大氣污染控制工程課件：4 大氣擴(kuò)散濃度估算模式_20140319_476302634

1、1本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容大氣污染物擴(kuò)散的基本描述大氣污染物擴(kuò)散的基本描述箱子模式箱子模式高斯擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式污染物濃度的估算方法污染物濃度的估算方法特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式城市及山區(qū)擴(kuò)散模式城市及山區(qū)擴(kuò)散模式煙囪高度設(shè)計(jì)煙囪高度設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式 主要指氣象條件與高斯模式不一樣主要指氣象條件與高斯模式不一樣（溫度層結(jié)構(gòu)均一，實(shí)際中難溫度層結(jié)構(gòu)均一，實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)）以實(shí)現(xiàn)） 封閉型擴(kuò)散模式封閉型擴(kuò)散模式上部存在逆溫層的氣象條件上部存在逆溫層的氣象條件相當(dāng)于兩鏡面之間無窮次全反射相當(dāng)于兩

2、鏡面之間無窮次全反射實(shí)源在兩個(gè)鏡子里形成實(shí)源在兩個(gè)鏡子里形成n n個(gè)像個(gè)像n n為在地面和逆面間反射次數(shù)為在地面和逆面間反射次數(shù)實(shí)源和無窮多個(gè)虛源貢獻(xiàn)之和實(shí)源和無窮多個(gè)虛源貢獻(xiàn)之和 22222exp2)0 , 0 ,(zzynDHuQxc封閉型擴(kuò)散模式封閉型擴(kuò)散模式(2)(2) 推導(dǎo)：推導(dǎo)：4D6D五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式3封閉型擴(kuò)散模式封閉型擴(kuò)散模式(3)(3)-n2222222)2(exp2)2(exp)2exp(2,zzyzyHnDHnDyuQHzyxcnzzyHnDuQHxc222)2(exp, 0 , 0 ,五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式五、特殊氣象條件

3、下的擴(kuò)散模式4封閉型擴(kuò)散模式封閉型擴(kuò)散模式(4)(4) 計(jì)算簡化：計(jì)算簡化：Dxx2.15zDHDx1. 當(dāng)當(dāng) （尚未到封閉階段）（尚未到封閉階段） （煙流半寬度）（煙流半寬度） 查查PG曲線曲線 2Dxx0111DdzDD2. 當(dāng)當(dāng) ，z向濃度混合均勻，向濃度混合均勻，z分布函數(shù)為分布函數(shù)為2DDxxx3. Dxx2Dxx內(nèi)插（假定變化為線性）內(nèi)插（假定變化為線性） )2exp()0 , 0 ,(22zzyHuQxc222exp2,yyyDuQyxc五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式5熏煙型擴(kuò)散模式熏煙型擴(kuò)散模式(1)(1) 假設(shè)：假設(shè)： D 換成換成hf（垂向均勻分布

4、）；（垂向均勻分布）；Q 只包括進(jìn)入混合層只包括進(jìn)入混合層部分，部分， 則則2.15152.158oyyfyH tgH五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式2yf2yff2F2exp2d)5 . 0exp(21)0 ,(yhuppQyxcpzf/ )Hhp （6熏煙型擴(kuò)散模式熏煙型擴(kuò)散模式(2)(2)2fzhH 逆溫層消失到煙流上邊緣，即逆溫層消失到煙流上邊緣，即2zH 逆溫消失到逆溫消失到 以上時(shí)，熏煙過程不復(fù)存在以上時(shí)，熏煙過程不復(fù)存在 逆溫層消失到煙囪的有效高度處逆溫層消失到煙囪的有效高度處五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式2yf2yfF2exp2

5、)0 ,(yhuQyxcf2yf2yfF2exp22),(yHuQoyxc78本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容大氣污染物擴(kuò)散的基本描述大氣污染物擴(kuò)散的基本描述箱子模式箱子模式高斯擴(kuò)散模式高斯擴(kuò)散模式污染物濃度的估算方法污染物濃度的估算方法特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式城市及山區(qū)擴(kuò)散模式城市及山區(qū)擴(kuò)散模式煙囪高度設(shè)計(jì)煙囪高度設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式城市大氣污染特點(diǎn)城市大氣污染特點(diǎn)u污染源種類多：點(diǎn)源、線源、面源污染源種類多：點(diǎn)源、線源、面源u下墊面粗糙度大下墊面粗糙度大u城市熱島效應(yīng)城市熱島效應(yīng)城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散

