第五章大氣污染擴(kuò)散

1、第五章 大氣污染擴(kuò)散第一節(jié)大氣結(jié)構(gòu)與氣象有效地防止大氣污染的途徑，除了采用除塵及廢氣凈化裝置等各種工程技術(shù)手段外，還需充分利用大氣的湍流混合作用對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋能力，即大氣的自?xún)裟芰?。污染物從污染源排放到大氣中的擴(kuò)散過(guò)程及其危害程度，主要決定于氣象因素，此外還與污染物的特征和排放特性，以及排放區(qū)的地形地貌狀況有關(guān)。下面簡(jiǎn)要介紹大氣結(jié)構(gòu)以及氣象條件的一些基本概念。一、大氣的結(jié)構(gòu)氣象學(xué)中的大氣是指地球引力作用下包圍地球的空氣層，其最外層的界限難以確定。通常把自地面至1200 km左右范圍內(nèi)的空氣層稱(chēng)做大氣圈或大氣層，而空氣總質(zhì)量的982集中在距離地球表面30 km以下。超過(guò)1200 km的范圍，

2、由于空氣極其稀薄，一般視為宇宙空間。自然狀態(tài)的大氣由多種氣體的混合物、水蒸氣和懸浮微粒組成。其中，純凈干空氣中的氧氣、氮?dú)夂蜌鍤馊N主要成分的總和占空氣體積的99.97，它們之間的比例從地面直到90km高空基本不變，為大氣的恒定的組分；二氧化碳由于燃料燃燒和動(dòng)物的呼吸，陸地的含量比海上多，臭氧主要集中在5560km高空，水蒸氣含量在4以下，在極地或沙漠區(qū)的體積分?jǐn)?shù)接近于零，這些為大氣的可變的組分；而來(lái)源于人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)和火山爆發(fā)、森林火災(zāi)、海嘯、地震等暫時(shí)性的災(zāi)害排放的煤煙、粉塵、氯化氫、硫化氫、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物為大氣的不定的組分。大氣的結(jié)構(gòu)是指垂直（即豎直）方向上大氣的密度、溫度及

3、其組成的分布狀況。根據(jù)大氣溫度在垂直方向上的分布規(guī)律，可將大氣劃分為四層：對(duì)流層、平流層、中間層和暖層，如圖51所示。1. 對(duì)流層對(duì)流層是大氣圈最靠近地面的一層，集中了大氣質(zhì)量的75和幾乎全部的水蒸氣、微塵雜質(zhì)。受太陽(yáng)輻射與大氣環(huán)流的影響，對(duì)流層中空氣的湍流運(yùn)動(dòng)和垂直方向混合比較強(qiáng)烈，主要的天氣現(xiàn)象云雨風(fēng)雪等都發(fā)生在這一層，有可能形成污染物易于擴(kuò)散的氣象條件，也可能生成對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有危害的逆溫氣象條件。因此，該層對(duì)大氣污染物的擴(kuò)散、輸送和轉(zhuǎn)化影響最大。大氣對(duì)流層的厚度不恒定，隨地球緯度增高而降低，且與季節(jié)的變化有關(guān)，赤道附近約為15km,中緯度地區(qū)約為1012 km，兩極地區(qū)約為8km；同一地區(qū)

4、，夏季比冬季厚。一般情況下，對(duì)流層中的氣溫沿垂直高度自下而上遞減，約每升高100m平均降低065。從地面向上至11.5 km高度范圍內(nèi)的對(duì)流層稱(chēng)為大氣邊界層，該層空氣流動(dòng)受地表影響最大。由于氣流受地面阻滯和摩擦作用的的影響，風(fēng)速隨高度的增加而增大，因此又稱(chēng)為摩擦層。地表面冷熱的變化使氣溫在晝夜之間有明顯的差異，可相差十幾乃至幾十度。由于從地面到lOOm左右的近地層在垂直方向上熱量和動(dòng)量的交換甚微，所以上下氣溫之差可達(dá)12。大氣邊界層對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)和生活的影響最大，污染物的遷移擴(kuò)散和稀釋轉(zhuǎn)化也主要在這一層進(jìn)行。邊界層以上的氣流受地面摩擦作用的影響越來(lái)越小，可以忽略不計(jì)，因此稱(chēng)為自由大氣。2. 平流層

5、平流層是指從對(duì)流層頂?shù)诫x地高度約55 km范圍的大氣層，該層和對(duì)流層包含了大氣質(zhì)量的99.9 。平流層內(nèi)空氣稀薄，比較干燥，幾乎沒(méi)有水汽和塵埃。平流層的溫度分布是：從對(duì)流層頂?shù)诫x地約22km的高度范圍為同溫層，氣溫幾乎不隨高度變化，約為55。從22km繼續(xù)向上進(jìn)入臭氧帶，在這里太陽(yáng)的紫外輻射被吸收，轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致氣溫隨高度增加而上升，到達(dá)層頂時(shí)氣溫升高到3左右。平流層內(nèi)氣溫下低上高的分布規(guī)律，使得該層空氣的豎直對(duì)流混合微弱，大氣基本處于平流運(yùn)動(dòng)。因此，該層大氣的透明度較好，氣流穩(wěn)定，很少出現(xiàn)云雨及風(fēng)暴等天氣現(xiàn)象。平流層中的臭氧層是80100km處的氧分子在太陽(yáng)紫外輻射作用下光解為氧原子，再與

6、其它氧分子化合成臭氧而形成的，其化合作用主要在3060km處。從對(duì)流層頂向上，臭氧濃度逐漸增大，在2225km處達(dá)最大值，往后逐漸減小，到平流層頂臭氧含量極其微小。因?yàn)?0km以上，在光化作用下，由氧化合為臭氧和由臭氧光解成氧的過(guò)程幾乎保持平衡狀態(tài)。在某種環(huán)流作用下，臭氧被送到很少光解的高度以下積聚，集中在1535km高度之間。通常將2225km處稱(chēng)為臭氧層。 3. 中間層中間層是指從平流層頂?shù)礁叨?0km左右范圍內(nèi)的大氣層，其空氣質(zhì)量?jī)H占大氣質(zhì)量的103。該層內(nèi)溫度隨高度的增加而下降，層頂?shù)臏囟瓤山档?3左右。因此，空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，垂直方向混合明顯。4. 暖層暖層為中層頂延伸到800km

7、高空的大氣層，該層的空氣質(zhì)量只有大氣質(zhì)量的105。暖層在強(qiáng)烈的太陽(yáng)紫外線和宇宙射線作用下，其氣溫隨高度上升而迅速增高，暖層頂部溫度可高達(dá)5002000K，且晝夜溫度變化很大。暖層的空氣處于高度電離狀態(tài)，因此存在著大量的離子和電子，故又稱(chēng)為電離層。二、氣象要素氣象條件是影響大氣中污染物擴(kuò)散的主要因素。歷史上發(fā)生過(guò)的重大空氣污染危害事件，都是在不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件下發(fā)生的。為了掌握污染物的擴(kuò)散規(guī)律，以便采取有效措施防治大氣污染的形成，必須了解氣象條件對(duì)大氣擴(kuò)散的影響，以及局部氣象因素與地形地貌狀況之間的關(guān)系。在氣象學(xué)中，氣象要素是指用于描述的物理狀態(tài)與現(xiàn)象的物理量，包括氣壓、氣溫、氣濕、云、

8、風(fēng)、能見(jiàn)度以及太陽(yáng)輻射等。這些要素都能從觀測(cè)直接獲得，并隨著時(shí)間經(jīng)常變化，彼此之間相互制約。不同的氣象要素組合呈現(xiàn)不同的氣象特征，因此對(duì)污染物在大氣中的輸送擴(kuò)散產(chǎn)生不同的影響。其中風(fēng)和大氣不規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)是直接影響大氣污染物擴(kuò)散的氣象特征，而氣溫的垂直分布又制約著風(fēng)場(chǎng)與湍流結(jié)構(gòu)。下面介紹主要的氣象要素：1. 氣壓氣壓是指大氣的壓強(qiáng)，即單位面積上所承受的大氣柱的重力。氣壓的單位為Pa，氣象學(xué)中常用毫巴(mbar)或百帕（hPa）表示。定義溫度為273K時(shí)，位于緯度45o平均海平面上的氣壓值為1013.25hPa，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。對(duì)于任一地區(qū)，氣壓的變化總是隨著高度的增加而降低?？諝庠陟o止?fàn)顟B(tài)下，

