1、大氣污染擴(kuò)散第一節(jié)大氣結(jié)構(gòu)與氣象有效地防止大氣污染的途徑， 除了采用除塵及廢氣凈化裝置等各種工程技術(shù)手段外，還需充分利用大氣的湍流混合作用對污染物的擴(kuò)散稀釋能力，即大氣的自凈能力。污染物從污染源排放到大氣中的擴(kuò)散過程及其危害程度，主要決定于氣象因素，此外還與污染物的特征和排放特性，以及排放區(qū)的地形地貌狀況有關(guān)。下面簡要介紹大氣結(jié)構(gòu)以及氣象條件的一些基本概念。、大氣的結(jié)構(gòu)氣象學(xué)中的大氣是指地球引力作用下包圍地球的空氣層，其最外層的界限難以確定。通常把自地面至1200 km左右范圍內(nèi)的空氣層稱做大氣圈或大氣層，而空氣總質(zhì)量的98. 2%集中在距離地球表面 30 km以下。超過1200 km的范圍，

2、由于空氣極其稀薄，一般視為宇宙空間。自然狀態(tài)的大氣由多種氣體的混合物、水蒸氣和懸浮微粒組成。其中，純凈干空氣中的氧氣、氮?dú)夂湾?氣三種主要成分的總和占空氣體積的99.97 %,它們之間的比例從地面直到90km高空基本不變，為大氣的恒定的組分；二氧化碳由于燃料燃燒和動(dòng)物的呼吸，陸地的含量比海上多，臭氧主要集中在5560km高空,水蒸氣含量在4%以下，在極地或沙漠區(qū)的體積分?jǐn)?shù)接近于零，這些為大氣的可變的組分；而來源于人類社 會生產(chǎn)和火山爆發(fā)、森林火災(zāi)、海嘯、地震等暫時(shí)性的災(zāi)害排放的煤煙、粉塵、氯化氫、硫化氫、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物為大氣的不定的組分。溫度(K)圖5-1大氣層的垂直結(jié)構(gòu)分布大氣

3、的結(jié)構(gòu)是指垂直(即豎直)方向上大氣的密度、溫 度及其組成的分布狀況。根據(jù)大氣溫度在垂直方向上的分布 規(guī)律，可將大氣劃分為四層：對流層、平流層、中間層和暖 層，如圖5-1所示。.對流層對流層是大氣圈最靠近地面的一層，集中了大氣質(zhì)量 的75%和幾乎全部的水蒸氣、微塵雜質(zhì)。受太陽輻射與大 氣環(huán)流的影響，對流層中空氣的湍流運(yùn)動(dòng)和垂直方向混合比 較強(qiáng)烈，主要的天氣現(xiàn)象云雨風(fēng)雪等都發(fā)生在這一層，有可能形成污染物易于擴(kuò)散的氣象條件，也可能生成對環(huán)境產(chǎn)生 有危害的逆溫氣象條件。因此，該層對大氣污染物的擴(kuò)散、 輸送和轉(zhuǎn)化影響最大。1012 km,兩極地區(qū)約為 8km；同一地區(qū)，夏大氣對流層的厚度不恒定，隨地球緯

4、度增高而降低， 且與季節(jié)的變化有關(guān)，赤道附近約為15km,中緯度地區(qū)約為季比冬季厚。一般情況下，對流層中的氣溫沿垂直高度自下而上遞減，約每升高100m平均降低0. 65C從地面向上至11.5 km高度范圍內(nèi)的對流層稱為大氣邊界層，該層空氣流動(dòng)受地表影響最大。由于氣流受地面阻滯和摩擦作用的的影響，風(fēng)速隨高度的增加而增大，因此又稱為摩擦層。地表面冷熱的變化使氣溫在晝夜之間有明顯的差異，可相差十幾乃至幾十度。由于從地面到lOOm左右的近地層在垂直方向上熱量和動(dòng)量的交換甚微，所以上下氣溫之差可達(dá)12C。大氣邊界層對人類生產(chǎn)和生活的影響最大，污染物的遷移擴(kuò)散和稀釋轉(zhuǎn)化也主要在這一層進(jìn)行。邊界層以上的氣流

5、受地面摩擦作用的影響越來越小，可以忽略不計(jì)，因此稱為自由大氣. 平流層平流層是指從對流層頂?shù)诫x地高度約55 km范圍的大氣層，該層和對流層包含了大氣質(zhì)量的99.9 %。平流層內(nèi)空氣稀薄，比較干燥，幾乎沒有水汽和塵埃。平流層的溫度分布是：從對流層頂?shù)诫x地約22km的高度范圍為同溫層，氣溫幾乎不隨高度變化，約為 55 Co從22km繼續(xù)向上進(jìn)入臭氧帶，在這里太陽的紫 外輻射被吸收，轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致氣溫隨高度增加而上升，到達(dá)層頂時(shí)氣溫升高到-3c左右。平流層內(nèi)氣溫下低上高的分布規(guī)律，使得該層空氣的豎直對流混合微弱，大氣基本處于平流運(yùn)動(dòng)。因此，該層大氣的透 明度較好，氣流穩(wěn)定，很少出現(xiàn)云雨及風(fēng)暴等天氣

6、現(xiàn)象。平流層中的臭氧層是 80100km處的氧分子在太陽紫外輻射作用下光解為氧原子，再與其它氧分子化合成臭氧而形成的，其化合作用主要在3060km處。從對流層頂向上，臭氧濃度逐漸增大，在2225km處達(dá)最大值，往后逐漸減小，到平流層頂臭氧含量極其微小。因?yàn)?40km以上，在光化作用下，由氧化合為臭 氧和由臭氧光解成氧的過程幾乎保持平衡狀態(tài)。在某種環(huán)流作用下，臭氧被送到很少光解的高度以下積聚， 集中在1535km高度之間。通常將 2225km處稱為臭氧層。.中間層中間層是指從平流層頂?shù)礁叨?80km左右范圍內(nèi)的大氣層， 其空氣質(zhì)量僅占大氣質(zhì)量的10一3。該層內(nèi)溫度隨高度的增加而下降，層頂?shù)臏囟瓤?/p>

7、降到-93c左右。因此，空氣的對流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，垂直方向混合明顯。. 暖層暖層為中層頂延伸到800km高空的大氣層，該層的空氣質(zhì)量只有大氣質(zhì)量的 10一5。暖層在強(qiáng)烈的太陽紫 外線和宇宙射線作用下，其氣溫隨高度上升而迅速增高，暖層頂部溫度可高達(dá)5002000K,且晝夜溫度變化很大。暖層的空氣處于高度電離狀態(tài)，因此存在著大量的離子和電子，故又稱為電離層。二、氣象要素氣象條件是影響大氣中污染物擴(kuò)散的主要因素。歷史上發(fā)生過的重大空氣污染危害事件，都是在不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件下發(fā)生的。為了掌握污染物的擴(kuò)散規(guī)律，以便采取有效措施防治大氣污染的形成，必 須了解氣象條件對大氣擴(kuò)散的影響，以及局部氣象因素與地

8、形地貌狀況之間的關(guān)系。在氣象學(xué)中，氣象要素是指用于描述的物理狀態(tài)與現(xiàn)象的物理量，包括氣壓、氣溫、氣濕、云、風(fēng)、能 見度以及太陽輻射等。這些要素都能從觀測直接獲得，并隨著時(shí)間經(jīng)常變化，彼此之間相互制約。不同的氣 象要素組合呈現(xiàn)不同的氣象特征，因此對污染物在大氣中的輸送擴(kuò)散產(chǎn)生不同的影響。其中風(fēng)和大氣不規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)是直接影響大氣污染物擴(kuò)散的氣象特征，而氣溫的垂直分布又制約著風(fēng)場與湍流結(jié)構(gòu)。下面介紹主要的氣象要素：.氣壓氣壓是指大氣的壓強(qiáng)，即單位面積上所承受的大氣柱的重力。氣壓的單位為Pa,氣象學(xué)中常用毫巴（mbar）或百帕（hPa）表示。定義溫度為 273K時(shí)，位于緯度45平均海平面上的氣壓值為