6、模式9六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式1.1.線源擴(kuò)散模式線源擴(kuò)散模式 無限長線源：較長街道或公路上行駛的車輛密無限長線源：較長街道或公路上行駛的車輛密度大，可在街道兩側(cè)形成連續(xù)穩(wěn)定長度的線源度大，可在街道兩側(cè)形成連續(xù)穩(wěn)定長度的線源 主要假定：主要假定： 污染物連續(xù)排放，形成無線長線源；污染物連續(xù)排放，形成無線長線源； 風(fēng)向與線源垂直；風(fēng)向與線源垂直； 在橫風(fēng)向上，污染物濃度處處相同。在橫風(fēng)向上，污染物濃度處處相同。城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式10六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式1.1.線源擴(kuò)散模式：無限長線源線源擴(kuò)散模式：無限長線源城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式

7、 確定單位線源源強(qiáng)確定單位線源源強(qiáng)QL作用下地面污染物濃度作用下地面污染物濃度 確定無限長線源下風(fēng)向的地面濃度模式確定無限長線源下風(fēng)向的地面濃度模式2y22z2zy2yexp2HexpuQ)0 , y, x( cLy2yexp2HexpuQ)0 , y, x( c2y22z2zydL2z2z2Hexpu2Q2)0 x( cL，風(fēng)向和線源不垂直時(shí)，交角風(fēng)向和線源不垂直時(shí)，交角45o 2z2z2Hexpsinu2Q2)0 , x( cL11六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式1.1.線源擴(kuò)散模式：有限長線源線源擴(kuò)散模式：有限長線源 有限長線源：在街道上行駛的車輛只能在街道有限長線源：在街道

8、上行駛的車輛只能在街道兩側(cè)產(chǎn)生斷續(xù)的穩(wěn)定濃度場的線源兩側(cè)產(chǎn)生斷續(xù)的穩(wěn)定濃度場的線源 主要假定：主要假定： 風(fēng)向與線源方向垂直；風(fēng)向與線源方向垂直； 接受點(diǎn)處平均風(fēng)向?yàn)榻邮茳c(diǎn)處平均風(fēng)向?yàn)閤方向；方向； 線源范圍線源范圍y1y y2。城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式p2pexp212Hexpu2Q2)0 , y, x( c21pp22z2zdLyyp/11yyp/22注意注意“邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng)”！12六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式1.1.線源擴(kuò)散模式：線源擴(kuò)散模式：例題：例題： 在陰天情況下，風(fēng)向與公路垂直，平均風(fēng)速為在陰天情況下，風(fēng)向與公路垂直，平均風(fēng)速為4m/s，最大交通量為最大

9、交通量為8000輛輛/h，車輛平均速度為，車輛平均速度為64km/h，每輛車排，每輛車排放放CO量為量為210-2 g/s，試求距公路下風(fēng)向，試求距公路下風(fēng)向300m處的處的CO濃度。濃度。解答：解答：(1) 確定適用的擴(kuò)散公式，公路可以當(dāng)作一無限長線源確定適用的擴(kuò)散公式，公路可以當(dāng)作一無限長線源(2) 源強(qiáng)為源強(qiáng)為(3) 確定當(dāng)日大氣穩(wěn)定度，陰天為確定當(dāng)日大氣穩(wěn)定度，陰天為D級穩(wěn)定度，由表級穩(wěn)定度，由表4-4 查得查得在下風(fēng)向在下風(fēng)向300m處，處， (4) CO濃度濃度城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式2z2z2Hexpu2Q2)0 x( cL，m)g/(sL32105 . 26400010

10、28000Qm1 .12z3mg/m041200300.),( c13城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式2.2.面源擴(kuò)散模式面源擴(kuò)散模式面源：煙囪高面源：煙囪高 40m；單個(gè)排放量單個(gè)排放量0.04t/h 箱子模式：箱子模式：考慮源強(qiáng)的不均勻性，考慮源強(qiáng)的不均勻性，沿沿x x方向劃分為更小的方向劃分為更小的面源單元面源單元六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式mixuHqLbcnimixiuHqxbc114城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式2.2.面源擴(kuò)散模式面源擴(kuò)散模式面源：煙囪高面源：煙囪高 40m；單個(gè)排放量單個(gè)排放量0.04t/h 簡化為點(diǎn)源的面源模式簡化為點(diǎn)源的面源模式 網(wǎng)格劃分：