9、可以用下式表示:(51)式中 p氣壓，Pa；Z大氣的豎直高度，m；大氣密度，kg/m3。2. 氣溫氣溫是指離地面1.5 m高處的百葉箱內(nèi)測(cè)量到的大氣溫度。氣溫的單位一般為，理論計(jì)算中則用絕對(duì)溫度K表示。3. 氣濕氣濕即為大氣的濕度，用以表示空氣中的水蒸氣含量，氣象學(xué)中常用絕對(duì)濕度、水蒸氣分壓、露點(diǎn)、相對(duì)濕度和比濕等量來(lái)表示。絕對(duì)濕度就是單位體積濕空氣中所含水蒸氣質(zhì)量，單位為g/m3，其數(shù)值為濕空氣中水蒸氣的密度，表明了濕空氣中實(shí)際的水蒸氣含量。水蒸氣分壓是指濕空氣溫度下水蒸氣的壓力，它隨空氣的濕度增加而增大。當(dāng)空氣溫度不變時(shí)，空氣中的水蒸氣含量達(dá)到最大值時(shí)的分壓力稱(chēng)為飽和水蒸氣壓，此時(shí)的空氣稱(chēng)

10、為飽和空氣，溫度即稱(chēng)為露點(diǎn)。飽和水蒸氣壓隨溫度降低而下降，若降低飽和空氣的溫度，則空氣中的一部分水蒸氣將凝結(jié)下來(lái)，即結(jié)露。相對(duì)濕度是濕空氣中實(shí)際的水蒸氣含量與同溫下最大可能含有的水蒸氣含量的比值，也即實(shí)際的水蒸氣分壓與飽和水蒸氣壓之比，表明了濕空氣吸收水蒸氣的能力及其潮濕程度。相對(duì)濕度愈小，空氣愈干燥，反之則表示空氣潮濕。比濕是指單位質(zhì)量干空氣含有的水蒸氣質(zhì)量，單位是g/kg。4. 云云是指漂浮在大氣中的微小水滴或冰晶構(gòu)成的匯集物質(zhì)。云吸收或反射太陽(yáng)的輻射，反映了氣象要素的變化和大氣運(yùn)動(dòng)的狀況，其形成、數(shù)量、分布及演變也預(yù)示著天氣的變化趨勢(shì)，可用云量和云高來(lái)描述。云遮蔽天空的份額稱(chēng)為云量。我國(guó)

11、規(guī)定將視野內(nèi)的天空分為10等分，云遮蔽的成數(shù)即為云量。例如：云密布的陰天時(shí)的云量為10；云遮蔽天空3成時(shí)云量為3；當(dāng)碧空無(wú)云的晴天時(shí)，云量則為0。而國(guó)外是把天空分為8等分來(lái)，仍按云遮蔽的成數(shù)來(lái)計(jì)算云量。云底距地面的高度稱(chēng)為云高。按云高的不同范圍分為：云底高度在2500m以下稱(chēng)為低云；云底高度在25005000m之間稱(chēng)為中云；而云底高度大于5000m之上稱(chēng)為高云。5. 能見(jiàn)度能見(jiàn)度是指正常視力的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，從水平方向中能夠看到或辨認(rèn)出目標(biāo)物的最大距離，單位是m或km。能見(jiàn)度的大小反映了大氣混濁或透明的程度，一般分為十個(gè)級(jí)別，0級(jí)的白日視程為最小，50m以下，9級(jí)的白日視程為最大，大于5

12、0km。6. 風(fēng)風(fēng)是指空氣在水平方向的運(yùn)動(dòng)。風(fēng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用風(fēng)向和風(fēng)速描述。風(fēng)向是指風(fēng)的來(lái)向，通常可用16個(gè)或8個(gè)方位表示，如西北風(fēng)指風(fēng)從西北方來(lái)。此外也可用角度表示，以北風(fēng)為0o，8個(gè)方位中相鄰兩方位的夾角為45o，正北與風(fēng)向的反方向的順時(shí)針?lè)较驃A角稱(chēng)為風(fēng)向角，如東南風(fēng)的風(fēng)向角為135o。風(fēng)速是指空氣在單位時(shí)間內(nèi)水平運(yùn)動(dòng)的距離。氣象預(yù)報(bào)的風(fēng)向和風(fēng)速指的是距地面10m高處在一定時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到的平均風(fēng)速。在自由大氣中，風(fēng)受地面摩擦力的影響很小，一般可以忽略不計(jì)，風(fēng)的運(yùn)動(dòng)處于水平的勻速運(yùn)動(dòng)。但在大氣邊界層中，空氣運(yùn)動(dòng)受到地面摩擦力的影響，使風(fēng)速隨高度升高而增大。在離地面幾米以上的大氣層中，平均風(fēng)速與

13、高度之間關(guān)系一般可以利用迪肯(Deacon)的冪定律描述：（52）式中 u及u1在高度Z及已知高度Z1處的平均風(fēng)速，m/s；n與大氣穩(wěn)定度有關(guān)的指數(shù)。在中性層結(jié)條件下，且地形開(kāi)闊平坦只有少量地表覆蓋物時(shí)，n1/7。空氣的大規(guī)模運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。地球兩極和赤道之間大氣的溫差，陸地與海洋之間的溫差以及陸地上局部地貌不同之間的溫差，從而對(duì)空氣產(chǎn)生的熱力作用，形成各種類(lèi)型風(fēng)，如海陸風(fēng)、季風(fēng)、山谷風(fēng)、峽谷風(fēng)等。當(dāng)氣壓基本不變時(shí)，日出后由于地面吸收太陽(yáng)的輻射，由底部氣層開(kāi)始的熱渦流上升運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)，使大氣上下混合強(qiáng)度增大，因此下層風(fēng)速漸大，一般在午后達(dá)到最大值；而夜間在地面的冷卻作用下，湍流活動(dòng)減弱直至停止，使

14、下層風(fēng)速減小，乃至靜止。反之，高層大氣的白天風(fēng)速最小，夜間風(fēng)速最大。海陸風(fēng)出現(xiàn)在沿海地區(qū)，是由于海陸接壤區(qū)域的地理差異產(chǎn)生的熱力效應(yīng)，形成以一天為周期而變化的大氣局部環(huán)流。在吸收相同熱量的條件下，由于陸地的熱容量小于海水，因此地表溫度的升降變化比海水快。白天，陽(yáng)光照射下的陸地溫升比海洋快，近地層陸地上空的氣溫高于海面上空，空氣密度小而上升，因此產(chǎn)生水平氣壓梯度，低層氣壓低于海上，于是下層空氣從海面上流向陸地，稱(chēng)為海風(fēng)；而陸地高層空間的氣壓高于海上，氣流由陸地流向海洋，從而在這一區(qū)域形成空氣的閉合環(huán)流。夜間，陸地溫降又比海洋快，近地氣層的氣溫低于海面上的氣溫，形成了高于海面上的氣壓，于是下層空氣

