污染氣象學(xué)課件：4_3山區(qū)大氣擴(kuò)散

1、第四章 城市、山區(qū)和水域附近擴(kuò)散 4.1 城市大氣擴(kuò)散 4.2 城市多源高斯模式 4.3 山區(qū)大氣擴(kuò)散 4.4 水域附近大氣擴(kuò)散,4.3 山區(qū)大氣擴(kuò)散,一、山區(qū)污染氣象特征與濃度分布 二、山區(qū)擴(kuò)散模式 三、山區(qū)大氣擴(kuò)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(guó)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(yíng)等方面優(yōu)勢(shì)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?lái)說(shuō)，山區(qū)比較貧窮。,我國(guó)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(kuò)散研究是近20年來(lái)污染氣象研究熱門(mén)課題,一、山區(qū)污染氣象特

2、征與污染分布,1、溫度場(chǎng) 山區(qū)由于地形復(fù)雜（向陽(yáng)、背陰、坡度大小等），地面受熱不均勻，加上日照的時(shí)間變化 水平氣溫分布很不均勻，造成局地?zé)崃Νh(huán)流 形成坡風(fēng)、山谷風(fēng)等,山區(qū)輻射逆溫因地形作用大為增強(qiáng)。開(kāi)始形成比平原早，消散比平原遲。 深山溝逆溫厚度、強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間比平原長(zhǎng)。 有多層逆溫（山區(qū)深度達(dá)400m以上）。,2、風(fēng)場(chǎng) 主要由熱力作用引起地形風(fēng)，包括坡風(fēng)、山谷風(fēng)、大型地形風(fēng)等。,白天坡地上較暖，形成上坡風(fēng) 谷底冷空氣流入補(bǔ)充，形成谷風(fēng)。,夜間山坡冷卻快，形成下坡風(fēng)， 向山谷匯集，形成流向平原的山風(fēng)。,山谷風(fēng) -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(fēng)從山谷吹向山坡，這種風(fēng)叫谷風(fēng)；

3、 到夜晚，風(fēng)從山坡吹向山谷，這種風(fēng)稱(chēng)山風(fēng)。 山風(fēng)和谷風(fēng)總稱(chēng)為山谷風(fēng)。,日出、日落前后，為山谷風(fēng)轉(zhuǎn)換期,過(guò)山氣流 氣流過(guò)山會(huì)在背風(fēng)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(diǎn)切忌靠近山腳。,山谷凹地中的小風(fēng) 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(zhǎng)時(shí)間小風(fēng)，甚至形成靜風(fēng)區(qū)。 并有強(qiáng)逆溫層形成 。 嚴(yán)重污染,山區(qū)風(fēng)廓線 比平原地區(qū)復(fù)雜的多，主要取決于山谷的深度。 風(fēng)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(chǎng) 山區(qū)湍流比平原明顯增大 受熱不均 局地?zé)崃Νh(huán)流 熱力湍流發(fā)展 山區(qū)地表凹凸不平 強(qiáng)迫

