第三章3大氣擴散參數(shù)

§3.3大氣擴散參數(shù)問題1：擴散參數(shù)如何給出？問題2：有效源高如何給出？3.3.1早期的大氣擴散參數(shù)處理模式3.3.1.1薩頓模式薩頓于1953年在泰勒公式基礎(chǔ)上，建立了第一個實用的大氣擴散模式：薩頓模式基本步驟：找出泰勒公式中拉格朗日相關(guān)系數(shù)的具體形式，亦即尋找它與某些可測氣象參量間的聯(lián)系，然后代入泰勒公式積分求算擴散參數(shù)；將擴散參數(shù)代入基本高斯擴散公式，得到薩頓擴散公式，得到著名的薩頓模式。薩頓公式薩頓擴散參數(shù)Cx,Cy薩頓模式薩頓模式基本思想：RL()量綱分析薩頓擴散參數(shù)：3.3.1.2直接測量湍流特征量的方法風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差（H.E.Cramer,1957）10m風(fēng)向脈動資料由Taylor公式，在近距離，運行時間不長，有：

當(dāng)水平風(fēng)向脈動擺角不大（<20o）,有：3.3.1.2直接測量湍流特征量的方法風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差（H.E.Cramer,1957）Cramer模式的基本表達式可由雙向風(fēng)標(biāo)直接觀測得到采用水平風(fēng)向擺動角的范圍作為特征量，導(dǎo)出擴散參數(shù)，并以高架源（108m）擴散試驗為依據(jù)，得出了相應(yīng)的經(jīng)驗表達式和擴散曲線。見表3.2,p68以高架源擴散試驗資料為依據(jù)，是早期首次提出的適合于高架源擴散計算的擴散曲線。BNL(M.E.Smith,1951)方法，或ASME方法Taylor公式的譜函數(shù)形式經(jīng)過時間T后，在x軸向距離uT的位置上，y向擴散范圍不僅與橫向湍流強度有關(guān)，也與拉氏湍流譜有關(guān)。J.S.Hay和F.Pasquill方法（1959）粒子擴散是由不同頻率的脈動速度引起的，高頻脈動是小湍渦活動的結(jié)果，低頻脈動是大湍渦活動的結(jié)果。擴散是各種不同尺度湍渦活動的結(jié)果。T足夠小，脈動速度的頻率n不可能很高，T小到一定程度后，總有：各種頻率的速度分量都按其所具有的權(quán)重作用于粒子擴散任意T：頻率高于1/T的湍渦（小湍渦）對擴散幾乎沒有貢獻，低于0.1/T的湍渦（大湍渦）不受影響，按其自身的權(quán)重作用于擴散。介于兩者之間的頻率分量雖有貢獻，但受到一定程度的削弱各種頻率的速度分量都按其所具有的權(quán)重作用于粒子擴散T很大時，1/T很小，在構(gòu)成v’的全部分量中，大都滿足n>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上面的參量都是拉氏變量，按下列假定轉(zhuǎn)化成歐拉形式的參量假設(shè)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。假定2：拉氏自相關(guān)系數(shù)與歐拉自相關(guān)系數(shù)形式完全相同，僅在時間尺度上差了一個倍數(shù)。歐拉變數(shù)表示的湍流時間尺度較小，它的頻率就高；歐拉譜向高頻端有位移。得到Taylor公式的歐拉譜形式：下標(biāo)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。當(dāng)擴散物質(zhì)的運行時間T足夠小，有：式（2.76）利用Cramer公式可得：p、v分別表示以角度（弧度）表示的橫風(fēng)向和垂直向濃度分布標(biāo)準(zhǔn)差。Hay和Pasquill模式擴散參數(shù)當(dāng)已知平均風(fēng)速和給定值的情況下，只要有風(fēng)向脈動觀測資料便可計算得到擴散參數(shù)。根據(jù)取樣時間確定平均時間用不同的平均時間s1、s2,……sn

等對原始的風(fēng)向脈動記錄進行滑動平均，得到經(jīng)過平滑的n個、風(fēng)向變化序列s1、s2，……

sn；對上述風(fēng)向變化序列，分別計算標(biāo)準(zhǔn)差，得到(A)s1、(A)s2,……(A)sn根據(jù)結(jié)果做(A)s-s曲線圖根據(jù)圖求出任意y的確定方法：1）根據(jù)定義2）由擴散參數(shù)的比求