15、從陸地流向海上，稱(chēng)為陸風(fēng)，并與高空的逆向氣流形成閉合環(huán)流。海陸風(fēng)的流動(dòng)示意圖如圖5-2所示。海陸風(fēng)的影響區(qū)域有限。海風(fēng)高約1000m，一般深入到陸地2040km處，最大風(fēng)力為56級(jí)；陸風(fēng)高約100300m，延伸到海上8lOkm處，風(fēng)力不過(guò)3級(jí)。在內(nèi)陸的江河湖泊岸邊，也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的環(huán)流，但強(qiáng)度和活動(dòng)范圍均較小。季風(fēng)也是由于陸地和海洋的地理差異產(chǎn)生的熱力效應(yīng)，形成以一年四季為周期而變化的大氣環(huán)流，但影響的范圍比海陸風(fēng)大得多。夏季，大陸上空的氣溫高于海洋上空，形成低層空氣從海洋流向大陸，而高層大氣相反流動(dòng)，于是構(gòu)成了夏季的季風(fēng)環(huán)流，類(lèi)似于白天海風(fēng)環(huán)流的循環(huán)。冬季，大陸上空的氣溫低于海洋上空，形成低層

16、空氣從大陸流向海洋，高層大氣由海洋流向大陸的冬季的季風(fēng)環(huán)流，類(lèi)似于夜間陸風(fēng)環(huán)流的循環(huán)。我國(guó)處于太平洋西岸和印度洋西側(cè)，夏季大陸盛行東南風(fēng)，西南地區(qū)吹西南風(fēng)；冬季大陸盛行西北風(fēng)，西南地區(qū)吹東北風(fēng)。山谷風(fēng)是山區(qū)地理差異產(chǎn)生的熱力作用而引起的另外一種局地風(fēng)，也是以一天為周期循環(huán)變化。白天，山坡吸受較強(qiáng)的太陽(yáng)輻射，氣溫增高，因空氣密度小而上升，形成空氣從谷底沿山坡向上流動(dòng)，稱(chēng)為谷風(fēng)；同時(shí)在高空產(chǎn)生由山坡指向山谷的水平氣壓梯度，從而產(chǎn)生谷底上空的下降氣流，形成空氣的熱力循環(huán)。夜間，山坡的冷卻速度快，氣溫比同高度的谷底上空低，空氣密度大，使得空氣沿山坡向谷底流動(dòng)，形成山風(fēng)，同時(shí)構(gòu)成與白天反向的熱力環(huán)流。山

17、谷風(fēng)的流動(dòng)示意圖如圖53所示。峽谷風(fēng)是由于氣流從開(kāi)闊地區(qū)進(jìn)入流動(dòng)截面積縮小的狹窄峽谷口時(shí)，因氣流加速而形成的順峽谷流動(dòng)的強(qiáng)風(fēng)。三、大氣溫度的垂直分布1. 氣溫直減率實(shí)際大氣的氣溫沿垂直高度的變化率稱(chēng)為氣溫垂直遞減率，簡(jiǎn)稱(chēng)氣溫直減率，可用參數(shù)g表示：（53）式中，負(fù)號(hào)表示氣溫隨高度而降低。2. 大氣的溫度層結(jié)氣溫隨垂直高度的分布規(guī)律稱(chēng)為溫度層結(jié)，因此坐標(biāo)圖上氣溫變化曲線也稱(chēng)為溫度層結(jié)曲線。溫度層結(jié)反映了沿高度的大氣狀況是否穩(wěn)定，其直接影響空氣的運(yùn)動(dòng)，以及污染物質(zhì)的擴(kuò)散過(guò)程和濃度分布。圖54所示為溫度層結(jié)曲線的三種基本類(lèi)型： （1）遞減層結(jié)。氣溫沿高度增加而降低，即gO，如曲線1所示。遞減層結(jié)屬于

18、正常分布，一般出現(xiàn)在晴朗的白天，風(fēng)力較小的天氣。地面由于吸收太陽(yáng)輻射溫度升高，使近地空氣也得以加熱，形成氣溫沿高度逐漸遞減。此時(shí)上升空氣團(tuán)的降溫速度比周?chē)鷼鉁芈諝鈭F(tuán)處于加速上升運(yùn)動(dòng)，大氣為不穩(wěn)定狀態(tài)。（2）等溫層結(jié)。氣溫沿高度增加不變，即gO，如曲線2所示。等溫層結(jié)多出現(xiàn)于陰天、多云或大風(fēng)時(shí)，由于太陽(yáng)的輻射被云層吸收和反射，地面吸熱減少，此外晚上云層又向地面輻射熱量，大風(fēng)使得空氣上下混合強(qiáng)烈，這些因素導(dǎo)致氣溫在垂直方向上變化不明顯。此時(shí)上升空氣團(tuán)的降溫速度比周?chē)鷼鉁乜?，上升運(yùn)動(dòng)將減速并轉(zhuǎn)而返回，大氣趨于穩(wěn)定狀態(tài)。（3）逆溫層結(jié)。氣溫沿高度增加而升高，即gO，如曲線3所示。逆溫層結(jié)簡(jiǎn)稱(chēng)逆溫，

19、其形成有多種機(jī)理。當(dāng)出現(xiàn)逆溫時(shí)，大氣在豎直方向的運(yùn)動(dòng)基本停滯，處于強(qiáng)穩(wěn)定狀態(tài)。通常，按逆溫層的形成過(guò)程又分為輻射逆溫、下沉逆溫、湍流逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫等類(lèi)型。輻射逆溫為大陸上常年可見(jiàn)的逆溫類(lèi)型，是由于地面的快速冷卻而形成，通常出現(xiàn)于晴朗無(wú)云或少云、風(fēng)速不大的夜間。夜晚地面向大氣輻射白天吸收的熱量而逐漸冷卻，近地面的氣溫隨之降低。離地愈近，氣溫冷卻愈快，離地愈遠(yuǎn)的空氣受地面影響愈弱，降溫愈慢，形成自地面開(kāi)始的輻射逆溫。輻射逆溫隨著地面的冷卻逐漸向上擴(kuò)展，到日出前逆溫充分發(fā)展。日出后，地面吸收太陽(yáng)的輻射逐漸升溫，逆溫層又逐漸自下而上消失。到上午九點(diǎn)鐘左右，逆溫全部消失。輻射逆溫的生消過(guò)程如圖

20、55所示。輻射逆溫層的厚度通常在幾十米到幾百米之間，高緯度地區(qū)甚至厚達(dá)23km。冬季夜長(zhǎng)，逆溫層較厚且消失較慢。夏季夜短，則逆溫層較薄，消失也快。此外，地形、云層、風(fēng)等因素也會(huì)影響輻射逆溫的形成及強(qiáng)度。下沉逆溫是因高壓區(qū)內(nèi)某一層空氣發(fā)生下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致下層空氣被壓縮升溫而形成；湍流逆溫發(fā)生在絕熱狀態(tài)下的大氣湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)；平流逆溫是暖空氣水平流至冷地表地區(qū)上空所形成；鋒面逆溫為對(duì)流層中冷暖空氣相遇時(shí)，由于暖空氣密度小，爬到冷空氣上面所致。這些類(lèi)型的逆溫一般不從地面開(kāi)始，出現(xiàn)在離地面數(shù)十米至數(shù)千米的高空，也稱(chēng)為上層逆溫。實(shí)際上，大氣中出現(xiàn)逆溫可能是由幾種原因共同作用形成的。出現(xiàn)逆溫時(shí)，好像一個(gè)蓋子阻

21、礙它下面的污染物質(zhì)擴(kuò)散，對(duì)大氣污染擴(kuò)散影響極大，因此許多大氣污染事件都發(fā)生在具有逆溫層與靜風(fēng)的氣象條件下。 3. 干絕熱直減率考察一團(tuán)在大氣中做垂直運(yùn)動(dòng)的干空氣，如果干空氣在運(yùn)動(dòng)中與周?chē)諝獠话l(fā)生熱量交換，則稱(chēng)為絕熱過(guò)程。當(dāng)干氣團(tuán)垂直運(yùn)動(dòng)在遞減層結(jié)時(shí)，氣團(tuán)的溫度變化與氣壓變化相反。若氣團(tuán)的壓力沿高度發(fā)生顯著變化，則氣溫變化引起的氣團(tuán)內(nèi)能變化與氣壓變化導(dǎo)致的氣團(tuán)做功相當(dāng)，此時(shí)可忽略氣團(tuán)與周?chē)髿獾臒峤粨Q，視為絕熱過(guò)程。干氣團(tuán)絕熱上升時(shí)，因周?chē)鷼鈮簻p小而膨脹，消耗大部分內(nèi)能對(duì)周?chē)髿庾雠蛎浌Γ瑒t氣團(tuán)溫度顯著降低。干氣團(tuán)絕熱下降時(shí)，因周?chē)鷼鈮涸龃蟊粔嚎s，外界的壓縮功大部分轉(zhuǎn)化為氣團(tuán)的內(nèi)能增量，氣團(tuán)溫

