第三章氣象學(xué)基礎(chǔ)知識(shí).ppt

1、大氣污染控制理論與方法,環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,第二章 污染氣象學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),21 主要?dú)庀笠丶按髿獾幕疚锢硇再|(zhì)； 22 大氣的熱力過程； 23 大氣污染與氣象的關(guān)系； 34 大氣擴(kuò)散模式； 35 污染物濃度估算； 36 廠址選擇和煙囪設(shè)計(jì)。,31 主要?dú)庀笠丶按髿獾幕疚锢硇再|(zhì),一、低層大氣的成分：干潔空氣、水汽、氣溶膠粒子 二、大氣的垂直結(jié)構(gòu) 三、影響大氣污染的主要?dú)庀笠?氣象要素（因子）： 表示大氣狀態(tài)的物理現(xiàn)象和物理量，氣象學(xué)中統(tǒng)稱為。 與大氣污染關(guān)系密切的氣象要素主要有： 氣溫、氣壓、空氣濕度（氣濕）、風(fēng)（風(fēng)向、風(fēng)速）、云況、能見度、降水、蒸發(fā)、日照時(shí)數(shù)、太陽(yáng)輻射、 地面輻射、大氣

2、輻射等。,1、氣溫： 表示大氣溫度高低的物理量。通常指距地面1.5m高處百葉箱中的空氣溫度。 2、氣壓： 任一點(diǎn)的氣壓值等于該地單位面積上的大氣柱重量. 氣壓總是隨高度的增加而降低的。氣壓隨高度遞減關(guān)系式可用氣體靜力學(xué)方程式描述，即P=-gZ，其積分式壓高公式： 據(jù)實(shí)測(cè)近地層高度每升高100米，氣壓平均降低約12.4毫巴（1mb=100Pa) ，在高層小于此值。 3、空氣濕度（氣濕）： 反映空氣中水汽含量和空氣潮濕程度的一個(gè)物理量。 常用的表示方法有：絕對(duì)濕度、水蒸氣壓力、體積百分比、含濕量、相對(duì)濕度、露點(diǎn)等。,4、風(fēng)（wind speed and direction) 什么是風(fēng)？空氣的流動(dòng)就

3、形成風(fēng)。水平(horizontal)方向的空氣運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)。 風(fēng)的形成：風(fēng)主要由于氣壓的水平分布不均勻而引起的，而氣壓的水平分布不均是由溫度分布不均造成。,風(fēng)的形成除熱力原因外，還有動(dòng)力原因，自然界的風(fēng)是由于這兩種原因綜合作用的結(jié)果，但只要有溫差存在，空氣就不 會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。,風(fēng)的度量（風(fēng)向和風(fēng)速） 風(fēng)是矢量，有方向和大小，即風(fēng)向和風(fēng)速。 風(fēng)速(風(fēng)的大小)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)空氣在水平方向移動(dòng)的距離， 常用單位：m/s，Km/s。 風(fēng)向(風(fēng)的來向)：可用8個(gè)方位或16方位表示(地面風(fēng)),見圖2-2；也可用角度表示(高空風(fēng)):以北為零點(diǎn)，沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)正北為360(或0) ;正東90;正南180;正西27

4、0。,風(fēng)的性質(zhì)： 隨時(shí)在變化：如我國(guó)季風(fēng)（北京附近冬天東北風(fēng)）； 隨高度變化：在一定范圍內(nèi)，風(fēng)隨高度的增大而增大。地面有建筑物，樹木的影響。 風(fēng)速隨高度變化的曲線叫風(fēng)速廓線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式叫風(fēng)速廓線模式。在近地層中性層結(jié)情況下推導(dǎo)的兩個(gè)表達(dá)式分別為：,隨地理位置而變：山區(qū)會(huì)產(chǎn)生山風(fēng)、谷風(fēng)、海風(fēng)，海區(qū)有海陸風(fēng)（如上海、大連等）。,5、云 云：是發(fā)生在高空的水汽凝結(jié)現(xiàn)象。 形成的基本條件：水蒸汽和使水蒸汽達(dá)到飽和凝結(jié)的環(huán)境。 云量：指云遮蔽天空的成數(shù)。在我國(guó)，將天空分為10等份，有幾分天空被云遮蓋，云量就是幾。如：云占天空的1/10，云量記為1；在云層中有少量空隙（空隙總量不到天空的1/20）記為1

5、0；當(dāng)天空無云或云量不到1/20時(shí)，云量為0。 國(guó)外，將天空分為8等份。 國(guó)外云量與我國(guó)云量間的關(guān)系，國(guó)外云量1.25=我國(guó)云量。 總云量：指所有云遮蔽天空的成數(shù)，不論云的層次和高度。 低云量：低云的云掩蓋天空的成數(shù)。 云量的記錄：一般總云量/低云量的形式記錄，如10/7。 云狀：多種多樣，1932年國(guó)際云學(xué)委員會(huì)出版的國(guó)際云圖將云狀分為四族十屬。 云高：指云底距地面的垂直距離，以米為單位。測(cè)定方法：激光測(cè)云儀、弧光測(cè)云儀等，目力測(cè)定法,6、能見度 能見度：在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，視力正常的人能夠從天空背景中看到或辨認(rèn)出目標(biāo)物的最大距離，單位：m，Km。 能見度的大小反應(yīng)了大氣的混濁現(xiàn)象，反映出大

