《污染氣象學》課件：第三章1

第三章大氣擴散估算

第三章大氣擴散估算§3.1大氣擴散型與污染濃度分布

§3.2連續(xù)煙流高斯擴散模式§3.3模式計算參數(shù)

§3.4其它非擴散過程──干濕沉積和化學轉(zhuǎn)化影響

§3.5特殊氣象條件下的擴散計算期中測驗§3.1大氣擴散型與污染濃度分布

一、大氣擴散型二、污染濃度分布§3.2連續(xù)煙流高斯擴散模式

一、有界條件下的基本擴散公式二、常用大氣擴散模式高架連續(xù)點源地面濃度公式；高架連續(xù)點源地面軸線濃度公式；地面源軸線濃度公式；橫向積分濃度；高架源地面最大濃度及出現(xiàn)距離；最高地面濃度與臨界風速；長期平均濃度三、擴散公式總結(jié)練習作業(yè)二

實際生活中大氣污染例子§3.1大氣擴散型與污染濃度分布陽成電廠中國惠州大亞灣2006年2月10日――中海殼牌石油化工有限公司（中海殼牌）宣布，繼調(diào)試和開車活動結(jié)束之后，位于中國廣東省惠州大亞灣的石化聯(lián)合工廠于2006年1月29日成功產(chǎn)出合格乙烯和丙烯。

日本東北部福島第一核電站1號機組冒出白煙。東京電力公司2011年3月12日說,當天下午福島第一核電站1號機組內(nèi)傳出爆炸聲并冒出白煙,事故導致4人受傷,初步認定為冷卻用氫氣爆炸。新華社/路透

一、大氣擴散型Inversion通常大氣對流層內(nèi)的氣溫是隨高度呈遞減速關系。但是在某些特殊條件下，如在空氣下沉、輻射冷卻、空中熱氣流流向地面、近地層擾動等因素的影響下，高層氣溫反而高于低層氣溫，這種現(xiàn)象稱為逆溫。逆溫的類型有輻射逆溫、下沉逆溫、湍流逆溫、平流逆溫和鋒面逆溫。出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象的一層氣體，稱為逆溫層。

在逆溫層內(nèi)，空氣密度隨高度增加而迅速減小。逆溫層的物理特征是氣體狀態(tài)穩(wěn)定，對氣體上下對流過程有抑制作用。對流層內(nèi)的逆溫層高度通常在100-200米上下。

由于逆溫層對空氣對流有強烈的抑制作用，所以極其不利于大氣污染物的擴散。由于大量氣溶膠粒子和水汽積聚在逆溫層下面，因此近地面層極易形成煙霧。LapseRateHowtemperaturechangeswithheightFactorsContributingtoAirPollutionTEMPERATUREStrong

LapseCondition

DryAdiabaticLapseRateLoopingHEIGHTWIND1、波浪型（鏈條型）

WeakLapseConditionDryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDFactorsContributingtoAir

PollutionConingWIND2、錐型FactorsContributingtoAirPollution

InversionCondition

DryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDFanning3、扇型（平展型）FactorsContributingtoAirPollution

InversionBelowDryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDLofting4、屋脊型FactorsContributingtoAirPollution

InversionAboveDryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDFumigationorTrapping5、熏煙型（漫煙型）各種溫度層結(jié)時的煙流擴散形態(tài)1、扇型（平展型）晴朗小風夜間2、錐型陰天多云，風速大3、波浪型（鏈條型）晴天午后，小風4、熏煙型（漫煙型）日出后5、屋脊型日落后根據(jù)煙形判斷大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度對煙流擴散有很大的影響，不同穩(wěn)定度導致從煙囪排出的煙羽形狀不同。五種典型煙流：

漫煙型、熏煙型波浪型錐型爬升型、屋脊型平展型

rdr穩(wěn)定，晴夜、早晨TZZT

r下部不穩(wěn)定，上部穩(wěn)定，早8-10點，污染重，危害大rdr不穩(wěn)定rdr中性穩(wěn)定rdr下部穩(wěn)定，上部不穩(wěn)定，污染小rd1、源污染物排放口形式：點、線、面、體污染物排放方式：瞬時、連續(xù)、間歇污染物排放高度：高架、地面污染物排放位置：固定、移動、無組織排放二、污染濃度分布PointversusNon-PointSourcesPointNon-PointBigBendUtilityPlantStacks(9)BigBendUtilityPlantSolidsTransfer(9)污染物排放口形式：點、線、面、體ReleaseGeometryPointAreaLineVolumeInstantaneousversusSteady-StateEmissionsInstantaneousSteady-stateReutersphotofromaPakistannucleartestsite(17)PowerplantplumeasitcrossesPugetSound(13)污染物排放方式：瞬時、連續(xù)、間歇污染物排放高度：高架、地面StationaryversusMobileSourcesStationary(10)Mobile(11)污染物排放位置：固定、移動、無組織排放1、源污染物排放口形式：點、線、面、體污染物排放方式：瞬時、連續(xù)、間歇污染物排放高度：高架、地面污染物排放位置：固定、移動、無組織排放實際經(jīng)驗中：點：煙囪瞬時：爆炸線：公路、飛機、排氣窗連續(xù)：煙囪、電廠面：城市間歇：工藝流程體：爆炸2、源強表示：源強Q：連續(xù)源：點：g/s、公斤/小時。線：g/(s·m)。面：g/(s·m2)、公斤(小時·公里2)。瞬時源：克、公斤。mg空氣質(zhì)量標準mg/m3μg空氣質(zhì)量標準μ

