《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散

第四章

平原地區(qū)的大氣擴散

1《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024第一節(jié)空間物質(zhì)分布的基本特征

一、大氣擴散的基本特征大氣擴散決定于大氣中的流場和溫度場。物質(zhì)在大氣中擴散，在沿著順風向運動的同時，向各個方向擴散。在平穩(wěn)和均勻湍流場下，擴散粒子位移的概率服從正態(tài)分布。二、空間物質(zhì)的濃度分布1、平均濃度式中：q——瞬時濃度；

τ——采樣時段。式中：M——采樣時間內(nèi)所采的物質(zhì)的質(zhì)量；

V——采樣體積，.注意：任何涉及的濃度必須指明其所對應的時段。2《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/20242、空間物質(zhì)散布的坐標系統(tǒng)

原點：煙囪腳（排放源的垂直投影點）X軸：沿平均風向Y軸：⊥x軸，與x軸在同一水平面內(nèi)Z軸：垂直向上ZXY煙囪口（0,0,Hs）u0順風向輸送。P(x,y,z)空間物質(zhì)散布的坐標系統(tǒng)示意圖

3、空間物質(zhì)濃度與風速的關(guān)系風在輸送物質(zhì)的同時，還起到稀釋的作用。

濃度C與風速u成反比。3《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024zyxUO2m/szyxUO5m/s4《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024

污染物在隨風向被輸送到下風向的同時，由于湍流作用以及大氣中各種各樣的熱力和動力因子，還會向左右以及上下方向擴散，我們稱之為橫風向（y向）擴散和垂直向（z向）擴散。如何來研究橫風向擴散的規(guī)律呢？依據(jù)統(tǒng)計學原理，可以從“傳分幣”實驗來給出定性的結(jié)論。4、煙流的橫風向分布5《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/20240

640-1

3201

320640-2

1600

3202

1604

40-3

80-1

2401

2403

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1600

2402

160-3

100-1

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60-2

1502

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605

20-5

20-6

106

100

20032631416032215890228239834915423415944219122118312541562041495312104200123456紅色數(shù)字為橫坐標數(shù)；藍色數(shù)字為理論數(shù)據(jù)；方框右上角為實驗數(shù)據(jù)。某次“傳分幣”實驗結(jié)果6《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024q0中心值q4q3q2n（q）0y2y各排數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布（高斯分布）：其中：y0為最大值所在的中心位置坐標；

σy為粒子散布的標準差。

或

7《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/20245、橫風向擴散參數(shù)σy指下風向某距離處，污染物在y向位移的平方平均值的方根。特例：當取點及取值對稱時，。8《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024作業(yè)：某兩次示蹤劑野外擴散實驗結(jié)果如表。分別求兩次實驗所獲得的橫向擴散參數(shù)σy.y2(m)-10-5051015C2(μg/m3)420302150y1(m)0±50±100±150±200±250C1(μg/m3)200180120501009《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024式中：y邊——煙流半寬度；

2y邊——煙流云寬度，簡稱“云寬”。7、垂直向擴散參數(shù)σz

即垂直方向煙云粒子散布的標準差。6、煙流邊界

污染物濃度下降到軸線濃度的1/10處，即認為到達煙流邊界。8、σy、σz的討論反映了大氣的擴散能力隨著下風向距離x↗，σy↗，σz↗不穩(wěn)定條件下，σ大；穩(wěn)定時，σ小q00yy邊q邊q0/102y邊10《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024三、采樣時間對平均濃度的影響較短時間：瞬時煙流形狀窄而不規(guī)則，濃度相對較高；較長時間：煙流形狀寬且較規(guī)則，濃度相對較低。一般來說，采樣時間愈長，煙流中污染物的平均濃度愈低。為什么？

0y1h平均邊界10min平均邊界瞬時邊界平均風向相對濃度不同時間下的煙流邊界及相對濃度11《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024

污染物平均濃度隨采樣時間延長而降低的這一特性，稱為時間稀釋作用，可表示為：式中：C1、C2——分別對應于τ1和τ2采樣時間的濃度；

q——時間稀釋指數(shù)。指數(shù)q和取樣時間長短、有效源高、大氣穩(wěn)定度、平均風速以及當?shù)氐娘L譜結(jié)構(gòu)等有關(guān)，是因時因地而異的，需要通過對長期觀測資料的統(tǒng)計分析來確定。長期以來，各位學者給出的q值差別較大。原因：由于取樣時間延長，風的擺動增大，從而使橫向擴散參數(shù)σy隨取樣時間而增大。因此，需根據(jù)擴散時間對σy進行修正。但垂直方向的擴散因受地面限制，當時間延長到10～20s以后，σz不再隨取樣時間而增大。12《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024q值可采用不同采樣時間測量的示蹤劑濃度值計算：為了與環(huán)境空氣質(zhì)量標準進行比較，經(jīng)常需要進行時間換算。國標規(guī)定：τ=0.5～1hr，q＝0.2

