第五章 大氣擴(kuò)散參數(shù)

1、第五章第五章 大氣擴(kuò)散參數(shù)大氣擴(kuò)散參數(shù)1yz 基本高斯擴(kuò)散公式中，欲計(jì)算得出污染物濃度及其分布則必須知道源強(qiáng)Q，平均風(fēng)速 ，有效源高H和大氣擴(kuò)散參數(shù) ，Q, u往往是通過(guò)測(cè)量獲得或者由工程設(shè)計(jì)給出。于是，問(wèn)題歸之于如何給出有效源高有效源高和大氣擴(kuò)散參數(shù)大氣擴(kuò)散參數(shù)。2uzy,大氣擴(kuò)散參數(shù)與穩(wěn)定度、地形、地面粗糙度等有關(guān)。222222()()( , ,)exp() expexp2222yzzyzQyzHzHq x y zu ；H3高斯擴(kuò)散公式中，風(fēng)速不太小（1-2m/s），x向湍流擴(kuò)散可忽略不計(jì)，僅考慮y向和z向。 和 在擴(kuò)散計(jì)算中有兩層作用，一:通過(guò)指數(shù)項(xiàng)影響濃度呈高斯分布的形態(tài)二：在一定的源

2、強(qiáng)和風(fēng)速下， ， 它們的乘積與造成的濃度呈反比關(guān)系。yzyz早期大氣擴(kuò)散參數(shù)處理早期大氣擴(kuò)散參數(shù)處理穩(wěn)定度擴(kuò)散級(jí)別與擴(kuò)散曲線法穩(wěn)定度擴(kuò)散級(jí)別與擴(kuò)散曲線法擴(kuò)散曲線討論擴(kuò)散曲線討論風(fēng)向脈動(dòng)與擴(kuò)散函數(shù)法風(fēng)向脈動(dòng)與擴(kuò)散函數(shù)法擴(kuò)散參數(shù)的研究現(xiàn)狀擴(kuò)散參數(shù)的研究現(xiàn)狀4主要內(nèi)容主要內(nèi)容一 早期的擴(kuò)散參數(shù)模式1.薩頓模式薩頓模式 格雷厄姆格雷厄姆薩頓（薩頓（Graham Sutton)，英國(guó)氣象學(xué)家。，英國(guó)氣象學(xué)家。1903年年2月月4日生于克溫坎，畢業(yè)于威爾士大學(xué)、阿伯里斯威恩大學(xué)和牛津大學(xué)。日生于克溫坎，畢業(yè)于威爾士大學(xué)、阿伯里斯威恩大學(xué)和牛津大學(xué)。19261928年在威爾士大學(xué)、阿伯里斯威恩大學(xué)任講師。年

3、在威爾士大學(xué)、阿伯里斯威恩大學(xué)任講師。19281941年任助理教授。第二次世界大戰(zhàn)期間從事國(guó)防科研工作。年任助理教授。第二次世界大戰(zhàn)期間從事國(guó)防科研工作。19421943年任英國(guó)國(guó)防部防化實(shí)驗(yàn)所所長(zhǎng)。年任英國(guó)國(guó)防部防化實(shí)驗(yàn)所所長(zhǎng)。19431945年任坦克實(shí)驗(yàn)所所長(zhǎng)。年任坦克實(shí)驗(yàn)所所長(zhǎng)。19451947年任英國(guó)雷達(dá)研究發(fā)展中心主任。年任英國(guó)雷達(dá)研究發(fā)展中心主任。19501955年任英國(guó)大氣污染研究委員會(huì)主席。年任英國(guó)大氣污染研究委員會(huì)主席。1951年任英國(guó)陸軍部科學(xué)顧問(wèn)。年任英國(guó)陸軍部科學(xué)顧問(wèn)。19521953年任英國(guó)皇家軍事科學(xué)院教務(wù)長(zhǎng)。年任英國(guó)皇家軍事科學(xué)院教務(wù)長(zhǎng)。1953年任皇家氣象學(xué)會(huì)主