11、將面源按照網(wǎng)格劃分：將面源按照一定方式劃分成面積相一定方式劃分成面積相等的小方格，每個(gè)小方等的小方格，每個(gè)小方格稱為一個(gè)單位面源，格稱為一個(gè)單位面源，源強(qiáng)等于方格內(nèi)總源強(qiáng)源強(qiáng)等于方格內(nèi)總源強(qiáng)除以方格面積。除以方格面積。六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式15城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式2.2.面源擴(kuò)散模式面源擴(kuò)散模式面源：煙囪高面源：煙囪高 40m；單個(gè)排放量單個(gè)排放量0.04t/h 簡化為點(diǎn)源的面源模式簡化為點(diǎn)源的面源模式 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分 虛擬等效：虛擬點(diǎn)源虛擬等效：虛擬點(diǎn)源排放的污染物擴(kuò)散到排放的污染物擴(kuò)散到單位面源中心的時(shí)候，單位面源中心的時(shí)候，煙流寬度等于面源寬煙流寬度等

12、于面源寬度，煙流厚度等于面度，煙流厚度等于面源高度。源高度。六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式六、城市及山區(qū)擴(kuò)散模式16城市大氣擴(kuò)散模式城市大氣擴(kuò)散模式2.2.面源擴(kuò)散模式面源擴(kuò)散模式面源：煙囪高面源：煙囪高 40m；單個(gè)排放量單個(gè)排放量hT 時(shí)，時(shí)， ；H O3SOx or NOx + NH3 + OH - (NH4)2SO4 or NH4NO3SO2 + OH - H2SO4NO2 + OH - HNO3VOC + OH -Orgainic PM OH Air Toxics(POM, PAH, Hg(II), etc.) Fine PM(Nitrate, Sulfate, Organic PM) NO

13、x + SOx + OH (Lake Acidification, Eutrophication) 八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展35ModelSpatial ScaleTemporal ScaleCIT Urban scaleEpisodicUAM-AEROUrban scaleEpisodicUAM-AIMUrban scaleEpisodicURMUrban to mesoscaleEpisodic DAQM2Urban to mesoscaleEpisodicMAQSIP-AIMUrban to mesoscale EpisodicCMAQ-MADRID Urban

14、to mesoscaleEpisodicPMCAMx Urban to mesoscale EpisodicSAQM-AEROUrban to mesoscaleEpisodicSTEM-IIIMesoscaleEpisodicADOMMesoscaleEpisodicWRF-ChemUrban to mesoscaleEpisodicGATOR-GCMOMUrban to global scale Long termModels-3/CMAQ Urban to mesoscale Long termUAM-LC Urban scale Long termREMSADMesoscale Lon

15、g termVISHWAMesoscale Long term空氣質(zhì)量模式的發(fā)展空氣質(zhì)量模式的發(fā)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展空氣質(zhì)量模型的類型空氣質(zhì)量模型的類型Developed for a number of pollutant types and time periods Short-term models for a few hours to a few days; worst case episode conditions Long-term models to predict seasonal or annual average concentrations;

16、health effects due to exposureClassified by Non-reactive models pollutants such as CO Reactive models pollutants such as O3, NO2, etc.八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展38Classified by level of sophistication Screening: simple estimation use preset, worst-case meteorological conditions to provide conservative

17、estimates. Refined: more detailed treatment of physical and chemical atmospheric processes; require more detailed and precise input data.Classified by framework used Eulerian Lagrangian Hybrid Lagrangian/Eulerian Statistical/scram001/images/smokestacks.jpg /scram001

18、/images/grid4.jpg 八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展空氣質(zhì)量模型的類型空氣質(zhì)量模型的類型39Classified by dimensionalityBox model (0-D)Column model (1-D)2-D chemical transport model3-D chemical transport modelClassified by spatial scaleMolecular (2mm)Microscale (2mm-100m)Urban scale (100m-2km)Regional/continental (2-2000km)Synop

