第三章理想條件下空氣污染物散布-擴散參數

1、q(x, y, z; H) Q, u, y , z , H, 擴散參數怎樣給出？3.3.1 早期的大氣擴散參數處理早期的大氣擴散參數處理3.3.1.1 薩頓模式給出RL ()的具體形式,根據Taylor公式求出擴散參數，再代入Gauss公式得到薩頓公式 薩頓擴散參數Cx,Cy時間間隔宏觀粘滯度，湍流特征量0222zuNwvu薩頓模式RL ()nLLLvNNRRR2)(0)(, 1)0(2)(vNfRLmzzuummn)(,1211nzznyyxCxC2222222121nnnznnnyuwunnNCuvunnNC12221222)2)(1 (4)2)(1 (43.3.1.2 直接測量湍流量的方

2、法直接測量湍流量的方法1)、風向脈動標準差(H. E. Cramer,1957)由Taylor公式，在近距離，運行時間不長，有當水平風向脈動擺角不大（1/T，它們對擴散都不起作用，只有那些頻率非常低的湍渦才對擴散有貢獻w 上面的參量都是拉氏形式，按下列假定轉化成歐拉形式的參量w 假設1 只要觀測v的時間（取樣時間）大于粒子運行時間的5倍，就可以用定點觀測得到脈動速度方差的代替跟蹤觀測得到的脈動速度方差。225ELvvT 時，當假定2：拉氏自相關系數與歐拉自相關系數形式完全相同，僅在時間尺度上差了一個倍數。）（）（時，當tRRtEL)(2cos)(42cos)(4)(00nFtdtntRdnRn

3、FELLL歐拉變數表示的湍流時間尺度較小，它的頻率就高。由圖上可以看出：歐拉譜向高頻端有一個位移。 將上式代入Taylor公式的譜形式：dnnTnTnFTvyEy2202222/)/(sin)(/,222)(TvTy下標表示取樣時間，T/表示先對v取T/時間的平均以后在計算方差。利用Cramer公式可以寫出xxxxxxuxETEvzuxATApy,p、 v分別表示以角度（弧度）表示的橫風向和垂直向濃度分布標準差。當擴散物質的運行時間T足夠小，有： 時間尺度是唯一的待定參量，起初=0.44/i，值改變時，擴散參數不靈敏。 給定值以后，就可以根據水平風向脈動記錄計算各個距離的p，其步驟如下： 1）

4、根據取樣時間確定平均時間，最大平均時間sn =/5。 2）用不同的平均時間s1、s2, sn 等對原始的風向脈動記錄進行滑動平均，得到經過平滑的n個、風向變化序列s1、s2， sn 。 3）對上述風向變化序列，分別計算標準差，得到(A)s1、(A)s2, (A)sn 。 4）根據結果做(A)s -s曲線圖。 5）根據圖求出任意y。w 的確定方法：1）根據定義2）由擴散參數的比求原則上有3）利用經驗關系求值：值與大氣穩(wěn)定度有關，并與湍流強度成反比，值范圍110。大氣越穩(wěn)定，湍流強度越小，值越大。中性層結取4。200)()()()()(vtvtvRdRdRTTvELELTTEvLy)()(TTEv

5、Ey/)()(2.1()()yLyE歐拉時間尺度。）式的拉氏時間尺度和分別代表滿足（和1 . 2,ELELTTTTvvyucucicC為實驗常數，0.350.80，取0.60。w 適用于開闊平坦地形上的小尺度擴散問題，利用A 和E 計算擴散參數，精確度高。但對觀測要求較高，計算量大。3.3.2 穩(wěn)定度級別與擴散曲線法穩(wěn)定度級別與擴散曲線法 利用常規(guī)氣象資料把大氣的擴散能力劃分為六個穩(wěn)定度等級，從A到F（極不穩(wěn)定穩(wěn)定） 用實驗曲線給出每個等級的y和z隨距離的變化，這些實驗曲線稱為擴散曲線。 穩(wěn)定度的劃分方法多種，有差別。3.3.2.1 P-G-T方法 Pasquill把風速和輻射狀況作為劃分穩(wěn)定

6、度等級的指標。 輻射狀況由白天日照和夜間云量來估計。表3.3表3.3 Pasquill穩(wěn)定度分級方法 地面風速（m/s）日間日射強度夜間天空狀況強中等弱薄云遮天或云量4/8云量3/86CDDDD 不論何種天空狀況，夜晚頭不論何種天空狀況，夜晚頭1及最后及最后1h穩(wěn)定度為中性。穩(wěn)定度為中性。（日落前1h至日出后1h為夜晚）。 仲夏晴天中午為強日照，寒冬晴天中午為弱日照仲夏晴天中午為強日照，寒冬晴天中午為弱日照。 Turner穩(wěn)定度劃分 首先，依據研究地域的緯度和赤緯、時角定出太陽高度角h sinh=sinsin+coscoscos 其中時角=(t-12)15o ，t為地方時。 其次，按太陽高度角