22、度明顯上升。干氣團(tuán)在絕熱垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，升降單位距離(通常取l00m)的溫度變化值稱(chēng)為干空氣溫度的絕熱垂直遞減率，簡(jiǎn)稱(chēng)干絕熱直減率gd，即：（54）干氣團(tuán)在垂直升降過(guò)程中服從熱力學(xué)第一定律，即：（55）氣團(tuán)可視為理想氣體，并設(shè)氣團(tuán)的壓力與周?chē)髿獾臍鈮弘S時(shí)保持平衡，在絕熱過(guò)程中有dq= 0，則式（55）可改寫(xiě)為：（56）氣團(tuán)的物理狀態(tài)可用理想氣體狀態(tài)方程來(lái)描述，即：(57)（58）由式（46）、及式（4-8）可得：（59）式中 cp干空氣比定壓熱容，cpcvR1004 J/(kgK)。將式（51）帶入式（59），并近似地視氣團(tuán)的密度r與比體積v互為倒數(shù)，得：（510）上式可見(jiàn)，在干絕熱過(guò)程中，

23、氣團(tuán)每上升或下降100 m，溫度約降低或升高1K，即gd為固定值，而氣溫直減率g則隨時(shí)間和空間變化，這是兩個(gè)不同的概念。四、大氣的穩(wěn)定度1. 大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度是指大氣中的某一氣團(tuán)在垂直方向上的穩(wěn)定程度。一團(tuán)空氣受到某種外力作用而產(chǎn)生上升或者下降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到某位置時(shí)消除外力，此后氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)可能出現(xiàn)三種情況：氣團(tuán)仍然繼續(xù)加速向前運(yùn)動(dòng)，這時(shí)的大氣稱(chēng)為不穩(wěn)定大氣；氣團(tuán)不加速也不減速而作勻速運(yùn)動(dòng)，或趨向停留在外力去除時(shí)所處的位置，這時(shí)的大氣稱(chēng)為中性大氣；氣團(tuán)逐漸減速并有返回原先高度的趨勢(shì)，這時(shí)的大氣稱(chēng)為穩(wěn)定大氣。設(shè)某一氣團(tuán)在外力作用下上升了一段距離dz，在新位置的狀態(tài)參數(shù)為pi、ri及Ti，它周?chē)?/p>

24、大氣的狀態(tài)參數(shù)為p、r及T。消除外力后，單位體積氣團(tuán)受到重力rig和浮升力rg的共同作用，產(chǎn)生垂直方向的升力（rri）g，其加速度為：（511）假定移動(dòng)過(guò)程中氣團(tuán)的壓力與周?chē)髿獾臍鈮弘S時(shí)保持平衡，即pip，則由狀態(tài)方程可得riTirT，代入上式則得（512）上式可見(jiàn)，在新位置上，TiT，則a0，即氣團(tuán)的溫度大于周?chē)髿鉁囟葧r(shí)，氣團(tuán)仍然加速，表明大氣是不穩(wěn)定的；若TiT，則a0，氣團(tuán)減速，表明大氣穩(wěn)定。因?yàn)闅鈭F(tuán)的溫度難以確定，實(shí)際上很難用上式判別大氣穩(wěn)定度。假定在初始位置時(shí)，氣團(tuán)與周?chē)諝獾臏囟认嗟龋鶠門(mén)0，其絕熱上升dz距離后，氣團(tuán)溫度為T(mén)iT0gddz，周?chē)鷼鉁貫門(mén)T0gdz，式(512

25、)則變?yōu)椋海?13） 由式（513）可分析大氣的穩(wěn)定性，在g0的區(qū)域，當(dāng)ggd時(shí)，a0,氣團(tuán)加速，大氣為不穩(wěn)定；當(dāng)ggd時(shí)，a0，大氣為中性；當(dāng)ggd時(shí)，a0,氣團(tuán)減速，大氣為弱穩(wěn)定，而出現(xiàn)等溫層結(jié)與逆溫層結(jié)時(shí)，即g0，則大氣處于強(qiáng)穩(wěn)定狀態(tài)，圖56為大氣穩(wěn)定度分析圖。分析可見(jiàn)，干絕熱直減率gd1K/lOOm可作為大氣穩(wěn)定性的判據(jù)，可用當(dāng)?shù)貙?shí)際氣層的g與其比較，以此判斷大氣的穩(wěn)定度。大氣穩(wěn)定度對(duì)污染物在大氣中的擴(kuò)散有很大影響。大氣越不穩(wěn)定，污染物的擴(kuò)散速率就越快；反之，則越慢。2. 大氣穩(wěn)定度的分類(lèi)大氣穩(wěn)定度與天氣現(xiàn)象、時(shí)空尺度及地理?xiàng)l件密切相關(guān)，其級(jí)別的準(zhǔn)確劃分非常困難。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)大氣穩(wěn)定度

26、的分類(lèi)方法已多達(dá)10余種，應(yīng)用較廣泛的有帕斯奎爾（Pasquill）法和特納爾(Turner)法。帕斯奎爾法用地面風(fēng)速(距離地面高度10m)、白天的太陽(yáng)輻射狀況（分為強(qiáng)、中、弱、陰天等）或夜間云量的大小將穩(wěn)定度分為AF六個(gè)級(jí)別，如表51所示。表51 大氣穩(wěn)定度等級(jí)地面風(fēng)速（距地面10m處）/ms-1白天太陽(yáng)輻射陰天的白天或夜間有云的夜間強(qiáng)中弱薄云遮天或低云5/10云量4/102AABBD23ABBCDEF35BBCCDDE56CCDDDDD6DDDDDD帕斯奎爾法雖然可以利用常規(guī)氣象資料確定大氣穩(wěn)定度等級(jí)，簡(jiǎn)單易行，應(yīng)用方便，但這種方法沒(méi)有確切地描述太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度，云量的確定也不準(zhǔn)確，較為粗略

27、，為此特納爾作了改進(jìn)與補(bǔ)充。特納爾方法首先根據(jù)某地、某時(shí)及太陽(yáng)傾角的太陽(yáng)高度h和云量(全天空為10分制)，確定太陽(yáng)輻射等級(jí)，再由太陽(yáng)的輻射等級(jí)和距地面高度10m的平均風(fēng)速確定大氣穩(wěn)定度的級(jí)別。我國(guó)采用特納爾方法，太陽(yáng)高度角h可按下式計(jì)算：（514）式中 j、l分別為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?、?jīng)度，（）；t觀測(cè)時(shí)的北京時(shí)間，h；d太陽(yáng)傾角（赤緯），（），其概略值查閱表52。表52 太陽(yáng)傾角（赤緯）概略值 d/（）月份123456789101112上旬22155617222217751522中旬211221019232114381823下旬199213232319111122123我國(guó)提出的太陽(yáng)輻射等級(jí)見(jiàn)表5

28、3，表中總云量和低云量由地方氣象觀測(cè)資料確定。大氣穩(wěn)定度等級(jí)見(jiàn)表54，表中地面平均風(fēng)速指離地面10m高度處10min的平均風(fēng)速。表53 太陽(yáng)輻射等級(jí)（中國(guó)）總云量/低云量夜間太陽(yáng)高度角h/（）h1515h3535h65h654/42112+357/41012+38/41001+15/570000+18/800000表54 大氣穩(wěn)定度等級(jí)地面平均風(fēng)速/ms-1太陽(yáng)輻射等級(jí)3210121.9AABBDEF22.9ABBCDEF34.9BBCCDDE55.9CCDDDDD6CDDDDD第二節(jié) 大氣污染物的擴(kuò)散一、湍流與湍流擴(kuò)散理論1. 湍流低層大氣中的風(fēng)向是不斷地變化，上下左右出現(xiàn)擺動(dòng)；同時(shí)，風(fēng)速也

