污染氣象學課件：4_3山區(qū)大氣擴散

1、第四章 城市、山區(qū)和水域附近擴散 4.1 城市大氣擴散 4.2 城市多源高斯模式 4.3 山區(qū)大氣擴散 4.4 水域附近大氣擴散,4.3 山區(qū)大氣擴散,一、山區(qū)污染氣象特征與濃度分布 二、山區(qū)擴散模式 三、山區(qū)大氣擴散參數(shù),山區(qū) 山區(qū)它包括山地，丘陵和崎嶇的高原，面積廣大。約占全國面積的2/3。 山區(qū)在發(fā)展旅游，采礦和農(nóng)業(yè)多種經(jīng)營等方面優(yōu)勢較大，部分水熱條件較好的山間盆地和河谷平原，可以發(fā)展種植業(yè)。 山區(qū)地面較為崎嶇，交通不便，基礎(chǔ)設(shè)施難度較大?？偟膩碚f，山區(qū)比較貧窮。,我國山區(qū)，丘陵占很大比重，許多城市，工礦企業(yè)位于山區(qū)。 山區(qū)大氣擴散研究是近20年來污染氣象研究熱門課題,一、山區(qū)污染氣象特

2、征與污染分布,1、溫度場 山區(qū)由于地形復雜（向陽、背陰、坡度大小等），地面受熱不均勻，加上日照的時間變化 水平氣溫分布很不均勻，造成局地熱力環(huán)流 形成坡風、山谷風等,山區(qū)輻射逆溫因地形作用大為增強。開始形成比平原早，消散比平原遲。 深山溝逆溫厚度、強度及持續(xù)時間比平原長。 有多層逆溫（山區(qū)深度達400m以上）。,2、風場 主要由熱力作用引起地形風，包括坡風、山谷風、大型地形風等。,白天坡地上較暖，形成上坡風 谷底冷空氣流入補充，形成谷風。,夜間山坡冷卻快，形成下坡風， 向山谷匯集，形成流向平原的山風。,山谷風 -由于山坡和谷地受熱不均勻而形成的局地性環(huán)流。 白天風從山谷吹向山坡，這種風叫谷風；

3、 到夜晚，風從山坡吹向山谷，這種風稱山風。 山風和谷風總稱為山谷風。,日出、日落前后，為山谷風轉(zhuǎn)換期,過山氣流 氣流過山會在背風坡后出現(xiàn)下沉氣流 處于山谷回流中低矮源，易造成高濃 度污染。 排放點切忌靠近山腳。,山谷凹地中的小風 山谷中局部河灣地區(qū)或局部下凹地區(qū)，由于山的地形阻擋，氣流不暢，易出現(xiàn)長時間小風，甚至形成靜風區(qū)。 并有強逆溫層形成 。 嚴重污染,山區(qū)風廓線 比平原地區(qū)復雜的多，主要取決于山谷的深度。 風廓線有多種形式，如： 冪次律分布、極值 型分布、反向和雙 極值 型分布、等速型分布等,山區(qū)湍流場 山區(qū)湍流比平原明顯增大 受熱不均 局地熱力環(huán)流 熱力湍流發(fā)展 山區(qū)地表凹凸不平 強迫

4、氣流上升下沉 機械湍流強 過山的背風坡渦流、地形尾流渦旋等,二、山區(qū)擴散模式,各山區(qū)都有其自身的地形和微氣象特點，對已有的經(jīng)驗規(guī)律，必須慎用。 為滿足山區(qū)評價等問題需要，建立了幾個引進地形影響修正的擴散模式，將原高斯模式推廣應用至山區(qū)。 濃度計算結(jié)果多偏于保守估計，利于管理。,山區(qū)氣流在水平和垂直方向上都不是平直的，流場的空間分布不均勻， 濃度分布難以用高斯分布描述。,1、NOAA（高斯）模式 美國國家大氣海洋局分析了煙流受起伏地形的影響，提出了以高斯模式為基礎(chǔ)的NOAA模式。,假設(shè)在中性，不穩(wěn)定時煙流軸線與地面平行，隨地形起伏而起伏。 穩(wěn)定時，假定煙流中心始終保持其初始的高度不變。,主要處理

5、為： (1)擴散參數(shù)仍用平原P-G曲線，穩(wěn)定度分類仍用P-T法 (2)在中性，不穩(wěn)定時，假設(shè)煙流中心與地形的高度差始終保持初始的有效源高，即煙流軸線與地面平行，隨地形起伏而起伏。在這種假定下，地形的影響被排除。 地面軸線濃度,(3)穩(wěn)定時，假定煙流中心始終保持其初始的高度不變。 地面軸線 hT是地形高度。 當hTH時，取H-hT=0， 此時，煙流中心線直接落于地面計算點，等于煙流中心線濃度。,(4)長期（季、年）平均濃度，用下式計算： 式中為風扇形的角度（弧度表示），f是某扇形風向的相對頻率。 (5)熏煙與封閉擴散：與平原地區(qū)相同方法處理。 評論： NOAA 模式未考慮煙流隨地形的變化。 未考

6、 慮山區(qū)湍流比平原強。 模式計算結(jié)果十分保守，不甚合理。（210倍）,2、EPA的CRSTER單源模式和VALLEY山谷模式 美國國家環(huán)保局EPA提出兩個引進地形修正的模式： CRSTER單源模式，用來計算有效源高超過地形高度的濃度。 VALLEY模式主要用來估計當煙流低于附近地形高度時的濃度。,（1）CRSTER單源模式，用來計算有效源高超過地形高度的濃度。 采用高斯擴散公式和P-G擴散參數(shù)體系， 規(guī)定，擴散公式中的煙流中心線高度H=H-hT, 即有效源高扣除計算點地形高度；,考慮混合層作用：,（2） VALLEY模式主要用來估計當煙流低于附近地形高度時的濃度 。,假定穩(wěn)定，煙流不接地，保持

7、10米距離,假定中性和不穩(wěn)定，煙流平行地形, L=1,地形修正因子 ，L=1,不修正，1L 401,線性遞減,在不利條件下的日平均濃度。,其中：y 為計算點橫風向距離， A是22.5度風向扇形的橫截向弧長，D是混合層高度，R是質(zhì)量濃度與體積濃度轉(zhuǎn)換因子，K是現(xiàn)場濃度轉(zhuǎn)換為標準狀態(tài)的轉(zhuǎn)換因子。,3、美國ERT的PSDM模式 美國環(huán)境研究與技術(shù)公司提出點源擴散PSDM模式。仍為高斯模式，只對有效源高進行修正： 當hT H 時，用 H/2代替高斯模式中的H 。,高斯擴散公式經(jīng)過經(jīng)驗修正后，可以應用于山區(qū)非平直的“規(guī)則”氣流情形。 這些方法作了很多簡化，與實際有較大距離，只能作為粗略估算。需進一步研究

8、。,三、山區(qū)大氣擴散參數(shù),缺乏統(tǒng)一標準，原則是把P-G曲線提級使用，且z比y增加大。 層結(jié)越穩(wěn)定，山區(qū)與平原差異越大 各地不同，需實驗確定,第四章 城市、山區(qū)和水域附近擴散 4.1 城市大氣擴散 4.2 城市多源高斯模式 4.3 山區(qū)大氣擴散 4.4 水域附近大氣擴散,非均勻和復雜下墊面邊界層 沿海,大的陸地和水域交界處，下墊面不連續(xù)，造成動力、熱力特征差異，產(chǎn)生一些特殊的大氣現(xiàn)象（海陸風、熱力內(nèi)邊界層）,影響大氣擴散,一、沿岸地區(qū)氣象學特征 1. 沿岸地區(qū)重要大氣過程和氣流系統(tǒng) 支配沿岸地區(qū)大氣性狀的兩個最主要因子： （1）水陸溫差 （2）較大尺度的氣流系統(tǒng)：離岸流，向岸流，沿岸流。,大氣運

9、動輸送過程 大氣湍流擴散 重要大氣過程 大尺度對流活動 云與霧的生成,2、局地海陸風環(huán)流 成因：下墊面條件熱力誘生 日間：海風56m/s 夜間：陸風12m/s 海陸風日夜轉(zhuǎn)變,二、沿岸地區(qū)內(nèi)邊界層特征 熱力內(nèi)邊界層（ TIBL ）形成 離岸流，海上形成內(nèi)邊界層 向岸流，陸上形成內(nèi)邊界層 對TIBL的定義目前有不同認識， 對它的分析具有較強的經(jīng)驗性。,三、沿岸地區(qū)污染散布特征,沿岸地區(qū)湍流擴散的基本特點 由氣流系統(tǒng)及邊界層結(jié)構(gòu)決定了沿岸地區(qū)湍流擴散的基本特點： 水平分布和垂直分布不均一，不同水平區(qū)域及垂直氣層有不同的湍流擴散特征量。,(1)水上邊界層及水上擴散 不存在平流時，海上邊界層日變化很小

