《污染氣象學(xué)》課件：第三章1

第三章大氣擴(kuò)散估算

第三章大氣擴(kuò)散估算§3.1大氣擴(kuò)散型與污染濃度分布

§3.2連續(xù)煙流高斯擴(kuò)散模式§3.3模式計(jì)算參數(shù)

§3.4其它非擴(kuò)散過(guò)程──干濕沉積和化學(xué)轉(zhuǎn)化影響

§3.5特殊氣象條件下的擴(kuò)散計(jì)算期中測(cè)驗(yàn)§3.1大氣擴(kuò)散型與污染濃度分布

一、大氣擴(kuò)散型二、污染濃度分布§3.2連續(xù)煙流高斯擴(kuò)散模式

一、有界條件下的基本擴(kuò)散公式二、常用大氣擴(kuò)散模式高架連續(xù)點(diǎn)源地面濃度公式；高架連續(xù)點(diǎn)源地面軸線濃度公式；地面源軸線濃度公式；橫向積分濃度；高架源地面最大濃度及出現(xiàn)距離；最高地面濃度與臨界風(fēng)速；長(zhǎng)期平均濃度三、擴(kuò)散公式總結(jié)練習(xí)作業(yè)二

實(shí)際生活中大氣污染例子§3.1大氣擴(kuò)散型與污染濃度分布陽(yáng)成電廠中國(guó)惠州大亞灣2006年2月10日――中海殼牌石油化工有限公司（中海殼牌）宣布，繼調(diào)試和開(kāi)車(chē)活動(dòng)結(jié)束之后，位于中國(guó)廣東省惠州大亞灣的石化聯(lián)合工廠于2006年1月29日成功產(chǎn)出合格乙烯和丙烯。

日本東北部福島第一核電站1號(hào)機(jī)組冒出白煙。東京電力公司2011年3月12日說(shuō),當(dāng)天下午福島第一核電站1號(hào)機(jī)組內(nèi)傳出爆炸聲并冒出白煙,事故導(dǎo)致4人受傷,初步認(rèn)定為冷卻用氫氣爆炸。新華社/路透

一、大氣擴(kuò)散型Inversion通常大氣對(duì)流層內(nèi)的氣溫是隨高度呈遞減速關(guān)系。但是在某些特殊條件下，如在空氣下沉、輻射冷卻、空中熱氣流流向地面、近地層擾動(dòng)等因素的影響下，高層氣溫反而高于低層氣溫，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆溫。逆溫的類(lèi)型有輻射逆溫、下沉逆溫、湍流逆溫、平流逆溫和鋒面逆溫。出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象的一層氣體，稱(chēng)為逆溫層。

在逆溫層內(nèi)，空氣密度隨高度增加而迅速減小。逆溫層的物理特征是氣體狀態(tài)穩(wěn)定，對(duì)氣體上下對(duì)流過(guò)程有抑制作用。對(duì)流層內(nèi)的逆溫層高度通常在100-200米上下。

由于逆溫層對(duì)空氣對(duì)流有強(qiáng)烈的抑制作用，所以極其不利于大氣污染物的擴(kuò)散。由于大量氣溶膠粒子和水汽積聚在逆溫層下面，因此近地面層極易形成煙霧。LapseRateHowtemperaturechangeswithheightFactorsContributingtoAirPollutionTEMPERATUREStrong

LapseCondition

DryAdiabaticLapseRateLoopingHEIGHTWIND1、波浪型（鏈條型）

WeakLapseConditionDryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDFactorsContributingtoAir

PollutionConingWIND2、錐型FactorsContributingtoAirPollution

InversionCondition

DryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDFanning3、扇型（平展型）FactorsContributingtoAirPollution

InversionBelowDryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDLofting4、屋脊型FactorsContributingtoAirPollution

InversionAboveDryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDFumigationorTrapping5、熏煙型（漫煙型）各種溫度層結(jié)時(shí)的煙流擴(kuò)散形態(tài)1、扇型（平展型）晴朗小風(fēng)夜間2、錐型陰天多云，風(fēng)速大3、波浪型（鏈條型）晴天午后，小風(fēng)4、熏煙型（漫煙型）日出后5、屋脊型日落后根據(jù)煙形判斷大氣穩(wěn)定度大氣穩(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。五種典型煙流：