7、和天空狀況確定日射等級，見表3.5，3.6 最后，結合地面風速給出穩(wěn)定度，表3.7。地面風速 日射等級 43210-1-26CDDDDDD表3.7 Turner的穩(wěn)定度分類方法時間天空狀況日射等級無論日間或夜間 總云量10/10，而且云高4/10-1日間 h15o115oh35o235oh60o4云高為60o1h60o0云高9，不論h0夜間表3.6 日射等級確定規(guī)則w Turner的穩(wěn)定度劃分方法較為確切。只要有地面風速、云量、云高常規(guī)觀測資料，就可以客觀地定出穩(wěn)定度級別。所以這種方法是實際工作中最常應用的方法。此方法原為機場每小時的氣象觀測資料而設計的，機場多在城郊，下墊面比較平坦，在應用于

8、城市下墊面時應做穩(wěn)定度等級的訂正。w 上述Pasquill和Turner穩(wěn)定度計算方法，都是用宏觀的氣象資料間接地給出微觀湍流特征。大氣擴散速率最終取決于流場的湍流特性，用上述宏觀的氣象條件劃分穩(wěn)定度等級是一種間接方法。有時，大氣宏觀條件大致相同，但流場湍流特性會差別很大。因此用湍流場的特征量表征大氣穩(wěn)定度更為有效。a.常規(guī)氣象資料表征穩(wěn)定度太粗糙，沒有考慮各種大、中尺度過程的影響，也沒有考慮下墊面的影響。與其它穩(wěn)定度分類法相比，差別較大。b.穩(wěn)定度等級代表不同擴散速率的等級，擴散試驗表明，使用定量的穩(wěn)定度指標有時不能說明擴散速率的快慢。如風向發(fā)生緩慢偏轉，顯示有大尺度湍渦的作用，即使是逆溫的

9、情況也不例外。穩(wěn)定度分類擴散曲線 a.沒有考慮地面粗糙度的影響，擴散曲線是依據十分平坦的觀測資料得出的，對城市和其它粗糙地形的擴散速率估計過低。需進行訂正。b.擴散曲線的取樣時間為3分鐘，一般短時間平均濃度需要的取樣時間為3060分鐘，必須訂正到相同的時間才可以應用。c.垂直擴散參數的曲線適用于地面源，不一定適用于高架源。P-G適用性p75p763.3.3. 擴散參數法的修改完善擴散參數法的修改完善3.3.3.1 國家標準國家標準 20世紀70年代以來，在我國環(huán)保研究實踐中積累了很多經驗，對擴散曲線不斷修改和完善，并結合實際情況制定了國家標準GB/T13201-91。 穩(wěn)定度、擴散參數確定：w

10、 云量 + 太陽高度角 太陽輻射等級w 太陽輻射等級 + 地面風速 大氣穩(wěn)定度w 由穩(wěn)定度等級查算擴散參數 有風時（風速u 1.5m/s）擴散參數 小風(0.5 u 1.5m/s)和靜風(u 0.5m/s)擴散參數w 注意：根據下墊面條件調整確定穩(wěn)定度等級；取樣時間訂正 。p79表3.10-a 太陽輻射等級 云量，1/10太陽輻射等級數總云量/低云量夜間h15o15oh35o3565o4/4-2-1+1+2+357/4-10+1+2+38/4-100+1+15/570000+18/800000表3.10-b 大氣穩(wěn)定度等級地面風速 m/s太陽輻射等級+3+2+10-1-21.9AABBDEF2

11、2.9ABBCDEF34.9BBCCDDE55.9CCDDDDD6DDDDDD表3.11-a 橫向擴散參數 冪函數表達式數據擴散參數穩(wěn)定度等級11下風距離y=1x1A0.9010740.8509340.4258090.602052010001000B0.9143700.8650140.2818460.396353010001000BC0.9193250.8750860.2295000.314238010001000C0.9242790.8851570.1771540.232123010001000CD0.9268490.8869400.1439400.189396010001000D0.929

12、4180.8887230.1107260.14669010001000DE0.9251180.8927940.09856310.124308010001000E0.9208180.8968640.08640010.101947010001000F0.9294180.8887230.05536340.0733348010001000表3.11-c 小風和靜風時擴散參數的系數穩(wěn)定度0102U100.5m/s1.5m/sU100.5m/sU100.5m/s 1.5m/sU100.5m/sA0.930.761.57B0.760.560.47C0.550.350.21D0.470.270.12E0.44

