《污染气象学》课件：第三章1

第三章大气扩散估算

第三章大气扩散估算§3.1大气扩散型与污染浓度分布

§3.2连续烟流高斯扩散模式§3.3模式计算参数

§3.4其它非扩散过程──干湿沉积和化学转化影响

§3.5特殊气象条件下的扩散计算期中测验§3.1大气扩散型与污染浓度分布

一、大气扩散型二、污染浓度分布§3.2连续烟流高斯扩散模式

一、有界条件下的基本扩散公式二、常用大气扩散模式高架连续点源地面浓度公式；高架连续点源地面轴线浓度公式；地面源轴线浓度公式；横向积分浓度；高架源地面最大浓度及出现距离；最高地面浓度与临界风速；长期平均浓度三、扩散公式总结练习作业二

实际生活中大气污染例子§3.1大气扩散型与污染浓度分布阳成电厂中国惠州大亚湾2006年2月10日――中海壳牌石油化工有限公司（中海壳牌）宣布，继调试和开车活动结束之后，位于中国广东省惠州大亚湾的石化联合工厂于2006年1月29日成功产出合格乙烯和丙烯。

日本东北部福岛第一核电站1号机组冒出白烟。东京电力公司2011年3月12日说,当天下午福岛第一核电站1号机组内传出爆炸声并冒出白烟,事故导致4人受伤,初步认定为冷却用氢气爆炸。新华社/路透

一、大气扩散型Inversion通常大气对流层内的气温是随高度呈递减速关系。但是在某些特殊条件下，如在空气下沉、辐射冷却、空中热气流流向地面、近地层扰动等因素的影响下，高层气温反而高于低层气温，这种现象称为逆温。逆温的类型有辐射逆温、下沉逆温、湍流逆温、平流逆温和锋面逆温。出现逆温现象的一层气体，称为逆温层。

在逆温层内，空气密度随高度增加而迅速减小。逆温层的物理特征是气体状态稳定，对气体上下对流过程有抑制作用。对流层内的逆温层高度通常在100-200米上下。

由于逆温层对空气对流有强烈的抑制作用，所以极其不利于大气污染物的扩散。由于大量气溶胶粒子和水汽积聚在逆温层下面，因此近地面层极易形成烟雾。LapseRateHowtemperaturechangeswithheightFactorsContributingtoAirPollutionTEMPERATUREStrong

LapseCondition

DryAdiabaticLapseRateLoopingHEIGHTWIND1、波浪型（链条型）

WeakLapseConditionDryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDFactorsContributingtoAir

PollutionConingWIND2、锥型FactorsContributingtoAirPollution

InversionCondition

DryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDFanning3、扇型（平展型）FactorsContributingtoAirPollution

InversionBelowDryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDLofting4、屋脊型FactorsContributingtoAirPollution

InversionAboveDryAdiabaticLapseRateHEIGHTTEMPERATUREWINDFumigationorTrapping5、熏烟型（漫烟型）各种温度层结时的烟流扩散形态1、扇型（平展型）晴朗小风夜间2、锥型阴天多云，风速大3、波浪型（链条型）晴天午后，小风4、熏烟型（漫烟型）日出后5、屋脊型日落后根据烟形判断大气稳定度大气稳定度对烟流扩散有很大的影响，不同稳定度导致从烟囱排出的烟羽形状不同。五种典型烟流：

漫烟型、熏烟型波浪型锥型爬升型、屋脊型平展型

rdr稳定，晴夜、早晨TZZT

r下部不稳定，上部稳定，早8-10点，污染重，危害大rdr不稳定rdr中性稳定rdr下部稳定，上部不稳定，污染小rd1、源污染物排放口形式：点、线、面、体污染物排放方式：瞬时、连续、间歇污染物排放高度：高架、地面污染物排放位置：固定、移动、无组织排放二、污染浓度分布PointversusNon-PointSourcesPointNon-PointBigBendUtilityPlantStacks(9)BigBendUtilityPlantSolidsTransfer(9)污染物排放口形式：点、线、面、体ReleaseGeometryPointAreaLineVolumeInstantaneousversusSteady-StateEmissionsInstantaneousSteady-stateReutersphotofromaPakistannucleartestsite(17)PowerplantplumeasitcrossesPugetSound(13)污染物排放方式：瞬时、连续、间歇污染物排放高度：高架、地面StationaryversusMobileSourcesStationary(10)Mobile(11)污染物排放位置：固定、移动、无组织排放1、源污染物排放口形式：点、线、面、体污染物排放方式：瞬时、连续、间歇污染物排放高度：高架、地面污染物排放位置：固定、移动、无组织排放实际经验中：点：烟囱瞬时：爆炸线：公路、飞机、排气窗连续：烟囱、电厂面：城市间歇：工艺流程体：爆炸2、源强表示：源强Q：连续源：点：g/s、公斤/小时。线：g/(s·m)。面：g/(s·m2)、公斤(小时·公里2)。瞬时源：克、公斤。mg空气质量标准mg/m3μg空气质量标准μ

g/m33、浓度有两种表示法：①质量浓度：单位体积空气中包含污染物的质量。

mg/m3,μg/m3②体积浓度：单位体积空气中污染物所占体积。

ppm,ppb,ppt两种单位转换关系：例如，臭氧O3,分子量48，则1ppm=48/22.4=2.14mg/m3

二级标准0.20mg/m3

为0.2*22.4/48=0.93ppmX=M×C/22.4

C=22.4X/M式中：X—污染物以每标立方米的毫克数表示的浓度值；

C—污染物以ppm表示的浓度值；

M—污染物的分子量。由上式可得到如下关系：

1ppm=M/22.4mg/m3,1mg/m3=22.4/Mppm4、浓度分布：§3.2连续烟流高斯扩散模式

一、有界条件下的基本扩散公式二、常用大气扩散模式三、扩散公式总结一、有界条件下的基本扩散公式

梯度理论导出的有风连续点源在无界情形下的扩散公式：

实际排放源位于地面或接近地面的大气边界层内由于地面存在,扩散是有界的,

实际计算必须考虑地面的影响。有界情形点源烟流扩散坐标系：坐标原点O，烟囱底部X轴，平均风方向Y轴，横风风向Z轴，垂直于oxy平面，指向天顶，取右手坐标系。烟流中心线在oxy平面的投影与x轴重合。

考虑地面全反射，可用像源法处理。

图中P（x，z）点的浓度可以认为是两部分贡献之和：

q=q实+q虚(3.1)

它们相当于在地面（z=0）坐标系里，位在（0，0，H）位置实源的贡献和位在（0，0，-H）位置像源的贡献。实源贡献q实：P点（x,z）点在以在以实源为原点的坐标系中的垂直向坐标应由以地面为原点的z坐标变换为（Z-H）。于是（3.2）像源贡献q像：像源在P点（x,z）点的浓度贡献相当于实源在图中P’（x,-z）点所贡献的浓度。P’点偏离实源烟流浓度分布中心线的距离为-（z+H）。已采用坐标变换法，由于x轴取为像源的烟流浓度分布中心线上，所以相当于z作坐标变换为(z+H)。(3.3)此式即为有界情形高架连续点源的高斯模式或烟流模式。单位：有效源高H－m

，它包含烟囱高度hs和烟流的抬升高度Δh。横向、铅直向扩散参数σy、σz－m此式即为有界情形高架连续点源的高斯模式或烟流模式。①上式为(x,y,z)的函数②上式为长时间平均浓度③均匀场讨论二、几种常用空气污染浓度估算公式

（常用大气扩散模式）1、高架连续点源地面浓度公式：2、高架连续点源地面轴线浓度公式：3、地面源轴线浓度公式：由此可见(3.5)式的物理意义为：高架源、地面源的地面轴线浓度4、横向积分浓度qcwI：指下风距离为x的地面浓度公式，沿y向各处浓度的总和。

量纲为(mg/m2)；常用上式求σz，实测得qcwI，Q，u，H后可求σz。5、高架源地面最大浓度及出现距离(3.9)(3.10)教材:假定，令σy和σz之比为常数，若令

且p=g，代入（3.6）有p59

高架源地面最大浓度及出现距离是最常用的公式，其作用：1.计算源的地面最大浓度和出现位置；2.计算最大允许排放量；3.设计烟囱高度。6、最高地面浓度与临界风速由上式清楚可见，有效源高H和平均风速的作用。在某一风速下会出现地面最大浓度的极大值，称为地面绝对最大浓度[qmax]abs，对应风速值称为临界风速uc，有时亦称为危险风速。7、长期平均浓度：在较长的时段内（年、季、月），不能直接用前面的扩散公式来计算。若：365天24小时算出再平均→笨用一种稳定度得一年平均风速→不科学有两种算法：Ⅰ联合频率法Ⅱ简单的扇型法Ⅰ联合频率法：长期平均浓度应按每一种风向、风速和大气稳定度的频率加权平均，此时浓度公式为：式中：①i，j，k为风向、风速和稳定度等级的下标②qijk为在每一个给定风向、风速和稳定度的浓度，可取相应的高斯扩散公式计算③fijk为风向、风速、大气稳定度的相对联合频率，即：

风向、风速、稳定度的联合频率表

Ⅱ简单的扇型法：气象部门提供的风向资料是按16个方位给出的，每一个方位相当于一个22.5度的扇形。假定：1.长时间内，同一扇形内各个角度有相同的风向频率。2.当吹某一扇形风时，全部污染物都集中在这个扇形内，扇形以外浓度为0。则在下风距离为x处的扇面宽度（AB弧长）为：相应的平均浓度为：上式相当于某一风向仅影响下风向接收点，如S风只影响到源的N方向的接收点。某风向下长期平均浓度为：三、扩散公式总结基本公式——有界条件下高架源烟流模式：