第五章 大气扩散参数

1、第五章第五章 大气扩散参数大气扩散参数 1 y z 基本高斯扩散公式中，欲计算得出污染物浓度 及其分布则必须知道源强Q，平均风速 ，有效 源高H和大气扩散参数 ，Q, u往往是通过测 量获得或者由工程设计给出。于是，问题归之于 如何给出有效源高有效源高和大气扩散参数大气扩散参数。 2 u zy , 大气扩散参数与稳定度、地形、地面粗糙度等 有关。 222 222 ()() ( , ,)exp() expexp 2222 yzzyz QyzHzH q x y z u ；H 3 高斯扩散公式中，风速不太小（1-2m/s）， x向湍流扩散可忽略不计，仅考虑y向和z向。 和 在扩散计算中有两层作用，

2、一:通过指数项影响浓度呈高斯分布的形态 二：在一定的源强和风速下， ， 它们的乘积与造 成的浓度呈反比关系。 y z y z 早期大气扩散参数处理早期大气扩散参数处理 稳定度扩散级别与扩散曲线法稳定度扩散级别与扩散曲线法 扩散曲线讨论扩散曲线讨论 风向脉动与扩散函数法风向脉动与扩散函数法 扩散参数的研究现状扩散参数的研究现状 4 主要内容主要内容 一 早期的扩散参数模式 1.萨顿模式萨顿模式 格雷厄姆格雷厄姆萨顿（萨顿（Graham Sutton)，英国气象学家。，英国气象学家。 1903年年2月月4日生于克温坎日生于克温坎，毕业于威尔士大学、阿伯里斯威恩大学和牛津大学。毕业于威尔士大学、阿伯

3、里斯威恩大学和牛津大学。19261928 年在威尔士大学、阿伯里斯威恩大学任讲师。年在威尔士大学、阿伯里斯威恩大学任讲师。 19281941年任助理教授。第二次世界大战期间从事国防科研工作。年任助理教授。第二次世界大战期间从事国防科研工作。 19421943年任英国国防部防化实验所所长。年任英国国防部防化实验所所长。 19431945年任坦克实验所所长。年任坦克实验所所长。 19451947年任英国雷达研究发展中心主任。年任英国雷达研究发展中心主任。 19501955年任英国大气污染研究委员会主席。年任英国大气污染研究委员会主席。1951年任英国陆军部科学顾问。年任英国陆军部科学顾问。 195

4、21953年任英国皇家军事科学院教务长。年任英国皇家军事科学院教务长。1953年任皇家气象学会主席。年任皇家气象学会主席。 19531956年任世界气象组织常务理事。年任世界气象组织常务理事。 19601966年任英国大地测量及地球物理学全国委员会主席。年任英国大地测量及地球物理学全国委员会主席。 19651971年任英国自然环境研究委员会主席。年任英国自然环境研究委员会主席。 在自然环境和气象研究方面取得了许多成果。曾获世界气象组织颁发的奖金。著作：在自然环境和气象研究方面取得了许多成果。曾获世界气象组织颁发的奖金。著作：大大 气湍流气湍流（Atmos-pheric turbulence，1

5、948）；）；微气象学微气象学（Micrometeoro-logy，1953） 5 具体步骤：具体步骤： 1 找出泰勒公式中的找出泰勒公式中的拉格朗日相关系数拉格朗日相关系数的具体形式，即的具体形式，即 寻找它与某些可测气象参量的关系，代入泰勒公式求寻找它与某些可测气象参量的关系，代入泰勒公式求 扩散参数。扩散参数。 2 将扩散参数代入基本高斯扩散，得到萨顿扩散公式。将扩散参数代入基本高斯扩散，得到萨顿扩散公式。 222 00 ( )2( ) Tt yL y TvRd dt 6 3 基于简单物理考虑，认为拉格朗日相关系数与湍流特征基于简单物理考虑，认为拉格朗日相关系数与湍流特征 量（量（ ），

6、宏观黏滞度），宏观黏滞度（N=u*Z0），时间间隔时间间隔 相关，并通过量纲分析得到所有量的组合。相关，并通过量纲分析得到所有量的组合。 * 0 Nu z 7 以以y向为例向为例： 2 ( )() L N Rf v 2 ( )()n L N R Nv n为由风速梯度观测确定的实验常数，为由风速梯度观测确定的实验常数， m为风速廓线幂指数。为风速廓线幂指数。 2 1 m n m 222 ,wvu 由由 的性质，的性质， 可得：可得： ( ) L R (0)1,( )0 LL RR m z z uu 1 1 一般中性m1/4； 稳定m 1/4； 不稳定m1000 2.10881 0.000212

7、500 0.91437 0.281846 01000 0.941015 0.12719 0500 B 0.865014 0.396353 1000 1.09356 0.057025 500 0.919325 0.2295 01000 0.941015 0.114682 0500 BC 0.875086 0.314238 1000 1.0077 0.075718 500 1 2 27 1 1 x y 2 2 x z 稳定度等 级 （P S） 1 下风距离， m 2 下风距离，m 1 2 0.924279 0.177154 01000 0.917595 0.106803 C 0.885157 0.