19、tic to global (500-20000km)八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展空氣質(zhì)量模型的類型空氣質(zhì)量模型的類型4041八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展空氣質(zhì)量模型的類型空氣質(zhì)量模型的類型41Classified by generation of meteorologyGeneral circulation models (internally calculated)Chemical transport models (externally calculated)Online (a fully-coupled GCM-CTM)Offline (a CT

20、M with meteorology archives)Classified by mode of applicationBackcast/nowcast modelsForecast modelsClassified by types of applicationResearch-grade modelsRegulatory models空氣質(zhì)量模型的類型空氣質(zhì)量模型的類型八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展42模式選擇模式選擇1.1. 污染源及污染物污染源及污染物污染源的類型污染源的類型污染源的形態(tài)有點(diǎn)源、線源、面源和它們組成的復(fù)合源；污染源的形態(tài)有點(diǎn)源、線源、面源和它們組成的

21、復(fù)合源；按其排放方式可分為瞬時(shí)源、間斷源和連續(xù)源。按其排放方式可分為瞬時(shí)源、間斷源和連續(xù)源。污染物的性質(zhì)污染物的性質(zhì)可分為氣態(tài)污染物或顆粒物?？煞譃闅鈶B(tài)污染物或顆粒物。對后者，還需了解其粒徑分布，估計(jì)重力沉降、干沉積與對后者，還需了解其粒徑分布，估計(jì)重力沉降、干沉積與擴(kuò)散的相對重要性。擴(kuò)散的相對重要性。此外，還應(yīng)考慮是惰性的或是反應(yīng)性污染物。此外，還應(yīng)考慮是惰性的或是反應(yīng)性污染物。 八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展432.2. 模擬的時(shí)空范圍及分辨率模擬的時(shí)空范圍及分辨率模式區(qū)的范圍模式區(qū)的范圍局地空氣污染問題以采用高斯型模式比較適當(dāng)。局地空氣污染問題以采用高斯型模式比較適當(dāng)。

22、模擬的時(shí)間尺度模擬的時(shí)間尺度大氣擴(kuò)散模式計(jì)算的基準(zhǔn)時(shí)間尺度為小時(shí)平均，其他時(shí)大氣擴(kuò)散模式計(jì)算的基準(zhǔn)時(shí)間尺度為小時(shí)平均，其他時(shí)段的平均濃度可在小時(shí)平均濃度的基礎(chǔ)上逐時(shí)段的平均濃度可在小時(shí)平均濃度的基礎(chǔ)上逐時(shí)( (或按一定或按一定的采樣間隔的采樣間隔) )求和計(jì)算，也可按頻率加權(quán)的計(jì)算方法。求和計(jì)算，也可按頻率加權(quán)的計(jì)算方法。要求的空間分辨率要求的空間分辨率模式計(jì)算濃度的空間分辨率是一項(xiàng)重要和敏感的指標(biāo)。模式計(jì)算濃度的空間分辨率是一項(xiàng)重要和敏感的指標(biāo)。在一個(gè)孤立點(diǎn)源的下風(fēng)區(qū)，相距數(shù)百米兩個(gè)接受點(diǎn)的污在一個(gè)孤立點(diǎn)源的下風(fēng)區(qū)，相距數(shù)百米兩個(gè)接受點(diǎn)的污染物濃度可以有數(shù)量級的差異，即使在污染源分布比較染物

23、濃度可以有數(shù)量級的差異，即使在污染源分布比較均勻的城市，相距均勻的城市，相距1km1km監(jiān)測濃度的差異也常常很大。監(jiān)測濃度的差異也常常很大。模式選擇模式選擇八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展443.3. 模擬區(qū)的下墊面特征模擬區(qū)的下墊面特征下墊面可分為平原鄉(xiāng)村、城市、山區(qū)及水陸交界下墊面可分為平原鄉(xiāng)村、城市、山區(qū)及水陸交界地區(qū)等。地區(qū)等。復(fù)雜下墊面時(shí)，高斯模式不再適用。復(fù)雜下墊面時(shí)，高斯模式不再適用。模式選擇模式選擇八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展4.4. 對模式效能的要求對模式效能的要求空氣質(zhì)量模式應(yīng)當(dāng)具備的效能與前述三方面的條空氣質(zhì)量模式應(yīng)當(dāng)具備的效能與前述三