6、氣中雜質(zhì)的多少。大氣中的霧、水汽、煙塵等，可使能見度降低。 7、太陽(yáng)高度角 太陽(yáng)高度角為太陽(yáng)光線與地平線間的夾角，是影響太陽(yáng)輻射強(qiáng)弱的最主要的因子之一。ho即太陽(yáng)高度角，它隨時(shí)間而變化。 8、降水 降水是指大氣中降落至地面的液態(tài)或固態(tài)水的通稱。如雨、雪等。降水是清除大氣污染物的重要機(jī)制之一。 四、大氣的基本物理性質(zhì)（自學(xué)）,2-2 大氣的熱力過程,一 、太陽(yáng)輻射 1、什么是輻射？ 自然界中的一切物體都以電磁波的形式時(shí)刻不停的向外傳遞能量，這種傳遞能量的方式稱為輻射，以輻射的方式向四周輸送的能量稱輻射能，有時(shí)簡(jiǎn)稱輻射。 2、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的減弱及影響因素 （1）吸收輻射;（2）散射作用;（3）反

7、射;（4）透過大氣層. 3、大氣溫度依地面溫度的變化關(guān)系 地面溫度（土壤溫度）的日變化是周期性的，具有一最高值和最低值，在一天里地表溫度最高值在13點(diǎn)左右，最低溫度在日出前后。 氣溫的年變化曲線與地表溫度年變化曲線平行，但振幅較小。 二、氣溫的垂直變化,2、干絕熱遞減率： 絕熱垂直遞減率（絕熱直減率）：氣塊在絕熱過程中，垂直方向上每升降單位距離時(shí)的溫度變化值。（通常取100m）， 單位：/100m。 干絕熱垂直遞減率d（干絕熱直減率）: 干氣塊（包括未飽和濕空氣）在絕熱過程中，垂直方向上每升降單位距離的溫度變化值。（通常取100米），根據(jù)計(jì)算，得到d約為0.98/100m，近似1/100m。

8、（1）準(zhǔn)靜力條件 絕熱過程中氣溫、氣壓都是指大氣中氣塊本身的特性，但是對(duì)于氣壓而言，一般情況PP環(huán)，若過程進(jìn)行的十分緩慢，可使外界氣壓變化與系統(tǒng)內(nèi)部氣壓變化充分平衡，每一瞬間外部氣壓與內(nèi)部氣壓看成是相等的，即P=P環(huán)，這個(gè)條件稱為準(zhǔn)靜力條件。討論的大多數(shù)過程我們認(rèn)為滿足準(zhǔn)靜力條件，即P=P。,干絕熱：氣團(tuán)是未飽和狀態(tài)，不會(huì)有狀態(tài)的變化，負(fù)號(hào)“”表示氣塊在干絕熱上升過程中溫度隨高度的升高而降低，若不計(jì)高度、緯度影響，取g=9.18m/s2，CP=1004.8J/(KgK)則d=0.98K/100m 1K/100m。表示干空氣在作干絕熱上升（或下降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，每升高（或下降）100m，溫度降低（或升

9、高）1。 （3）濕空氣的絕熱變化 濕空氣團(tuán)作絕熱升降時(shí)情況較復(fù)雜，在升降過程中若無相變化，其溫度直減率和干絕熱直減率一樣，每升降100m，溫度變化1 ；若有相變化，每升高100m，溫度變化小于1。濕空氣上升達(dá)到飽和狀態(tài)并開始凝結(jié)的高度稱為凝結(jié)高度，在凝結(jié)高度以下，其溫度變化同干空氣一樣；在凝結(jié)高度以上，溫度變化小于干空氣的變化值，飽和空氣每上升（或下降）單位距離空氣的溫度變化，稱為濕絕熱遞減率m，約為0.5/100m。,三、大氣的靜力穩(wěn)定度 大氣的靜力穩(wěn)定度：指大氣垂直運(yùn)動(dòng)的氣團(tuán)是加速、抑制，還是無影響的一種熱力學(xué)性質(zhì)。大氣穩(wěn)定度影響大氣污染物的擴(kuò)散能力。 1、氣溫的垂直分布 （1）溫度層結(jié)：

10、溫度隨高度的分布情況。它影響大氣垂直方向的流動(dòng)情況，由于地面構(gòu)筑物不同，溫度層結(jié)不同。 （2）溫度層結(jié)類型 溫度隨高度的增加而降低（Z t），正常分布，或遞減層結(jié)，一般情況是這種規(guī)律。 溫度梯度等于或近似于1/100m，稱中性層結(jié)。 溫度隨高度增加而升高（Z t ），稱為逆溫層結(jié)。 溫度不隨高度變化，稱為等溫層結(jié)。 見下圖所示：,圖： 層結(jié)曲線,a 遞減層結(jié) b 中性層結(jié) c 逆溫層結(jié) d 等溫層結(jié),（3）溫度層結(jié)日變化,（4）溫度變化的實(shí)質(zhì)： 溫度變化的實(shí)質(zhì)是內(nèi)能變化。 （5）環(huán)境溫度直減率（定義與干絕熱直減率相同），環(huán)境溫度的變化。 不是一常數(shù)，隨太陽(yáng)輻射、氣候等而變化，對(duì)流層中環(huán)境溫度直

11、減率的平均值為0.65/100m。 大氣環(huán)境的各種狀態(tài)： （見下一頁(yè)圖示） （6）位溫（） 位溫：把各層中的氣塊由最初的壓力P循著干絕熱的程序訂正到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力1000hPa時(shí)所具有的溫度。 任何一氣塊的位溫是不變的（干絕熱情況）；而非絕熱情況下，位溫是變化的。位溫比氣溫更能代表氣塊的熱力學(xué)性質(zhì)。 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力=1013.25mb（毫巴） 1mb=103達(dá)因/cm2,大氣環(huán)境的各種狀態(tài)：, （平均狀態(tài)） =d = 1/100m （干絕熱狀態(tài)） = 0 （等溫狀態(tài)） d （超絕熱狀態(tài)）,2、大氣穩(wěn)定度 （1）什么是大氣穩(wěn)定度？ 是指大氣中任一高度上的一空氣塊在鉛直方向上的穩(wěn)定程度。 （2）大氣