29、是時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，形成迅速的陣風(fēng)起伏。風(fēng)的這種強(qiáng)度與方向隨時(shí)間不規(guī)則的變化形成的空氣運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為大氣湍流。湍流運(yùn)動(dòng)是由無(wú)數(shù)結(jié)構(gòu)緊密的流體微團(tuán)湍渦組成，其特征量的時(shí)間與空間分布都具有隨機(jī)性，但它們的統(tǒng)計(jì)平均值仍然遵循一定的規(guī)律。大氣湍流的流動(dòng)特征尺度一般取離地面的高度，比流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)要大得多，湍渦的大小及其發(fā)展基本不受空間的限制，因此在較小的平均風(fēng)速下就能有很高的雷諾數(shù)，從而達(dá)到湍流狀態(tài)。所以近地層的大氣始終處于湍流狀態(tài)，尤其在大氣邊界層內(nèi)，氣流受下墊面影響，湍流運(yùn)動(dòng)更為劇烈。大氣湍流造成流場(chǎng)各部分強(qiáng)烈混合，能使局部的污染氣體或微粒迅速擴(kuò)散。煙團(tuán)在大氣的湍流混合作用下，由湍渦不斷把煙氣推向周?chē)諝庵?/p>

30、，同時(shí)又將周?chē)目諝饩砣霟焾F(tuán)，從而形成煙氣的快速擴(kuò)散稀釋過(guò)程。煙氣在大氣中的擴(kuò)散特征取決于是否存在湍流以及湍渦的尺度(直徑)，如圖57所示。圖57（a）為無(wú)湍流時(shí)，煙團(tuán)僅僅依靠分子擴(kuò)散使煙團(tuán)長(zhǎng)大，煙團(tuán)的擴(kuò)散速率非常緩慢，其擴(kuò)散速率比湍流擴(kuò)散小56個(gè)數(shù)量級(jí)；圖57（b）為煙團(tuán)在遠(yuǎn)小于其尺度的湍渦中擴(kuò)散，由于煙團(tuán)邊緣受到小湍渦的擾動(dòng)，逐漸與周邊空氣混合而緩慢膨脹，濃度逐漸降低，煙流幾乎呈直線向下風(fēng)運(yùn)動(dòng)；圖57（c）為煙團(tuán)在與其尺度接近的湍渦中擴(kuò)散，在湍渦的切入卷出作用下煙團(tuán)被迅速撕裂，大幅度變形，橫截面快速膨脹，因而擴(kuò)散較快，煙流呈小擺幅曲線向下風(fēng)運(yùn)動(dòng)；圖57（d）為煙團(tuán)在遠(yuǎn)大于其尺度的湍渦中擴(kuò)散

31、，煙團(tuán)受大湍渦的卷吸擾動(dòng)影響較弱，其本身膨脹有限，煙團(tuán)在大湍渦的夾帶下作較大擺幅的蛇形曲線運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上煙云的擴(kuò)散過(guò)程通常不是僅由上述單一情況所完成，因?yàn)榇髿庵型瑫r(shí)并存的湍渦具有各種不同的尺度。根據(jù)湍流的形成與發(fā)展趨勢(shì)，大氣湍流可分為機(jī)械湍流和熱力湍流兩種形式。機(jī)械湍流是因地面的摩擦力使風(fēng)在垂直方向產(chǎn)生速度梯度，或者由于地面障礙物(如山丘、樹(shù)木與建筑物等)導(dǎo)致風(fēng)向與風(fēng)速的突然改變而造成的。熱力湍流主要是由于地表受熱不均勻，或因大氣溫度層結(jié)不穩(wěn)定，在垂直方向產(chǎn)生溫度梯度而造成的。一般近地面的大氣湍流總是機(jī)械湍流和熱力湍流的共同作用，其發(fā)展、結(jié)構(gòu)特征及強(qiáng)弱決定于風(fēng)速的大小、地面障礙物形成的粗糙度和低

32、層大氣的溫度層結(jié)狀況。2. 湍流擴(kuò)散與正態(tài)分布的基本理論氣體污染物進(jìn)入大氣后，一面隨大氣整體飄移，同時(shí)由于湍流混合，使污染物從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散稀釋?zhuān)鋽U(kuò)散程度取決于大氣湍流的強(qiáng)度。大氣污染的形成及其危害程度在于有害物質(zhì)的濃度及其持續(xù)時(shí)間，大氣擴(kuò)散理論就是用數(shù)理方法來(lái)模擬各種大氣污染源在一定條件下的擴(kuò)散稀釋過(guò)程，用數(shù)學(xué)模型計(jì)算和預(yù)報(bào)大氣污染物濃度的時(shí)空變化規(guī)律。研究物質(zhì)在大氣湍流場(chǎng)中的擴(kuò)散理論主要有三種：梯度輸送理論、相似理論和統(tǒng)計(jì)理論。針對(duì)不同的原理和研究對(duì)象，形成了不同形式的大氣擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)學(xué)模型建立時(shí)作了一些假設(shè)，以及考慮氣象條件和地形地貌對(duì)污染物在大氣中擴(kuò)散的影響而引入的經(jīng)

33、驗(yàn)系數(shù)，目前的各種數(shù)學(xué)模式都有較大的局限性，應(yīng)用較多的是采用湍流統(tǒng)計(jì)理論體系的高斯擴(kuò)散模式。圖5-8所示為采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究污染物在湍流大氣中的擴(kuò)散模型。假定從原點(diǎn)釋放出一個(gè)粒子在穩(wěn)定均勻的湍流大氣中飄移擴(kuò)散，平均風(fēng)向與x軸同向。湍流統(tǒng)計(jì)理論認(rèn)為，由于存在湍流脈動(dòng)作用，粒子在各方向（如圖中y方向）的脈動(dòng)速度隨時(shí)間而變化，因而粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡也隨之變化。若平均時(shí)間間隔足夠長(zhǎng)，則速度脈動(dòng)值的代數(shù)和為零。如果從原點(diǎn)釋放出許多粒子，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間T之后，這些粒子的濃度趨于一個(gè)穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)分布。湍流擴(kuò)散理論（K理論）和統(tǒng)計(jì)理論的分析均表明，粒子濃度沿y軸符合正態(tài)分布。正態(tài)分布的密度函數(shù)f(y)的一般形式為：（

34、515）式中為標(biāo)準(zhǔn)偏差，是曲線任一側(cè)拐點(diǎn)位置的尺度；為任何實(shí)數(shù)。圖58中的f(y)曲線即為0時(shí)的高斯分布密度曲線。它有兩個(gè)性質(zhì)，一是曲線關(guān)于y的軸對(duì)稱(chēng)；二是當(dāng)y時(shí)，有最大值，即：這些粒子在y軸上的濃度最高。如果值固定而改變值，曲線形狀將變尖或變得平緩；如果值固定而改變值，f(y)的圖形沿0y軸平移。不論曲線形狀如何變化，曲線下的面積恒等于1。分析可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化影響擴(kuò)散過(guò)程中污染物濃度的分布，增加值將使?jié)舛确植己瘮?shù)趨于平緩并伸展擴(kuò)大，這意味提高了污染物在y方向的擴(kuò)散速度。高斯在大量的實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上，應(yīng)用湍流統(tǒng)計(jì)理論得出了污染物在大氣中的高斯擴(kuò)散模式。雖然污染物濃度在實(shí)際大氣擴(kuò)散中不能?chē)?yán)格符