24、方面的條件及要求有密切關(guān)系。例如，對局地空氣污染，件及要求有密切關(guān)系。例如，對局地空氣污染，通常僅需考慮大氣的擴(kuò)散稀釋作用，而對中、遠(yuǎn)通常僅需考慮大氣的擴(kuò)散稀釋作用，而對中、遠(yuǎn)距離問題則還必須考慮污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化和干濕距離問題則還必須考慮污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化和干濕沉積等其他物理化學(xué)過程，此時(shí)對模式效能將提沉積等其他物理化學(xué)過程，此時(shí)對模式效能將提出不同的要求。出不同的要求。45模式性能評價(jià)模式性能評價(jià)模式的合理性、保真性和靈敏性分析模式的合理性、保真性和靈敏性分析1.1.合理性分析合理性分析在進(jìn)行模式性能評價(jià)時(shí)，可考慮選取一個(gè)參考模式，用以校核擬用在進(jìn)行模式性能評價(jià)時(shí)，可考慮選取一個(gè)參考模式，用以

25、校核擬用模式，進(jìn)一步考核其物理模型和參數(shù)化方案等的合理性，必要時(shí)還模式，進(jìn)一步考核其物理模型和參數(shù)化方案等的合理性，必要時(shí)還可作一些對比性的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算?？勺饕恍Ρ刃缘慕?jīng)驗(yàn)計(jì)算。2.2.模式檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綑z驗(yàn)主要目的是檢查模式的主要目的是檢查模式的“保真性保真性”。一般應(yīng)使用同步的排放源、氣。一般應(yīng)使用同步的排放源、氣象和濃度監(jiān)測資料，檢驗(yàn)?zāi)Ｊ接?jì)算值與實(shí)測值的符合程度。這是模象和濃度監(jiān)測資料，檢驗(yàn)?zāi)Ｊ接?jì)算值與實(shí)測值的符合程度。這是模式性能評價(jià)的最主要的內(nèi)容。式性能評價(jià)的最主要的內(nèi)容。 八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展46模式性能評價(jià)模式性能評價(jià)2.2. 模式檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綑z驗(yàn)八、空氣質(zhì)量模式

26、的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展?jié)舛炔罘治觯簼舛炔罘治觯阂韵嗤瑫r(shí)間、地點(diǎn)的觀測值和計(jì)算值為數(shù)據(jù)對以相同時(shí)間、地點(diǎn)的觀測值和計(jì)算值為數(shù)據(jù)對，求其差值：，求其差值：下標(biāo)下標(biāo)o o、p p分別表示觀測值與模式預(yù)測值。分別表示觀測值與模式預(yù)測值。 最大濃度分析：最大濃度分析：在空氣污染分析中，地面最大濃度常是人們在空氣污染分析中，地面最大濃度常是人們最關(guān)心的。最關(guān)心的。最大濃度差：最大濃度差：式中：式中： 分別表示觀測和模擬的地面最大濃度。分別表示觀測和模擬的地面最大濃度。47),(),(tzyxctzyxccpompmomcccmpmocc 、NioNipocccNMB11模式性能評價(jià)模式性能評價(jià)2.2. 模式檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綑z驗(yàn)八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展八、空氣質(zhì)量模式的新進(jìn)展?jié)舛缺戎捣治觯簼舛缺戎捣治觯河?jì)算每一對濃度計(jì)算值與觀測值的比值計(jì)算每一對濃度計(jì)算值與觀測值的比值K將將K值落在值落在0.52范圍內(nèi)作為模式精度是否可取的指標(biāo)。范圍內(nèi)作為模式精度是否可取的指標(biāo)。通常較佳模式通常較佳模式K值落在上述范圍內(nèi)的成數(shù)應(yīng)超過值落在上述范圍內(nèi)的成數(shù)應(yīng)超過50。 相關(guān)分析：相關(guān)分析：計(jì)算由濃度觀測值和計(jì)算值組成的數(shù)據(jù)對序列計(jì)算由濃度觀測值和計(jì)算值組成的數(shù)據(jù)對序列的相關(guān)系數(shù)的相關(guān)系數(shù)