原則上有的確定方法：3）利用經(jīng)驗關(guān)系求值值與大氣穩(wěn)定度有關(guān)，并與湍流強度成反比，值范圍1~10。大氣越穩(wěn)定，湍流強度越小，值越大。中性層結(jié)取4。C為實驗常數(shù)，0.35~0.80，早期常取0.44，近期則常取0.60。在大氣擴散試驗中，歐拉方式比較易于實現(xiàn)擴散分析中需要用到拉格朗日參量時，通過的聯(lián)系實現(xiàn)兩種參量的轉(zhuǎn)換很有意義，這也是PG模式的重要貢獻之一值的改變對擴散參數(shù)的響應(yīng)并不十分明顯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(shù)，精確度高。但對觀測要求較高，計算量大。局限性：擴散物質(zhì)運行時間足夠小3.3.2穩(wěn)定度擴散級別與擴散曲線法利用常規(guī)氣象資料，對大氣的擴散稀釋能力判別出穩(wěn)定度擴散級別（A到F：極不穩(wěn)定—穩(wěn)定）由大量擴散試驗資料和理論分析給出6條擴散曲線，即擴散參數(shù)離源下風(fēng)距離的變化曲線根據(jù)擴散曲線，可得到不同穩(wěn)定度狀況下，離源不同下風(fēng)距離的擴散參數(shù)的量值擴散曲線法，亦簡稱P-G法或P-G-T法P-G-T方法的要點

首先根據(jù)云況、日射和地面風(fēng)速，將大氣擴散稀釋能力劃分為A-F的6個等級，然后根據(jù)擴散曲線讀出不同下風(fēng)向距離處的擴散參數(shù)。P-G-T方法的應(yīng)用步驟根據(jù)氣象觀測資料劃分穩(wěn)定度擴散級別6個穩(wěn)定度級別：A：極不穩(wěn)定；B：中等不穩(wěn)定；C：弱不穩(wěn)定；D：中性；E：弱穩(wěn)定；F：中等穩(wěn)定；有時加G：極穩(wěn)定A～B；B～C；C～D；D～E；E～F（取內(nèi)插）表3.3Pasquill穩(wěn)定度分級方法地面風(fēng)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≤3/8<2AA-BB

2-3A-BBCEF3-5BB-CCDE5-6CC-DDDD>6CDDDD日間或夜間的陰天條件為中性；夜間前后1小時，不論何種天空狀況，也為中性。仲夏晴天中午為強日照，寒冬晴天中午為弱日照。Turner穩(wěn)定度劃分的基本步驟依據(jù)緯度和赤緯、時角定出太陽高度角hsinh=sinsin+coscoscos

其中時角=(t-12)15o

，t為地方時按太陽高度角確定日射強度和等級，見表3.5結(jié)合天空狀況確定日射等級，見表3.6結(jié)合地面風(fēng)速給出穩(wěn)定度擴散級別，見表3.7表3.5由太陽高度角去等日射強度與等級太陽高度角>6035~6015~35<15日射強度強中等輕度微弱日射等級4321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<2000m0總云量≤4/10-2總云量>4/10-1日間h<15o115o<h<35o235o<h<60o3h>60o4云高為<2000m的低云量6~9，且：

h>60o1h≤60o0云高<2000米m的低云量>9，不論h0夜間表3.6日射等級確定規(guī)則地面風(fēng)速日射等級43210-1-2<2AA~BBCDEF2~3A~BBCDDD~EE3~5BB~CCDDDD~E5~6CCDDDDD~E>6CDDDDDD表3.7Turner的穩(wěn)定度分類方法P-G-T方法的應(yīng)用步驟根據(jù)穩(wěn)定度擴散級別和擴散曲線給出大氣擴散參數(shù)，利用圖3.10和表3.8Pasquill方法利用英國開闊平坦鄉(xiāng)村地區(qū)氣象觀測資料，未考慮特殊的下墊面條件，也未能比較確切給出輻射狀況，過于粗糙。在應(yīng)用于城市下墊面時應(yīng)做穩(wěn)定度等級的訂正。Turner的穩(wěn)定度劃分方法較為確切。只要有地面風(fēng)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(yīng)用的方法。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(biāo)有時不能說明擴散速率的快慢。如風(fēng)向發(fā)生緩慢偏轉(zhuǎn)，顯示有大尺度湍渦的作用，即使是逆溫的情況也不例外。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(jù)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30~60分鐘，必須訂正到相同的時間才可以應(yīng)用。c.垂直擴散參數(shù)的曲線適用于地面源，不一定適用于高架源。P-G適用性

