard）：（硫酸型）酸雨（sulfuric acid）（硫酸盐和硫酸盐气溶胶的前体）（我国南部地区受酸雨影响很大）；危害人的呼吸系统；危害植物、土壤、水生生物；腐蚀建筑物和金属；亚洲褐云（其主要成分）
      • NOx（Nitrogen Oxides）：NO（无色气体，N和O在高温下发生反应形成的）+NO2（红褐色气体，NO和O反应生成）→NOx（氮氧化物） 来源：机动车尾气排放；发电厂；废物处理系统；闪电 危害：引起心肺问题；促进癌症扩散；形成硝酸和硝酸盐（硝酸型酸雨）；生成臭氧（对流层）
      • O3（Ozone）：无色，难闻的气味，高活性（highly reactive）气体 对流层臭氧（坏臭氧）：光化学烟雾（photochemical smog）（其主要成分）；造成呼吸系统疾病；引起心肺问题；降低对感冒/肺炎的抵抗力；刺激眼睛、鼻子、喉咙；导致胸口疼痛，恶心；损害植物等 <且对流层臭氧难以控制> 平流层臭氧（好臭氧）：挡紫外线（保护罩） <但臭氧层空洞（Ozone depletion）> 人类活动使得对流层臭氧↑，平流层臭氧↓
      • 颗粒物（Particulate Matter）：固体颗粒和液滴小而轻，可以长时间悬浮在空气中 PM2.5：直径（diameter）＜2.5μm；PM2.5可导致癌症，心血管疾病，呼吸系统疾病，有害物质中毒，胚胎发育不良 PM10:直径＜10μm TSP = total suspended particles 总悬浮颗粒
  • ③大气污染史
• 描述大气污染物的特征
  • ①数量
    • a.常见表示
      • 质量浓度（Mass Concentrations）、物质的量浓度（molar concentration）、物质的量分数/质量分数（Mixing Ratio）
    • b.计算公式
    • c.转换关系
      • Notice：使用转换的公式时要注意单位鸭
  • ②环境空气质量标准（Ambient Air Quality Standards）
    • • NAAQS = National Ambient Air Quality Standards 美国国家环境空气质量标准 • CAAQS = China Ambient Air Quality Standards 中国国家环境空气质量标准
  • ③AQI（Air Quality Index）
    • a.指标
    • b.计算（类似于分段函数）
    • c.其他
      • Aggregate Air Quality Index (AAQI)
        • ρ是一个和污染物无关的常数；之前的研究表明ρ的值在2~3之间会比较好；但最佳取值仍未确定；AAQI 考虑了所有污染物的综合影响；但是它没有明确说明污染物的接触-反应关系
      • Health-risk based AQI (HAQI)