13、0.240.07F0.440.240.05 取樣時間的訂正取樣時間的訂正w 取樣時間指連續(xù)取得觀測數據并用以計算平均值的時間長度。對污染物濃度計算，即指大氣采樣的時間。假設大氣湍流場是均勻、平穩(wěn)的，這是Gauss公式的前提，所以在Guass公式中沒有指明平均風速和擴散參數的采樣時間及觀測高度。但在應用中，為了使各種觀測資料和計算結果具有可比性，必須考慮這些因素。w 污染物擴散在鉛直方向受地面限制，風向傾角變化范圍較小，當取樣時間超過幾分鐘后，鉛直風向脈動范圍變化不大，所以對鉛直向擴散參數可以不做取樣時間的訂正。水平風向可在360o范圍內改變，而表3.11中的擴散參數適用于采樣時間為0.5小時的

14、情形，如果采樣時間大于或小于這個時段需進行訂正。qyy)(1212適用時間范圍，hq11000.30.510.2y2、y1分別為取樣時間為2、1時的橫風向擴散參數。等級A（度）A22.5B17.522.5C12.517.5D7.512.5E3.87.5F3.8(2)溫度梯度法 p81(3)PBL湍流參量法823.3.3.3 不同源高、不同下墊面不同源高、不同下墊面 穩(wěn)定度的高度變化 擴散曲線依據的源高、源特性 不同 z0的影響，p87 表3.233.3.3.4 擴散曲線的內插完善擴散曲線的內插完善 綜合，表3.253.3.3.2 其它穩(wěn)定度分類方法其它穩(wěn)定度分類方法 (1)風向脈動標準差美國環(huán)

15、保局(EPA, 1990)，推薦了用表征湍流強度的風向標準差A， E 劃分穩(wěn)定度的方法。p79表3.25 Briggs擴散參數 (單位：m) (a) 開闊鄉(xiāng)間條件穩(wěn)定度級別yz A0.22x(1+0.0001x)-1/20.20 xB0.16x(1+0.0001x)-1/20.12xC0.11x(1+0.0001x)-1/20.08x(1+0.0002x)-1/2D0.08x(1+0.0001x)-1/20.06x(1+0.0015x)-1/2E0.06x(1+0.0001x)-1/20.03x(1+0.0003x)-1F0.04x(1+0.0001x)-1/20.016x(1+0.0003x

16、)-1(b)城市條件yz A-B0.32x(1+0.0004x)-1/20.24x(1+0.001x)-1/2C0.22x(1+0.0004x)-1/20.20 xD0.16x(1+0.0004x)-1/20.14x(1+0.0003x)-1/2E-F0.11x(1+0.0004x)-1/20.08x(1+0.0015x)-1/23.3.4 風向脈動與擴散函數法將擴散參數y和z與風向脈動標準差A和E聯系起來,由此形成了一種由風向脈動與擴散函數確定擴散系數的方法，這是擴散參數研究的主要進展之一。由Taylor公式： tL拉格朗日時間尺度，fy、fz擴散函數當T 很小時，有Taylor公式可得：

17、)(LyvytTfT)(LzwztTfTTxvATxwE A、E可以從風向脈動資料算出，只要知道擴散函數fy、fz和估計tL的方法，就可算出擴散參數。許多外場擴散試驗都有擴散參數和A、E的同步觀測資料，據此可以反推得出擴散函數fy、fz的形式。w P. R. Draxler匯總了11次試驗資料，將擴散資料按源高、穩(wěn)定度及鉛直向或水平向進行分類，分別求出擴散函數。 其中T為擴散時間，Ti為fy或fz等于0.5所需的時間。這種方法對于不穩(wěn)定時地面源的鉛直擴散和穩(wěn)定時高架源的鉛直擴散是不適合的。w Pasquill 5 . 0)(90. 011izyTTff)()()(LeyALeyevLyvytu

18、xxftuxfuxtTTf)(xxfAy匯總擴散函數表達式，表匯總擴散函數表達式，表3.27 p953.3.5 擴散參數研究狀況(1) 實用體系(2) 觀測試驗(3) 施放高度對擴散參數的影響(4) PBL結構及湍流參量與擴散(1) 實用體系a. 穩(wěn)定度擴散級別與擴散曲線法 b. 風向脈動與擴散函數法c. 對上述兩種確定擴散參數的實用體系有如下實施意見wy 1）10km以內，研究透徹，資料多，數據可靠，不同擴散參數結果彼此接近。 2）最佳公式： 3）y可用P-G曲線做粗略估計，但應根據粗糙度和取樣時間進行訂正)(xfxAywz 1) 研究少，測量數據少，可靠性差，與y比，更多地依賴于溫度層結。 2) P-G曲線的z根據近地面源1km以內的擴散試驗資料得出，其它都是外推的結果，故P-G曲線適用于近地面源的近距離擴散。 wz 3)一般情況下應考慮z0的影響，只