4、氣流上升下沉 機(jī)械湍流強(qiáng) 過(guò)山的背風(fēng)坡渦流、地形尾流渦旋等,二、山區(qū)擴(kuò)散模式,各山區(qū)都有其自身的地形和微氣象特點(diǎn)，對(duì)已有的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，必須慎用。 為滿足山區(qū)評(píng)價(jià)等問(wèn)題需要，建立了幾個(gè)引進(jìn)地形影響修正的擴(kuò)散模式，將原高斯模式推廣應(yīng)用至山區(qū)。 濃度計(jì)算結(jié)果多偏于保守估計(jì)，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(chǎng)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(guó)國(guó)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(shí)煙流軸線與地面平行，隨地形起伏而起伏。 穩(wěn)定時(shí)，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(kuò)散參數(shù)仍用平原P-G曲線，穩(wěn)定度分類(lèi)仍用P-T法 (2)在中性，不穩(wěn)定時(shí)，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(shí)，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(dāng)hTH時(shí)，取H-hT=0， 此時(shí)，煙流中心線直接落于地面計(jì)算點(diǎn)，等于煙流中心線濃度。,(4)長(zhǎng)期（季、年）平均濃度，用下式計(jì)算： 式中為風(fēng)扇形的角度（弧度表示），f是某扇形風(fēng)向的相對(duì)頻率。 (5)熏煙與封閉擴(kuò)散：與平原地區(qū)相同方法處理。 評(píng)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(qiáng)。 模式計(jì)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(guó)國(guó)家環(huán)保局EPA提出兩個(gè)引進(jìn)地形修正的模式： CRSTER單源模式，用來(lái)計(jì)算有效源高超過(guò)地形高度的濃度。 VALLEY模式主要用來(lái)估計(jì)當(dāng)煙流低于附近地形高度時(shí)的濃度。,（1）CRSTER單源模式，用來(lái)計(jì)算有效源高超過(guò)地形高度的濃度。 采用高斯擴(kuò)散公式和P-G擴(kuò)散參數(shù)體系， 規(guī)定，擴(kuò)散公式中的煙流中心線高度H=H-hT, 即有效源高扣除計(jì)算點(diǎn)地形高度；,考慮混合層作用：,（2） VALLEY模式主要用來(lái)估計(jì)當(dāng)煙流低于附近地形高度時(shí)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(jì)算點(diǎn)橫風(fēng)向距離， A是22.5度風(fēng)向扇形的橫截向弧長(zhǎng)，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(chǎng)濃度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換因子。,3、美國(guó)ERT的PSDM模式 美國(guó)環(huán)境研究與技術(shù)公司提出點(diǎn)源擴(kuò)散PSDM模式。仍為高斯模式，只對(duì)有效源高進(jìn)行修正： 當(dāng)hT H 時(shí)，用 H/2代替高斯模式中的H 。,高斯擴(kuò)散公式經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)修正后，可以應(yīng)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(jiǎn)化，與實(shí)際有較大距離，只能作為粗略估算。需進(jìn)一步研究

8、。,三、山區(qū)大氣擴(kuò)散參數(shù),缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，原則是把P-G曲線提級(jí)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(shí)驗(yàn)確定,第四章 城市、山區(qū)和水域附近擴(kuò)散 4.1 城市大氣擴(kuò)散 4.2 城市多源高斯模式 4.3 山區(qū)大氣擴(kuò)散 4.4 水域附近大氣擴(kuò)散,非均勻和復(fù)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(dòng)力、熱力特征差異，產(chǎn)生一些特殊的大氣現(xiàn)象（海陸風(fēng)、熱力內(nèi)邊界層）,影響大氣擴(kuò)散,一、沿岸地區(qū)氣象學(xué)特征 1. 沿岸地區(qū)重要大氣過(guò)程和氣流系統(tǒng) 支配沿岸地區(qū)大氣性狀的兩個(gè)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(yùn)

9、動(dòng)輸送過(guò)程 大氣湍流擴(kuò)散 重要大氣過(guò)程 大尺度對(duì)流活動(dòng) 云與霧的生成,2、局地海陸風(fēng)環(huán)流 成因：下墊面條件熱力誘生 日間：海風(fēng)56m/s 夜間：陸風(fēng)12m/s 海陸風(fēng)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(duì)TIBL的定義目前有不同認(rèn)識(shí)， 對(duì)它的分析具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性。,三、沿岸地區(qū)污染散布特征,沿岸地區(qū)湍流擴(kuò)散的基本特點(diǎn) 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(kuò)散的基本特點(diǎn)： 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(kuò)散特征量。,(1)水上邊界層及水上擴(kuò)散 不存在平流時(shí)，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(guò)其上方的氣團(tuán)溫差、和濕度差支配，不是局地輻射支配 P-G擴(kuò)散體系不適用于水面擴(kuò)散。 水上又難以進(jìn)行直接湍流觀測(cè) 需利用天氣形勢(shì)和氣候?qū)W資料來(lái)表征水上擴(kuò)散 目前還沒(méi)有好的辦法,水上湍流強(qiáng)度遠(yuǎn)比陸面小。（粗糙度?。?(2) 不同氣流條件下的擴(kuò)散 向岸流 岸上形成TIBL 對(duì)污染物散布影響大 離岸流 水上形成TIBL 影響不大 陸風(fēng)轉(zhuǎn)海風(fēng) 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(guò)入流層而進(jìn)入到上空回流層并返回水面； 晚間離岸流時(shí)，排放伸入上空的煙流會(huì)返回岸上，對(duì)岸邊環(huán)境造成重復(fù)污染。,封閉型散布：陸上高