漫煙型、熏煙型波浪型錐型爬升型、屋脊型平展型

rdr穩(wěn)定，晴夜、早晨TZZT

r下部不穩(wěn)定，上部穩(wěn)定，早8-10點(diǎn)，污染重，危害大rdr不穩(wěn)定rdr中性穩(wěn)定rdr下部穩(wěn)定，上部不穩(wěn)定，污染小rd1、源污染物排放口形式：點(diǎn)、線、面、體污染物排放方式：瞬時(shí)、連續(xù)、間歇污染物排放高度：高架、地面污染物排放位置：固定、移動(dòng)、無(wú)組織排放二、污染濃度分布PointversusNon-PointSourcesPointNon-PointBigBendUtilityPlantStacks(9)BigBendUtilityPlantSolidsTransfer(9)污染物排放口形式：點(diǎn)、線、面、體ReleaseGeometryPointAreaLineVolumeInstantaneousversusSteady-StateEmissionsInstantaneousSteady-stateReutersphotofromaPakistannucleartestsite(17)PowerplantplumeasitcrossesPugetSound(13)污染物排放方式：瞬時(shí)、連續(xù)、間歇污染物排放高度：高架、地面StationaryversusMobileSourcesStationary(10)Mobile(11)污染物排放位置：固定、移動(dòng)、無(wú)組織排放1、源污染物排放口形式：點(diǎn)、線、面、體污染物排放方式：瞬時(shí)、連續(xù)、間歇污染物排放高度：高架、地面污染物排放位置：固定、移動(dòng)、無(wú)組織排放實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中：點(diǎn)：煙囪瞬時(shí)：爆炸線：公路、飛機(jī)、排氣窗連續(xù)：煙囪、電廠面：城市間歇：工藝流程體：爆炸2、源強(qiáng)表示：源強(qiáng)Q：連續(xù)源：點(diǎn)：g/s、公斤/小時(shí)。線：g/(s·m)。面：g/(s·m2)、公斤(小時(shí)·公里2)。瞬時(shí)源：克、公斤。mg空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)mg/m3μg空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)μ

g/m33、濃度有兩種表示法：①質(zhì)量濃度：?jiǎn)挝惑w積空氣中包含污染物的質(zhì)量。

mg/m3,μg/m3②體積濃度：?jiǎn)挝惑w積空氣中污染物所占體積。

ppm,ppb,ppt兩種單位轉(zhuǎn)換關(guān)系：例如，臭氧O3,分子量48，則1ppm=48/22.4=2.14mg/m3

二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.20mg/m3

為0.2*22.4/48=0.93ppmX=M×C/22.4

C=22.4X/M式中：X—污染物以每標(biāo)立方米的毫克數(shù)表示的濃度值；

C—污染物以ppm表示的濃度值；

M—污染物的分子量。由上式可得到如下關(guān)系：

1ppm=M/22.4mg/m3,1mg/m3=22.4/Mppm4、濃度分布：§3.2連續(xù)煙流高斯擴(kuò)散模式

一、有界條件下的基本擴(kuò)散公式二、常用大氣擴(kuò)散模式三、擴(kuò)散公式總結(jié)一、有界條件下的基本擴(kuò)散公式

梯度理論導(dǎo)出的有風(fēng)連續(xù)點(diǎn)源在無(wú)界情形下的擴(kuò)散公式：

實(shí)際排放源位于地面或接近地面的大氣邊界層內(nèi)由于地面存在,擴(kuò)散是有界的,

實(shí)際計(jì)算必須考慮地面的影響。有界情形點(diǎn)源煙流擴(kuò)散坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)O，煙囪底部X軸，平均風(fēng)方向Y軸，橫風(fēng)風(fēng)向Z軸，垂直于oxy平面，指向天頂，取右手坐標(biāo)系。煙流中心線在oxy平面的投影與x軸重合。

考慮地面全反射，可用像源法處理。

圖中P（x，z）點(diǎn)的濃度可以認(rèn)為是兩部分貢獻(xiàn)之和：

q=q實(shí)+q虛(3.1)

它們相當(dāng)于在地面（z=0）坐標(biāo)系里，位在（0，0，H）位置實(shí)源的貢獻(xiàn)和位在（0，0，-H）位置像源的貢獻(xiàn)。實(shí)源貢獻(xiàn)q實(shí)：P點(diǎn)（x,z）點(diǎn)在以在以實(shí)源為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的垂直向坐標(biāo)應(yīng)由以地面為原點(diǎn)的z坐標(biāo)變換為（Z-H）。于是（3.2）像源貢獻(xiàn)q像：像源在P點(diǎn)（x,z）點(diǎn)的濃度貢獻(xiàn)相當(dāng)于實(shí)源在圖中P’（x,-z）點(diǎn)所貢獻(xiàn)的濃度。P’點(diǎn)偏離實(shí)源煙流濃度分布中心線的距離為-（z+H）。已采用坐標(biāo)變換法，由于x軸取為像源的煙流濃度分布中心線上，所以相當(dāng)于z作坐標(biāo)變換為(z+H)。(3.3)此式即為有界情形高架連續(xù)點(diǎn)源的高斯模式或煙流模式。單位：有效源高H－m