3.3.3擴散參數(shù)法的修改完善

3.3.3.1國家標(biāo)準(zhǔn)中的修改與應(yīng)用

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13201-91對P-G-T方法的主要修改：適應(yīng)我國大量地面氣象觀測站無云高觀測資料的情況，而僅以總云量和低云量來確定太陽輻射等級總云量和低云量+太陽高度角太陽輻射等級太陽輻射等級+地面風(fēng)速大氣穩(wěn)定度（表3.10）將P-G-T方法中的圖標(biāo)曲線方式，修改為冪函數(shù)形式（表3.11）注意污染物擴散在鉛直方向受地面限制，風(fēng)向傾角變化范圍較小，當(dāng)取樣時間超過幾分鐘后，鉛直風(fēng)向脈動范圍變化不大，所以對鉛直向擴散參數(shù)可以不做取樣時間的訂正。水平風(fēng)向可在360o范圍內(nèi)改變，而表3.11中的擴散參數(shù)適用于采樣時間為0.5小時的情形，如果采樣時間大于或小于這個時段需進行訂正。采樣時間訂正y2、y1分別為取樣時間為2、1時的橫風(fēng)向擴散參數(shù)；q為時間稀釋指數(shù)。采樣時間訂正1h<100hq=0.30.5<1q=0.2注意平原地區(qū)農(nóng)村及城市遠郊區(qū)的擴散參數(shù)選取，對A，B，C類可由表直接查算，對D，E，F(xiàn)類則需向不穩(wěn)定方向提半級后查算工業(yè)區(qū)或城區(qū)中點源的擴散參數(shù)選取，A，B類不提級，C類升到B級，D，E和F類則向不穩(wěn)定方向提一級后查算丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，其擴散參數(shù)選取原則同城市工業(yè)區(qū)下墊面調(diào)整，參考以下意見3.3.3.2其它穩(wěn)定度分類方法風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差決定大氣擴散稀釋速率的最終因子是大氣運動的性質(zhì)，即風(fēng)和湍流。在大致相同的宏觀氣象條件下，流場的性質(zhì)可以有相當(dāng)大的差異。因此，僅根據(jù)宏觀氣象條件來劃分?jǐn)U散級別過于粗糙。美國環(huán)保局(EPA,1990)，推薦了用表征湍流強度的風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差A(yù)，E

劃分穩(wěn)定度的方法。（表3.12～3.15，p79～81）3.3.3.2其它穩(wěn)定度分類方法風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差EPA方法的應(yīng)用步驟利用水平風(fēng)向和垂直風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差判斷穩(wěn)定度級別利用風(fēng)速資料，調(diào)整穩(wěn)定度級別（注意：表3.13的觀測數(shù)據(jù)應(yīng)是自粗糙度為15cm的平坦地面上10m高度處觀測得到的，采樣時段為15min，最少3min，最長60min）3.3.3.2其它穩(wěn)定度分類方法與溫度遞減率有關(guān)的分類方法以溫度遞減率，即以兩層垂直溫度梯度來表征水平和垂直向的湍流狀況。表3.16此方法對于穩(wěn)定大氣狀況的情形是可靠的，對于不穩(wěn)定狀況或者對高架源排放的情形是不很可靠。當(dāng)風(fēng)速很低且層結(jié)穩(wěn)定條件下，如果煙流發(fā)生彎曲，該方法對y的估算嚴(yán)重偏低，此時宜用水平風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差方法。3.3.3.2其它穩(wěn)定度分類方法與溫度遞減率有關(guān)的分類方法以溫度遞減率和風(fēng)速相結(jié)合考慮的方案，同時考慮了支配水平和垂直向的湍流狀況。表活動的機械因子和熱力因子。表3.17一般認(rèn)為此方法較之僅以溫度遞減率作判斷的方案要好。3.3.3.2其它穩(wěn)定度分類方法與溫度遞減率有關(guān)的分類方法分立方案：分別以溫度梯度和A表征湍流的垂直和水平活動美國EPA推薦方案：在缺乏云量和云高資料時，采用表3.18替換原P-G-T方案3.3.3.2其它穩(wěn)定度分類方法邊界層（PBL）湍流參量方法大氣穩(wěn)定度狀況實質(zhì)上是大氣熱力過程和動力過程對湍流產(chǎn)生、發(fā)展或抑制能力的一種量度。采用一些具有明確理論意義的邊界層湍流參量作為劃分穩(wěn)定度擴散級別的判據(jù)，應(yīng)該能比P-G-T方案更加客觀地表征大氣穩(wěn)定度狀況。常用的參量：梯度理查遜數(shù)、總體理查遜數(shù)和莫寧-奧布霍夫長度。P82-84，表3.193.3.3.3不同源高和不同下墊面的應(yīng)用P-G-T擴散曲線的實驗依據(jù)是平坦理想條件，大量低矮源（或地面源）擴散試驗的結(jié)果。表3.22對不同的源高和下墊面條件，應(yīng)用擴散曲線法確定擴散參數(shù)須進行修正與方法選擇。對不同源高的應(yīng)用，兩方面問題：使用不同的穩(wěn)定度判據(jù)，劃分穩(wěn)定度類，不同高度層有不同的頻率分布；表3.20-21，P85對于不同的源，根據(jù)相應(yīng)實驗依據(jù)基礎(chǔ)得出的擴散曲線均有差異。圖3.8，圖3.10，圖3.113.3.3.3不同源高和不同下墊面的應(yīng)用P-G-T擴散曲線法在不同下墊面的應(yīng)用，須對P-G-T方案作合理的修正和補充。修正方案：如國標(biāo)GB/T13201-91，根據(jù)不同情況作提級處理，P79考慮粗糙度，修正P-G-T方案，表3.23，圖3.12，表3.243.3.3.4擴散曲線法的內(nèi)插完善Briggs(1974)分析P-G-T擴散曲線、BNL擴散曲線和TVA擴散曲線在不同距離的特性，將其結(jié)合在一起，提出一套內(nèi)插公式，表3.25適用于開闊鄉(xiāng)間條件，用來計算地面濃度，尤其是對高架源煙流排放造成的最大濃度的計算在各類穩(wěn)定度條件下，初期煙流的擴散速率與下風(fēng)距離x成比例；而至較遠距離后，則與成比例3.3.4風(fēng)向脈動與擴散函數(shù)法將擴散參數(shù)y和z與風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差A(yù)和E聯(lián)系起來,試圖去除擴散曲線法中經(jīng)驗性的一面，由此形成了一種由風(fēng)向脈動與擴散函數(shù)確定擴散參數(shù)的方法，這是擴散參數(shù)研究的主要進展之一。A和E由雙向風(fēng)標(biāo)觀測擴散函數(shù)見表3.273.3.5擴散參數(shù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展穩(wěn)定度擴散級別與擴散曲線法采用常規(guī)氣象資料，確定擴散參數(shù)，但對不同源高、不同下墊面條件，采用不同穩(wěn)定度分類方法風(fēng)向脈動與擴散函數(shù)法重要意義：引入連續(xù)穩(wěn)定度的概念，舍棄間隔分級的穩(wěn)定度類別3.3.5擴散參數(shù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展實施意見y1）10km以內(nèi)，研究透徹，資料多，數(shù)據(jù)可靠，不同擴散參數(shù)結(jié)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(yīng)根據(jù)粗糙度和取樣時間進行訂正3.3.5擴散參數(shù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展實施意見z1）研究少，測量數(shù)據(jù)少，可靠性差，與y比，更多地依賴于溫度層結(jié)2)P-G曲線的z根據(jù)近地面源1km以內(nèi)的擴散試驗資料得出，其它都是外推的結(jié)果，故P-G曲線適用于近地面源的近距離擴散3.3.5擴散參數(shù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展實施意見z3）一般情況下應(yīng)考慮z0的影響，只有在不穩(wěn)定層結(jié)時，對流湍流對鉛直擴散的影響才超過機械湍流4)高架源的z推薦采用BNL數(shù)據(jù)一個污染源在穩(wěn)定度為A、D、F時的地面濃度分布圖給定值以后，就可以根據(jù)水平風(fēng)向脈動記錄計算各個距離的p，其步驟如下：