4、席。年任皇家氣象學(xué)會(huì)主席。19531956年任世界氣象組織常務(wù)理事。年任世界氣象組織常務(wù)理事。19601966年任英國(guó)大地測(cè)量及地球物理學(xué)全國(guó)委員會(huì)主席。年任英國(guó)大地測(cè)量及地球物理學(xué)全國(guó)委員會(huì)主席。19651971年任英國(guó)自然環(huán)境研究委員會(huì)主席。年任英國(guó)自然環(huán)境研究委員會(huì)主席。在自然環(huán)境和氣象研究方面取得了許多成果。曾獲世界氣象組織頒發(fā)的獎(jiǎng)金。著作：在自然環(huán)境和氣象研究方面取得了許多成果。曾獲世界氣象組織頒發(fā)的獎(jiǎng)金。著作：大大氣湍流氣湍流（Atmos-pheric turbulence，1948）；）；微氣象學(xué)微氣象學(xué)（Micrometeoro-logy，1953）5具體步驟：具體步驟：1 找

5、出泰勒公式中的找出泰勒公式中的拉格朗日相關(guān)系數(shù)拉格朗日相關(guān)系數(shù)的具體形式，即的具體形式，即尋找它與某些可測(cè)氣象參量的關(guān)系，代入泰勒公式求尋找它與某些可測(cè)氣象參量的關(guān)系，代入泰勒公式求擴(kuò)散參數(shù)。擴(kuò)散參數(shù)。2 將擴(kuò)散參數(shù)代入基本高斯擴(kuò)散，得到薩頓擴(kuò)散公式。將擴(kuò)散參數(shù)代入基本高斯擴(kuò)散，得到薩頓擴(kuò)散公式。22200( )2( )TtyLy TvRd dt 63 基于簡(jiǎn)單物理考慮，認(rèn)為拉格朗日相關(guān)系數(shù)與湍流特征基于簡(jiǎn)單物理考慮，認(rèn)為拉格朗日相關(guān)系數(shù)與湍流特征量（量（ ），宏觀黏滯度），宏觀黏滯度（N=u*Z0），時(shí)間間隔時(shí)間間隔 相關(guān)，并通過(guò)量綱分析得到所有量的組合。相關(guān)，并通過(guò)量綱分析得到所有量的組合

6、。* 0Nu z7以以y向?yàn)槔驗(yàn)槔?( )()LNRfv2( )()nLNRNvn為由風(fēng)速梯度觀測(cè)確定的實(shí)驗(yàn)常數(shù)，為由風(fēng)速梯度觀測(cè)確定的實(shí)驗(yàn)常數(shù)，m為風(fēng)速廓線冪指數(shù)。為風(fēng)速廓線冪指數(shù)。21mnm222,wvu由由 的性質(zhì)，的性質(zhì)， 可得：可得：( )LR(0)1,( )0LLRR mzzuu11一般中性m1/4； 穩(wěn)定m 1/4； 不穩(wěn)定m1000 2.10881 0.000212 500 0.91437 0.281846 01000 0.941015 0.12719 0500 B 0.865014 0.396353 1000 1.09356 0.057025 500 0.919325 0

7、.2295 01000 0.941015 0.114682 0500 BC 0.875086 0.314238 1000 1.0077 0.075718 500 1227平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，D、E、F向不穩(wěn)定向不穩(wěn)定方向提半級(jí)方向提半級(jí)工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，C提至提至B級(jí)，級(jí)，D、 E、F向不穩(wěn)定方向提一級(jí)向不穩(wěn)定方向提一級(jí)丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)28中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法不僅將穩(wěn)定度擴(kuò)散級(jí)別內(nèi)插分析，還規(guī)定對(duì)不同下不僅將穩(wěn)定度擴(kuò)散級(jí)別內(nèi)插分析，還規(guī)定對(duì)不同下墊面運(yùn)用時(shí)，確定擴(kuò)散參數(shù)應(yīng)參考以下意