g/m33、濃度有兩種表示法：①質(zhì)量濃度：單位體積空氣中包含污染物的質(zhì)量。

mg/m3,μg/m3②體積濃度：單位體積空氣中污染物所占體積。

ppm,ppb,ppt兩種單位轉(zhuǎn)換關系：例如，臭氧O3,分子量48，則1ppm=48/22.4=2.14mg/m3

二級標準0.20mg/m3

為0.2*22.4/48=0.93ppmX=M×C/22.4

C=22.4X/M式中：X—污染物以每標立方米的毫克數(shù)表示的濃度值；

C—污染物以ppm表示的濃度值；

M—污染物的分子量。由上式可得到如下關系：

1ppm=M/22.4mg/m3,1mg/m3=22.4/Mppm4、濃度分布：§3.2連續(xù)煙流高斯擴散模式

一、有界條件下的基本擴散公式二、常用大氣擴散模式三、擴散公式總結(jié)一、有界條件下的基本擴散公式

梯度理論導出的有風連續(xù)點源在無界情形下的擴散公式：

實際排放源位于地面或接近地面的大氣邊界層內(nèi)由于地面存在,擴散是有界的,

實際計算必須考慮地面的影響。有界情形點源煙流擴散坐標系：坐標原點O，煙囪底部X軸，平均風方向Y軸，橫風風向Z軸，垂直于oxy平面，指向天頂，取右手坐標系。煙流中心線在oxy平面的投影與x軸重合。

考慮地面全反射，可用像源法處理。

圖中P（x，z）點的濃度可以認為是兩部分貢獻之和：

q=q實+q虛(3.1)

它們相當于在地面（z=0）坐標系里，位在（0，0，H）位置實源的貢獻和位在（0，0，-H）位置像源的貢獻。實源貢獻q實：P點（x,z）點在以在以實源為原點的坐標系中的垂直向坐標應由以地面為原點的z坐標變換為（Z-H）。于是（3.2）像源貢獻q像：像源在P點（x,z）點的濃度貢獻相當于實源在圖中P’（x,-z）點所貢獻的濃度。P’點偏離實源煙流濃度分布中心線的距離為-（z+H）。已采用坐標變換法，由于x軸取為像源的煙流濃度分布中心線上，所以相當于z作坐標變換為(z+H)。(3.3)此式即為有界情形高架連續(xù)點源的高斯模式或煙流模式。單位：有效源高H－m

，它包含煙囪高度hs和煙流的抬升高度Δh。橫向、鉛直向擴散參數(shù)σy、σz－m此式即為有界情形高架連續(xù)點源的高斯模式或煙流模式。①上式為(x,y,z)的函數(shù)②上式為長時間平均濃度③均勻場討論二、幾種常用空氣污染濃度估算公式

（常用大氣擴散模式）1、高架連續(xù)點源地面濃度公式：2、高架連續(xù)點源地面軸線濃度公式：3、地面源軸線濃度公式：由此可見(3.5)式的物理意義為：高架源、地面源的地面軸線濃度4、橫向積分濃度qcwI：指下風距離為x的地面濃度公式，沿y向各處濃度的總和。

量綱為(mg/m2)；常用上式求σz，實測得qcwI，Q，u，H后可求σz。5、高架源地面最大濃度及出現(xiàn)距離(3.9)(3.10)教材:假定，令σy和σz之比為常數(shù)，若令

且p=g，代入（3.6）有p59

高架源地面最大濃度及出現(xiàn)距離是最常用的公式，其作用：1.計算源的地面最大濃度和出現(xiàn)位置；2.計算最大允許排放量；3.設計煙囪高度。6、最高地面濃度與臨界風速由上式清楚可見，有效源高H和平均風速的作用。在某一風速下會出現(xiàn)地面最大濃度的極大值，稱為地面絕對最大濃度[qmax]abs，對應風速值稱為臨界風速uc，有時亦稱為危險風速。7、長期平均濃度：在較長的時段內(nèi)（年、季、月），不能直接用前面的擴散公式來計算。若：365天24小時算出再平均→笨用一種穩(wěn)定度得一年平均風速→不科學有兩種算法：Ⅰ聯(lián)合頻率法Ⅱ簡單的扇型法Ⅰ聯(lián)合頻率法：長期平均濃度應按每一種風向、風速和大氣穩(wěn)定度的頻率加權(quán)平均，此時濃度公式為：式中：①i，j，k為風向、風速和穩(wěn)定度等級的下標②qijk為在每一個給定風向、風速和穩(wěn)定度的濃度，可取相應的高斯擴散公式計算③fijk為風向、風速、大氣穩(wěn)定度的相對聯(lián)合頻率，即：

風向、風速、穩(wěn)定度的聯(lián)合頻率表

Ⅱ簡單的扇型法：氣象部門提供的風向資料是按16個方位給出的，每一個方位相當于一個22.5度的扇形。假定：1.長時間內(nèi)，同一扇形內(nèi)各個角度有相同的風向頻率。2.當吹某一扇形風時，全部污染物都集中在這個扇形內(nèi)，扇形以外濃度為0。則在下風距離為x處的扇面寬度（AB弧長）為：相應的平均濃度為：上式相當于某一風向僅影響下風向接收點，如S風只影響到源的N方向的接收點。某風向下長期平均濃度為：三、擴散公式總結(jié)基本公式——有界條件下高架源煙流模式：