1、第四章平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散 第一節(jié) 空間物質(zhì)分布的基本特征 一、大氣擴(kuò)散的基本特征 大氣擴(kuò)散決定于大氣中的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。 物質(zhì)在大氣中擴(kuò)散，在沿著順風(fēng)向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，向各個(gè)方向擴(kuò)散。在平穩(wěn)和均勻湍流場(chǎng)下，擴(kuò)散粒子位移的概率服從正態(tài)分布。二、空間物質(zhì)的濃度分布1、平均濃度式中：q瞬時(shí)濃度； 采樣時(shí)段。式中：M采樣時(shí)間內(nèi)所采的物質(zhì)的質(zhì)量； V采樣體積， .注意：任何涉及的濃度必須指明其所對(duì)應(yīng)的時(shí)段。2、空間物質(zhì)散布的坐標(biāo)系統(tǒng) 原點(diǎn)：煙囪腳（排放源的垂直投影點(diǎn)）X 軸：沿平均風(fēng)向Y 軸：x軸，與x軸在同一水平面內(nèi)Z 軸：垂直向上ZXY煙囪口（0,0,Hs）u0順風(fēng)向輸送。P (x,y,z)空間物質(zhì)散布的

2、坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖 3、空間物質(zhì)濃度與風(fēng)速的關(guān)系風(fēng)在輸送物質(zhì)的同時(shí)，還起到稀釋的作用。濃度C與風(fēng)速u(mài)成反比。zyxUO2m/szyxUO5m/s 污染物在隨風(fēng)向被輸送到下風(fēng)向的同時(shí)，由于湍流作用以及大氣中各種各樣的熱力和動(dòng)力因子，還會(huì)向左右以及上下方向擴(kuò)散，我們稱(chēng)之為橫風(fēng)向（y向）擴(kuò)散和垂直向（z向）擴(kuò)散。 如何來(lái)研究橫風(fēng)向擴(kuò)散的規(guī)律呢？ 依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，可以從“傳分幣”實(shí)驗(yàn)來(lái)給出定性的結(jié)論。4、煙流的橫風(fēng)向分布0 640-1 3201 320640-2 1600 3202 1604 40-3 80-1 2401 2403 80-4 40-2 1600 2402 160-3 100-1 2001

3、2003 100-4 60-2 1502 1504 605 20-5 20-6 106 100 20032631416032215890228239834915423415944219122118312541562041495312104200123456紅色數(shù)字為橫坐標(biāo)數(shù)；藍(lán)色數(shù)字為理論數(shù)據(jù)；方框右上角為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。某次“傳分幣”實(shí)驗(yàn)結(jié)果q0中心值q4q3q2n（q）0y2y各排數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布（高斯分布）：其中：y0為最大值所在的中心位置坐標(biāo)； y為粒子散布的標(biāo)準(zhǔn)差。 或 5、橫風(fēng)向擴(kuò)散參數(shù)y指下風(fēng)向某距離處，污染物在y向位移的平方平均值的方根。特例：當(dāng)取點(diǎn)及取值對(duì)稱(chēng)時(shí)， 。作業(yè)：某兩次示蹤

4、劑野外擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表。分別求兩次實(shí)驗(yàn)所獲得的橫向擴(kuò)散參數(shù)y .y2 (m)-10-5051015C2 (g/m3)420302150y1 (m)050100150200250C1 (g/m3)20018012050100式中：y邊煙流半寬度； 2y邊煙流云寬度，簡(jiǎn)稱(chēng)“云寬”。7、垂直向擴(kuò)散參數(shù)z 即垂直方向煙云粒子散布的標(biāo)準(zhǔn)差。6、煙流邊界 污染物濃度下降到軸線(xiàn)濃度的1/10處，即認(rèn)為到達(dá)煙流邊界。8、y、z的討論反映了大氣的擴(kuò)散能力隨著下風(fēng)向距離x，y，z不穩(wěn)定條件下，大；穩(wěn)定時(shí)，小q00yy邊q邊q0/102y邊三、采樣時(shí)間對(duì)平均濃度的影響較短時(shí)間：瞬時(shí)煙流形狀窄而不規(guī)則，濃度相對(duì)較高；

5、較長(zhǎng)時(shí)間：煙流形狀寬且較規(guī)則，濃度相對(duì)較低。一般來(lái)說(shuō)，采樣時(shí)間愈長(zhǎng)，煙流中污染物的平均濃度愈低。為什么？ 0y1h平均邊界10min平均邊界瞬時(shí)邊界平均風(fēng)向相對(duì)濃度不同時(shí)間下的煙流邊界及相對(duì)濃度 污染物平均濃度隨采樣時(shí)間延長(zhǎng)而降低的這一特性，稱(chēng)為時(shí)間稀釋作用，可表示為：式中：C1、C2分別對(duì)應(yīng)于1和2采樣時(shí)間的濃度； q 時(shí)間稀釋指數(shù)。 指數(shù)q和取樣時(shí)間長(zhǎng)短、有效源高、大氣穩(wěn)定度、平均風(fēng)速以及當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)譜結(jié)構(gòu)等有關(guān)，是因時(shí)因地而異的，需要通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定。長(zhǎng)期以來(lái)，各位學(xué)者給出的q值差別較大。原因：由于取樣時(shí)間延長(zhǎng)，風(fēng)的擺動(dòng)增大，從而使橫向擴(kuò)散參數(shù)y隨取樣時(shí)間而增大。因此，需根

6、據(jù)擴(kuò)散時(shí)間對(duì)y進(jìn)行修正。但垂直方向的擴(kuò)散因受地面限制，當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)到1020s以后，z不再隨取樣時(shí)間而增大。q值可采用不同采樣時(shí)間測(cè)量的示蹤劑濃度值計(jì)算：為了與環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，經(jīng)常需要進(jìn)行時(shí)間換算。國(guó)標(biāo)規(guī)定： = 0.5 1 hr，q0.2 = 1 100 hr，q0.3例：根據(jù)某污染物0.5hr采樣濃度，估算其24hr日均采樣濃度值。第二節(jié) 連續(xù)點(diǎn)源高斯擴(kuò)散模式 Gauss擴(kuò)散模式適用于開(kāi)闊、平坦地形上的小尺度（10km）擴(kuò)散，且假定：污染物是被動(dòng)的，進(jìn)入大氣后即跟隨周?chē)目諝庾飨嗤倪\(yùn)動(dòng)；擴(kuò)散過(guò)程中無(wú)任何形式的轉(zhuǎn)化，污染物不被清除，即質(zhì)量守恒；流場(chǎng)（風(fēng)速）均勻、穩(wěn)定；源強(qiáng)連續(xù)均勻；

7、 y、z方向?yàn)檎龖B(tài)分布。 實(shí)際大氣中不滿(mǎn)足上述理論中的前提條件，但小尺度擴(kuò)散試驗(yàn)表明，正態(tài)分布假設(shè)至少可以作為一種粗略的近似。 某鎳銅礦正在排放廢氣的煙囪 一、Gauss基本模式 1、無(wú)界情形（1）簡(jiǎn)單情形簡(jiǎn)單的煙流擴(kuò)散模型 zr截面AOyux根據(jù)連續(xù)條件，截面A中任意一點(diǎn)濃度為：r(x)是大氣擴(kuò)散稀釋能力的標(biāo)志。 （2）高斯擴(kuò)散模式 此時(shí)煙流截面上濃度不均勻， y向和z向分別呈正態(tài)分布。 無(wú)界空間任一點(diǎn)的濃度： 在任意一個(gè)與x軸垂直的煙流截面上，取一個(gè)小面元dydz進(jìn)行研究： zdzdy源Oyxu根據(jù)連續(xù)性原理： 無(wú)界空間連續(xù)點(diǎn)源Gauss模式：應(yīng)用概率積分2、有界情形注意：原點(diǎn)取在污染源在

8、地面的鉛直投影點(diǎn)上。 P(x,y,z)P(x,y,-z)z實(shí)源SOx像源S實(shí)源的煙云軸線(xiàn)H像源的煙云軸線(xiàn)像源法處理示意圖 假設(shè)地面對(duì)污染物沒(méi)有吸收、吸附作用，是一個(gè)完全反射面，因此可根據(jù)全反射原理，用“像源法”來(lái)解決此問(wèn)題。 P點(diǎn)的濃度可視為兩部分貢獻(xiàn)之和： 不存在地面時(shí)P點(diǎn)應(yīng)具有的濃度 相當(dāng)于無(wú)界時(shí)位于（0, 0, H）的實(shí)源在P點(diǎn)的影響濃度 由于地面反射作用而增加的濃度 相當(dāng)于位于（0, 0, -H）的“像源”在P點(diǎn)的影響濃度實(shí)際濃度是二者之和。則有高架點(diǎn)源連續(xù)擴(kuò)散模式： 當(dāng)源在（0, y0, z0）時(shí)： 二、其他實(shí)用公式1、地面源 2、地面濃度 3、地面軸線(xiàn)濃度 0CxCmXm-yy地面

9、軸線(xiàn)濃度隨下風(fēng)向距離x的變化 地面源的地面濃度： 作業(yè)：4.4 污染源的東側(cè)為峭壁，其高度比污染源高得多，如圖所示。設(shè)有效源高為H，污染源到峭壁的距離為L(zhǎng)，峭壁對(duì)煙流起全反射作用。試推導(dǎo)吹南風(fēng)時(shí)高架連續(xù)點(diǎn)源的擴(kuò)散模式。當(dāng)吹北風(fēng)時(shí)，這一模式又變成何種模式？源峭壁NL4、地面最大濃度及其出現(xiàn)距離利用地面軸線(xiàn)濃度公式求極值，可導(dǎo)出地面最大濃度值。出現(xiàn)地面最大濃度時(shí)，必須滿(mǎn)足： 實(shí)際可用近似式計(jì)算 ：在xm處滿(mǎn)足： 5、地面橫風(fēng)向積分濃度CCWI 對(duì)于高架點(diǎn)源： 利用地面濃度觀(guān)測(cè)資料求得CCWI，并可推算難以直接測(cè)量的z。 第i點(diǎn)所代表的對(duì)應(yīng)于濃度Ci 的y向長(zhǎng)度，m. Gauss模式的適用條件：下墊

10、面平坦開(kāi)闊，性質(zhì)均勻擴(kuò)散物質(zhì)隨周?chē)諝獗粍?dòng)運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)守恒，不發(fā)生轉(zhuǎn)化地面為全反射作用擴(kuò)散物質(zhì)處于同一類(lèi)溫度層結(jié)的氣層中，擴(kuò)散范圍小于10km平均流場(chǎng)平直、穩(wěn)定，平均風(fēng)向和風(fēng)速無(wú)顯著的時(shí)間變化連續(xù)點(diǎn)源公式僅適用于風(fēng)速12m/s的有風(fēng)情形第三節(jié) 大氣擴(kuò)散參數(shù) 一、試驗(yàn)法1、示蹤劑擴(kuò)散實(shí)驗(yàn) 基本方法：于假想源點(diǎn)，在一段較長(zhǎng)的時(shí)間里勻速地釋放出示蹤物質(zhì)；在下風(fēng)向不同距離上，沿橫風(fēng)向和垂直向多點(diǎn)采樣；對(duì)某一距離x，求得擴(kuò)散參數(shù)。橫風(fēng)向垂直向求得多組擴(kuò)散參數(shù)后，按最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合：常利用橫風(fēng)向積分濃度CCWI間接求取。 2、平衡球探測(cè)法 在設(shè)計(jì)的煙云高度施放一個(gè)隨遇平衡的氣球，它如同煙云中的一個(gè)粒子

11、隨著風(fēng)和湍流運(yùn)動(dòng)，用雙經(jīng)緯儀觀(guān)測(cè)其運(yùn)行軌跡，根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，可獲得擴(kuò)散參數(shù)。 基本原理：源于Taylor理論，即湍流統(tǒng)計(jì)理論。 條件限制：要求空氣溫度上下均勻。二、估算法 利用氣象站的常規(guī)氣象資料（風(fēng)速、云、太陽(yáng)輻射狀況等）來(lái)估計(jì)大氣擴(kuò)散參數(shù)。（一） PG法（PG擴(kuò)散曲線(xiàn)法）英國(guó)氣象學(xué)家 F.Pasquill（1961）美國(guó)核氣象學(xué)家 F.Gifford（1961）美國(guó)公共衛(wèi)生局的氣象學(xué)家 D.B.Turner（1967） 方法要點(diǎn)劃分6個(gè)穩(wěn)定度級(jí)別給出6條xy（xz）曲線(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)于6個(gè)穩(wěn)定度 實(shí)施細(xì)則6種穩(wěn)定度級(jí)別 A 強(qiáng)不穩(wěn) B 不 穩(wěn) C 弱不穩(wěn) D 中 性 E 較穩(wěn)定 F 穩(wěn) 定穩(wěn)定度