τ=

1～100hr，q＝0.3例：根據(jù)某污染物0.5hr采樣濃度，估算其24hr日均采樣濃度值。13《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024第二節(jié)連續(xù)點源高斯擴散模式

Gauss擴散模式適用于開闊、平坦地形上的小尺度（＜10km）擴散，且假定：①

污染物是被動的，進入大氣后即跟隨周圍的空氣作相同的運動；②

擴散過程中無任何形式的轉(zhuǎn)化，污染物不被清除，即質(zhì)量守恒；③

流場（風速）均勻、穩(wěn)定；④

源強連續(xù)均勻；⑤

y、z方向為正態(tài)分布。實際大氣中不滿足上述理論中的前提條件，但小尺度擴散試驗表明，正態(tài)分布假設至少可以作為一種粗略的近似。

14《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024某鎳銅礦正在排放廢氣的煙囪

15《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024一、Gauss基本模式

1、無界情形（1）簡單情形簡單的煙流擴散模型zr截面AOyux根據(jù)連續(xù)條件，截面A中任意一點濃度為：r(x)是大氣擴散稀釋能力的標志。

16《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024（2）高斯擴散模式此時煙流截面上濃度不均勻，

y向和z向分別呈正態(tài)分布。無界空間任一點的濃度：

在任意一個與x軸垂直的煙流截面上，取一個小面元dydz進行研究：

zdzdy源Oyxu17《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024根據(jù)連續(xù)性原理：

無界空間連續(xù)點源Gauss模式：應用概率積分18《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/20242、有界情形注意：原點取在污染源在地面的鉛直投影點上。

P(x,y,z)P’(x,y,-z)z實源SOx像源S’實源的煙云軸線H像源的煙云軸線像源法處理示意圖

假設地面對污染物沒有吸收、吸附作用，是一個完全反射面，因此可根據(jù)全反射原理，用“像源法”來解決此問題。

19《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024P點的濃度可視為兩部分貢獻之和：①不存在地面時P點應具有的濃度相當于無界時位于（0,0,H）的實源在P點的影響濃度②由于地面反射作用而增加的濃度相當于位于（0,0,-H）的“像源”在P點的影響濃度實際濃度是二者之和。則有高架點源連續(xù)擴散模式：

20《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024當源在（0,y0,z0）時：

二、其他實用公式1、地面源

2、地面濃度

21《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/20243、地面軸線濃度

0CxCmXm-yσy地面軸線濃度隨下風向距離x的變化

地面源的地面濃度：

22《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024作業(yè)：4.4污染源的東側(cè)為峭壁，其高度比污染源高得多，如圖所示。設有效源高為H，污染源到峭壁的距離為L，峭壁對煙流起全反射作用。試推導吹南風時高架連續(xù)點源的擴散模式。當吹北風時，這一模式又變成何種模式？源峭壁NL23《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/20244、地面最大濃度及其出現(xiàn)距離利用地面軸線濃度公式求極值，可導出地面最大濃度值。出現(xiàn)地面最大濃度時，必須滿足：

24《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024實際可用近似式計算：在xm處滿足：

5、地面橫風向積分濃度CCWI

對于高架點源：

利用地面濃度觀測資料求得CCWI，并可推算難以直接測量的σz。

——第i點所代表的對應于濃度Ci的y向長度，m.25《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024Gauss模式的適用條件：下墊面平坦開闊，性質(zhì)均勻擴散物質(zhì)隨周圍空氣被動運動，物質(zhì)守恒，不發(fā)生轉(zhuǎn)化地面為全反射作用擴散物質(zhì)處于同一類溫度層結(jié)的氣層中，擴散范圍小于10km平均流場平直、穩(wěn)定，平均風向和風速無顯著的時間變化連續(xù)點源公式僅適用于風速＞1～2m/s的有風情形26《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024第三節(jié)大氣擴散參數(shù)

一、試驗法1、示蹤劑擴散實驗基本方法：于假想源點，在一段較長的時間里勻速地釋放出示蹤物質(zhì)；在下風向不同距離上，沿橫風向和垂直向多點采樣；對某一距離x，求得擴散參數(shù)。橫風向垂直向27《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024求得多組擴散參數(shù)后，按最小二乘法進行線性擬合：常利用橫風向積分濃度CCWI間接求取。

2、平衡球探測法在設計的煙云高度施放一個隨遇平衡的氣球，它如同煙云中的一個粒子隨著風和湍流運動，用雙經(jīng)緯儀觀測其運行軌跡，根據(jù)統(tǒng)計理論，可獲得擴散參數(shù)?；驹恚涸从赥aylor理論，即湍流統(tǒng)計理論。條件限制：要求空氣溫度上下均勻。28《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024二、估算法

利用氣象站的常規(guī)氣象資料（風速、云、太陽輻射狀況等）來估計大氣擴散參數(shù)。（一）

P－G法（P－G擴散曲線法）英國氣象學家F.Pasquill（1961）美國核氣象學家F.Gifford（1961）美國公共衛(wèi)生局的氣象學家D.B.Turner（1967）

方法要點劃分6個穩(wěn)定度級別給出6條x～σy（x～σz）曲線，分別對應于6個穩(wěn)定度29《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024

實施細則6種穩(wěn)定度級別

A—強不穩(wěn)B—不穩(wěn)C—弱不穩(wěn)

D—中性E—較穩(wěn)定F—穩(wěn)定穩(wěn)定度級別劃分穩(wěn)定度級別劃分表（參考）30《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024利用擴散曲線確定

和帕斯奎爾曲線法的缺點穩(wěn)定度的劃分比較粗糙D.B.Turner改進適用于開闊平坦的下墊面（如平原地區(qū)）31《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024P－G擴散曲線（英國倫敦氣象局）32《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024（二）中國國家標準規(guī)定的方法（“修訂Pasquill分類法”）《制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法》(GB/T13201-91)1、穩(wěn)定度的求?。?）太陽高度角

h⊙

Turner（1961）太陽光線與地平面的交角。φ

——地理緯度；上海φ

＝31.3°δ——太陽傾角，又稱“赤緯”ω——時角h⊙取決于季節(jié)、地理緯度、當?shù)氐牡胤綍r。某地某時的h⊙：33《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/202434《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024月旬太陽傾角(°)月旬太陽傾角(°)月旬太陽傾角(°)1上－225上+179上+7中－21中+19中+3下－19下+21下－12上－156上+2210上－5中－12中+23中－8下－9下+23下－123上－57上+2211上－15中－2中+21中－18下+2下+19下－214上+68上+1712上－22中+10中+14中－23下+13下+11下－23表4-1太陽傾角δ的概略值

太陽傾角δ的確定可由下表查取其概略值：

特殊日期的δ值：春分日或秋分日：δ＝0°

夏至日：δ＝23.5°（23.5°N）冬至日：δ＝-23.5°（23.5°S）35《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024或通過準確計算獲取太陽傾角δ：

θ0——360dn/365，deg；

dn——一年中日期序數(shù)，1，2，3，…365.

時角ω的確定

t——地方時λ——經(jīng)度，上海121°26’E故有36《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024云層的存在可以減小氣溫隨高度的變化，使大氣一般處于中性狀態(tài)；我國云量觀測：全天空十分制我國無云高觀測資料，僅以云量來判斷（“修訂”）（2）h⊙＋云量輻射等級R表4-2太陽輻射等級R總云量/低云量夜間h⊙h⊙≤15°15°＜h⊙≤35°35°＜h⊙≤65°h⊙＞65°≤4∕≤4－2－1＋1＋2＋35－7∕≤4－10＋1＋2＋3≥8∕≤4－100＋1＋1≥5∕5～70000＋1≥8∕≥80000037《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024卷云卷積云高云族38《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024中云族高積云高層云39《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024低云族層積云層云雨層云40《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024表4-4大氣穩(wěn)定度的等級地面風速u10(m/s)太陽輻射等級R＋3＋2＋10－1－2≤1.9AABBDEF2～2.9ABBCDEF3～4.9BBCCDDE5～5.9CCDDDDD≥6DDDDDD注：地面風速u10(m/s)系指離地面10m高度處10min平均風速。（3）R＋u10

穩(wěn)定度41《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/20242、σy、σz的求取表4-5橫向擴散參數(shù)冪函數(shù)表達式的系指數(shù)值（取樣時間0.5h）穩(wěn)定度級別

1

1下風距離（m）A0.9010740.8509340.4258090.602052≤1000＞1000B0.9143700.8650140.2818460.396353≤1000＞1000B～C0.9193250.8750860.2295000.314238≤1000＞1000C0.9242790.8851570.1771540.232123≤1000＞1000C～D0.9268490.8869400.1439400.189396≤1000＞1000D0.9294180.8887230.1107260.146669≤1000＞1000D～E0.9251180.8927940.09856310.124308≤1000＞1000E0.9208180.8968640.08640010.101947≤1000＞1000F0.9294180.8887230.05536340.0733348≤1000＞100042《大氣環(huán)境學》平原地區(qū)的大氣擴散5/9/2024表4-6垂直向擴散參數(shù)冪函數(shù)表達式的系指數(shù)值穩(wěn)定度級別

2

2下風距離（m）A1.121541.513602.108810.07999040.008547710.000211545≤300300＜X≤500＞500B0.9644351.093560.1271900.057025≤500＞500B～C0.9410151.007700.1146820.0