8、見(jiàn)：墊面運(yùn)用時(shí)，確定擴(kuò)散參數(shù)應(yīng)參考以下意見(jiàn)：2 不同穩(wěn)定度分類方法不同穩(wěn)定度分類方法克服宏觀資料判定穩(wěn)定度的局限克服宏觀資料判定穩(wěn)定度的局限（1）風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差（）風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差（EPA，1990）2930對(duì)不穩(wěn)定類對(duì)不穩(wěn)定類A, B，C, 隨風(fēng)速增加向隨風(fēng)速增加向中性類移；中性類移；對(duì)穩(wěn)定類對(duì)穩(wěn)定類E, F, 隨隨風(fēng)速增加向中性風(fēng)速增加向中性類移；類移；31以風(fēng)速做細(xì)致調(diào)整，觀測(cè)數(shù)據(jù)在粗糙度以風(fēng)速做細(xì)致調(diào)整，觀測(cè)數(shù)據(jù)在粗糙度z0=15cm，10m高度處測(cè)量得到。采樣時(shí)間為高度處測(cè)量得到。采樣時(shí)間為15min。如果風(fēng)向發(fā)生轉(zhuǎn)折，為了盡量減小風(fēng)向轉(zhuǎn)折的影響，如果風(fēng)向發(fā)生轉(zhuǎn)折，為了盡量減小風(fēng)向轉(zhuǎn)折

9、的影響，應(yīng)該將長(zhǎng)時(shí)間段分成小段進(jìn)行計(jì)算，例如將應(yīng)該將長(zhǎng)時(shí)間段分成小段進(jìn)行計(jì)算，例如將60min的的時(shí)間劃分為時(shí)間劃分為15min一段，最終小時(shí)量值：一段，最終小時(shí)量值： 22221515151560432（2）與溫度遞減率有關(guān)方法）與溫度遞減率有關(guān)方法 以溫度遞減率，即以兩層（以溫度遞減率，即以兩層（10m、60m）的垂直溫度梯度來(lái)表征水平和垂直向的湍的垂直溫度梯度來(lái)表征水平和垂直向的湍流狀況。流狀況。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(1980)推薦推薦33對(duì)穩(wěn)定大氣狀況可靠，而對(duì)不穩(wěn)定狀況或高架源排放對(duì)穩(wěn)定大氣狀況可靠，而對(duì)不穩(wěn)定狀況或高架源排放的情形不很可靠。風(fēng)速很低、層結(jié)穩(wěn)定，煙流彎曲時(shí)，的

10、情形不很可靠。風(fēng)速很低、層結(jié)穩(wěn)定，煙流彎曲時(shí)，對(duì)水平擴(kuò)散參數(shù)的估算會(huì)過(guò)低，這時(shí)宜用水平風(fēng)向脈對(duì)水平擴(kuò)散參數(shù)的估算會(huì)過(guò)低，這時(shí)宜用水平風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差方法。動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差方法。 以溫度遞減率和風(fēng)速相結(jié)合（同時(shí)考慮以溫度遞減率和風(fēng)速相結(jié)合（同時(shí)考慮支配湍流活動(dòng)的機(jī)械和熱力因子）支配湍流活動(dòng)的機(jī)械和熱力因子）34 分別以溫度梯度和分別以溫度梯度和 表征湍流的垂直表征湍流的垂直和水平運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng) 以總體理查孫數(shù)的方法計(jì)算劃分穩(wěn)定度以總體理查孫數(shù)的方法計(jì)算劃分穩(wěn)定度A3525()10BfRiuz取煙流中心線處EPA(1990)推薦在缺乏云量和云高資料時(shí)，采用表3.18替換原P-G-T方法362021-12-1