12、級(jí)別劃分穩(wěn)定度級(jí)別劃分表（參考）利用擴(kuò)散曲線(xiàn)確定 和帕斯奎爾曲線(xiàn)法的缺點(diǎn)穩(wěn)定度的劃分比較粗糙 D.B.Turner改進(jìn)適用于開(kāi)闊平坦的下墊面（如平原地區(qū)）PG擴(kuò)散曲線(xiàn)（英國(guó)倫敦氣象局）（二）中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法（ “修訂Pasquill分類(lèi)法” ）制定地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方法(GB/T13201-91)1、穩(wěn)定度的求?。?）太陽(yáng)高度角 h Turner（1961） 太陽(yáng)光線(xiàn)與地平面的交角。 地理緯度；上海 31.3太陽(yáng)傾角，又稱(chēng)“赤緯”時(shí)角h取決于季節(jié)、地理緯度、當(dāng)?shù)氐牡胤綍r(shí)。某地某時(shí)的 h：月旬太陽(yáng)傾角()月旬太陽(yáng)傾角()月旬太陽(yáng)傾角()1上225上+ 179上+ 7中21中+ 1

13、9中+ 3下19下+ 21下12上156上+ 2210上5中12中+ 23中8下9下+ 23下123上57上+ 2211上15中2中+ 21中18下+ 2下+ 19下214上+ 68上+ 1712上22中+ 10中+ 14中23下+ 13下+ 11下23表4-1 太陽(yáng)傾角的概略值 太陽(yáng)傾角的確定 可由下表查取其概略值： 特殊日期的值： 春分日或秋分日：0 夏至日：23.5 （23.5N） 冬至日：-23.5 （23.5S）或通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算獲取太陽(yáng)傾角： 0360dn/365，deg； dn一年中日期序數(shù)，1，2，3，365. 時(shí)角的確定 t地方時(shí)經(jīng)度，上海12126E故有云層的存在可以減小氣溫隨

14、高度的變化，使大氣一般處于中性狀態(tài)；我國(guó)云量觀(guān)測(cè)：全天空十分制我國(guó)無(wú)云高觀(guān)測(cè)資料，僅以云量來(lái)判斷（“修訂”）（2）h云量 輻射等級(jí)R表4-2 太陽(yáng)輻射等級(jí)R總云量/低云量夜間hh1515h3535h65h654421123574101238410011557000018800000卷云卷積云高云族中云族高積云高層云低云族層積云層云雨層云表4-4 大氣穩(wěn)定度的等級(jí)地面風(fēng)速u(mài)10(m/s)太陽(yáng)輻射等級(jí)R3210121.9AABBDEF22.9ABBCDEF34.9BBCCDDE55.9CCDDDDD6DDDDDD注：地面風(fēng)速u(mài)10(m/s)系指離地面10m高度處10min平均風(fēng)速。（3）Ru10

15、穩(wěn)定度2、y、z的求取表4-5 橫向擴(kuò)散參數(shù)冪函數(shù)表達(dá)式的系指數(shù)值（取樣時(shí)間0.5h）穩(wěn)定度級(jí)別11下風(fēng)距離（m）A0.901 0740.850 9340.425 8090.602 05210001000B0.914 3700.865 0140.281 8460.396 35310001000BC0.919 3250.875 0860.229 5000.314 23810001000C0.924 2790.885 1570.177 1540.232 12310001000CD0.926 8490.886 9400.143 9400.189 39610001000D0.929 4180.888

16、7230.110 7260.146 66910001000DE0.925 1180.892 7940.0 985 6310.124 30810001000E0.920 8180.896 8640.0 864 0010.101 94710001000F0.929 4180.888 7230.0 553 6340.0 733 34810001000表4-6 垂直向擴(kuò)散參數(shù)冪函數(shù)表達(dá)式的系指數(shù)值 穩(wěn)定度級(jí)別22下風(fēng)距離（m）A1.12 1541.51 3602.10 8810.0 799 9040.00 854 7710.000 211 545300300X500500B0.964 4351.09

17、3560.127 1900.057 025500500BC0.941 0151.00 7700.114 6820.0 757 182500500C0.917 5950.106 8030CD0.838 6280.756 4100.815 5750.126 1520.235 6670.136 65920002000X1000010000D0.826 2120.632 0230.55 5360.104 6340.400 1670.810 76310001000X1000010000DE0.776 8640.572 3470.499 1490.111 7710.5 289 9221.03 81020002000X1000010000E0.788 3700.565 1880.414 7430.0 927 5290.433 3841.73 24110001000X1000010000F