35、合正態(tài)分布的前提條件，但大量小尺度擴(kuò)散試驗(yàn)證明，正態(tài)分布是一種可以接受的近似。二、高斯擴(kuò)散模式（一）連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散連續(xù)點(diǎn)源一般指排放大量污染物的煙囪、放散管、通風(fēng)口等。排放口安置在地面的稱(chēng)為地面點(diǎn)源，處于高空位置的稱(chēng)為高架點(diǎn)源。1. 大空間點(diǎn)源擴(kuò)散 高斯擴(kuò)散公式的建立有如下假設(shè)：風(fēng)的平均流場(chǎng)穩(wěn)定，風(fēng)速均勻，風(fēng)向平直；污染物的濃度在y、z軸方向符合正態(tài)分布；污染物在輸送擴(kuò)散中質(zhì)量守恒；污染源的源強(qiáng)均勻、連續(xù)。圖59所示為點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散模式示意圖。有效源位于坐標(biāo)原點(diǎn)o處，平均風(fēng)向與x軸平行，并與x軸正向同向。假設(shè)點(diǎn)源在沒(méi)有任何障礙物的自由空間擴(kuò)散，不考慮下墊面的存在。大氣中的擴(kuò)散是具有y與z兩個(gè)坐

36、標(biāo)方向的二維正態(tài)分布，當(dāng)兩坐標(biāo)方向的隨機(jī)變量獨(dú)立時(shí)，分布密度為每個(gè)坐標(biāo)方向的一維正態(tài)分布密度函數(shù)的乘積。由正態(tài)分布的假設(shè)條件，參照正態(tài)分布函數(shù)的基本形式式（515），取0，則在點(diǎn)源下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布函數(shù)為：（516）式中 C空間點(diǎn)（x，y，z）的污染物的濃度，mg/m3；A（x）待定函數(shù)；y、z分別為水平、垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)差，即y、x方向的擴(kuò)散參數(shù)，m。由守恒和連續(xù)假設(shè)條件和，在任一垂直于x軸的煙流截面上有：（517）式中 q源強(qiáng)，即單位時(shí)間內(nèi)排放的污染物，g/s；u平均風(fēng)速，m/s。將式（516）代入式（517）, 由風(fēng)速穩(wěn)定假設(shè)條件，A與y、z無(wú)關(guān)，考慮到和，積分可得待定函數(shù)A（x）：（

37、518）將式（518）代入式（516），得大空間連續(xù)點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散模式（519）式中，擴(kuò)散系數(shù)y、z與大氣穩(wěn)定度和水平距離x有關(guān)，并隨x的增大而增加。當(dāng)y0，z0時(shí)，A（x）C（x，0,0），即A（x）為x軸上的濃度，也是垂直于x軸截面上污染物的最大濃度點(diǎn)Cmax。當(dāng)x，y及z，則C0，表明污染物以在大氣中得以完全擴(kuò)散。2高架點(diǎn)源擴(kuò)散在點(diǎn)源的實(shí)際擴(kuò)散中，污染物可能受到地面障礙物的阻擋，因此應(yīng)當(dāng)考慮地面對(duì)擴(kuò)散的影響。處理的方法是，或者假定污染物在擴(kuò)散過(guò)程中的質(zhì)量不變，到達(dá)地面時(shí)不發(fā)生沉降或化學(xué)反應(yīng)而全部反射；或者污染物在沒(méi)有反射而被全部吸收，實(shí)際情況應(yīng)在這兩者之間。（1）高架點(diǎn)源擴(kuò)散模式。點(diǎn)源在

38、地面上的投影點(diǎn)o作為坐標(biāo)原點(diǎn)，有效源位于z軸上某點(diǎn)， zH。高架有效源的高度由兩部分組成，即Hhh，其中h為排放口的有效高度，h是熱煙流的浮升力和煙氣以一定速度豎直離開(kāi)排放口的沖力使煙流抬升的一個(gè)附加高度，如圖510所示。當(dāng)污染物到達(dá)地面后被全部反射時(shí)，可以按照全反射原理，用“像源法”來(lái)求解空間某點(diǎn)k的濃度。圖510中k點(diǎn)的濃度顯然比大空間點(diǎn)源擴(kuò)散公式（519）計(jì)算值大，它是位于(0，0，H)的實(shí)源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度和反射回來(lái)的濃度的疊加。反射濃度可視為由一與實(shí)源對(duì)稱(chēng)的位于(0，0，H)的像源（假想源）擴(kuò)散到k點(diǎn)的濃度。由圖可見(jiàn)，k點(diǎn)在以實(shí)源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為(z-H)，則實(shí)源在k點(diǎn)擴(kuò)

39、散的濃度為式（519）的坐標(biāo)沿z軸向下平移距離H：（520）k點(diǎn)在以像源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為(zH)，則像源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度為式（519）的坐標(biāo)沿z軸向上平移距離H：（521）由此，實(shí)源Cs與像源Cx之和即為k點(diǎn)的實(shí)際污染物濃度：（522）若污染物到達(dá)地面后被完全吸收，則Cx0，污染物濃度C（x，y，z，H）Cs，即式（520）。（2）地面全部反射時(shí)的地面濃度。實(shí)際中，高架點(diǎn)源擴(kuò)散問(wèn)題中最關(guān)心的是地面濃度的分布狀況，尤其是地面最大濃度值和它離源頭的距離。在式（522）中，令z0，可得高架點(diǎn)源的地面濃度公式：（523）上式中進(jìn)一步令y0則可得到沿x軸線上的濃度分布：（524）地面濃度分布

40、如圖圖511所示。y方向的濃度以x軸為對(duì)稱(chēng)軸按正態(tài)分布；沿x軸線上，在污染物排放源附近地面濃度接近于零，然后順風(fēng)向不斷增大，在離源一定距離時(shí)的某處，地面軸線上的濃度達(dá)到最大值，以后又逐漸減小。地面最大濃度值Cmax及其離源的距離xmax可以由式（524）求導(dǎo)并取極值得到。令，由于y、z均為x的未知函數(shù)，最簡(jiǎn)單的情況可假定y/z常數(shù)，則當(dāng)（525） 時(shí)，得地面濃度最大值（526）由式（525）可以看出，有效源H越高， xmax處的z值越大，而zxmax，則Cmax出現(xiàn)的位置離污染源的距離越遠(yuǎn)。式（526）表明，地面上最大濃度Cmax與有效源高度的平方及平均風(fēng)速成反比，增加H可以有效地防止污染物在

41、地面某一局部區(qū)域的聚積。式（525）和式（526）是在估算大氣污染時(shí)經(jīng)常選用的計(jì)算公式。由于它們是在 y/z常數(shù)的假定下得到的，應(yīng)用于小尺度湍流擴(kuò)散更合適。除了極穩(wěn)定或極不穩(wěn)定的大氣條件，通常可設(shè)y/z2估算最大地面濃度，其估算值與孤立高架點(diǎn)源(如電廠煙囪)附近的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較一致。通過(guò)理論或經(jīng)驗(yàn)的方法可得zf（x）的具體表達(dá)式，代入（525）可求出最大濃度點(diǎn)離源的距離xmax，具體可查閱我國(guó)GB384091制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法。3. 地面點(diǎn)源擴(kuò)散對(duì)于地面點(diǎn)源，則有效源高度H0。當(dāng)污染物到達(dá)地面后被全部反射時(shí)，可令式（522）中H0，即得出地面連續(xù)點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散公式:（527

42、）其濃度是大空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散式（519）或地面無(wú)反射高架點(diǎn)源擴(kuò)散式（520）在H0時(shí)的兩倍，說(shuō)明煙流的下半部分完全對(duì)稱(chēng)反射到上部分，使得濃度加倍。若取y與z等于零，則可得到沿x軸線上的濃度分布：（528）如果污染物到達(dá)地面后被完全吸收，其濃度即為地面無(wú)反射高架點(diǎn)源擴(kuò)散式（520）在H0時(shí)的濃度，也即大空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散式（519）。高斯擴(kuò)散模式的一般適用條件是：地面開(kāi)闊平坦，性質(zhì)均勻，下墊面以上大氣湍流穩(wěn)定；擴(kuò)散處于同一大氣溫度層結(jié)中，擴(kuò)散范圍小于10km；擴(kuò)散物質(zhì)隨空氣一起運(yùn)動(dòng)，在擴(kuò)散輸送過(guò)程中不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，地面也不吸收污染物而全反射；平均風(fēng)向和風(fēng)速平直穩(wěn)定，且u12m/s。高斯擴(kuò)散模式適應(yīng)

43、大氣湍流的性質(zhì)，物理概念明確，估算污染濃度的結(jié)果基本上能與實(shí)驗(yàn)資料相吻合，且只需利用常規(guī)氣象資料即可進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此使用最為普遍。（二）連續(xù)線源的擴(kuò)散當(dāng)污染物沿一水平方向連續(xù)排放時(shí)，可將其視為一線源，如汽車(chē)行駛在平坦開(kāi)闊的公路上。線源在橫風(fēng)向排放的污染物濃度相等，這樣，可將點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式對(duì)變量y積分，即可獲得線源的高斯擴(kuò)散模式。但由于線源排放路徑相對(duì)固定，具有方向性，若取平均風(fēng)向?yàn)閤軸，則線源與平均風(fēng)向未必同向。所以線源的情況較復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)考慮線源與風(fēng)向夾角以及線源的長(zhǎng)度等問(wèn)題。如果風(fēng)向和線源的夾角45，無(wú)限長(zhǎng)連續(xù)線源下風(fēng)向地面濃度分布為：（529）當(dāng)45時(shí)，以上模式不能應(yīng)用。如果風(fēng)

44、向和線源的夾角垂直，即90，可得：（530）對(duì)于有限長(zhǎng)的線源，線源末端引起的“邊緣效應(yīng)”將對(duì)污染物的濃度分布有很大影響。隨著污染物接受點(diǎn)距線源的距離增加，“邊源效應(yīng)”將在橫風(fēng)向距離的更遠(yuǎn)處起作用。因此在估算有限長(zhǎng)污染源形成的濃度分布時(shí)，“邊源效應(yīng)”不能忽視。對(duì)于橫風(fēng)向的有限長(zhǎng)線源，應(yīng)以污染物接受點(diǎn)的平均風(fēng)向?yàn)閤軸。若線源的范圍是從y1到y(tǒng)2，且y1y2，則有限長(zhǎng)線源地面濃度分布為：（531）式中，s1y1/y，s2y2/y，積分值可從正態(tài)概率表中查出。（三）連續(xù)面源的擴(kuò)散當(dāng)眾多的污染源在一地區(qū)內(nèi)排放時(shí)，如城市中家庭爐灶的排放，可將它們作為面源來(lái)處理。因?yàn)檫@些污染源排放量很小但數(shù)量很大，若依點(diǎn)源

45、來(lái)處理，將是非常繁雜的計(jì)算工作。常用的面源擴(kuò)散模式為虛擬點(diǎn)源法，即將城市按污染源的分布和高低不同劃分為若干個(gè)正方形，每一正方形視為一個(gè)面源單元，邊長(zhǎng)一般在0.510km之間選取。這種方法假設(shè)：有一距離為x0的虛擬點(diǎn)源位于面源單元形心的上風(fēng)處，如圖5-12所示，它在面源單元中心線處產(chǎn)生的煙流寬度為2y04.3y0，等于面源單元寬度B；面源單元向下風(fēng)向擴(kuò)散的濃度可用虛擬點(diǎn)源在下風(fēng)向造成的同樣的濃度所代替。根據(jù)污染物在面源范圍內(nèi)的分布狀況，可分為以下兩種虛擬點(diǎn)源擴(kuò)散模式：第一種擴(kuò)散模式假定污染物排放量集中在各面源單元的形心上。由假設(shè)可得：（532） 由確定的大氣穩(wěn)定度級(jí)別和上式求出的，應(yīng)用PG曲線圖

46、（見(jiàn)下節(jié)）可查取xo。再由(x0x)分布查出y和z，則面源下風(fēng)向任一處的地面濃度由下式確定：（533）上式即為點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式（524），式中H取面源的平均高度，m。如果排放源相對(duì)較高，而且高度相差較大，也可假定z方向上有一虛擬點(diǎn)源，由源的最初垂直分布的標(biāo)準(zhǔn)差確定，再由求出，由求出z，由(x0x) 求出y，最后代入式（533）求出地面濃度。第二種擴(kuò)散模式假定污染物濃度均勻分布在面源的y方向，且擴(kuò)散后的污染物全都均勻分布在長(zhǎng)為(x0x)8的弧上，如圖5-12所示。因此，利用式（532）求y后，由穩(wěn)定度級(jí)別應(yīng)用PG曲線圖查出x0，再由(x0x) 查出z，則面源下風(fēng)向任一點(diǎn)的地面濃度由下式確定：

47、（534）三、擴(kuò)散參數(shù)及煙流抬升高度的確定高斯擴(kuò)散公式的應(yīng)用效果依賴(lài)于公式中的各個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確程度，尤其是擴(kuò)散參數(shù)y、z及煙流抬升高度h的估算。其中，平均風(fēng)速u(mài)取多年觀測(cè)的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)；源強(qiáng)q可以計(jì)算或測(cè)定，而y、z及h與氣象條件和地面狀況密切相關(guān)。1. 擴(kuò)散參數(shù)y、z的估算擴(kuò)散參數(shù)y、z是表示擴(kuò)散范圍及速率大小的特征量，也即正態(tài)分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。為了能較符合實(shí)際地確定這些擴(kuò)散參數(shù)，許多研究工作致力于把濃度場(chǎng)和氣象條件結(jié)合起來(lái)，提出了各種符合實(shí)驗(yàn)條件的擴(kuò)散參數(shù)估計(jì)方法。其中應(yīng)用較多的由是帕斯奎爾(Pasquill) 和吉福特(Gifford)提出的擴(kuò)散參數(shù)估算方法，也稱(chēng)為PG擴(kuò)散曲線，如圖513

48、和圖514所示。由圖可見(jiàn)，只要利用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)氣象觀測(cè)資料，由表51查取帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度等級(jí)，即可確定擴(kuò)散參數(shù)。擴(kuò)散參數(shù)具有如下規(guī)律：隨著離源距離增加而增大；不穩(wěn)定大氣狀態(tài)時(shí)的值大于穩(wěn)定大氣狀態(tài)，因此大氣湍流運(yùn)動(dòng)愈強(qiáng)，值愈大；以上兩種條件相同時(shí)，粗糙地面上的值大于平坦地面。由于利用常規(guī)氣象資料便能確定帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度，因此PG擴(kuò)散曲線簡(jiǎn)便實(shí)用。但是，PG擴(kuò)散曲線是利用觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)合理論分析得到的，其應(yīng)用具有一定的經(jīng)驗(yàn)性和局限性。y是利用風(fēng)向脈動(dòng)資料和有限的擴(kuò)散觀測(cè)資料作出的推測(cè)估計(jì)，z是在近距離應(yīng)用了地面源在中性層結(jié)時(shí)的豎直擴(kuò)散理論結(jié)果，也參照一些擴(kuò)散試驗(yàn)資料后的推算，而穩(wěn)定和強(qiáng)不穩(wěn)定兩種情

49、況的數(shù)據(jù)純系推測(cè)結(jié)果。一般，PG擴(kuò)散曲線較適用于近地源的小尺度擴(kuò)散和開(kāi)闊平坦的地形。實(shí)踐表明，y的近似估計(jì)與實(shí)際狀況比較符合，但要對(duì)地面粗糙度和取樣時(shí)間進(jìn)行修正；z的估計(jì)值與溫度層結(jié)的關(guān)系很大，適用于近地源的lkm以?xún)?nèi)的擴(kuò)散。因此，大氣擴(kuò)散參數(shù)的準(zhǔn)確定量描述仍是深入研究的課題。估算地面最大濃度值Cmax及其離源的距離xmax時(shí)，可先按式（525）計(jì)算出z，并圖5-14查取對(duì)應(yīng)的x值，此值即為當(dāng)時(shí)大氣穩(wěn)定度下的xmax。然后從圖5-13查取與xmax對(duì)應(yīng)的y值，代如式（526）即可求出Cmax值。用該方法計(jì)算，在E、F級(jí)穩(wěn)定度下誤差較大，在D、C級(jí)時(shí)誤差較小。H越高，誤差越小。我國(guó)GB38409

50、1制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法采用如下經(jīng)驗(yàn)公式確定擴(kuò)散參數(shù)y、z：（535） 式中，1、1、2及2稱(chēng)為擴(kuò)散系數(shù)。這些系數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定，在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的x距離內(nèi)為常數(shù)，可從GB384091的表中查取。2. 煙流抬升高度h的計(jì)算煙流抬升高度是確定高架源的位置，準(zhǔn)確判斷大氣污染擴(kuò)散及估計(jì)地面污染濃度的重要參數(shù)之一。從煙囪里排出的煙氣，通常會(huì)繼續(xù)上升。上升的原因一是熱力抬升，即當(dāng)煙氣溫度高于周?chē)諝鉁囟葧r(shí)，密度比較小，浮升力的作用而使其上升；二是動(dòng)力抬升，即離開(kāi)煙囪的煙氣本身具有的動(dòng)量，促使煙氣繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)。在大氣湍流和風(fēng)的作用下，漂移一段距離后逐漸變?yōu)樗竭\(yùn)動(dòng)，因此有效源的高度高于煙囪實(shí)際高度。

51、熱煙流從煙囪中噴出直至變平是一個(gè)連續(xù)的逐漸緩變過(guò)程一般可分為四個(gè)階段，如圖5-15所示。首先是煙氣依靠本身的初始動(dòng)量垂直向上噴射的噴出階段，該階段的距離約為幾至十幾倍煙囪的直徑；其次是由于煙氣和周?chē)諝庵g溫差而產(chǎn)生的密度差所形成的浮力而使煙流上升的浮升階段，上升煙流與水平氣流之間的速度差異而產(chǎn)生的小尺度湍渦使得兩者混合后的溫差不斷減小，煙流上升趨勢(shì)不斷減緩，逐漸趨于水平方向；然后是在煙體不斷膨脹過(guò)程中使得大氣湍流作用明顯加強(qiáng)，煙體結(jié)構(gòu)瓦解，逐漸失去抬升作用的瓦解階段；最后是在環(huán)境湍流作用下，煙流繼續(xù)擴(kuò)散膨脹并隨風(fēng)飄移的變平階段。從煙流抬升及擴(kuò)散發(fā)展的過(guò)程可以看出，顯然，浮升力和初始動(dòng)量是影響

52、煙流抬升的主要因素，但使煙流抬升的發(fā)展又受到氣象條件和地形狀況的制約。主要表現(xiàn)為：浮升力取決于煙流與環(huán)境空氣的密度差，即與兩者的溫差有關(guān)；而煙流初始動(dòng)量取決于煙囪出口的煙流速度，即與煙囪出口的內(nèi)徑有關(guān)。一般來(lái)講，增大煙流與周?chē)諝獾臏夭钜约疤岣邿熈魉俣龋叨仍黾?。但如果煙流的初始速度過(guò)大，促進(jìn)煙流與空氣的混合，反而會(huì)減少浮力抬升高度，一般該速度大于出口處附近風(fēng)速的兩倍為宜。大氣的湍流強(qiáng)度愈大，煙與周?chē)諝饣旌暇陀?，煙流的溫度和初始?dòng)量降低得也愈快，則煙流抬升高度愈低。大氣的湍流強(qiáng)度取決于溫度層結(jié)，而溫度層結(jié)的影響不是單一的，如不穩(wěn)定溫度層結(jié)由于湍流交換活躍能抑制煙流的抬升，但也能促進(jìn)熱力

53、抬升，這取決于大氣不穩(wěn)定程度；平均風(fēng)速越大，湍流越強(qiáng)，抬升高度越低；地面粗糙度大，使近地層大氣湍流增強(qiáng)，不利于煙流抬升。由于煙流抬升受諸多因素的相互影響，因此煙流抬升高度h的計(jì)算尚無(wú)統(tǒng)一的理想的結(jié)果。在30多種計(jì)算公式中，應(yīng)用較廣適用于中性大氣狀況的霍蘭德(Holland)公式如下：m （536）式中 vS煙流出口速度，m/s；D煙囪出口內(nèi)徑，m；u煙囪出口的環(huán)境平均風(fēng)速，m/s；Ts煙氣出口溫度，K；Ta環(huán)境平均氣溫度，K；Qh煙囪的熱排放率，kW。上式計(jì)算結(jié)果對(duì)很強(qiáng)的熱源(如大型火電站)比較適中甚至偏高，而對(duì)中小型熱源(Qh6080 MW)的估計(jì)偏低。當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定或穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可在上式

54、計(jì)算的基礎(chǔ)上分別增加或減少1020。根據(jù)GBT384091制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法和GBl322396火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，按照煙氣的熱釋放率Qh、煙囪出口煙氣溫度與環(huán)境溫度的溫差（TsTa）及地面狀況，我國(guó)分別采用下列抬升計(jì)算式。（1）當(dāng)Qh2100kW并且（TsTa）35 K時(shí)：m （537）kW （538）式中 n0、n1、n2地表狀況系數(shù)，可從GBT384091查??；V0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣排放量，m3/s；Cp標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣平均定壓比熱，Cp1.38kJ/(m3K)；Ta取當(dāng)?shù)刈罱?年平均氣溫值，K；煙囪出口的環(huán)境平均風(fēng)速u(mài)按下式計(jì)算：m/s （539）u0煙囪所在地近

55、5年平均風(fēng)速，m/s，測(cè)量值；z0，z分別為相同基準(zhǔn)高度時(shí)氣象臺(tái)(站)測(cè)風(fēng)儀位置及煙囪出口高度，m；m風(fēng)廓線冪指數(shù)，在中性層結(jié)條件下，且地形開(kāi)闊平坦只有少量地表覆蓋物時(shí)，n1/7，其他條件時(shí)可從GBT384091查取。（2）當(dāng)QH2100kW或（TsTa）35 K時(shí)：m （540）上式為霍蘭德公式（536）的兩倍。第三節(jié) 影響大氣擴(kuò)散的若干因素大氣污染物在大氣湍流混合作用下被擴(kuò)散稀釋。大氣污染擴(kuò)散主要受到氣象條件、地貌狀況及污染物的特征的影響。一、氣象因子影響影響污染物擴(kuò)散的氣象因子主要是大氣穩(wěn)定度和風(fēng)。1. 大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度隨著氣溫層結(jié)的分布而變化，是直接影響大氣污染物擴(kuò)散的極重要因素。大氣越不穩(wěn)定，污染物的擴(kuò)散速率就越快；反之，則越慢。當(dāng)近地面的大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，由于上部氣溫低而密度大，下部氣溫高而密度小，兩者之間形成的密度差導(dǎo)致空氣在豎直方向產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流，使得煙流迅速擴(kuò)散。大氣處于逆溫層結(jié)的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將抑制空氣的上下擴(kuò)散，使得排向大氣的各種污染物質(zhì)因此而在局部地區(qū)大量聚積。當(dāng)污染物的濃度增大到一定程度并在局部地區(qū)停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，就可能造成大氣污染。煙流在不同氣溫層結(jié)及穩(wěn)定度狀態(tài)的大氣中運(yùn)動(dòng)，具有不同的擴(kuò)散型態(tài)。圖516為煙流在五種不同條件下，形成的典型煙云。(1)波浪型。這種煙型發(fā)