，它包含煙囪高度hs和煙流的抬升高度Δh。橫向、鉛直向擴(kuò)散參數(shù)σy、σz－m此式即為有界情形高架連續(xù)點(diǎn)源的高斯模式或煙流模式。①上式為(x,y,z)的函數(shù)②上式為長(zhǎng)時(shí)間平均濃度③均勻場(chǎng)討論二、幾種常用空氣污染濃度估算公式

（常用大氣擴(kuò)散模式）1、高架連續(xù)點(diǎn)源地面濃度公式：2、高架連續(xù)點(diǎn)源地面軸線濃度公式：3、地面源軸線濃度公式：由此可見(jiàn)(3.5)式的物理意義為：高架源、地面源的地面軸線濃度4、橫向積分濃度qcwI：指下風(fēng)距離為x的地面濃度公式，沿y向各處濃度的總和。

量綱為(mg/m2)；常用上式求σz，實(shí)測(cè)得qcwI，Q，u，H后可求σz。5、高架源地面最大濃度及出現(xiàn)距離(3.9)(3.10)教材:假定，令σy和σz之比為常數(shù)，若令

且p=g，代入（3.6）有p59

高架源地面最大濃度及出現(xiàn)距離是最常用的公式，其作用：1.計(jì)算源的地面最大濃度和出現(xiàn)位置；2.計(jì)算最大允許排放量；3.設(shè)計(jì)煙囪高度。6、最高地面濃度與臨界風(fēng)速由上式清楚可見(jiàn)，有效源高H和平均風(fēng)速的作用。在某一風(fēng)速下會(huì)出現(xiàn)地面最大濃度的極大值，稱(chēng)為地面絕對(duì)最大濃度[qmax]abs，對(duì)應(yīng)風(fēng)速值稱(chēng)為臨界風(fēng)速u(mài)c，有時(shí)亦稱(chēng)為危險(xiǎn)風(fēng)速。7、長(zhǎng)期平均濃度：在較長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)（年、季、月），不能直接用前面的擴(kuò)散公式來(lái)計(jì)算。若：365天24小時(shí)算出再平均→笨用一種穩(wěn)定度得一年平均風(fēng)速→不科學(xué)有兩種算法：Ⅰ聯(lián)合頻率法Ⅱ簡(jiǎn)單的扇型法Ⅰ聯(lián)合頻率法：長(zhǎng)期平均濃度應(yīng)按每一種風(fēng)向、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度的頻率加權(quán)平均，此時(shí)濃度公式為：式中：①i，j，k為風(fēng)向、風(fēng)速和穩(wěn)定度等級(jí)的下標(biāo)②qijk為在每一個(gè)給定風(fēng)向、風(fēng)速和穩(wěn)定度的濃度，可取相應(yīng)的高斯擴(kuò)散公式計(jì)算③fijk為風(fēng)向、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度的相對(duì)聯(lián)合頻率，即：

風(fēng)向、風(fēng)速、穩(wěn)定度的聯(lián)合頻率表

Ⅱ簡(jiǎn)單的扇型法：氣象部門(mén)提供的風(fēng)向資料是按16個(gè)方位給出的，每一個(gè)方位相當(dāng)于一個(gè)22.5度的扇形。假定：1.長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，同一扇形內(nèi)各個(gè)角度有相同的風(fēng)向頻率。2.當(dāng)吹某一扇形風(fēng)時(shí)，全部污染物都集中在這個(gè)扇形內(nèi)，扇形以外濃度為0。則在下風(fēng)距離為x處的扇面寬度（AB弧長(zhǎng)）為：相應(yīng)的平均濃度為：上式相當(dāng)于某一風(fēng)向僅影響下風(fēng)向接收點(diǎn)，如S風(fēng)只影響到源的N方向的接收點(diǎn)。某風(fēng)向下長(zhǎng)期平均濃度為：三、擴(kuò)散公式總結(jié)基本公式——有界條件下高架源煙流模式：