11、層有逆溫，岸邊排放，進(jìn)入內(nèi)陸數(shù)十公里 熏煙型擴(kuò)散：陸上形成TIBL，短時(shí)間高濃度，最令人關(guān)心的情況。 比輻射熏煙時(shí)間長(zhǎng)（可維持幾個(gè)小時(shí)）,四、沿岸陸上熏煙擴(kuò)散模式,Lyons和Cole（1973）提出計(jì)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(gè)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(diǎn)的離源距離 此時(shí)擴(kuò)散為一般高架源連續(xù)點(diǎn)源公式： 擴(kuò)散參數(shù)取穩(wěn)定時(shí)的參數(shù)（E，F(xiàn)類(lèi)）,第二階段xBxxE 煙流開(kāi)始進(jìn)入TIBL (xB )到全部進(jìn)入完畢(xE )熏煙階段（區(qū)） xE是煙流上緣和TIBL交點(diǎn)的水平坐標(biāo)。 L(x)是TI

12、BL層頂?shù)母叨取?第二階段xBxxE 假定污染物一進(jìn)入TIBL即很快擴(kuò)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(jìn)入，擴(kuò)散與封閉型擴(kuò)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(yùn)用均勻分布封閉型擴(kuò)散簡(jiǎn)化公式：,問(wèn)題是如何定 值用虛源訂正法 第三階段起點(diǎn)在xE處，實(shí)際的 可以想象為處在xB和xE之間一個(gè)虛點(diǎn)源 造成的，虛源按不穩(wěn)定的條件擴(kuò)散，到xE點(diǎn)，它的 橫側(cè)風(fēng)向濃度分布標(biāo)準(zhǔn)差恰好等于 。 然后繼續(xù)按不穩(wěn)定條件在第三段中擴(kuò)散。,設(shè)虛點(diǎn)源離實(shí)源距離 ， 為從 算起的下風(fēng)向距離，則： 式中 可以從圖中由三角關(guān)系得出 在xE點(diǎn)有：,對(duì)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(jì)算 上述持續(xù)熏煙模式來(lái)源于高斯模式，其理論限制與應(yīng)用限制與高斯模式相同，此外，擴(kuò)散參數(shù)的選取仍需進(jìn)一步研究。,第四章小結(jié) 復(fù)雜地形下的大氣擴(kuò)散估算,熱島效應(yīng) -城市氣溫比周?chē)r(nóng)村高現(xiàn)象。 山谷風(fēng)-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(fēng) -由于海洋和陸地?zé)崃π再|(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(jìn)入另一種下墊面所形成的內(nèi)邊界層。,幾個(gè)概念,典型中尺度環(huán)流,城市多源空氣質(zhì)量模式 -為點(diǎn)源、線源、面源模式總稱(chēng)， 關(guān)鍵是源強(qiáng)的處理。 山區(qū)擴(kuò)散模式 -在高斯模式的基礎(chǔ)上，考慮煙流隨地形的起伏，進(jìn)行地形修正。 沿海陸上擴(kuò)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(kāi)發(fā)區(qū)近似方形、占地10km2，設(shè)計(jì)建筑平均高度40m，NOx總排放量為6000kg/hr.，該地區(qū)年平均風(fēng)速為3m/s。試估算中性條件下，離開(kāi)發(fā)區(qū)邊沿10km處的NOx最大濃度增量。 假定： 抬升公式: