Air Pollution Meteorology

1. Air Pollution Meteorology

2. Air pollution meteorology is the study of how pollutants are delivered and dispersed into the ambient air. Transport: Diffusion: Deposition: Transformation: Washout: Fallout: Plume rise: 空氣污染氣象學是研究大氣和大氣中污染物相互作用的科學，其主要內容包括大氣運動引起的污染物傳輸(transport)、擴散(diffusion)、沉降(deposition)和轉化(transformation)等過程。

3. Wind Speed Air movement associated with the horizontal motion of the atmosphere is commonly called wind and significantly affects pollutant concentration. Initial dilution: In general, the higher the wind’s velocity, the lower the pollutant concentration will be. In this sense, wind speed not only hastens pollutant dispersion, but also dilutes it

4. Wind Direction 風向決定污染物傳輸的方向，所謂的風向代表風吹來的方向，例如北風就是由北邊吹向南方，大家都知道，污染物往下風方向傳送，所以在污染源上風處受污染源的影響較小，但在污染源正下風處就會受到極大的影響。

5. Air Pollution Rose and Wind Rose

6. 大氣壓力的分佈都是不均勻的，兩點間的壓力差除上距離就是壓力梯度(pressure gradient)，如果氣壓梯度不等於零(也就是說兩點間氣壓不相等)，就會產生氣壓梯度力(pressure gradient force)，氣壓梯度力會把兩地間的空氣從氣壓高的一邊推向氣壓低的一邊，於是空氣流動起來，如果在一個靜止的平面上風向與壓力梯度互相垂直。 因為地球是一個旋轉的橢圓體，當壓力梯度存在時，氣流就開始由高壓區往低壓區運動，當風一旦起步向前，科氏力立刻產生，科氏力與運動的方向垂直，而且在北半球會將風拉向右邊。受到科氏力的影響，風向開始往右偏轉，在拉轉風向的同時，科氏力本身也不斷地向右偏轉，也就是越來越轉到氣壓梯度力的反方向去。當風向被拉轉到與氣壓梯度力的方向垂直時，氣壓梯度力依舊存在，且和先前一樣大小，但作用在風的科氏力與氣壓梯度力大小相等但方向相反，所以合力為零，沒有外力作用氣流就靠著慣性等速前進，從先前的不平衡狀態進行平衡狀態，由圖可以看出，在平衡狀態下，風向與等壓線保持平行，如只考慮壓力梯度力與地轉偏向力平衡，所得到的風稱為地轉風(geostrophic wind)。

9. 地轉風和梯度風都忽略了地面摩擦力的影響，在高空中此一假設並不會產生太大的誤差，但在地面附近因為受到地面摩擦和熱力的影響，使得風速減慢，摩擦力的影響不可忽略。在地面上1-2km高度通常稱為行星邊界層 (planetary boundary layer, PBL)或大氣邊界層，此層摩擦力是不能忽略的，行星邊界層以上的大氣稱為自由大氣(free atmosphere)，在自由大氣中地面摩擦力則可忽略。

10. 在行星邊界層內，風不僅受到氣壓梯度力和科氏力的制約，而且還受到地面摩擦力的作用。下圖說明行星邊界層內各個力量的平衡。如果沒有摩擦力，在氣壓梯度力Fp和科式力Fc平衡的條件下，風本來沿著等壓線方向等速前進（V），加入摩擦力的考量之後，因為摩擦力Ff作用的方向與風向相反，因此風速VR會減小，由於風速減小科式力也跟著減小為FCR，於是氣壓梯度力便超過被削弱了的科氏力，而把風拉向低氣壓一側。這時候科氏力為了與風向保持垂直，摩擦力為了與風向保持反向，它們都跟著風向一起向左偏轉。當磨擦力和科氏力的合力（FF+FCR）偏轉到和氣壓梯度力大小相等方向相反時，矛盾著的雙方力量對比又恢復到平衡狀態，這時候風便以穩定的速度和一定的交角斜穿等壓線，從高壓一側向低壓一側吹去。在行星邊界層內，風不僅受到氣壓梯度力和科氏力的制約，而且還受到地面摩擦力的作用。下圖說明行星邊界層內各個力量的平衡。如果沒有摩擦力，在氣壓梯度力Fp和科式力Fc平衡的條件下，風本來沿著等壓線方向等速前進（V），加入摩擦力的考量之後，因為摩擦力Ff作用的方向與風向相反，因此風速VR會減小，由於風速減小科式力也跟著減小為FCR，於是氣壓梯度力便超過被削弱了的科氏力，而把風拉向低氣壓一側。這時候科氏力為了與風向保持垂直，摩擦力為了與風向保持反向，它們都跟著風向一起向左偏轉。當磨擦力和科氏力的合力（FF+FCR）偏轉到和氣壓梯度力大小相等方向相反時，矛盾著的雙方力量對比又恢復到平衡狀態，這時候風便以穩定的速度和一定的交角斜穿等壓線，從高壓一側向低壓一側吹去。

11. 氣旋 (低壓) 氣旋(Cyclone)也就是一般所稱的低壓，是中心氣壓比四周低的水平渦漩(vortex)。在北半球，氣旋以逆時鐘方向繞著低壓中心旋轉，在地面為向中心輻合(converge)的氣流系統，在南半球則相反，氣旋是以順時針方向旋轉的。氣流從四面八方向低壓中心相匯，然後產生上升運動，氣流升至高空又向四周流出。在氣旋中心是垂直上升氣流，如果大氣中水汽含量較大，氣流上升時會不斷膨脹冷卻，裏面蘊含的水汽就容易凝結，產生雲雨。所以每當低氣壓（或氣旋）移到本區時，雲量就會增多，甚至出現陰天降雨的天氣。 低氣壓控制的天氣，由於氣流上升，風速較大，大氣處於中性或不穩定狀態，有利於大氣污染物的稀釋擴散，伴隨著氣旋的降雨則會產升水洗(scavenged)和沉降，將污染物由大氣中去除，除了酸雨外，低壓系統大致上不會產生空氣污染問題。

12. 反氣旋(高壓) 反氣旋(Anti-cyclone)也稱為高壓，為中心氣壓高四周氣壓低的水平渦漩。在北半球，反氣旋以順時鐘方向繞著高壓中心旋轉，並且在地面附近向外輻散(diverge)。所以在高壓中心必然有下沉氣流，以補充向四周外流的空氣。由於高壓中心是下沉氣流，不利於雲雨的形成，因此在反氣旋控制下的天氣一般是晴朗無雲。 滯留或近似滯流的高壓系統雖然天氣晴朗，但卻容易產生嚴重的空氣污染事件。因為高壓系統籠罩之下，地面風速微弱，不利污染物的稀釋，同時下沉的氣流和沉降性的逆溫層更抑制了污染物的垂直擴散，在低緯度地區，雲量少日照強烈，容易產生光化學反應。台灣地區過去許多嚴重的空氣污染事件都和滯留的高壓氣團有關。

13. 在解釋穩定度(stability)之前，先看看一個簡單的實驗。在一個燒杯中裝入適量的水，將杯子放在冰塊上等一段時間，然後用吸管小心地在靠近杯子底部的地方滴入一滴染料，用湯匙將水慢慢攪拌，可以看到染料在水平方向擴散，但在垂直向卻沒有混合，仍然集中在靠近杯底的地方。如果此一杯子，被放到一個加熱板上情況就完全不一樣，即使沒有攪拌，染料也會在垂直向產生混合。此乃因杯中水溫結構不同所致，第一種情形下層水溫較低密度較大，上層水溫較高密度較小，形成穩定(stable)的結構，不易產生垂直向的運動。相反地，在加熱板上的水，下層水溫較高密度較小，上層水溫較低密度較高，形成不穩定(unstable)的結構，只要有一些擾動就很容易產生垂直混合。如果各高度密度相等，當水分子受外力離開原來高度，並被推到另一高度，當外力撤除後，就停止在這一高度上，即不加速也不減速，此種狀況爲中性平衡(neutral)。在解釋穩定度(stability)之前，先看看一個簡單的實驗。在一個燒杯中裝入適量的水，將杯子放在冰塊上等一段時間，然後用吸管小心地在靠近杯子底部的地方滴入一滴染料，用湯匙將水慢慢攪拌，可以看到染料在水平方向擴散，但在垂直向卻沒有混合，仍然集中在靠近杯底的地方。如果此一杯子，被放到一個加熱板上情況就完全不一樣，即使沒有攪拌，染料也會在垂直向產生混合。此乃因杯中水溫結構不同所致，第一種情形下層水溫較低密度較大，上層水溫較高密度較小，形成穩定(stable)的結構，不易產生垂直向的運動。相反地，在加熱板上的水，下層水溫較高密度較小，上層水溫較低密度較高，形成不穩定(unstable)的結構，只要有一些擾動就很容易產生垂直混合。如果各高度密度相等，當水分子受外力離開原來高度，並被推到另一高度，當外力撤除後，就停止在這一高度上，即不加速也不減速，此種狀況爲中性平衡(neutral)。 空氣污染問題與上述實驗有些相似之處，污染物大都由地面附近排放，如果大氣是穩定的，就如同冰上杯中的染料，不易產生垂直向的混合而集中在地表附近，形成高濃度，造成危害。如果大氣是不穩定的，則地面排放的污染物會稀釋到高空中，降低地面濃度。不過空氣不像水， 空氣是可壓縮流體，空氣的密度會隨溫度和壓力而改變，而且大氣中溫度和壓力都隨著高度改變，所以大氣的穩定度比水體的穩定度還要複雜。

14. “Lapse rate” = -dT/dz ATMOSPHERIC LAPSE RATE AND STABILITY Consider an air parcel at z lifted to z+dz and released. It cools upon lifting (expansion). Assuming lifting to be adiabatic, the cooling follows the adiabatic lapse rateG : z G = 9.8 K km-1 stable z unstable • What happens following release depends on the local lapse rate –dTATM/dz: • -dTATM/dz > Ge upward buoyancy amplifies initial perturbation: atmosphere is unstable • -dTATM/dz = Ge zero buoyancy does not alter perturbation: atmosphere is neutral • -dTATM/dz < Ge downward buoyancy relaxes initial perturbation: atmosphere is stable • dTATM/dz > 0 (“inversion”): very stable ATM (observed) inversion unstable T The stability of the atmosphere against vertical mixing is solely determined by its lapse rate.

15. 穩定(stable)大氣 中性穩定(neutral) 不穩定(unstable)大氣

17. Stability and Diurnal Temperature 6 AM 12 AM 9 AM Height Height Height Warm Warm Cool Warm layer Cool Cool Surface Warming Warming Temperature Temperature Temperature Sunset 3 PM 12 NOON Height Height Height Maximum Warming Cooling Temperature Temperature Temperature

18. 翻卷型(波浪型,looping)：在不穩定狀態，垂直對流強烈，上升或下降的氣流造成整個煙流時上時下，有時煙流在靠近污染源的地方就會碰到地面，造成短暫但極高的地面濃度。如果考慮較長的平均時間(如一小時)，則擴散十分迅速，煙流散佈到很大的範圍，污染濃度平均濃度較小。此種情形大都出現在晴朗的午後。翻卷型(波浪型,looping)：在不穩定狀態，垂直對流強烈，上升或下降的氣流造成整個煙流時上時下，有時煙流在靠近污染源的地方就會碰到地面，造成短暫但極高的地面濃度。如果考慮較長的平均時間(如一小時)，則擴散十分迅速，煙流散佈到很大的範圍，污染濃度平均濃度較小。此種情形大都出現在晴朗的午後。 錐型(coning)：出現在中性穩定大氣，如陰天、多雲天氣或傍晚，陽光不強烈，風力又較大時。煙流向前推動良好，亂流尺度較小，可以讓污染物擴散，但不會產升大尺度的升降，煙雲在下風向呈圓錐狀。 扇型(fanning)：這種情況多出現在穩定的大氣，尤其是晴朗無風的夜晚。在穩定的大氣中，垂直向的亂流受到抑制，因此煙流在垂直方向伸展很小，只有水平擴散，煙流變為薄薄的一層，就好像打開的折扇一般。如果是高空的煙流則產生的地面濃度很低，相反地，如果靠近地面排放，就會形成很高的地面濃度。 屋脊型(roof)：在地面附近有逆溫層存在，但上部仍保持中性穩定狀態，故煙氣能向上擴散，而不向下方逆溫層擴散，一般不會造成污染，此種情況常發生在夜晚。 燻煙型(fumigation)：這種類型與屋脊型正好相反，常出現在日出以後，由於地面加熱，使夜間形成的逆溫層從地面起向上逐漸破壞，當破壞到煙囪高度時，下部氣溫接近中性穩定，但上部仍保持著逆溫狀態，故煙囪排出的污染物在其下方很快擴散，而向上受阻，導致地面污染濃度急速升高，不過隨著逆溫層逐漸破壞，混合層漸增，地面污染物的濃度就會逐漸降低。

20. 當氣溫隨著高度增加，稱為逆溫(inversion)，逆溫是一種非常穩定的大氣。出現逆溫的大氣層叫逆溫層，根據逆溫層發生的原因可分爲輻射逆溫(radiatvie inversion)、沈降逆溫(subsidence inversion)、鋒面逆溫(frontal inversion)等。 沈降逆溫：由於空氣下沈壓縮增溫而形成，多發生在高壓中心，當空氣下沈時，其溫度沿著乾絕熱直減率增溫，為保持質量守恆，下沉前後此氣塊上下壓力差都相等，但下沉後因壓縮作用，所以氣塊厚度變小，也就是氣塊上層沉降距離高於下層，所以上層增溫高於下層，因此產生逆溫。沉降逆溫多出現在高空，厚度可達數百米。有時沉降逆溫和輻射逆溫會同時發生，高空爲沉降逆溫，地表則有輻射逆溫。 輻射逆溫：一般是在晴朗的夜晚，地面長波輻射的能量直接進入太空，地面和近地面的大氣層迅速降溫，而上層大氣降溫較慢，因而出現輻射逆溫。輻射逆溫多發生在對流層的接地層。日出後太陽輻射的加強，近地面和近地面大氣層增溫，逆溫消失，因此，輻射逆溫具有明顯的日變化。 鋒面逆溫：由鋒面上暖空氣和鋒面下冷空氣的溫差而造成。在對流層中的冷暖空氣相遇時，暖空氣密度小就會爬到冷空氣上面去形成一個傾斜的過渡區，稱鋒面。在鋒面上，如果冷暖空氣溫度相差得大，也可以出現逆溫，這種逆溫稱爲鋒面逆溫，通常此種逆溫現象持續時間較短。

21. 微氣象學(Micrometeorology) • 大氣邊界層(atmospheric boundary layer, ABL)或稱行星邊界層(planetary boundary layer, PBL)，是指大氣最接近地球表面的部分，直接受到地表影響，其厚度約為一、二公里。大氣與地表之間，經由大氣邊界層進行動量、熱量和水氣的交換，進而影響天氣、氣候的變化。 • 大氣邊界層也是人類日常活動的地方，它的特性和變化常常左右我們的生活作息。大氣邊界層的性質控制大氣污染物的傳送和擴散。 • 微氣象學(micrometeorology)主要在探討大氣邊層內的氣象現象。

22. 亂流擴散(turbulent diffusion) • 大氣邊界層內的大氣運動，受到地表摩擦和熱力作用，除了貼近地表幾毫米的厚度之外，幾乎都是高度不規則的亂流(turbulence)。大氣亂流為大氣中不規則的、三維的小尺度運動。亂流特性須經過統計處理才能預報和描述。 • 在香煙的煙霧或煙囪排放的煙流都可看到氣流中粒子的速度和運動方向隨著時間和空間位置的不同呈現隨機(random)變化，這就是亂流所造成的。 • 大氣亂流會造成動量、熱能、水氣和其他物質濃度的再分配，高濃度區域的物質會被亂流帶到低濃度區域，讓濃度分佈更均勻，這種擴散現象稱為亂流擴散(turbulent diffusion)，亂流擴散會將污染物分散到較廣的區域，同時其濃度會逐漸減低，大氣邊界層內亂流擴散是分子擴散的103至106倍，是決定污染濃度分佈的重要因素。 • 污染物在近場(near field)的傳輸和擴散與微尺度的天氣和亂流有關。

23. 大氣亂流(atmospheric turbulence) • 大氣亂流的形成和它的強度受兩種因素決定： • 機械亂流(mechanical turbulence)：機械的或者動力的作用引起的亂流。機械亂流主要決定於風速分佈和地面粗糙度，當空氣流過粗糙的地表面時，將隨地面的起伏而擡升或下沈，於是産生不規則的渦流，地面粗糙度越大，機械亂流越強。 • 熱亂流(thermal turbulence)：是熱力因素所產生的亂流。 熱亂流與大氣垂直穩定度有關，當大氣不穩定，垂直對流旺盛，熱亂流就很強烈；相反地，如果大氣非常穩定，垂直向的擾動受到抑制，熱亂流就不會存在。 • 通常機械亂流在地表附近較為重要，高空通常由熱亂流所主宰；白天熱亂流強烈，熱亂流決定了混合層高度；但晚上地面附近產生逆溫層，污染物的擴散只能依賴機械亂流。

25. Mixing Height (混合層高度) • Arya (1999): The top of the PBL is usually defined as the level where the PBL turbulence disappears or becomes insignificant. … The PBL depth is also called the mixing depth or height. • Mixing height determine the volume available for pollutant dispersion. • The mixing height cannot be observed directly by standard measurements, so that it must be parameterized or indirectly estimated from profile measurements or simulation.

26. 煙流上升(plume rise) 通常污染物由煙囪排放進入大氣，不但受到微尺度風場和亂流的影響，煙流本身的條件也會影響其擴散行為。一般煙囪所排放的煙流具有垂直動量，而且溫度比外界溫度高，所以受到浮力的作用，會繼續往上升，此種現象稱為煙流上升(plume rise)，有時煙流上升高度比煙囪實際高度(hs )還高出好幾倍。我們將實際煙囪高度加上煙流上升高度，稱為有效煙囪高度(effective stack height，H)，H是一個重要的參數，因為地面最高濃度大約和有效煙囪高度的平方成反比，如果H增加一倍地面濃度就會降低為原來的四分之一。

27. 下洗(Downwash) 煙流上升可以降低地面濃度，但如果煙囪位置不當或設計不良，會產生所謂的下洗(downwash)的現象，造成煙囪附近產生高濃度，因此必須避免產生此種現象。前面我們提過地形性下洗，除此之外還有煙囪頂下洗(stack tip downwash)和建築物下洗(building downwash) 。

28. 空氣品質模式(air quality model) 空氣品質模式(air quality model)是空氣品質管理系統中重要的工具，所謂空氣品質模式乃利用數學或定量的方式，計算或模擬污染物由排放源釋出之後在大氣中傳送、擴散、轉換所形成的濃度場之時空分佈。 空氣品質模式雖然希望能反應出真正的大氣過程，但模式畢竟不是真實的情況，即使是最完善的模式也只能代表真實情況的簡化。有時，因為我們對物理、化學現象或機制，並不完全了解，所以，推導出來的模式不免有所缺失，因此模式在使用前，必先了解其依據的原理、假設、限制、適用時機...等，以選擇最為合適的模式。

29. 模式使用的時機 • 新污染源設立之許可（環境影響評估、設置許可等）　 • 污染防制策略之擬定（如減量計畫) • 總量管制（如污染泡策略） • 污染防制策略施行之結果評估　 • 監測站設置 • 長期空氣品質之評估（如國土規畫等） • 緊急意外事件的應變措施 • 短期空氣品質預報及應變（如空氣預警系統及緊急應變系統）。