空氣污染學(xué)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往往是通過測(cè)量獲得或者由工程設(shè)計(jì)給出。于是，問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?。?-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)，英國氣象學(xué)家。，英國氣象學(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)期間從事國防科研工作。年任助理教授。第二次世界大戰(zhàn)期間從事國防科研工作。19421943年任英國國防部防化實(shí)驗(yàn)所所長。年任英國國防部防化實(shí)驗(yàn)所所長。19431945年任坦克實(shí)驗(yàn)所所長。年任坦克實(shí)驗(yàn)所所長。19451947年任英國雷達(dá)研究發(fā)展中心主任。年任英國雷達(dá)研究發(fā)展中心主任。19501955年任英國大氣污染研究委員會(huì)主席。年任英國大氣污染研究委員會(huì)主席。1951年任英國陸軍部科學(xué)顧問。年任英國陸軍部科學(xué)顧問。19521953年任英國皇家軍事科學(xué)院教務(wù)長。年任英國皇家軍事科學(xué)院教務(wù)長。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年任英國大地測(cè)量及地球物理學(xué)全國委員會(huì)主席。年任英國大地測(cè)量及地球物理學(xué)全國委員會(huì)主席。19651971年任英國自然環(huán)境研究委員會(huì)主席。年任英國自然環(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)，并通過量綱分析得到所有量的組合。相關(guān)，并通過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中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法中國國家標(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：墊面運(yùn)用時(shí)，確定擴(kuò)散參數(shù)應(yīng)參考以下意見：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)該將長時(shí)間段分成小段進(jìn)行計(jì)算，例如將應(yīng)該將長時(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）的垂直溫度梯度來表征水平和垂直向的湍的垂直溫度梯度來表征水平和垂直向的湍流狀況。流狀況。國際原子能機(jī)構(gòu)國際原子能機(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362022-3-17

11、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，國家標(biāo)準(zhǔn)給出的修改方案，方案，國家標(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)做專門的論證做專門

12、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，有兩方面問題：一是就不同源高的應(yīng)用，有兩方面問題：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。402022-3-17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，就是各種修改

13、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曲線預(yù)

14、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。這套公式適用于開闊鄉(xiāng)間條件，用來計(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觀氣

15、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，由小角

16、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

17、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)散曲線方法確定地面最大濃度面最大濃度qm和出現(xiàn)的離源和出現(xiàn)的離源距離距離xm的步驟的步驟國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)52作業(yè)已知：2016年1月上旬某一天中午，太陽高度角為33.8，無云，地面風(fēng)速為2.5m/s，南京某發(fā)電廠燃煤速率104kg/h，其中含硫2.5%，污染物釋放的煙囪高70m,煙流抬升約30m。用P-G-T曲線法求：1.假設(shè)該