11、4南京信息工程大學(xué) LAPE372zuzgRi2uzTgRi梯度理查遜數(shù)Ri近地層中2222uzTgRBi總體理查遜數(shù)RiBM-O長(zhǎng)度：TpgHTCuL3*z/L：3*uCpzHTgLzT湍能消耗率湍能供給率臨界理查遜數(shù)Ric0.25（3）邊界層湍流參量法）邊界層湍流參量法38注意：除了使用公認(rèn)的已有統(tǒng)一規(guī)范的方案，例除了使用公認(rèn)的已有統(tǒng)一規(guī)范的方案，例如如P-G-TP-G-T方案，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出的修改方案，方案，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出的修改方案，采用其他任何方案都應(yīng)當(dāng)驗(yàn)證其可行性，采用其他任何方案都應(yīng)當(dāng)驗(yàn)證其可行性，提供充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和例證，必要時(shí)還應(yīng)提供充分的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和例證，必要時(shí)還應(yīng)做專門(mén)的論證做專

12、門(mén)的論證393 不同源高和不同下墊面的應(yīng)用P-G擴(kuò)散曲線實(shí)驗(yàn)依據(jù)：平坦理想條件，大擴(kuò)散曲線實(shí)驗(yàn)依據(jù)：平坦理想條件，大量低矮源擴(kuò)散試驗(yàn)。量低矮源擴(kuò)散試驗(yàn)。就不同源高的應(yīng)用，有兩方面問(wèn)題：一是就不同源高的應(yīng)用，有兩方面問(wèn)題：一是使用不同的穩(wěn)定度判據(jù)劃分穩(wěn)定度類，不使用不同的穩(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；同高度層有不同的頻率分布；另另是對(duì)于不同的源根據(jù)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)得是對(duì)于不同的源根據(jù)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)得出的擴(kuò)散曲線均有差異。出的擴(kuò)散曲線均有差異。402021-12-14南京信息工程大學(xué) LAPE41 就不同下墊面粗糙條件的應(yīng)用，問(wèn)題比較復(fù)雜。因?yàn)椴粌H是PG擴(kuò)散曲線法的原方案，就是各種

13、修改與完善的方法其實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)亦都是建立在下墊面平坦開(kāi)闊，地面粗糙度很小的理想情形下的。但是，實(shí)際應(yīng)用中遇到的大量課題則多半是不同的粗糙下墊面條件下運(yùn)用的擴(kuò)散參數(shù)，在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)PG方案作出合理的修正與補(bǔ)充則是十分必要的。一種做法就是像本節(jié)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT1320191中的推薦方案，即對(duì)不同粗糙面如城市、丘陵山區(qū)或平原、城郊和工業(yè)區(qū)等確定穩(wěn)定度擴(kuò)散級(jí)別時(shí)，根據(jù)不同情況作提級(jí)處理。這種做法雖然具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，但是，只要有比較周密的濃度分布資料作細(xì)致檢驗(yàn)，然后作實(shí)驗(yàn)性調(diào)整，往往就能取得令人滿意的效果。實(shí)用中，復(fù)雜地形條件下使用穩(wěn)定度擴(kuò)散級(jí)別方法確定擴(kuò)散參數(shù)，是相當(dāng)困難的。其y、 z量值比PG曲

14、線預(yù)計(jì)的可大到210倍。最好應(yīng)作實(shí)地y、 z這類特征量觀測(cè)。4 擴(kuò)散曲線法的內(nèi)插完善Briggs，1974內(nèi)插完善內(nèi)插完善 PG擴(kuò)散曲線，BNL擴(kuò)散曲線和TVA擴(kuò)散曲線等都具有各自的持性。Briggs分析這些曲線在不同距離的特性，將其結(jié)合一起，提出了一套內(nèi)插公式。這套公式適用于開(kāi)闊鄉(xiāng)間條件，用來(lái)計(jì)算地面濃度，尤其是對(duì)高架源煙流排放造成的最大濃度計(jì)算用。公式反映了在各類穩(wěn)定度情況下，初期煙流的擴(kuò)散速率與下風(fēng)距離x成比例，至較遠(yuǎn)距離后，則與x1/2成比例。這與擴(kuò)散理論的推斷結(jié)論是一致的42四四 風(fēng)向脈動(dòng)和擴(kuò)散函數(shù)法風(fēng)向脈動(dòng)和擴(kuò)散函數(shù)法擴(kuò)散曲線法試驗(yàn)基礎(chǔ)存在較大的經(jīng)驗(yàn)性，方案結(jié)果有許多不確定性僅以宏