9、 1013.25hPa,稱為標(biāo)準(zhǔn)大 氣壓。對于任一地區(qū)，氣壓的變化總是隨著高度的增加而降低?？諝庠陟o止?fàn)顟B(tài)下，可以用下式表示：dp = -pgdz（5-1）式中p 一氣壓，Pa；Z一大氣的豎直高度，m；P 一大氣密度，kg/m3。.氣溫氣溫是指離地面1.5 m高處的百葉箱內(nèi)測量到的大氣溫度。氣溫的單位一般為C,理論計(jì)算中則用絕對 溫度K表示。.氣濕氣濕即為大氣的濕度，用以表示空氣中的水蒸氣含量，氣象學(xué)中常用絕對濕度、水蒸氣分壓、露點(diǎn)、相 對濕度和比濕等量來表示。絕對濕度就是單位體積濕空氣中所含水蒸氣質(zhì)量，單位為g/m3,其數(shù)值為濕空氣中水蒸氣的密度，表明了濕空氣中實(shí)際的水蒸氣含量。水蒸氣分壓是

10、指濕空氣溫度下水蒸氣的壓力，它隨空氣的濕度增加而增大。當(dāng)空氣溫度不變時(shí)，空氣中的水蒸氣含量達(dá)到最大值時(shí)的分壓力稱為飽和水蒸氣壓，此時(shí)的空氣稱為飽和空氣，溫度即稱為露點(diǎn)。飽和水蒸氣壓隨溫度降低而下降，若降低飽和空氣的溫度，則空氣中的一部分水蒸氣將凝結(jié)下來，即結(jié)露。相對濕度是濕空氣中實(shí)際的水蒸氣含量與同溫下最大可能含有的水蒸氣含量的比值，也即實(shí)際的水蒸氣分壓與飽和水蒸氣壓之比，表明了濕空氣吸收水蒸氣的能力及其潮濕程度。相對濕度愈小，空氣愈干燥，反之則表示空氣潮濕。比濕是指單位質(zhì)量干空氣含有的水蒸氣質(zhì)量，單位是g/kg o. 云云是指漂浮在大氣中的微小水滴或冰晶構(gòu)成的匯集物質(zhì)。云吸收或反射太陽的輻射

11、，反映了氣象要素的變化和大氣運(yùn)動(dòng)的狀況，其形成、數(shù)量、分布及演變也預(yù)示著天氣的變化趨勢，可用云量和云高來描述。云遮蔽天空的份額稱為云量。我國規(guī)定將視野內(nèi)的天空分為10等分，云遮蔽的成數(shù)即為云量。例如：云密布的陰天時(shí)的云量為 10;云遮蔽天空3成時(shí)云量為3;當(dāng)碧空無云的晴天時(shí)，云量則為0。而國外是把天空分為8等分來，仍按云遮蔽的成數(shù)來計(jì)算云量。云底距地面的高度稱為云高。按云高的不同范圍分為：云底高度在2500m以下稱為低云；云底高度在25005000m之間稱為中云；而云底高度大于 5000m之上稱為高云。. 能見度能見度是指正常視力的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下， 從水平方向中能夠看到或辨認(rèn)出目標(biāo)物的最

12、大距離， 單 位是m或kni能見度的大小反映了大氣混濁或透明的程度， 一般分為十個(gè)級別，0級的白日視程為最小，50m 以下，9級的白日視程為最大，大于 50km。. 風(fēng)風(fēng)是指空氣在水平方向的運(yùn)動(dòng)。風(fēng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用風(fēng)向和風(fēng)速描述。風(fēng)向是指風(fēng)的來向，通?？捎?6個(gè)或8個(gè)方位表示，如西北風(fēng)指風(fēng)從西北方來。此外也可用角度表示，以北風(fēng)為0, 8個(gè)方位中相鄰兩方位的夾角為45,正北與風(fēng)向的反方向的順時(shí)針方向夾角稱為風(fēng)向角，如東南風(fēng)的風(fēng)向角為135o風(fēng)速是指空氣在單位時(shí)間內(nèi)水平運(yùn)動(dòng)的距離。氣象預(yù)報(bào)的風(fēng)向和風(fēng)速指的是距地面10m高處在一定時(shí)間內(nèi)觀測到的平均風(fēng)速。在自由大氣中，風(fēng)受地面摩擦力的影響很小，一般可以

13、忽略不計(jì)，風(fēng)的運(yùn)動(dòng)處于水平的勻速運(yùn)動(dòng)。但在 大氣邊界層中，空氣運(yùn)動(dòng)受到地面摩擦力的影響，使風(fēng)速隨高度升高而增大。在離地面幾米以上的大氣層中， 平均風(fēng)速與高度之間關(guān)系一般可以利用迪肯（Deacon）的嘉定律描述：U=U1（z/Z1）n（5-2）式中u及U一在高度Z及已知高度乙處的平均風(fēng)速，m/s；n 一與大氣穩(wěn)定度有關(guān)的指數(shù)。在中性層結(jié)條件下，且地形開闊平坦只有少量地表覆蓋物時(shí)，n=1/7 o空氣的大規(guī)模運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。地球兩極和赤道之間大氣的溫差，陸地與海洋之間的溫差以及陸地上局部地貌不同之間的溫差，從而對空氣產(chǎn)生的熱力作用，形成各種類型風(fēng)，如海陸風(fēng)、季風(fēng)、山谷風(fēng)、峽谷風(fēng)等。當(dāng)氣壓基本不變時(shí)，日出

14、后由于地面吸收太陽的輻射，由底部氣層開始的熱渦流上升運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)，使 大氣上下混合強(qiáng)度增大，因此下層風(fēng)速漸大，一般在午后達(dá)到最大值；而夜間在地面的冷卻作用下，湍流活動(dòng)減弱直至停止，使下層風(fēng)速減小，乃至靜止。反之，高層大氣的白天風(fēng)速最小，夜間風(fēng)速最大海陸風(fēng)出現(xiàn)在沿海地區(qū)，是由于海陸接壤區(qū)域的地理差異產(chǎn)生的熱力效應(yīng)，形成以一天為周期而變化的大氣局部環(huán)流。在吸收相同熱量的條件下，由于陸地的熱容量小于海水，因此地表溫度的升降變化比海水快。 白天，陽光照射下的陸地溫升比海洋快，近地層陸地上空的氣溫高于海面上空，空氣密度小而上升，因此產(chǎn) 生水平氣壓梯度，低層氣壓低于海上，于是下層空氣從海面上流向陸地，稱為

15、海風(fēng)；而陸地高層空間的氣壓 高于海上，氣流由陸地流向海洋，從而在這一區(qū)域形成空氣的閉合環(huán)流。夜間，陸地溫降又比海洋快，近地 氣層的氣溫低于海面上的氣溫，形成了高于海面上的氣壓，于 是下層空氣從陸地流向海上，稱為陸風(fēng)，并與高空的逆向氣流 形成閉合環(huán)流。海陸風(fēng)的流動(dòng)示意圖如圖5-2所示。海陸風(fēng)的影響區(qū)域有限。海風(fēng)高約 1000m, 一般深入到陸 地2040km處，最大風(fēng)力為 56級；陸風(fēng)高約 100300m, 延伸到海上8lOkm處，風(fēng)力不過3級。在內(nèi)陸的江河湖泊岸 邊，也會出現(xiàn)類似的環(huán)流，但強(qiáng)度和活動(dòng)范圍均較小。季風(fēng)也是由于陸地和海洋的地理差異產(chǎn)生的熱力效應(yīng)，形成以一年四季為周期而變化的大氣環(huán)流