12、穩(wěn)定度的分類（3類） 如果一空氣塊由于某種原因受到外力的作用，產(chǎn)生了上升或者下降的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外力消除后，可能發(fā)生三種情況： 氣塊逐漸減速并有返回原來高度的趨勢(shì)，此時(shí)大氣是穩(wěn)定的。 氣塊仍然加速上升或下降，此時(shí)大氣是不穩(wěn)定的。 氣塊停留在外力消失時(shí)所處的位置，或者做等速運(yùn)動(dòng)，這時(shí)大氣是中性的。 （3）如何判別大氣的穩(wěn)定度？ 設(shè)氣塊狀態(tài)為T、P、,環(huán)境大氣狀態(tài)為T、P、,氣塊受到的浮力為F1=mg =Vg，重力為：G = Vg。 因而它的靜浮力為：F1G = () Vg P=RT P= RT 到達(dá)某一位置時(shí)P= P（達(dá)準(zhǔn)靜力條件）,用層結(jié)曲線（大氣溫度隨高度變化曲線）和狀態(tài)曲線（即上升空氣塊的溫度隨

13、高度的變化曲線）的分布來判斷大氣穩(wěn)定度。,四、逆溫 1、定義：溫度隨高度的增加而增加，此時(shí) 。 2、跟我們研究污染有關(guān)的因素： 逆溫層的消失時(shí)間； 逆溫層底的高度； 逆溫層的厚度； 逆溫的強(qiáng)度（溫度隨高度的變化情況）。 不同季節(jié)都應(yīng)掌握上述數(shù)據(jù)。 逆溫的最危險(xiǎn)狀況是逆溫層正好處于煙囪排放口。 3、逆溫形成的過程（自學(xué)） 形成逆溫的過程多種多樣，最主要有以下幾種： 輻射逆溫（較常見）；平流逆溫；鋒面逆溫； 湍流逆溫；下沉逆溫。 要求掌握輻射逆溫的形成機(jī)理，了解其它輻射逆溫的形成機(jī)理。,3-3 大氣污染與氣象的關(guān)系,一、邊界層的風(fēng)和湍流對(duì)大氣污染的影響 風(fēng)、湍流是決定污染物在大氣中稀釋擴(kuò)散的最直接

14、最本質(zhì)的因素。風(fēng)速越大，湍流越強(qiáng)，污染物擴(kuò)散速度越快，污染物濃度越低。 （一）風(fēng)對(duì)大氣污染物擴(kuò)散和輸送的影響 風(fēng)對(duì)污染物的作用體現(xiàn)為風(fēng)向和風(fēng)速兩方面的影響。 1、風(fēng)向影響污染物的水平遷移擴(kuò)散方向。 2、風(fēng)速的大小決定了大氣擴(kuò)散稀釋作用的強(qiáng)弱。 通常，污染物在大氣中的濃度與平均風(fēng)速成反比，風(fēng)速增大1倍，下風(fēng)向污染物將減少一半。 （1）風(fēng)速隨高度的分布：對(duì)數(shù)律；指數(shù)律。 （2）風(fēng)向頻率和污染系數(shù) 為綜合考慮風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)空氣污染物的輸送擴(kuò)散影響，往往要用風(fēng)向頻率和污染系數(shù)。,風(fēng)向頻率是指一定時(shí)間內(nèi)（年或月），某風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)占各風(fēng)向出現(xiàn)總次數(shù)的百分率。 污染系數(shù)表示風(fēng)向、風(fēng)速綜合作用對(duì)空氣污染物擴(kuò)散影

15、響程度。 P越大，某下風(fēng)向污染越嚴(yán)重。 （二）湍流 1、什么是湍流？ 除在水平方向運(yùn)動(dòng)外，還會(huì)由上、下、左、右方向的亂運(yùn)動(dòng)，風(fēng)的這種特性和擺動(dòng)稱為大氣湍流。（有點(diǎn)象分子的熱運(yùn)動(dòng)） 2、湍流與擴(kuò)散的關(guān)系 把湍流想象成是由許多湍渦形成的，湍渦的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而形成它與分子運(yùn)動(dòng)極為相似。,不同的是，分子的運(yùn)動(dòng)以分子為單位，湍流以湍渦為單位，湍渦運(yùn)動(dòng)速度比分子運(yùn)動(dòng)速度大的多，比分子擴(kuò)散快105106倍。沒有湍流運(yùn)動(dòng)，污染物的擴(kuò)散就成了問題。這是因?yàn)闊o湍流時(shí)，污染物單靠分子擴(kuò)散，擴(kuò)散速度很??；有湍流時(shí)，由于其靠湍流擴(kuò)散，運(yùn)動(dòng)的方向和大小都極不規(guī)則，使流場(chǎng)各部分間強(qiáng)烈混合，混合加快了擴(kuò)散速度。若只有風(fēng)無湍流，

16、從煙囪中排出的廢氣像一條“煙管”一樣幾乎保持著同樣粗細(xì)，吹向下方，很少擴(kuò)散。 3、形成： 近地層大氣湍流有兩種：熱力湍流；機(jī)械湍流。 熱力湍流：主要由于大氣的鉛直穩(wěn)定度而引起，大氣的鉛直穩(wěn)定度是由于氣溫的垂直分布決定的。 機(jī)械湍流：有動(dòng)力因子產(chǎn)生，由于大氣垂直方向上的風(fēng)速梯度不同和地面粗糙度不同而產(chǎn)生。 歸納而言：風(fēng)速越大，湍流越強(qiáng)，污染物擴(kuò)散速度越快，污染物濃度越低。風(fēng)、湍流是決定污染物在大氣中稀釋擴(kuò)散的最直接因素。 （三）地方性風(fēng)場(chǎng)（自學(xué)）,二、大氣穩(wěn)定度對(duì)大氣污染的影響 大氣穩(wěn)定度對(duì)煙流擴(kuò)散有很大的影響，不同穩(wěn)定度導(dǎo)致從煙囪排出的煙羽形狀不同。下面是與穩(wěn)定度有關(guān)的五種典型煙流，。,三、降

17、水對(duì)大氣污染的影響 降水對(duì)大氣污染有凈化作用，降水的凈化作用與降水的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。降水越強(qiáng)，降水時(shí)間越長(zhǎng)，降水后大氣污染物濃度越低，保持低濃度的時(shí)間越長(zhǎng)。 四、云量與輻射的晝夜變化 一般來說：晴天白天，特別是夏季中午，太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，溫度層結(jié)遞減，處于極不穩(wěn)定狀態(tài)；夜間，黎明前逆溫最強(qiáng)，日出與日落前后為轉(zhuǎn)換期，均接近中性層結(jié)。 云：對(duì)輻射起屏障作用，既阻擋白天的太陽(yáng)輻射，又阻擋夜間地面向上的輻射?？傂Ч簻p小氣溫隨高度的變化。 五、天氣形勢(shì)的影響 天氣形勢(shì)指大范圍氣壓分布狀況。一定的天氣現(xiàn)象和氣象條件都與相應(yīng)的天氣形勢(shì)聯(lián)系起來。所以，天氣形勢(shì)與影響空氣污染的氣象因素密切相關(guān)，影響了污染物在

18、大氣中的擴(kuò)散。 低壓氣旋控制區(qū)：空氣有上升運(yùn)動(dòng)，云天較多，通常風(fēng)速較大。 強(qiáng)高壓反氣旋控制區(qū)：天氣晴朗，風(fēng)速較小 。,天氣形勢(shì)的影響都是大范圍的，它對(duì)個(gè)別源造成的小范圍的污染影響不太明顯（沒有氣象條件日變化作用明顯）。 六、大氣污染指數(shù) 為了綜合表示風(fēng)、大氣穩(wěn)定度、降水及混合層高度等氣象因素對(duì)污染物擴(kuò)散的共同作用，可采用污染指數(shù)Id。 式中：Idd方向上的污染指數(shù)，無量綱；P降水；S大氣穩(wěn)定度；u風(fēng)速；h混合層高度。 Id越大，d方向下側(cè)的污染較重。實(shí)踐證明，Id0.8時(shí)，為清潔型大氣。,3-4 正態(tài)分布下的大氣擴(kuò)散模式,一、污染源 污染源對(duì)污染物的影響很大，從污染源考慮污染物濃度主要有以下幾

19、方面： (1) 污染物指的化學(xué)組分及性質(zhì),各組分間是否易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成二次污染物等； (2) 源的幾何形狀和排放方式； (3)源強(qiáng)，即污染物的排放速率； (4) 源的高度。 在源強(qiáng)等條件相同的情況下,源高對(duì)地面污染物的影響見下圖所示。,二、大氣擴(kuò)散試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介 1、示蹤劑濃度測(cè)量法 優(yōu)點(diǎn)：可直接測(cè)得數(shù)據(jù)，只要網(wǎng)點(diǎn)布置得當(dāng)，就可對(duì)整個(gè)濃 度場(chǎng)進(jìn)行分析。 缺點(diǎn)：人力、物力耗費(fèi)大，不經(jīng)濟(jì)。 示蹤劑：要求靈敏度高，無毒，性能穩(wěn)定，檢驗(yàn)方法可靠。常用的有：熒光微粒、六氟化硫（SF6）、SO2等。 2、光學(xué)輪廓法 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)； 缺點(diǎn)：精度差，研究范圍小。 常在研究煙羽抬升高度時(shí)應(yīng)用。 3、“標(biāo)記粒

20、子”軌跡法 優(yōu)點(diǎn)：精度高、適于大尺度擴(kuò)散研究； 缺點(diǎn)：工作量大，不經(jīng)濟(jì)，多次觀察等。 此外還有風(fēng)洞試驗(yàn)研究等。,三、正態(tài)分布假設(shè)下的擴(kuò)散模式 研究湍流場(chǎng)中物質(zhì)擴(kuò)散的理論體系有三種： 梯度輸送理論；統(tǒng)計(jì)理論；相似理論。 1、梯度輸送理論 研究方法：利用歐拉提出的方法，在充滿流體的空間固定多個(gè) 點(diǎn)，量測(cè)各固定點(diǎn)上的各個(gè)參數(shù)的變化。 理論基礎(chǔ)：質(zhì)量守恒定律，把擴(kuò)散類似分子擴(kuò)散，脈動(dòng)值用平 均值代替。 2、統(tǒng)計(jì)理論 研究方法：拉格朗日方法，空間有一微團(tuán)，跟隨微團(tuán)流動(dòng)時(shí)各 個(gè)流動(dòng)點(diǎn)的規(guī)律。 理論基礎(chǔ)：解決擴(kuò)散參數(shù)時(shí)用二元相關(guān)理論：方差、概率。,下面我們介紹據(jù)擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論導(dǎo)出的正態(tài)分布假設(shè)下的擴(kuò)散模式。

21、（1）坐標(biāo)系 坐標(biāo)系取排放點(diǎn)（無界源、地面源或高架源排放點(diǎn)）在地面的投影點(diǎn)為原點(diǎn)，主風(fēng)向?yàn)閤軸，y軸在水平面內(nèi)垂直于x軸，正方向在x軸的左側(cè)，z軸垂直于水平面，向上為正，即右手坐標(biāo)系。食指x軸；中指y軸；拇指z軸。此坐標(biāo)系中，煙流中心與x軸重合或煙流在oxy平面的投影為x軸。 （2）正態(tài)分布（高斯模式）假設(shè)下的擴(kuò)散模式的假定 在y、z軸上的分布為正態(tài)分布，即在y、z軸上分別有 ； ； 在擴(kuò)散的各個(gè)空間，風(fēng)速是均勻穩(wěn)定的，即時(shí)時(shí)、處處風(fēng)速 為常數(shù)， =常數(shù) ； 污染物排放的源強(qiáng)Q是連續(xù)均勻的； 在擴(kuò)散過程中污染物沒有沉降、化合和分解；地面對(duì)其起全反射作用，不發(fā)生吸收或吸附作用。 x向風(fēng)速（平均）

22、不能太小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它方向的湍流。 下述的模式只要無特殊說明，都遵從上述假設(shè)。,上式中： 平均風(fēng)速； Q源強(qiáng)是指污染物排放速率。與空氣中污染物質(zhì)的濃度成正比，它是研究空氣污染問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通常： （）瞬時(shí)點(diǎn)源的源強(qiáng)以一次釋放的總量表示； （）連續(xù)點(diǎn)源以單位時(shí)間的釋放量表示； （）連續(xù)線源以單位時(shí)間單位長(zhǎng)度的排放量表示； （）連續(xù)面源以單位時(shí)間單位面積的排放量表示。 y側(cè)向擴(kuò)散參數(shù)，污染物在y方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離y的函數(shù)，m； z豎向擴(kuò)散參數(shù)，污染物在z方向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，是距離z的函數(shù)，m； 未知量濃度c、待定函數(shù)A(x)、待定系數(shù)a、b； 式、組成一方程組，四個(gè)方程式有四個(gè)未知數(shù)，故

23、方程式可解。,4、高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散模式 高架源既考慮到地面的影響，又考慮到高出地面一定高度的排放源。地面對(duì)污染物的影響很復(fù)雜，如果地面對(duì)污染物全部吸收，則式仍適用于地面以上的大氣，但根據(jù)假設(shè)可認(rèn)為地面就象鏡子一樣對(duì)污染物起全反射作用，按全反射原理，可用：“像源法”處理這類問題。可以把P點(diǎn)污染物濃度看成為兩部分作用之和，一部分實(shí)源作用，一部分是虛源作用。見下頁(yè)圖：相當(dāng)于位置在（0，0，H）的實(shí)源和位置在（0，0，-H）的像源，當(dāng)不存在地面時(shí)在P點(diǎn)產(chǎn)生的濃度之和。 （1）實(shí)源作用：由于坐標(biāo)原點(diǎn)原選在地面上，現(xiàn)移到源高為H處，相當(dāng)于原點(diǎn)上移H，即原式中的Z在新坐標(biāo)系中為（Z-H）,不考慮地面的影響，

24、則：,以上模式適用于氣態(tài)污染物和粒徑小于10m的飄塵，對(duì)于大10m的顆粒物，由于自身的沉降作用，濃度分布將有所改變。 7、傾斜煙云模式 在預(yù)測(cè)上述顆粒時(shí)，假設(shè)沉積和無沉積有相同的分布形式，但在整個(gè)煙云離開源以后，便以重力終端速度下降（ut）,此時(shí)，只要將高斯模式中有效源高H用( )來置換即可得到傾斜煙云模式。,四、非點(diǎn)源擴(kuò)散模式（簡(jiǎn)述） 1.線源擴(kuò)散模式; 2. 簡(jiǎn)單箱模式; 3.面源擴(kuò)散模式; 4.山區(qū)擴(kuò)散模式 五、特殊氣象條件下的擴(kuò)散模式 （一）有上部逆溫層的擴(kuò)散模式 如果大氣低層處于不穩(wěn)定，某一高度以上有逆溫層存在，這是上部逆溫層就像一個(gè)“蓋子”使污染物垂直擴(kuò)散受限制，擴(kuò)散只能在地面和逆

25、溫間進(jìn)行，稱之為“封閉型擴(kuò)散”。 此類模型的推導(dǎo)是把逆溫層底面看成和地面一樣能起全反射的“鏡面”，這時(shí)的煙云多次反射。如下頁(yè)圖所示。 污染源濃度可看成是實(shí)源和無窮多個(gè)虛源作用之和。,實(shí)際計(jì)算往往要進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)xD為煙羽邊緣剛好達(dá)逆溫底層時(shí)離煙源的水平距離。,當(dāng)xxD時(shí)，按原擴(kuò)散模式（一般高斯模式）計(jì)算； 當(dāng)x2xD時(shí)，水平方向仍呈正態(tài)分布，z方向濃度漸趨均勻； 當(dāng)xDx2xD時(shí)，情況復(fù)雜，此時(shí)可取x=xD和x=2xD時(shí)兩點(diǎn)濃度的內(nèi)差值（采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系）。 （二）熏煙擴(kuò)散模式 熏煙過程：是指由于夜間輻射逆溫在日出后，受太陽(yáng)輻射，使逆溫自下而上消失，轉(zhuǎn)變?yōu)橹行曰虿环€(wěn)定層結(jié)，消失到煙羽下界時(shí)，上部

26、仍為逆溫，擴(kuò)散只能向下進(jìn)行，致使出現(xiàn)地面高濃度。隨著逆溫自下而上逐漸消退而發(fā)展至煙流上界時(shí)達(dá)高潮，此過程稱為熏煙過程，持續(xù)數(shù)十分鐘。 計(jì)算公式有幾種，見書P72：式3.663.72。,3-5 平坦開闊地形上的點(diǎn)源擴(kuò)散（污染物濃度估計(jì)）,一、有效源高 H稱為煙囪的有效高度（煙軸高度，它由煙囪幾何高度Hs和煙流（最大）抬升高度H組成，即H=Hs+H），要得到H，只要求出H即可。H：煙囪頂層距煙軸的距離，隨x而變化的。 1、煙氣抬升 （1）煙氣從煙囪排出，有風(fēng)時(shí)，大致有四個(gè)階段:(見下頁(yè)圖) a）噴出階段；b）浮升階段；c）瓦解階段；d）變平階段：（2）煙云抬升的原因有兩個(gè)： 是煙囪出口處的煙流具有

27、一初始動(dòng)量（使它們繼續(xù)垂直上升）；是因煙流溫度高于環(huán)境溫度產(chǎn)生的靜浮力。 這兩種動(dòng)力引起的煙氣浮力運(yùn)動(dòng)稱煙云抬升，煙云抬升有利于降低地面的污染物濃度。,2、影響煙云抬升的因素 影響煙云抬升的因素很多，這里只考慮幾種重要因素： （1）煙氣本身的因素 a）煙氣出口速度（Vs）：決定了煙起初始動(dòng)力的大小； b）熱排放率（QH）煙囪口排出熱量的速率 QH越高煙云抬升的浮力就越大，大多數(shù)煙云抬升模式認(rèn)為 ，其中=1/41，常取為2/3。 c）煙囪幾何高度（看法不一） 有人認(rèn)為有影響： ；有人認(rèn)為無影響。 （2）環(huán)境大氣因素 a ）煙囪出口高度處風(fēng)速 越大，抬升高度愈低，。 b ）大氣穩(wěn)定度 不穩(wěn)時(shí)，抬升

28、較高；中性時(shí)，抬升稍高；穩(wěn)定時(shí)，抬升低。 c）大氣湍流的影響 大氣湍流越強(qiáng)，抬升高度愈低。 （3）下墊面等因素的影響,3、煙云最大抬升高度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算 抬升高度的計(jì)算公式很多，但由于影響抬升高度的因素很多，所以目前大多數(shù)煙羽抬升公式是憑經(jīng)驗(yàn)的，且各有其特點(diǎn)（局限性），因此應(yīng)盡量選擇該公式的導(dǎo)出條件和我們的計(jì)算條件相仿的。下面介紹幾個(gè)常見公式：,適用條件：中性大氣條件；對(duì)于非中性大氣條件，進(jìn)行修正：不穩(wěn)定大氣增加（10%20%）H；穩(wěn)定大氣減少（10%20%）H。不適于：計(jì)算大型的熱排放源或高于100m煙囪的抬升高度。 b.布里吉斯（Briggs）公式 適用于不穩(wěn)定大氣條件和中性大氣條件的計(jì)算式。

29、,3）我國(guó)（GB/T13201-91）“制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法”推薦的抬升公式：,4、煙云抬升高度的測(cè)定 選用煙云抬升高度計(jì)算公式前往往根據(jù)實(shí)例，根據(jù)實(shí)測(cè)時(shí)煙囪參數(shù)代入各種公式進(jìn)行計(jì)算，選用與實(shí)測(cè)值近似的公式，或?qū)⒐街邢禂?shù)作以修改。目前已知的測(cè)定方法有照相法、氣球測(cè)高法、激光雷達(dá)法等。,5、有效源高對(duì)地面最大濃度的影響 高架連續(xù)點(diǎn)源地面最大濃度計(jì)算式 是在風(fēng)速不變的情況下導(dǎo)出的。當(dāng)考慮有效源高對(duì)地面最大濃度的影響時(shí)，應(yīng)把風(fēng)速看成變量考慮其影響。 從Cmax公式看出：風(fēng)速對(duì)Cmax有兩種作用結(jié)果：風(fēng)速增大，地面最大濃度減小；從各種抬升公式看，風(fēng)速增大時(shí)抬升高度減小，地面最大濃度增

30、大。因此可以設(shè)想在某一風(fēng)速下會(huì)出現(xiàn)地面最大濃度的極大值，稱為地面絕對(duì)最大濃度，相對(duì)此時(shí)的風(fēng)速稱為危險(xiǎn)風(fēng)速。地面最大濃度Cmax不是隨風(fēng)速增加而單純的減小，而是先隨風(fēng)速增加而增大，當(dāng)Cmax達(dá)到最大值后再減小。 下面舉一種地面絕對(duì)最大濃度表達(dá)式，說明有效源高對(duì)地面最大濃度的影響。 大多數(shù)煙流抬升公式可概括為H=B/的形式，其中B為某一抬升公式中除以外的一切量。例如用霍蘭德公式計(jì)算H時(shí)， 。若將上述抬升公式代入地面最大濃度公式Cmax中，對(duì)求導(dǎo)（B視為常數(shù)），并令 則得到=B/Hs，即當(dāng)=B/Hs時(shí)，Cmax達(dá)極大。 不取H=B/時(shí)，計(jì)算要繁雜得多，但都有一危險(xiǎn)風(fēng)速。,二、大氣擴(kuò)散參數(shù)（y，z）的

31、確定 1、擴(kuò)散參數(shù)的性質(zhì) 隨著擴(kuò)散距離的加長(zhǎng)，增大。 隨著水平和垂直湍流的強(qiáng)烈交換，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，較大，即與穩(wěn)定度密切相關(guān)。 = f（穩(wěn)定度）。 穩(wěn)定度、擴(kuò)散距離一定時(shí)，與粗糙度有關(guān)。粗糙度越趨于穩(wěn)定，越小。 2、確定的方法 示蹤實(shí)驗(yàn)法；風(fēng)標(biāo)法；經(jīng)驗(yàn)方法（應(yīng)用最廣泛） 3、帕斯奎爾（F.Pasquill）吉福特（F.A.Gifford）擴(kuò)散曲線法（簡(jiǎn)：P-G擴(kuò)散曲線法） 帕斯奎爾在1961年首先提出應(yīng)用觀測(cè)到的風(fēng)速、云量、云狀和日照等天氣資料，將大氣擴(kuò)散稀釋能力分為6個(gè)等級(jí)： A 極不穩(wěn)定，B 不穩(wěn)定，C 弱不穩(wěn)定，D 中性， E 弱穩(wěn)定，F(xiàn) 穩(wěn)定。若穩(wěn)定級(jí)別為AB，則表示按A 、B級(jí)的

32、數(shù)據(jù)內(nèi)插。（詳見書P77，表3-8）,該法的要點(diǎn)： 首先根據(jù)帕斯奎爾劃分大氣穩(wěn)定度的方法來確定大氣穩(wěn)定度級(jí)別；然后從圖3-21和圖3-22中查得對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散參數(shù)y和z；最后將y、z代入前面介紹的一系列擴(kuò)散模式中，就可估計(jì)出各種情況下的濃度值。 須指出： 為防止各種書籍中擴(kuò)散參數(shù)曲線的復(fù)制誤差，英國(guó)倫敦氣象局在此基礎(chǔ)上制成表格，見書P79表3-9直接列出了不同穩(wěn)定度時(shí)，一些y與z的具體數(shù)值，用內(nèi)插法可求出20Km距離內(nèi)y、z的值。當(dāng)估算地面最大濃度Cmax和它出現(xiàn)的距離XCmax時(shí)先按 計(jì)算出 ，結(jié)合當(dāng)時(shí)的大氣穩(wěn)定度級(jí)別由圖3-22上查出對(duì)應(yīng)的x值，此即該穩(wěn)定度下的XCmax. 。然后從圖3-21

33、上查出與XCmax.對(duì)應(yīng)的值，代入本章節(jié)公式3.33即可算出Cmax值。 適用條件：該法在D、C級(jí)穩(wěn)定度下誤差較??；在E、F級(jí)穩(wěn)定度下誤差較大；H越大，誤差越小。,4、帕斯奎爾曲線法的發(fā)展 P-G擴(kuò)散曲線法的缺點(diǎn)：穩(wěn)定度的劃分比較粗糙，難以準(zhǔn)確確定其級(jí)別。因此，1964年，特納爾（D.B.turner）對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，提出先根據(jù)太陽(yáng)高度角、云高和云量確定輻射等級(jí)，再根據(jù)輻射等級(jí)和地面風(fēng)速來劃分穩(wěn)定度級(jí)別。 P-G擴(kuò)散曲線法比較適用于開闊平坦的下墊面(如平原地區(qū)), 對(duì)于粗糙度較大的地區(qū)，則應(yīng)向不穩(wěn)定方向提高1-2級(jí)后再查表或圖。 5、布里吉斯擴(kuò)散參數(shù) 布里吉斯根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)資料，考慮到下墊面和煙囪

34、高度的影響，提出了適用于估算平原地區(qū)和城市地區(qū)的擴(kuò)散參數(shù)公式。適用于高煙囪排放下風(fēng)向2030Km左右的范圍。 書P80表3-13和表3-14分別列出了估算y、z的公式。 6、“國(guó)標(biāo)”推薦的擴(kuò)散參數(shù) 在我國(guó)國(guó)標(biāo)制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法（GB/T13021-91）中規(guī)定，取樣時(shí)間在30min時(shí)，擴(kuò)散參數(shù)按下原則選取。,（1）平原、農(nóng)村地區(qū)及城市遠(yuǎn)郊區(qū)的擴(kuò)散參數(shù)的選?。?A、B、C級(jí)穩(wěn)定度直接由表3-15和表3-16查出y、z冪函數(shù)；D、E、F級(jí)穩(wěn)定度則需向不穩(wěn)定方向提半級(jí)后查算。 （2）工業(yè)區(qū)或城區(qū)中點(diǎn)源的擴(kuò)散參數(shù)選?。?工業(yè)區(qū)：A、B級(jí)不提級(jí)；C級(jí)提到B級(jí)；D、E、F級(jí)向不穩(wěn)定方向提

35、一級(jí)半；然后查算。 非工業(yè)區(qū)的城區(qū)：A、B級(jí)不提級(jí)；C級(jí)提到BC級(jí)；D、E、F級(jí)向不穩(wěn)定方向提一級(jí)；然后查算。 （3）丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市：同城市工業(yè)區(qū)。 （4）大于30min的取樣時(shí)間，z不變，y按下式計(jì)算： 式中：y 2取樣時(shí)間為 2時(shí)的橫向擴(kuò)散參數(shù)，m； y 1取樣時(shí)間為 1時(shí)的橫向擴(kuò)散參數(shù)，m； q時(shí)間稀釋指數(shù)。 三、計(jì)算舉例（見書P82例3.1）,3-6 廠址選擇和煙囪設(shè)計(jì),一、選擇廠址所需的氣候資料 氣候資料是指氣象資料的常年統(tǒng)計(jì)形式。 1、廠址選擇所需的氣候資料 （1）風(fēng)向和風(fēng)速氣候資料： 為了一目了然，常把風(fēng)資料畫成風(fēng)玫瑰圖。圖a是風(fēng)向玫瑰圖；圖b風(fēng)速玫瑰圖是各個(gè)風(fēng)向的平均風(fēng)速

36、絕對(duì)值。圖c是風(fēng)速和風(fēng)向頻率復(fù)合圖，該圖矢線長(zhǎng)度代表風(fēng)向頻率大小，矢線末端的風(fēng)速羽代表平均風(fēng)速，每一羽可表示0.5或1.0m/s。 。 風(fēng)向（風(fēng)速）玫瑰圖：在8個(gè)或16個(gè)方向上給出風(fēng)向（風(fēng)速）的相對(duì)頻率或絕對(duì)值，用線段表示，連接各端點(diǎn)即成。 風(fēng)玫瑰圖可按多年（5-10年或更長(zhǎng)）的平均值作；也可按某月或某季的多年平均值作，山區(qū)地形復(fù)雜，風(fēng)向、風(fēng)速隨地形和高度而變，可做出不同地點(diǎn)和高度的風(fēng)玫瑰圖。 靜風(fēng)（風(fēng)速1.0m/s）或微風(fēng)（風(fēng)速為12m/s）情況大氣通風(fēng)條件差，容易引起高濃度污染，尤其是長(zhǎng)時(shí)間靜風(fēng)會(huì)使污染物大量積累，引起嚴(yán)重污染。因此，在空氣污染分析中不僅應(yīng)統(tǒng)計(jì)靜風(fēng)頻率，有條件還要統(tǒng)計(jì)靜風(fēng)持

37、續(xù)時(shí)間。,（2）大氣穩(wěn)定度的氣象資料 一般氣象臺(tái)沒有近地層大氣逆溫層結(jié)的詳細(xì)資料，但可據(jù)pasquill或我們廢氣排放制定標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法。利用已知的氣象資料進(jìn)行分類，統(tǒng)計(jì)出月（年、季）各穩(wěn)定度頻率，作出必要的圖表。 （3）混合層高度的確定 混合層高度是影響混合物鉛直擴(kuò)散的重要參數(shù)。由于溫度層結(jié)的晝夜變化，混合層高度也隨時(shí)間變化?；旌蠈痈叨瓤煽醋鳉鈮K作干絕熱上升運(yùn)動(dòng)的上限高度。（即：干絕熱遞減率上限高度。混合層愈高，則污染物垂直擴(kuò)散的范圍越大。）具體指出污染物在鉛直方向的擴(kuò)散范圍。受太陽(yáng)輻射的影響，午后混合層高度最大，在溫度高度圖上，從上午最大地面溫度作干絕熱線，與早晨溫度探空曲線的交點(diǎn)高度為

38、午后混合層高度，即最大混合層高度。見下頁(yè)圖示。 大范圍內(nèi)的平均污染濃度，可以認(rèn)為與混合層高度和混合層內(nèi)的平均風(fēng)速的乘積成反比。通常定義D為通風(fēng)系數(shù)。D單位時(shí)間內(nèi)通過與平均風(fēng)向垂直的單位寬度混合層的空氣層。通風(fēng)系數(shù)越大，污染濃度越小。,2、長(zhǎng)期平均濃度的計(jì)算 在廠址選擇和環(huán)境評(píng)價(jià)中，人們更關(guān)心的長(zhǎng)期平均濃度的分布。下面討論長(zhǎng)期平均濃度的計(jì)算方法。 氣象隨提供的風(fēng)向資料是按16方位給出的，每個(gè)方位相當(dāng)于一個(gè)22.5的扇形。因此，可按每個(gè)扇形計(jì)算長(zhǎng)期平均濃度。推導(dǎo)時(shí)作以下假定： （1）同一扇形內(nèi)各角度的風(fēng)向頻率相同，即在同一扇形內(nèi)同一距離上，污染物濃度在y方向是相等的。 （2）當(dāng)吹某一扇形風(fēng)時(shí)，全部

39、污染物都落在這個(gè)扇形里。,二、廠址選擇 從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，理想的建廠位置是污染本底值最小，擴(kuò)散稀釋能力強(qiáng)，排出的污染物被輸送到城市或居民區(qū)的可能性最小的地方。 1、本底濃度 本底濃度超標(biāo)的地區(qū)不宜建廠，本底濃度雖未超標(biāo)，但加上擬建廠貢獻(xiàn)，短期內(nèi)又無法改進(jìn)的也不宜建廠，應(yīng)選擇本底濃度小的地區(qū)建廠。 2、擴(kuò)散稀釋能力 擴(kuò)散稀釋能力主要決定于該地區(qū)的氣象條件和地形。 （1）風(fēng)向、風(fēng)速 污染物危害的程度和受污染的時(shí)間及濃度有關(guān)，所以居住區(qū)、作物生長(zhǎng)區(qū)都希望能設(shè)在受污染時(shí)間短、污染濃度低的位置，因而確定工廠和居民區(qū)的相對(duì)位置時(shí)要考慮風(fēng)向、風(fēng)速兩個(gè)因素。 污染系數(shù)表示風(fēng)向、風(fēng)速綜合作用對(duì)空氣污染物擴(kuò)散影

40、響程度。其表達(dá)式為： 污染系數(shù)=,某風(fēng)向污染系數(shù)小，表示該風(fēng)向吹來的風(fēng)所造成的污染小，因此污染源可布置在污染源在污染系數(shù)最小風(fēng)向的上側(cè)。 結(jié)合書P86表3-19（某地風(fēng)向頻率及污染系數(shù)）分析。 （2）穩(wěn)定度 由于一般污染物擴(kuò)散是在距地面幾米高范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以離地面幾百米范圍內(nèi)的大氣穩(wěn)定度對(duì)污染物的擴(kuò)散稀釋過程有重要影響，選廠址必須注意收集逆溫層的強(qiáng)度、厚度、出現(xiàn)頻率和持續(xù)時(shí)間等資料，要特別注意逆溫同時(shí)出現(xiàn)靜風(fēng)或微風(fēng)的情況。 大型工廠：若排煙有效煙囪高度能突破經(jīng)常出現(xiàn)的逆溫層高度而在逆溫層以上擴(kuò)散，對(duì)防止污染有利，若逆溫層出現(xiàn)在煙囪有效高度上部，往往易造成污染。 中小工廠：距地面200300米以下的逆溫層對(duì)中、小型工廠是不利的條件，高層逆溫對(duì)幾公里范圍內(nèi)的擴(kuò)散影響不大。 （3）其它氣象資料：如降雨、云、霧等。 （4）地形 地形對(duì)空氣污染的影響很復(fù)雜，在復(fù)雜地形建廠，必須作具體分析，一般應(yīng)進(jìn)行專門的氣象觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)或進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)以便對(duì)當(dāng)?shù)氐臄U(kuò)散稀釋條件做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。,三、煙囪設(shè)計(jì) 煙囪不單是一排氣裝置，也是控制空氣污染、保護(hù)環(huán)境的重要