15、觀氣象狀況為判據(jù)，在穩(wěn)定度級(jí)別和湍流特性之間缺少清晰關(guān)系目前重要發(fā)展是擴(kuò)散參數(shù)擴(kuò)散參數(shù)與風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差準(zhǔn)差之間的聯(lián)系43(1)方法原理方法原理按照湍流擴(kuò)散理論，在均勻定常條件下，粒按照湍流擴(kuò)散理論，在均勻定常條件下，粒子位移的總體平均由泰勒公式表示。子位移的總體平均由泰勒公式表示。4422,002( , )( )Tty zLv wRd dt 由泰勒公式可得由泰勒公式可得45,()y zv wy zLTT ft 為拉格朗日時(shí)間尺度為拉格朗日時(shí)間尺度Lt0( )LtRdf為普適函數(shù)，擴(kuò)散參數(shù)，函數(shù)形式隨為普適函數(shù)，擴(kuò)散參數(shù)，函數(shù)形式隨源高源高和和穩(wěn)定度穩(wěn)定度變化，由小角度近似可得變化，由

16、小角度近似可得vAwETxTx46 和 分別為風(fēng)向方位角和高度角脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差。由此可知，在具備湍流量 和 的觀測(cè)資料的情況下，只要知道擴(kuò)散函數(shù)形式，并正確估算湍流時(shí)間尺度的方法，就可以求出擴(kuò)散參數(shù)。特點(diǎn)：1：方法原理與湍流統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)一致。 2：舍棄分離的穩(wěn)定度級(jí)別，采用連續(xù)性穩(wěn)定度，接近實(shí)際。 3：考慮源高影響，認(rèn)為是穩(wěn)定度狀況函數(shù)。 4：使用方便，可用于多種情況。AEAEPasquill (1976)給出試驗(yàn)資料所得的給出試驗(yàn)資料所得的f(x)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)LyLyLLLvyt uxftTftTtTTtT21exp1247由泰勒公式積分可得由泰勒公式積分可得(2) 擴(kuò)散函數(shù)擴(kuò)散函數(shù)f 的確定的確定兩者中間范圍一致，近范圍，理論值稍高，遠(yuǎn)兩者中間范圍一致，近范圍，理論值稍高，遠(yuǎn)距離相反。距離相反。48由試驗(yàn)資料分析求取擴(kuò)散函數(shù)的方由試驗(yàn)資料分析求取擴(kuò)散函數(shù)的方法法-自學(xué)（自學(xué)（P93）49（4）幾種擴(kuò)散函數(shù)表達(dá)式50五五 擴(kuò)散參數(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展（擴(kuò)散參數(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展（自學(xué)自學(xué)）粗糙度對(duì)擴(kuò)散參數(shù)的影響；粗糙度對(duì)擴(kuò)散參數(shù)的影響； z z的研究；的研究；湍流參數(shù)的獲得；湍流參數(shù)的獲得；不同釋放高度的擴(kuò)散參數(shù)；不同釋放高度的擴(kuò)散參數(shù)；混合層厚度混合層厚度51重點(diǎn)重點(diǎn)P-G-T方法方法穩(wěn)定度擴(kuò)散級(jí)別穩(wěn)定度擴(kuò)散級(jí)別用用P-G-T擴(kuò)散曲線方法確定地?cái)U(kuò)散曲線方法確定