16、，但 影響的范圍比海陸風(fēng)大得多。夏季，大陸上空的氣溫高于海洋上空，形成低層空氣從海洋流向大陸，而高層 大氣相反流動(dòng)，于是構(gòu)成了夏季的季風(fēng)環(huán)流，類似于白天海風(fēng)環(huán)流的循環(huán)。冬季，大陸上空的氣溫低于海洋 上空，形成低層空氣從大陸流向海洋，高層大氣由海洋流向大陸的冬季的季風(fēng)環(huán)流，類似于夜間陸風(fēng)環(huán)流的西南地區(qū)吹西南風(fēng)；冬季大陸盛行西北風(fēng),t皿怦風(fēng)山風(fēng)圖53山風(fēng)和谷風(fēng)小意圖循環(huán)。我國處于太平洋西岸和印度洋西側(cè)，夏季大陸盛行東南風(fēng),西南地區(qū)吹東北風(fēng)。山谷風(fēng)是山區(qū)地理差異產(chǎn)生的熱力作用而引起的另外一種局 地風(fēng)，也是以一天為周期循環(huán)變化。白天，山坡吸受較強(qiáng)的太陽 輻射，氣溫增高，因空氣密度小而上升，形成空氣從谷

17、底沿山坡 向上流動(dòng)，稱為谷風(fēng)；同時(shí)在高空產(chǎn)生由山坡指向山谷的水平氣 壓梯度，從而產(chǎn)生谷底上空的下降氣流，形成空氣的熱力循環(huán)。 夜間，山坡的冷卻速度快，氣溫比同高度的谷底上空低，空氣密 度大，使得空氣沿山坡向谷底流動(dòng)，形成山風(fēng)，同時(shí)構(gòu)成與白天反向的熱力環(huán)流。山谷風(fēng)的流動(dòng)示意圖如圖5 3所示。因氣流加速而形成的順峽谷流動(dòng)的強(qiáng)峽谷風(fēng)是由于氣流從開闊地區(qū)進(jìn)入流動(dòng)截面積縮小的狹窄峽谷口時(shí), 風(fēng)。三、大氣溫度的垂直分布?xì)鉁刂睖p率實(shí)際大氣的氣溫沿垂直高度的變化率稱為氣溫垂直遞減率，簡稱氣溫直減率，可用參數(shù)表示：一三：Z(5 3)式中，負(fù)號表示氣溫隨高度而降低。大氣的溫度層結(jié)氣溫隨垂直高度的分布規(guī)律稱為溫度層

18、結(jié)，因此坐標(biāo)圖上氣溫變化曲線也稱為溫度層結(jié)曲線。溫度層結(jié)反映了沿高度的大氣狀況是否穩(wěn)定，其直接影響空氣的運(yùn)動(dòng)，以及污染物質(zhì)的擴(kuò)散過程和濃度分布。圖5-4所示為溫度層結(jié)曲線的三種基本類型:(1)遞減層結(jié)。氣溫沿高度增加而降低，即50,如曲線1所示。遞減陰5-4溫度層結(jié)示意圖層結(jié)屬于正常分布，一般出現(xiàn)在晴朗的白天，風(fēng)力較小的天氣。地面由于吸收 太陽輻射溫度升高，使近地空氣也得以加熱，形成氣溫沿高度逐漸遞減。此時(shí) 上升空氣團(tuán)的降溫速度比周圍氣溫慢，空氣團(tuán)處于加速上升運(yùn)動(dòng)，大氣為不穩(wěn) 定狀態(tài)。(2)等溫層結(jié)。氣溫沿高度增加不變，即 0,如曲線2所示。等溫層結(jié)多出現(xiàn)于陰天、多云或大風(fēng)時(shí)，由于太陽的輻射被

19、云層吸收和反射，地面吸熱減少，此外晚上云層又向地面輻射熱量，大風(fēng)使得空氣上 下混合強(qiáng)烈，這些因素導(dǎo)致氣溫在垂直方向上變化不明顯。此時(shí)上升空氣團(tuán)的降溫速度比周圍氣溫快，上升 運(yùn)動(dòng)將減速并轉(zhuǎn)而返回，大氣趨于穩(wěn)定狀態(tài)。(3)逆溫層結(jié)。氣溫沿高度增加而升高，即 修,如曲線3所示。逆溫層結(jié)簡稱逆溫，其形成有多種 機(jī)理。當(dāng)出現(xiàn)逆溫時(shí)，大氣在豎直方向的運(yùn)動(dòng)基本停滯，處于強(qiáng)穩(wěn)定狀態(tài)。通常，按逆溫層的形成過程又分 為輻射逆溫、下沉逆溫、湍流逆溫、平流逆溫、鋒面逆溫等類型。輻射逆溫為大陸上常年可見的逆溫類型，是由于地面的快速冷卻而形成，通常出現(xiàn)于晴朗無云或少云、 風(fēng)速不大的夜間。夜晚地面向大氣輻射白天吸收的熱量而

20、逐漸冷卻，近地面的氣溫隨之降低。離地愈近，氣 溫冷卻愈快，離地愈遠(yuǎn)的空氣受地面影響愈弱，降溫愈慢，形成自地面開始的輻射逆溫。輻射逆溫隨著地面 的冷卻逐漸向上擴(kuò)展，到日出前逆溫充分發(fā)展。日出后，地面吸收太陽的輻射逐漸升溫，逆溫層又逐漸自下 而上消失。到上午九點(diǎn)鐘左右，逆溫全部消失。輻射逆溫的生消過程如圖5-5所示。輻射逆溫層的厚度通常在幾十米八 4 目、葉 才到幾百米之間，高緯度地區(qū)甚至厚達(dá) 23km。冬季夜長， 逆溫層較厚且消失較慢。夏季夜短，則逆溫層較薄，消失也/ I | r D 70 丁 心 T D(c) E圖3的射逆溫的生迫過現(xiàn)快。止匕外，地形、云層、風(fēng)等因素也會影響輻射逆溫的形成J一V

21、!_gUv 、小，一及強(qiáng)度。下沉逆溫是因高壓區(qū)內(nèi)某一層空氣發(fā)生下沉運(yùn)動(dòng)時(shí),致下層空氣被壓縮升溫而形成；湍流逆溫發(fā)生在絕熱狀態(tài)下的大氣湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)；平流逆溫是暖空氣水平流至冷地表地區(qū)上空所形成；鋒面逆溫為對流層中冷暖空氣相遇時(shí)，由于暖空氣密度小，爬到冷空氣上面所致。這些類型的逆溫一般不從地面開始，出現(xiàn)在離地面數(shù)十米至數(shù)千米的高空，也稱為上層逆溫。實(shí)際上，大氣 中出現(xiàn)逆溫可能是由幾種原因共同作用形成的。出現(xiàn)逆溫時(shí)，好像一個(gè)蓋子阻礙它下面的污染物質(zhì)擴(kuò)散，對大氣污染擴(kuò)散影響極大，因此許多大氣污染 事件都發(fā)生在具有逆溫層與靜風(fēng)的氣象條件下。干絕熱直減率考察一團(tuán)在大氣中做垂直運(yùn)動(dòng)的干空氣，如果干空氣在運(yùn)動(dòng)中

22、與周圍空氣不發(fā)生熱量交換，則稱為絕熱過程。當(dāng)干氣團(tuán)垂直運(yùn)動(dòng)在遞減層結(jié)時(shí)，氣團(tuán)的溫度變化與氣壓變化相反。若氣團(tuán)的壓力沿高度發(fā)生顯著變 化，則氣溫變化引起的氣團(tuán)內(nèi)能變化與氣壓變化導(dǎo)致的氣團(tuán)做功相當(dāng)，此時(shí)可忽略氣團(tuán)與周圍大氣的熱交換，視為絕熱過程。干氣團(tuán)絕熱上升時(shí)，因周圍氣壓減小而膨脹，消耗大部分內(nèi)能對周圍大氣做膨脹功，則氣團(tuán) 溫度顯著降低。干氣團(tuán)絕熱下降時(shí)，因周圍氣壓增大被壓縮，外界的壓縮功大部分轉(zhuǎn)化為氣團(tuán)的內(nèi)能增量， 氣團(tuán)溫度明顯上升。干氣團(tuán)在絕熱垂直運(yùn)動(dòng)過程中，升降單位距離(通常取100m)的溫度變化值稱為干空氣溫度的絕熱垂直遞減率，簡稱干絕熱直減率 I,即：d二一二d ：Z(54)干氣團(tuán)在垂

23、直升降過程中服從熱力學(xué)第一定律，即:(5-5)q = . ：u w氣團(tuán)可視為理想氣體，并設(shè)氣團(tuán)的壓力與周圍大氣的氣壓隨時(shí)保持平衡，在絕熱過程中有 （5 5）可改寫為：dq = cvdT vdp = 0(56)氣團(tuán)的物理狀態(tài)可用理想氣體狀態(tài)方程來描述，即:pv = RT(5-7)pdv vdp = RdT(58)式中c p干空氣比定壓熱容,Cp=cv+R= 1004 J/(kg- K)o由式（4 6）、及式（4-8）可得:(5 9)vdp = CpdT將式（5 1）帶入式（59）,并近似地視氣團(tuán)的密度 P與比體積v互為倒數(shù)，得:dTdZg ： 1K/100m cp(5- 10)上式可見，在干絕熱

24、過程中，氣團(tuán)每上升或下降1003溫度約降低或升高1K,即H為固定值，而氣溫直減率V則隨時(shí)間和空間變化，這是兩個(gè)不同的概念。四、大氣的穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度是指大氣中的某一氣團(tuán)在垂直方向上的穩(wěn)定程度。一團(tuán)空氣受到某種外力作用而產(chǎn)生上升或者下降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí)消除外力，此后氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)可能出現(xiàn)三種情況：氣團(tuán)仍然繼續(xù)加速向前 運(yùn)動(dòng)，這時(shí)的大氣稱為不穩(wěn)定大氣；氣團(tuán)不加速也不減速而作勻速運(yùn)動(dòng)，或趨向停留在外力去除時(shí)所處的 位置，這時(shí)的大氣稱為中性大氣；氣團(tuán)逐漸減速并有返回原先高度的趨勢，這時(shí)的大氣稱為穩(wěn)定大氣。設(shè)某一氣團(tuán)在外力作用下上升了一段距離dz,在新位置的狀態(tài)參數(shù)為p、P及T,它周圍大氣

25、的狀態(tài)參數(shù)為p、P及T。消除外力后，單位體積氣團(tuán)受到重力Rg和浮升力 角的共同作用，產(chǎn)生垂直方向的升力（：；）g,其加速度為：P-g(511)p, = p,則由狀態(tài)方程可得PTi=PT,假定移動(dòng)過程中氣團(tuán)的壓力與周圍大氣的氣壓隨時(shí)保持平衡，即 代入上式則得Ti -T(512)a、g上式可見，在新位置上，TiT,則a0,即氣團(tuán)的溫度大于周圍大氣溫度時(shí)，氣團(tuán)仍然加速，表明大氣是不穩(wěn)定的；若 TT,則a0的區(qū)域，當(dāng)時(shí)，a0,氣團(tuán)加速，大氣為不穩(wěn)定；當(dāng) X時(shí)，a = 0,大氣為中 性；當(dāng) 火.-時(shí)，a0,氣團(tuán)減速，大氣為弱穩(wěn)定，而出現(xiàn)等溫層結(jié) 與逆溫層結(jié)時(shí)，即汽0,則大氣處于強(qiáng)穩(wěn)定狀態(tài)， 圖5-6為大

26、氣穩(wěn) 定度分析圖。分析可見，干絕熱直減率 衿1K/lOOm可作為大氣穩(wěn)定 性的判據(jù)，可用當(dāng)?shù)貙?shí)際氣層的?與其比較，以此判斷大氣的穩(wěn)定度。大氣穩(wěn)定度對污染物在大氣中的擴(kuò)散有很大影響。大氣越不穩(wěn) 定，污染物的擴(kuò)散速率就越快；反之，則越慢。大氣穩(wěn)定度的分類大氣穩(wěn)定度與天氣現(xiàn)象、時(shí)空尺度及地理?xiàng)l件密切相關(guān)，其級別的準(zhǔn)確劃分非常困難。目前國內(nèi)外對大 氣穩(wěn)定度的分類方法已多達(dá)10余種，應(yīng)用較廣泛的有帕斯奎爾（ Pasquill ）法和特納爾（Turner）法。帕斯奎爾法用地面風(fēng)速（距離地面高度10m）、白天的太陽輻射狀況（分為強(qiáng)、中、弱、陰天等）或夜間云量的大 小將穩(wěn)定度分為 AF六個(gè)級別，如表5-1所示

27、。表5-1大氣穩(wěn)定度等級地面風(fēng)速（距地面 10m處）/m - s-1白天太陽輻射陰天的白天或夜間有云的夜間強(qiáng)中弱薄云遮天或低云）5/10云量0 4/106DDDDDD帕斯奎爾法雖然可以利用常規(guī)氣象資料確定大氣穩(wěn)定度等級，簡單易行，應(yīng)用方便，但這種方法沒有確 切地描述太陽的輻射強(qiáng)度，云量的確定也不準(zhǔn)確，較為粗略，為此特納爾作了改進(jìn)與補(bǔ)充。特納爾方法首先根據(jù)某地、某時(shí)及太陽傾角的太陽高度9 h和云量（全天空為10分制），確定太陽輻射等級，再由太陽的輻射等級和距地面高度10m的平均風(fēng)速確定大氣穩(wěn)定度的級別。我國采用特納爾方法，太陽高度角-可按下式計(jì)算：4=arcsin sin 中sin 6 +cos

28、中 cos& cos（15t + 九-300（514）式中 取？分別為當(dāng)?shù)氐乩砭暥取⒔?jīng)度，（3；t一觀測時(shí)的北京時(shí)間，h；5-太陽傾角（赤緯），（，其概略值查閱表 5-2表52太陽傾角（赤緯）概略值(9月份123456789101112上旬-22-15-56172222177-515-22中旬-21-12-210192321143一 818-23下旬-19一 921323231911112-21-23我國提出的太陽輻射等級見表 5-3,表中總云量和低云量由地方氣象觀測資料確定。大氣穩(wěn)定度等級見表5-4,表中地面平均風(fēng)速指離地面10m高度處10min的平均風(fēng)速表5-3太陽輻射等級（中國）總云量/

29、低云量夜間太陽高度角9h/ （）9 h15 315 J 9 h3535口 9 h654/4-21十1十2+35-7/ 8/5/5 70000+18/ 800000表5-4大氣穩(wěn)定度等級地面平均風(fēng)速/m - s-1太陽輻射等級+ 3十2十101-26CDDDDD第二節(jié)大氣污染物的擴(kuò)散、湍流與湍流擴(kuò)散理論1.湍流低層大氣中的風(fēng)向是不斷地變化，上下左右出現(xiàn)擺動(dòng)；同時(shí)，風(fēng)速也是時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，形成迅速的陣風(fēng)起伏。風(fēng)的這種強(qiáng)度與方向隨時(shí)間不規(guī)則的變化形成的空氣運(yùn)動(dòng)稱為大氣湍流。湍流運(yùn)動(dòng)是由無數(shù)結(jié)構(gòu)緊密的流體微團(tuán)一一湍渦組成，其特征量的時(shí)間與空間分布都具有隨機(jī)性，但它們的統(tǒng)計(jì)平均值仍然遵循一定的規(guī)律。大氣湍流的