10、 水熱容大，海上邊界層變化由流過其上方的氣團溫差、和濕度差支配，不是局地輻射支配 P-G擴散體系不適用于水面擴散。 水上又難以進行直接湍流觀測 需利用天氣形勢和氣候?qū)W資料來表征水上擴散 目前還沒有好的辦法,水上湍流強度遠比陸面小。（粗糙度小）,(2) 不同氣流條件下的擴散 向岸流 岸上形成TIBL 對污染物散布影響大 離岸流 水上形成TIBL 影響不大 陸風轉(zhuǎn)海風 原帶入海上的污染物回流陸上,沿岸地區(qū)三種特殊的污染物散布形式 回流散布： 向岸流條件下，排放較高的煙流穿過入流層而進入到上空回流層并返回水面； 晚間離岸流時，排放伸入上空的煙流會返回岸上，對岸邊環(huán)境造成重復污染。,封閉型散布：陸上高

11、層有逆溫，岸邊排放，進入內(nèi)陸數(shù)十公里 熏煙型擴散：陸上形成TIBL，短時間高濃度，最令人關(guān)心的情況。 比輻射熏煙時間長（可維持幾個小時）,四、沿岸陸上熏煙擴散模式,Lyons和Cole（1973）提出計算沿岸地帶熏煙污染的模式， 煙流輪廓用1/10中心軸線濃度確定 模式分成三個階段處理：,第一階段：煙流處在x=o至x=xB之間 xB是煙流下緣和熱力內(nèi)邊界層界面相交點的離源距離 此時擴散為一般高架源連續(xù)點源公式： 擴散參數(shù)取穩(wěn)定時的參數(shù)（E，F(xiàn)類）,第二階段xBxxE 煙流開始進入TIBL (xB )到全部進入完畢(xE )熏煙階段（區(qū)） xE是煙流上緣和TIBL交點的水平坐標。 L(x)是TI

12、BL層頂?shù)母叨取?第二階段xBxxE 假定污染物一進入TIBL即很快擴散至地面，z向均勻分布，y向正態(tài)分布,第三階段xxE 全部進入，擴散與封閉型擴散相似，唯一不同的是混合層厚度L（x）隨距離而變。 污染物在垂直方向處于均勻分布狀態(tài)，可直接運用均勻分布封閉型擴散簡化公式：,問題是如何定 值用虛源訂正法 第三階段起點在xE處，實際的 可以想象為處在xB和xE之間一個虛點源 造成的，虛源按不穩(wěn)定的條件擴散，到xE點，它的 橫側(cè)風向濃度分布標準差恰好等于 。 然后繼續(xù)按不穩(wěn)定條件在第三段中擴散。,設(shè)虛點源離實源距離 ， 為從 算起的下風向距離，則： 式中 可以從圖中由三角關(guān)系得出 在xE點有：,對始

13、終處于熱內(nèi)邊界層內(nèi)的低矮源，則不需作虛源訂正，直接取 計算 上述持續(xù)熏煙模式來源于高斯模式，其理論限制與應用限制與高斯模式相同，此外，擴散參數(shù)的選取仍需進一步研究。,第四章小結(jié) 復雜地形下的大氣擴散估算,熱島效應 -城市氣溫比周圍農(nóng)村高現(xiàn)象。 山谷風-由于山坡和谷地受熱不均勻而形成的局地性環(huán)流。 海陸風 -由于海洋和陸地熱力性質(zhì)的差異而形成的一種局地環(huán)流。 熱內(nèi)邊界層-由于表面溫度差或表面粗糙度的變化而引起氣流從一種熱力性質(zhì)下墊面進入另一種下墊面所形成的內(nèi)邊界層。,幾個概念,典型中尺度環(huán)流,城市多源空氣質(zhì)量模式 -為點源、線源、面源模式總稱， 關(guān)鍵是源強的處理。 山區(qū)擴散模式 -在高斯模式的基礎(chǔ)上，考慮煙流隨地形的起伏，進行地形修正。 沿海陸上擴散模式 -考慮內(nèi)邊界層的作用，采用熏煙模式，分段處理。,？,作業(yè)五： 某高新技術(shù)開發(fā)區(qū)近似方形、占地10km2，設(shè)計建筑平均高度40m，NOx總排放量為6000kg/hr.，該地區(qū)年平均風速為3m/s。試估算中性條件下，離開發(fā)區(qū)邊沿10km處的NOx最大濃度增量。 假定： 抬升公式: