《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散

第四章

平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散

1《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024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；

τ——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《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/20242、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成反比。3《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024zyxUO2m/szyxUO5m/s4《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024

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5《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/20240

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

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6《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024q0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)；

σy為粒子散布的標(biāo)準(zhǔn)差。

或

7《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/20245、橫風(fēng)向擴(kuò)散參數(shù)σy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)稱時(shí)，。8《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024作業(yè)：某兩次示蹤劑野外擴(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)σy.y2(m)-10-5051015C2(μg/m3)420302150y1(m)0±50±100±150±200±250C1(μg/m3)200180120501009《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024式中：y邊——煙流半寬度；

2y邊——煙流云寬度，簡(jiǎn)稱“云寬”。7、垂直向擴(kuò)散參數(shù)σz

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濃度的1/10處，即認(rèn)為到達(dá)煙流邊界。8、σy、σz的討論反映了大氣的擴(kuò)散能力隨著下風(fēng)向距離x↗，σy↗，σz↗不穩(wěn)定條件下，σ大；穩(wěn)定時(shí)，σ小q00yy邊q邊q0/102y邊10《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024三、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；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11《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024

污染物平均濃度隨采樣時(shí)間延長(zhǎng)而降低的這一特性，稱為時(shí)間稀釋作用，可表示為：式中：C1、C2——分別對(duì)應(yīng)于τ1和τ2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)σy隨取樣時(shí)間而增大。因此，需根據(jù)擴(kuò)散時(shí)間對(duì)σy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10～20s以后，σz不再隨取樣時(shí)間而增大。12《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024q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：τ=0.5～1hr，q＝0.2

τ=

1～100hr，q＝0.3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。13《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024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：①

污染物是被動(dòng)的，進(jìn)入大氣后即跟隨周圍的空氣作相同的運(yùn)動(dòng)；②

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；③

流場(chǎng)（風(fēng)速）均勻、穩(wěn)定；④

源強(qiáng)連續(xù)均勻；⑤

y、z方向?yàn)檎龖B(tài)分布。實(shí)際大氣中不滿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。

14《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024某鎳銅礦正在排放廢氣的煙囪

15《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024一、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。

16《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024（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Oyxu17《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024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18《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/20242、有界情形注意：原點(diǎn)取在污染源在地面的鉛直投影點(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H像源的煙云軸線像源法處理示意圖

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。

19《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024P點(diǎn)的濃度可視為兩部分貢獻(xiàn)之和：①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②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：

20《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024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

21《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/20243、地面軸線濃度

0CxCmXm-yσy地面軸線濃度隨下風(fēng)向距離x的變化

地面源的地面濃度：

22《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024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NL23《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/20244、地面最大濃度及其出現(xiàn)距離利用地面軸線濃度公式求極值，可導(dǎo)出地面最大濃度值。出現(xiàn)地面最大濃度時(shí)，必須滿足：

24《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024實(shí)際可用近似式計(jì)算：在xm處滿足：

5、地面橫風(fēng)向積分濃度CCWI

對(duì)于高架點(diǎn)源：

利用地面濃度觀測(cè)資料求得CCWI，并可推算難以直接測(cè)量的σz。

——第i點(diǎn)所代表的對(duì)應(yīng)于濃度Ci的y向長(zhǎng)度，m.25《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024Gauss模式的適用條件：下墊面平坦開(kāi)闊，性質(zhì)均勻擴(kuò)散物質(zhì)隨周圍空氣被動(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＞1～2m/s的有風(fēng)情形26《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024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27《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024求得多組擴(kuò)散參數(shù)后，按最小二乘法進(jìn)行線性擬合：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)粒子隨著風(fēng)和湍流運(yùn)動(dòng)，用雙經(jīng)緯儀觀測(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)?；驹恚涸从赥aylor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。28《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024二、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）

P－G法（P－G擴(kuò)散曲線法）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x～σy（x～σz）曲線，分別對(duì)應(yīng)于6個(gè)穩(wěn)定度29《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024

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)定度級(jí)別劃分穩(wěn)定度級(jí)別劃分表（參考）30《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024利用擴(kuò)散曲線確定

和帕斯奎爾曲線法的缺點(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)）31《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024P－G擴(kuò)散曲線（英國(guó)倫敦氣象局）32《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024（二）中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法（“修訂Pasquill分類法”）《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)定度的求取（1）太陽(yáng)高度角

h⊙

Turner（1961）太陽(yáng)光線與地平面的交角。φ

——地理緯度；上海φ

＝31.3°δ——太陽(yáng)傾角，又稱“赤緯”ω——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⊙：33《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/202434《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024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+19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δ的概略值

太陽(yáng)傾角δ的確定可由下表查取其概略值：

特殊日期的δ值：春分日或秋分日：δ＝0°

夏至日：δ＝23.5°（23.5°N）冬至日：δ＝-23.5°（23.5°S）35《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024或通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算獲取太陽(yáng)傾角δ：

θ0——360dn/365，deg；

dn——一年中日期序數(shù)，1，2，3，…365.

時(shí)角ω的確定

t——地方時(shí)λ——經(jīng)度，上海121°26’E故有36《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024云層的存在可以減小氣溫隨高度的變化，使大氣一般處于中性狀態(tài)；我國(guó)云量觀測(cè)：全天空十分制我國(guó)無(wú)云高觀測(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h⊙h⊙≤15°15°＜h⊙≤35°35°＜h⊙≤65°h⊙＞65°≤4∕≤4－2－1＋1＋2＋35－7∕≤4－10＋1＋2＋3≥8∕≤4－100＋1＋1≥5∕5～70000＋1≥8∕≥80000037《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024卷云卷積云高云族38《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024中云族高積云高層云39《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024低云族層積云層云雨層云40《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024表4-4大氣穩(wěn)定度的等級(jí)地面風(fēng)速u10(m/s)太陽(yáng)輻射等級(jí)R＋3＋2＋10－1－2≤1.9AABBDEF2～2.9ABBCDEF3～4.9BBCCDDE5～5.9CCDDDDD≥6DDDDDD注：地面風(fēng)速u10(m/s)系指離地面10m高度處10min平均風(fēng)速。（3）R＋u10

穩(wěn)定度41《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/20242、σy、σz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

1

1下風(fēng)距離（m）A0.9010740.8509340.4258090.602052≤1000＞1000B0.9143700.8650140.2818460.396353≤1000＞1000B～C0.9193250.8750860.2295000.314238≤1000＞1000C0.9242790.8851570.1771540.232123≤1000＞1000C～D0.9268490.8869400.1439400.189396≤1000＞1000D0.9294180.8887230.1107260.146669≤1000＞1000D～E0.9251180.8927940.09856310.124308≤1000＞1000E0.9208180.8968640.08640010.101947≤1000＞1000F0.9294180.8887230.05536340.0733348≤1000＞100042《大氣環(huán)境學(xué)》平原地區(qū)的大氣擴(kuò)散5/9/2024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

2

2下風(fēng)距離（m）A1.121541.513602.108810.07999040.008547710.000211545≤300300＜X≤500＞500B0.9644351.093560.1271900.057025≤500＞500B～C0.9410151.007700.1146820.0