30、流動(dòng)特征尺度一般取離地面的高度，比流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)要大得多， 湍渦的大小及其發(fā)展基本不受空間的限制，因此在較小的平均風(fēng)速下就能有很高的雷諾數(shù)，從而達(dá)到湍流狀態(tài)。所以近地層的大氣始 終處于湍流狀態(tài)，尤其在大氣邊界層內(nèi)，氣流受下墊面影響，湍流運(yùn)動(dòng)更為劇烈。大氣湍流造成流場各部分 強(qiáng)烈混合，能使局部的污染氣體或微粒迅速擴(kuò)散。煙團(tuán)在大氣的湍流混合作用下，由湍渦不斷把煙氣推向周 圍空氣中，同時(shí)又將周圍的空氣卷入煙團(tuán)，從而形成煙氣的快速擴(kuò)散稀釋過程。煙氣在大氣中的擴(kuò)散特征取決于是否存在湍流以 及湍渦的尺度(直徑)，如圖5-7所示。圖5-7 (a) 為無湍流時(shí)，煙團(tuán)僅僅依靠分子擴(kuò)散使煙團(tuán)長大，煙 團(tuán)的擴(kuò)散

31、速率非常緩慢，其擴(kuò)散速率比湍流擴(kuò)散小 5 6個(gè)數(shù)量級；圖57(b)為煙團(tuán)在遠(yuǎn)小于其尺度的湍 渦中擴(kuò)散，由于煙團(tuán)邊緣受到小湍渦的擾動(dòng)，逐漸與 周邊空氣混合而緩慢膨脹，濃度逐漸降低，煙流幾乎 呈直線向下風(fēng)運(yùn)動(dòng)； 圖5 7 (c)為煙團(tuán)在與其尺度接 近的湍渦中擴(kuò)散，在湍渦的切入卷出作用下煙團(tuán)被迅圖57煙團(tuán)在大氣中的擴(kuò)散儲)此瑞濡t小湍渦中的煙用;與團(tuán)和尺寸接近的燦闡;1，口大用禍中的煙團(tuán)速撕裂，大幅度變形，橫截面快速膨脹，因而擴(kuò)散較快，煙流呈小擺幅曲線向下風(fēng)運(yùn)動(dòng)；圖5-7 (d)為煙團(tuán)在遠(yuǎn)大于其尺度的湍渦中擴(kuò)散，煙團(tuán)受大湍渦的卷吸擾動(dòng)影響較弱，其本身膨脹有限，煙團(tuán)在大湍渦的夾 帶下作較大擺幅的蛇形曲

32、線運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上煙云的擴(kuò)散過程通常不是僅由上述單一情況所完成，因?yàn)榇髿庵型瑫r(shí)并存的湍渦具有各種不同的尺度。根據(jù)湍流的形成與發(fā)展趨勢，大氣湍流可分為機(jī)械湍流和熱力湍流兩種形式。機(jī)械湍流是因地面的摩擦力使風(fēng)在垂直方向產(chǎn)生速度梯度，或者由于地面障礙物(如山丘、樹木與建筑物等)導(dǎo)致風(fēng)向與風(fēng)速的突然改變而造成的。熱力湍流主要是由于地表受熱不均勻，或因大氣溫度層結(jié)不穩(wěn)定，在垂直方向產(chǎn)生溫度梯度而 造成的。一般近地面的大氣湍流總是機(jī)械湍流和熱力湍流的共同作用，其發(fā)展、結(jié)構(gòu)特征及強(qiáng)弱決定于風(fēng)速 的大小、地面障礙物形成的粗糙度和低層大氣的溫度層結(jié)狀況。2.湍流擴(kuò)散與正態(tài)分布的基本理論氣體污染物進(jìn)入大氣后，一面隨大

33、氣整體飄移，同時(shí)由于湍流混合，使污染物從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散稀釋，其擴(kuò)散程度取決于大氣湍流的強(qiáng)度。大氣污染的形成及其危害程度在于有害物質(zhì)的濃度及其持續(xù)時(shí)間，大氣擴(kuò)散理論就是用數(shù)理方法來模擬各種大氣污染源在一定條件下的擴(kuò)散稀釋過程，用數(shù)學(xué)模型計(jì)算和預(yù)報(bào)大氣污染物濃度的時(shí)空變化規(guī)律。研究物質(zhì)在大氣湍流場中的擴(kuò)散理論主要有三種：梯度輸送理論、相似理論和統(tǒng)計(jì)理論。針對不同的原 理和研究對象，形成了不同形式的大氣擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)學(xué)模型建立時(shí)作了一些假設(shè)，以及考慮氣象條 件和地形地貌對污染物在大氣中擴(kuò)散的影響而引入的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，目前的各種數(shù)學(xué)模式都有較大的局限性，應(yīng)用較多的是采用湍流統(tǒng)計(jì)理論體系的高斯

34、擴(kuò)散模式。圖5-8所示為采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究污染物在湍流大氣中的擴(kuò)散模型。假定從原點(diǎn)釋放出一個(gè)粒子在穩(wěn)定均勻的湍流大氣中飄移擴(kuò)散，平均風(fēng)向與x軸同向。湍流統(tǒng)計(jì)理論認(rèn)為，由于存在湍流脈動(dòng)作用，粒子在各方向(如圖中y方向)的脈動(dòng)速度隨時(shí)間而變化，因而粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡也隨之變化。若平均時(shí)間間隔足夠 長，則速度脈動(dòng)值的代數(shù)和為零。如果從原點(diǎn)釋放出許多粒子，經(jīng)過一段時(shí)間T之后，這些粒子的濃度趨于一個(gè)穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)分布。湍流擴(kuò)散理論( K理論)和統(tǒng)計(jì)理論的分析均表明，粒子濃度沿y軸符合正態(tài)分布正態(tài)分布的密度函數(shù)f(y)的一般形式為：一、 1f(y) = KexpTy 寸2(5 15)式中b為標(biāo)準(zhǔn)偏差，是曲線任一側(cè)

35、拐點(diǎn)位置的尺度；g圖58中的f(y)曲線即為11 =0時(shí)的高斯分布密度 曲線。它有兩個(gè)性質(zhì)，一是曲線關(guān)于y= g的軸對稱；二是當(dāng)y=時(shí)，有最大值f,即：這 些粒子在y=v軸上的濃度最高。如果v值固定而改變b 值，曲線形狀將變尖或變得平緩；如果值固定而改變g 值，f(y)的圖形沿0y軸平移。不論曲線形狀如何變化， 曲線下的面積恒等于1。分析可見，標(biāo)準(zhǔn)偏差b的變化影 響擴(kuò)散過程中污染物濃度的分布， y方向的擴(kuò)散速度。為任何實(shí)數(shù)圖5-8湍流擴(kuò)散模型增加。值將使?jié)舛确植己瘮?shù)趨于平緩并伸展擴(kuò)大,這意味提高了污染物在(- x 0)高斯在大量的實(shí)測資料基礎(chǔ)上，應(yīng)用湍流統(tǒng)計(jì)理論得出了污染物在大氣中的高斯擴(kuò)散模

36、式。 雖然污染物 濃度在實(shí)際大氣擴(kuò)散中不能嚴(yán)格符合正態(tài)分布的前提條件， 但大量小尺度擴(kuò)散試驗(yàn)證明，正態(tài)分布是一種可 以接受的近似。二、高斯擴(kuò)散模式(一)連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散連續(xù)點(diǎn)源一般指排放大量污染物的煙囪、放散管、通風(fēng)口等。排放口安置在地面的稱為地面點(diǎn)源，處于 高空位置的稱為高架點(diǎn)源。.大空間點(diǎn)源擴(kuò)散圖59高斯擴(kuò)散模式示意圖高斯擴(kuò)散公式的建立有如下假設(shè)：風(fēng)的平均流場穩(wěn)定，風(fēng)速 均勻，風(fēng)向平直；污染物的濃度在y、z軸方向符合正態(tài)分布；污染物在輸送擴(kuò)散中質(zhì)量守恒；污染源的源強(qiáng)均勻、連續(xù)。圖5 - 9所示為點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散模式示意圖。 有效源位于坐標(biāo)原 點(diǎn)。處，平均風(fēng)向與 x軸平行，并與x軸正向同向。假設(shè)

37、點(diǎn)源在沒 有任何障礙物的自由空間擴(kuò)散，不考慮下墊面的存在。大氣中的擴(kuò)散是具有y與z兩個(gè)坐標(biāo)方向的二維正態(tài)分布，當(dāng)兩坐標(biāo)方向的隨機(jī)變量獨(dú)立時(shí)，分布密度為每個(gè)坐標(biāo)方向515),取的一維正態(tài)分布密度函數(shù)的乘積。由正態(tài)分布的假設(shè)條件，參照正態(tài)分布函數(shù)的基本形式式( g =0,則在點(diǎn)源下風(fēng)向任一點(diǎn)的濃度分布函數(shù)為：C x, y,z /= A(x)expJJ(5- 16)式中C 空間點(diǎn)(x, y, z)的污染物的濃度，mg/ni；A (x)待定函數(shù);(T y、bz一分別為水平、垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)差，即 V、x方向的擴(kuò)散參數(shù)，m由守恒和連續(xù)假設(shè)條件和，在任一垂直于x軸的煙流截面上有:-be -be(517)q

38、= _二一二 uCdydz式中q 源強(qiáng)，即單位時(shí)間內(nèi)排放的污染物，11 g/s ；u平均風(fēng)速，m/so將式（516）代入式（517）,由風(fēng)速穩(wěn)定假設(shè)條件，A與y、z無關(guān)，考慮到exp（ -t2 /2）dt -、2二一-l）和，積分可得待定函數(shù)a（X）：q(518)2 二 u；z將式（5-18）代入式（5-16）,得大空間連續(xù)點(diǎn)源的高斯擴(kuò)散模式。（5）=”上佞+(519)圖510地面全反射的全架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散Csq2二 u；Vz(520)k點(diǎn)在以像源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為 沿z軸向上平移距離H:億+H）,則像源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度為式（519）的坐標(biāo)式中，擴(kuò)散系數(shù) h、b z與大氣穩(wěn)定度和水平距

39、離 x有關(guān)，并隨x的增大而增加。當(dāng)y=0, z = 0時(shí)，A （x） =C （x, 0,0 ）,即A （x）為x軸上的濃度，也是垂直于 x軸截面上污染物的最大濃度點(diǎn) Cmaxo當(dāng)x-8, by 及口-8,則C- 0,表明污染物以在大氣中得以完全擴(kuò)散。.高架點(diǎn)源擴(kuò)散在點(diǎn)源的實(shí)際擴(kuò)散中，污染物可能受到地面障礙物的阻擋，因此應(yīng)當(dāng)考慮地面對擴(kuò)散的影響。處理的方 法是，或者假定污染物在擴(kuò)散過程中的質(zhì)量不變，到達(dá)地面時(shí)不發(fā)生沉降或化學(xué)反應(yīng)而全部反射；或者污染 物在沒有反射而被全部吸收，實(shí)際情況應(yīng)在這兩者之間。（1）高架點(diǎn)源擴(kuò)散模式。點(diǎn)源在地面上的投影點(diǎn)。作為坐標(biāo)原點(diǎn)，有效源位于 z軸上某點(diǎn)，z=H。高架有

40、效源的高度由兩部分組成，即H=h+ Ah,其中h為排放口的有效高度，Ah是熱煙流的浮升力和煙氣以一定速度豎直離開排放 口的沖力使煙流抬升的一個(gè)附加高度，如圖5-10所示。當(dāng)污染物到達(dá)地面后被全部反射時(shí)，可以按照全反射原理，用“像源法”來求解空間某點(diǎn) k的濃度。圖5-10中k點(diǎn)的濃度顯然 比大空間點(diǎn)源擴(kuò)散公式（519）計(jì)算值大，它是位于（0, 0, H）的 實(shí)源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度和反射回來的濃度的疊加。反射濃度可視為由一與實(shí)源對稱的位于（0, 0, H）的像源（假想源）擴(kuò)散到 k點(diǎn)的 濃度。由圖可見，k點(diǎn)在以實(shí)源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直坐標(biāo)為億-H）,則實(shí)源在k點(diǎn)擴(kuò)散的濃度為式（519）的坐標(biāo)沿z軸

41、向下平移距離 H:Cx1 exp -2JJ(5 21)由此，實(shí)源Cs與像源Cx之和即為k點(diǎn)的實(shí)際污染物濃度:C x, y, z, H 二-2q2二 U。y二 z3exp 力 1 2m/s 。同一大氣溫度層結(jié)中，擴(kuò)散范圍小于10km；擴(kuò)散物質(zhì)隨空氣一起運(yùn)動(dòng)，在擴(kuò)散輸送過程中不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，地面也不吸收污染物而全反射；平均風(fēng)向和風(fēng)速平直穩(wěn)定，且高斯擴(kuò)散模式適應(yīng)大氣湍流的性質(zhì)，物理概念明確，估算污染濃度的結(jié)果基本上能與實(shí)驗(yàn)資料相吻合, 且只需利用常規(guī)氣象資料即可進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此使用最為普遍。（二）連續(xù)線源的擴(kuò)散當(dāng)污染物沿一水平方向連續(xù)排放時(shí)，可將其視為一線源，如汽車行駛在平坦開闊的公路上。線

42、源在橫風(fēng) 向排放的污染物濃度相等，這樣，可將點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式對變量y積分，即可獲得線源的高斯擴(kuò)散模式。但由于線源排放路徑相對固定，具有方向性，若取平均風(fēng)向?yàn)閤軸，則線源與平均風(fēng)向未必同向。所以線源的情況較復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)考慮線源與風(fēng)向夾角以及線源的長度等問題。如果風(fēng)向和線源的夾角 0 45 ,無限長連續(xù)線源下風(fēng)向地面濃度分布為:C(x,0,H)=，二 u；zsin :expH2(529)當(dāng)3 45用寸，以上模式不能應(yīng)用。如果風(fēng)向和線源的夾角垂直，即0 =90工可得:-2qC(x,0, H)= - q expu；- zH22 二2(5- 30)對于有限長的線源，線源末端引起的“邊緣效應(yīng)”將對污染物的

43、濃度分布有很大影響。隨著污染物接受 點(diǎn)距線源的距離增加，“邊源效應(yīng)”將在橫風(fēng)向距離的更遠(yuǎn)處起作用。因此在估算有限長污染源形成的濃度分布時(shí)，“邊源效應(yīng)”不能忽視。對于橫風(fēng)向的有限長線源，應(yīng)以污染物接受點(diǎn)的平均風(fēng)向?yàn)?的范圍是從y1到y(tǒng)2,且y1y2,則有限長線源地面濃度分布為：x軸。若線源j-C(x,0,H 尸總;exPs2Ls1. 2 二22、s .exp 一 一 ds 2 J(531)式中,s 1 = y1 / a y, s2= y2/ by,積分值可從正態(tài)概率表中查出。（三）連續(xù)面源的擴(kuò)散當(dāng)眾多的污染源在一地區(qū)內(nèi)排放時(shí)，如城市中家庭爐灶的排放，可將它們作為面源來處理。因?yàn)檫@些污染源排放量很

44、小但數(shù)量很大，若依點(diǎn)源來處理，將是非常繁雜的 計(jì)算工作。常用的面源擴(kuò)散模式為虛擬點(diǎn)源法，即將城市按污染源的分 布和高低不同劃分為若干個(gè)正方形，每一正方形視為一個(gè)面源單 元，邊長一般在0.510km之間選取。這種方法假設(shè)：有一距 離為X。的虛擬點(diǎn)源位于面源單元形心的上風(fēng)處，如圖 5-12所示, 它在面源單元中心線處產(chǎn)生的煙流寬度為2y。= 4.3 b ,。，等于面源圖5-12虛擬點(diǎn)源模型單元寬度B;面源單元向下風(fēng)向擴(kuò)散的濃度可用虛擬點(diǎn)源在下風(fēng)向造成的同樣的濃度所代替。根據(jù)污染物在面源范圍內(nèi)的分布狀況，可分為以下兩種虛擬點(diǎn)源擴(kuò)散模式:二 y0 = B/4.3(532)第一種擴(kuò)散模式假定污染物排放量

45、集中在各面源單元的形心上。由假設(shè)可得:由確定的大氣穩(wěn)定度級別和上式求出的0y。，應(yīng)用PG曲線圖（見下節(jié)）可查取 Xoo再由（x + x）分布查出by和bz,則面源下風(fēng)向任一處的地面濃度由下式確定：C =qexp(5 33)二 u；”上式即為點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模式（5-24）,式中H取面源的平均高度， s如果排放源相對較高，而且高度相差較大，也可假定z方向上有一虛擬點(diǎn)源，由源的最初垂直分布的標(biāo) 一 _ xx_X準(zhǔn)差確7EZ。，再由Z。求出z。，由z0求出o-z,由（x0+x）求出by,取后代入式（533）求出地面濃度。第二種擴(kuò)散模式假定污染物濃度均勻分布在面源的y方向，且擴(kuò)散后的污染物全都均勻分布在

46、長為 無（x0+ x）/8的弧上，如圖5-12所示。因此，利用式（5- 32）求by后，由穩(wěn)定度級別應(yīng)用 P- G曲線圖查出x0, 再由（x0+x）查出則面源下風(fēng)向任一點(diǎn)的地面濃度由下式確定：xox /8exp(534)三、擴(kuò)散參數(shù)及煙流抬升高度的確定高斯擴(kuò)散公式的應(yīng)用效果依賴于公式中的各個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確程度，尤其是擴(kuò)散參數(shù)by、J及煙流抬升高度Ah的估算。其中，平均風(fēng)速u取多年觀測的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)；源強(qiáng) q可以計(jì)算或測定，而 叫、心及4h與氣象條件和地面狀況密切相關(guān)。1.擴(kuò)散參數(shù)CT y、CT z的估算擴(kuò)散參數(shù)by、bz是表示擴(kuò)散范圍及速率大小的特征量，也即正態(tài)分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。為了能較符合實(shí) 際

47、地確定這些擴(kuò)散參數(shù)，許多研究工作致力于把濃度場和氣象條件結(jié)合起來，提出了各種符合實(shí)驗(yàn)條件的擴(kuò)散參數(shù)估計(jì)方法。其中應(yīng)用較多的由是帕斯奎爾（Pasquill）和吉福特（Gifford）提出的擴(kuò)散參數(shù)估算方法，也稱為P-G擴(kuò)散曲線，如圖5 13和圖5-14所示。由圖可見，只要利用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)氣象觀測資料，由表 5 -1查取帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度等級，即可確定擴(kuò)散參數(shù)。擴(kuò)散參數(shù)具有如下規(guī)律：0隨著離源距離增加而增大；不穩(wěn)定大氣狀態(tài)時(shí)的b值大于穩(wěn)定大氣狀態(tài)，因此大氣湍流運(yùn)動(dòng)愈強(qiáng)，b值愈大；以上兩種條件相同時(shí)，粗糙地面上的 b值大于平坦地面。由于利用常規(guī)氣象資料便能確定帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度，因此P- G擴(kuò)散曲線簡便

48、實(shí)用。但是，P- G擴(kuò)散曲線是利用觀測資料統(tǒng)計(jì)結(jié)合理論分析得到的，其應(yīng)用具有一定的經(jīng)驗(yàn)性和局限性。b y是利用風(fēng)向脈動(dòng)資料和有限的擴(kuò)散觀測資料作出的推測估計(jì)，bz是在近距離應(yīng)用了地面源在中性層結(jié)時(shí)的豎直擴(kuò)散理論結(jié)果，也參照一些擴(kuò)散試驗(yàn)資料后的推算，而穩(wěn)定和強(qiáng)不穩(wěn)定兩種情況的數(shù)據(jù)純系推測結(jié)果。一般，P-G擴(kuò)散曲線較適用于近地源的小尺度擴(kuò)散和開闊平坦的地形。實(shí)踐表明，by的近似估計(jì)與實(shí)際狀況比較符合，但要對地面粗糙度和取樣時(shí)間進(jìn)行修正；bz的估計(jì)值與溫度層結(jié)的關(guān)系很大，適用于近地源的lkm以內(nèi)的擴(kuò)散。因此，大氣擴(kuò)散參數(shù)的準(zhǔn)確定量描述仍是深入研究的課題。估算地面最大濃度值Cmax及其離源的距離Xma

49、x時(shí)，可先按式（525）計(jì)算出bz,并圖514查取對應(yīng)的X值，此值即為當(dāng)時(shí)大氣穩(wěn)定度下的Xmax。然后從圖5-13查取與Xmax對應(yīng)的by值，代如式（5 - 26）即可求出Gax值。用該方法計(jì)算，在 E、F級穩(wěn)定度下誤差較大，在 D C級時(shí)誤差較小。圖6 一】3 P-G獷散曲線叫H越高，誤差越小。S 5-11 P-G擴(kuò)散曲戰(zhàn)&(T y、 (T z ：仃y =x 值及%=2x2(535)式中,T 1、a 1、丫 2及a 2稱為擴(kuò)散系數(shù)。91的表中查取。這些系數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定，在一個(gè)相當(dāng)長的x距離內(nèi)為常數(shù)，可從GB38402.煙流抬升高度h的計(jì)算煙流抬升高度是確定高架源的位置,準(zhǔn)確判斷大氣污染擴(kuò)散及估

50、計(jì)地面污染濃度的重要參數(shù)之一。從煙囪里排出的煙氣，通常會繼續(xù)上升。上升的原因一是熱力抬升，即當(dāng)煙氣溫度高于周圍空氣溫度時(shí)，密度比 較小，浮升力的作用而使其上升；二是動(dòng)力抬升，即離開煙囪的煙氣本身具有的動(dòng)量，促使煙氣繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)。在大氣湍流和風(fēng)的作用下，漂移一段距離后逐漸變?yōu)樗竭\(yùn)動(dòng),因此有效源的高度高于煙囪實(shí)際高度。熱煙流從煙囪中噴出直至變平是一個(gè)連續(xù)的逐漸緩變過程一般可分為四個(gè)階段，如圖 5-15所示。首先是煙氣依靠本身的初始動(dòng)量垂直向上噴射的噴出階段， 該階段的距離約為幾至十幾倍煙囪的直徑； 其次是由于煙氣和周圍空氣之間溫差而產(chǎn)生的密度差所形成的浮力而使煙流上升的浮升階段,上升煙浮升階段西