1）根據(jù)取樣時間確定平均時間，最大平均時間sn=τ/5。

2）用不同的平均時間s1、s2,……sn

等對原始的風(fēng)向脈動記錄進行滑動平均，得到經(jīng)過平滑的n個、風(fēng)向變化序列s1、s2，……

sn

。

3）對上述風(fēng)向變化序列，分別計算標(biāo)準(zhǔn)差，得到(A)s1、(A)s2,……(A)sn

。

4）根據(jù)結(jié)果做(A)s-s曲線圖。

5）根據(jù)圖求出任意y。的確定方法：1）根據(jù)定義2）由擴散參數(shù)的比求原則上有3）利用經(jīng)驗關(guān)系求值：值與大氣穩(wěn)定度有關(guān)，并與湍流強度成反比，值范圍1~10。大氣越穩(wěn)定，湍流強度越小，值越大。中性層結(jié)取4。2.1C為實驗常數(shù)，0.35~0.80，取0.60。

表3.10-a太陽輻射等級

云量，1/10太陽輻射等級數(shù)總云量/低云量夜間h15o15o<h35o35<h65oh>65o4/4-2-1+1+2+35~7/4-10+1+2+38/4-100+1+15/5~70000+18/800000表3.10-b大氣穩(wěn)定度等級地面風(fēng)速m/s太陽輻射等級+3+2+10-1-21.9AA~BBDEF2~2.9A~BBCDEF3~4.9BB~CCDDE5~5.9CC~DDDDD6DDDDDD表3.11-a橫向擴散參數(shù)冪函數(shù)表達式數(shù)據(jù)擴散參數(shù)穩(wěn)定度等級11下風(fēng)距離y=1x1A0.9010740.8509340.4258090.6020520~1000>1000B0.9143700.8650140.2818460.3963530~1000>1000B~C0.9193250.8750860.2295000.3142380~1000>1000C0.9242790.8851570.1771540.2321230~1000>1000C~D0.9268490.8869400.1439400.1893960~1000>1000D0.9294180.8887230.1107260.146690~1000>1000D~E0.9251180.8927940.09856310.1243080~1000>1000E0.9208180.8968640.08640010.1019470~1000>1000F0.9294180.8887230.05536340.07333480~1000>1000表3.11-c小風(fēng)和靜風(fēng)時擴散參數(shù)的系數(shù)穩(wěn)定度0102U100.5m/s1.5m/sU100.5m/sU100.5m/s1.5m/sU100.5m/sA0.930.761.57B0.760.560.47C0.550.350.21D0.470.270.12E0.440.240.07F0.440.240.05注意取樣時間指連續(xù)取得觀測數(shù)據(jù)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(shè)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(fēng)速和擴散參數(shù)的采樣時間及觀測高度。但在應(yīng)用中，為了使各種觀測資料和計算結(jié)果具有可比性，必須考慮這些因素。采樣時間訂正上述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。等級σA（度）A22.5B17.5~22.5C12.5~17.5D7.5~12.5E3.8~7.5F3.8(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

穩(wěn)定度的高度變化擴散曲線依據(jù)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(nèi)插完善綜合，表3.253.3.3.2其它穩(wěn)定度分類方法

(1)風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差

美國環(huán)保局(EPA,1990)，推薦了用表征湍流強度的風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差A(yù)，E

劃分穩(wěn)定度的方法。p79表3.25Briggs擴散參數(shù)(單位：m)

(a)開闊鄉(xiāng)間條件穩(wěn)定度級別σyσz

A0.22x(1+0.0001x)-1/20.20xB0.16x(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.