8、232123 1000 0.926849 0.14394 01000 0.838628 0.126152 02000 0.88694 0.189396 1000 0.75641 0.235667 200010000 CD 0.815575 0.136659 10000 0.929481 0.110726 01000 0.826212 0.104634 11000 0.632023 0.400167 100010000 D 0.888723 0.146669 1000 0.55536 0.810763 10000 0.925118 0.0985631 01000 o.776864 0.10463

9、4 02000 0.892794 0.124308 1000 0.572347 0.400167 200010000 DE 0.499149 1.0381 10000 0.920818 0.086001 01000 0.78837 0.092753 01000 0.896864 0.124308 1000 0.565188 0.433384 100010000 E 0.414743 1.73241 10000 0.929481 0.0553634 01000 0.7844 0.062077 01000 0.525969 0.370015 100010000 F 0.888723 0.07334

10、8 1000 0.322659 2.40691 10000 平原地区和城市远郊区，平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定向不稳定 方向提半级方向提半级 工业区和城市中心区，工业区和城市中心区，C提至提至B级，级，D、 E、 F向不稳定方向提一级向不稳定方向提一级 丘陵山区的农村或城市，同工业区丘陵山区的农村或城市，同工业区 28 中国国家标准规定的方法中国国家标准规定的方法 不仅将稳定度扩散级别内插分析，还规定对不同下不仅将稳定度扩散级别内插分析，还规定对不同下 垫面运用时，确定扩散参数应参考以下意见：垫面运用时，确定扩散参数应参考以下意见： 2 不同稳定度分类方法不同稳定度分类方法 克服宏

11、观资料判定稳定度的局限克服宏观资料判定稳定度的局限 （1）风向脉动标准差（）风向脉动标准差（EPA，1990） 29 30 对不稳定类对不稳定类A, B， C, 随风速增加向随风速增加向 中性类移；中性类移； 对稳定类对稳定类E, F, 随随 风速增加向中性风速增加向中性 类移；类移； 31 以风速做细致调整，观测数据在粗糙度以风速做细致调整，观测数据在粗糙度z0=15cm， 10m高度处测量得到。采样时间为高度处测量得到。采样时间为15min。 如果风向发生转折，为了尽量减小风向转折的影响，如果风向发生转折，为了尽量减小风向转折的影响， 应该将长时间段分成小段进行计算，例如将应该将长时间段分

12、成小段进行计算，例如将60min的的 时间划分为时间划分为15min一段，最终小时量值：一段，最终小时量值： 2222 15151515 60 4 32 （2）与温度递减率有关方法）与温度递减率有关方法 以温度递减率，即以两层（以温度递减率，即以两层（10m、60m） 的垂直温度梯度来表征水平和垂直向的湍的垂直温度梯度来表征水平和垂直向的湍 流状况。流状况。国际原子能机构国际原子能机构(1980)推荐推荐 33 对稳定大气状况可靠，而对不稳定状况或高架源排放对稳定大气状况可靠，而对不稳定状况或高架源排放 的情形不很可靠。风速很低、层结稳定，烟流弯曲时，的情形不很可靠。风速很低、层结稳定，烟流弯

13、曲时， 对水平扩散参数的估算会过低，这时宜用水平风向脉对水平扩散参数的估算会过低，这时宜用水平风向脉 动标准差方法。动标准差方法。 以温度递减率和风速相结合（同时考虑以温度递减率和风速相结合（同时考虑 支配湍流活动的机械和热力因子）支配湍流活动的机械和热力因子） 34 分别以温度梯度和分别以温度梯度和 表征湍流的垂直表征湍流的垂直 和水平运动和水平运动 以总体理查孙数的方法计算划分稳定度以总体理查孙数的方法计算划分稳定度 A 35 25 ()10 Bf Riu z 取烟流中心线处 EPA(1990)推荐在缺乏云量和云高资料时，采用表 3.18替换原P-G-T方法 36 2021-6-23南京信

14、息工程大学 LAPE37 2 z u z g Ri 2u z T g Ri 梯度理查逊数Ri 近地层中 2 2 2 2 u z T g R Bi 总体理查逊数RiB M-O长度： T p gH TCu L 3 * z/L： 3 * uCp zH T g L z T 湍能消耗率 湍能供给率 临界理查逊数Ric0.25 （3）边界层湍流参量法）边界层湍流参量法 38 注意： 除了使用公认的已有统一规范的方案，例除了使用公认的已有统一规范的方案，例 如如P-G-TP-G-T方案，国家标准给出的修改方案，方案，国家标准给出的修改方案， 采用其他任何方案都应当验证其可行性，采用其他任何方案都应当验证其可

15、行性， 提供充分的实验依据和例证，必要时还应提供充分的实验依据和例证，必要时还应 做专门的论证做专门的论证 39 3 不同源高和不同下垫面的应用 P-G扩散曲线实验依据：平坦理想条件，大扩散曲线实验依据：平坦理想条件，大 量低矮源扩散试验。量低矮源扩散试验。 就不同源高的应用，有两方面问题：一是就不同源高的应用，有两方面问题：一是 使用不同的稳定度判据划分稳定度类，不使用不同的稳定度判据划分稳定度类，不 同高度层有不同的频率分布；同高度层有不同的频率分布； 另另是对于不同的源根据相应实验基础得是对于不同的源根据相应实验基础得 出的扩散曲线均有差异。出的扩散曲线均有差异。 40 2021-6-2

16、3南京信息工程大学 LAPE41 就不同下垫面粗糙条件的应用，问题比较复杂。因为不仅是 PG扩散曲线法的原方案，就是各种修改与完善的方法其实 验基础亦都是建立在下垫面平坦开阔，地面粗糙度很小的理想 情形下的。但是，实际应用中遇到的大量课题则多半是不同的 粗糙下垫面条件下运用的扩散参数，在大量实验基础上，对 PG方案作出合理的修正与补充则是十分必要的。 一种做法就是像本节在国家标准GBT1320191中的推荐方 案，即对不同粗糙面如城市、丘陵山区或平原、城郊和工业区 等确定稳定度扩散级别时，根据不同情况作提级处理。这种做 法虽然具有较强的经验性，但是，只要有比较周密的浓度分布 资料作细致检验，然

17、后作实验性调整，往往就能取得令人满意 的效果。 实用中，复杂地形条件下使用稳定度扩散级别方法确定扩散参 数，是相当困难的。其y、 z量值比PG曲线预计的可大到 210倍。最好应作实地y、 z这类特征量观测。 4 扩散曲线法的内插完善 Briggs，1974内插完善内插完善 PG扩散曲线，BNL扩散曲线和TVA扩散曲线 等都具有各自的持性。Briggs分析这些曲线在不 同距离的特性，将其结合一起，提出了一套内插 公式。这套公式适用于开阔乡间条件，用来计算 地面浓度，尤其是对高架源烟流排放造成的最大 浓度计算用。公式反映了在各类稳定度情况下， 初期烟流的扩散速率与下风距离x成比例，至较 远距离后，

18、则与x1/2成比例。这与扩散理论的推 断结论是一致的 42 四四 风向脉动和扩散函数法风向脉动和扩散函数法 扩散曲线法试验基础存在较大的经验性， 方案结果有许多不确定性 仅以宏观气象状况为判据，在稳定度级 别和湍流特性之间缺少清晰关系 目前重要发展是扩散参数扩散参数与风向脉动风向脉动标标 准差准差之间的联系 43 (1)方法原理方法原理 按照湍流扩散理论，在均匀定常条件下，粒按照湍流扩散理论，在均匀定常条件下，粒 子位移的总体平均由泰勒公式表示。子位移的总体平均由泰勒公式表示。 44 22 , 00 2( , )( ) Tt y zL v wRd dt 由泰勒公式可得由泰勒公式可得 45 ,

19、() y zv wy z L T Tf t 为拉格朗日时间尺度为拉格朗日时间尺度 L t 0 ( ) L tRd f为普适函数，扩散参数，函数形式随为普适函数，扩散参数，函数形式随源高源高和和 稳定度稳定度变化，由小角度近似可得变化，由小角度近似可得 vA wE Tx Tx 46 和 分别为风向方位角和高度角脉动标准差。 由此可知，在具备湍流量 和 的观测资料的情况下， 只要知道扩散函数形式，并正确估算湍流时间尺度的 方法，就可以求出扩散参数。 特点：1：方法原理与湍流统计理论基础一致。 2：舍弃分离的稳定度级别，采用连续性稳定度， 接近实际。 3：考虑源高影响，认为是稳定度状况函数。 4：使用方便，可用于多种情况。 A E A E Pasquill (1976)给出试验资料所得的给出试验资料所得的f(x)数据数据 L y L y LL L v y t u x f t T f t T t