51、出苴解艙段,變平階段流與水平氣流之間的速度差異而產(chǎn)生的小尺度湍渦使得兩者混合后的溫差不斷減小，煙流上升趨勢不斷減緩，逐漸趨于水圖515煙流抬升過程我國GB3840- 91制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法采用如下經(jīng)驗(yàn)公式確定擴(kuò)散參數(shù)平方向；然后是在煙體不斷膨脹過程中使得大氣湍流作用明顯加強(qiáng)，煙體結(jié)構(gòu)瓦解，逐漸失去抬升作用的瓦 解階段；最后是在環(huán)境湍流作用下，煙流繼續(xù)擴(kuò)散膨脹并隨風(fēng)飄移的變平階段。從煙流抬升及擴(kuò)散發(fā)展的過程可以看出，顯然，浮升力和初始動(dòng)量是影響煙流抬升的主要因素，但使煙流抬升的發(fā)展又受到氣象條件和地形狀況的制約。主要表現(xiàn)為：浮升力取決于煙流與環(huán)境空氣的密度差， 即與兩者的溫差有

52、關(guān)；而煙流初始動(dòng)量取決于煙囪出口的煙流速度，即與煙囪出口的內(nèi)徑有關(guān)。一般來講， 增大煙流與周圍空氣的溫差以及提高煙流速度，抬升高度增加。但如果煙流的初始速度過大，促進(jìn)煙流與空 氣的混合，反而會減少浮力抬升高度，一般該速度大于出口處附近風(fēng)速的兩倍為宜。大氣的湍流強(qiáng)度愈大,煙與周圍空氣混合就愈快，煙流的溫度和初始動(dòng)量降低得也愈快，則煙流抬升高度愈低。大氣的湍流強(qiáng)度取 決于溫度層結(jié)，而溫度層結(jié)的影響不是單一的，如不穩(wěn)定溫度層結(jié)由于湍流交換活躍能抑制煙流的抬升，但 也能促進(jìn)熱力抬升，這取決于大氣不穩(wěn)定程度；平均風(fēng)速越大，湍流越強(qiáng)，抬升高度越低；地面粗糙度 大，使近地層大氣湍流增強(qiáng)，不利于煙流抬升。由于

53、煙流抬升受諸多因素的相互影響，因此煙流抬升高度Ah的計(jì)算尚無統(tǒng)一的理想的結(jié)果。在 30多種計(jì)算公式中，應(yīng)用較廣適用于中性大氣狀況的霍蘭德(Holland)公式如下：vsDTs -Ta1.5 +2.7-D、TsJ1.5vsD 0.01Qh(5 36)式中 vs煙流出口速度，m/s；D 煙囪出口內(nèi)徑，m；u 煙囪出口的環(huán)境平均風(fēng)速，m/s；T s煙氣出口溫度，K;T a環(huán)境平均氣溫度，K;Q一煙囪的熱排放率，kWZ上式計(jì)算結(jié)果對很強(qiáng)的熱源 (如大型火電站)比較適中甚至偏高，而對中小型熱源(Qh 35 K 時(shí): h = nq：1-2u m(537)Qh =CpV0(Ts -Ta)kw(5-38)式中

54、n 0、m、亮一地表狀況系數(shù)，可從 GB7T384091查??；v 0一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣排放量，m/s ；C p一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的煙氣平均定壓比熱，G=1.38kJ/(m 3 K);Ta一取當(dāng)?shù)刈罱?年平均氣溫值，K;煙囪出口的環(huán)境平均風(fēng)速 u按下式計(jì)算：u =u0(z/Z0)n m/s(5 39)。一煙囪所在地近5年平均風(fēng)速，m/s,測量值;z 0, z分別為相同基準(zhǔn)高度時(shí)氣象臺 （站）測風(fēng)儀位置及煙囪出口高度，mm 一風(fēng)廓線嘉指數(shù)，在中性層結(jié)條件下，且地形開闊平坦只有少量地表覆蓋物時(shí)，n = 1/7,其他條件時(shí)可從GEi7T3840 91查取。(2)當(dāng) Q2100kW ( Ts-Ta) 0, /

55、小大氣湍流強(qiáng)烈，煙流呈上下左右劇烈翻卷的波 浪狀向下風(fēng)向輸送，多出現(xiàn)在陽光較強(qiáng)的晴朗白天。污染 物隨著大氣運(yùn)動(dòng)向各個(gè)方向迅速擴(kuò)散，地面落地濃度較 高，最大濃度點(diǎn)距排放源較近， 大氣污染物濃度隨著遠(yuǎn)離 排放源而迅速降低，對排放源附近的居民有害。(2)錐型。大氣處于中性或弱穩(wěn)定狀態(tài)，即 ”；叢0, y 0, !工,而下部為穩(wěn)定狀態(tài)，即 10,之營時(shí)出現(xiàn)的煙流擴(kuò)散型態(tài)。如果排放源位于這一高度，則煙流呈下側(cè)邊界清晰平直，向上方湍流擴(kuò) 散形成一屋脊?fàn)?，故又稱為屋脊型。這種煙云多出現(xiàn)于地面附近有輻射逆溫日落前后，而高空受冷空氣影響 仍保持遞減層結(jié)。由于污染物只向上方擴(kuò)散而不向下擴(kuò)散，因而地面污染物的濃度小

56、。(5)熏煙型。與爬升型相反，熏煙型為大氣某一高度的上部處于穩(wěn)定狀態(tài)，即 ! 0, ? (2-3) m/s時(shí)，SO濃度值隨著風(fēng)速的增加迅速減小，而u (23) m/s后，SO濃度值基本不變，表明此時(shí)的風(fēng)速對污染物的擴(kuò)散稀釋影響甚微。二、地理環(huán)境狀況的影響影響污染物在大氣中擴(kuò)散的地理環(huán)境包括地形狀況和地面物體。. 地形狀況陸地和海洋，以及陸地上廣闊的平地和高低起伏的山地及丘陵都可能對污染物的擴(kuò)散稀釋產(chǎn)生不同的影 響。局部地區(qū)由于地形的熱力作用，會改變近地面氣溫的分布規(guī)律，從而形成前述的地方風(fēng)，最終影響到污 染物的輸送與擴(kuò)散。海陸風(fēng)會形成的局部區(qū)域的環(huán)流，抑制了大氣污染物向遠(yuǎn)處的擴(kuò)散。例如，白天，

57、海岸附近的污染物從高空向海洋擴(kuò)散出去，可能會隨著海風(fēng)的環(huán)流回到內(nèi)地，這樣去而復(fù)返的循環(huán)使該地區(qū)的污染物遲遲不能擴(kuò)散，造成空氣污染加重。此外，在日出和日落后，當(dāng)海風(fēng)與陸風(fēng)交替時(shí)大氣處于相對穩(wěn)定甚至逆溫狀態(tài)，不 利于污染物的擴(kuò)散。還有，大陸盛行的季風(fēng)與海陸風(fēng)交匯，兩者相遇處的污染物濃度也較高，如我國東南沿 海夏季風(fēng)夜間與陸風(fēng)相遇。有時(shí)，大陸上氣溫較高的風(fēng)與氣溫較低的海風(fēng)相遇時(shí)，會形成鋒面逆溫。山谷風(fēng)也會形成的局部區(qū)域的封閉性環(huán)流，不利于大氣污染物的擴(kuò)散。當(dāng)夜間出現(xiàn)山風(fēng)時(shí)，由于冷空氣 下沉谷底，而高空容易滯留由山谷中部上升的暖空氣，因此時(shí)常出現(xiàn)使污染物難以擴(kuò)散稀釋的逆溫層。若山 谷有大氣污染物卷入山谷風(fēng)形成的環(huán)流中，則會長時(shí)間滯留在山谷中難以擴(kuò)散。如果在山谷內(nèi)或上風(fēng)峽谷口建有排放大氣污染物的工廠，則峽谷風(fēng)不利于污染物的擴(kuò)散，并且污染物隨峽谷風(fēng)流動(dòng)，