第三章3大气扩散参数

§3.3大气扩散参数问题1：扩散参数如何给出？问题2：有效源高如何给出？3.3.1早期的大气扩散参数处理模式3.3.1.1萨顿模式萨顿于1953年在泰勒公式基础上，建立了第一个实用的大气扩散模式：萨顿模式基本步骤：找出泰勒公式中拉格朗日相关系数的具体形式，亦即寻找它与某些可测气象参量间的联系，然后代入泰勒公式积分求算扩散参数；将扩散参数代入基本高斯扩散公式，得到萨顿扩散公式，得到著名的萨顿模式。萨顿公式萨顿扩散参数Cx,Cy萨顿模式萨顿模式基本思想：RL()量纲分析萨顿扩散参数：3.3.1.2直接测量湍流特征量的方法风向脉动标准差（H.E.Cramer,1957）10m风向脉动资料由Taylor公式，在近距离，运行时间不长，有：

当水平风向脉动摆角不大（<20o）,有：3.3.1.2直接测量湍流特征量的方法风向脉动标准差（H.E.Cramer,1957）Cramer模式的基本表达式可由双向风标直接观测得到采用水平风向摆动角的范围作为特征量，导出扩散参数，并以高架源（108m）扩散试验为依据，得出了相应的经验表达式和扩散曲线。见表3.2,p68以高架源扩散试验资料为依据，是早期首次提出的适合于高架源扩散计算的扩散曲线。BNL(M.E.Smith,1951)方法，或ASME方法Taylor公式的谱函数形式经过时间T后，在x轴向距离uT的位置上，y向扩散范围不仅与横向湍流强度有关，也与拉氏湍流谱有关。J.S.Hay和F.Pasquill方法（1959）粒子扩散是由不同频率的脉动速度引起的，高频脉动是小湍涡活动的结果，低频脉动是大湍涡活动的结果。扩散是各种不同尺度湍涡活动的结果。T足够小，脉动速度的频率n不可能很高，T小到一定程度后，总有：各种频率的速度分量都按其所具有的权重作用于粒子扩散任意T：频率高于1/T的湍涡（小湍涡）对扩散几乎没有贡献，低于0.1/T的湍涡（大湍涡）不受影响，按其自身的权重作用于扩散。介于两者之间的频率分量虽有贡献，但受到一定程度的削弱各种频率的速度分量都按其所具有的权重作用于粒子扩散T很大时，1/T很小，在构成v’的全部分量中，大都满足n>1/T，它们对扩散都不起作用，只有那些频率非常低的湍涡才对扩散有贡献上面的参量都是拉氏变量，按下列假定转化成欧拉形式的参量假设1：

只要观测v’的时间（取样时间）大于粒子运行时间的5倍，就可以用定点观测得到脉动速度方差的代替跟踪观测得到的脉动速度方差。假定2：拉氏自相关系数与欧拉自相关系数形式完全相同，仅在时间尺度上差了一个倍数。欧拉变数表示的湍流时间尺度较小，它的频率就高；欧拉谱向高频端有位移。得到Taylor公式的欧拉谱形式：下标表示取样时间，T/表示先对v’取T/时间的平均以后在计算方差。当扩散物质的运行时间T足够小，有：式（2.76）利用Cramer公式可得：p、v分别表示以角度（弧度）表示的横风向和垂直向浓度分布标准差。Hay和Pasquill模式扩散参数当已知平均风速和给定值的情况下，只要有风向脉动观测资料便可计算得到扩散参数。根据取样时间确定平均时间用不同的平均时间s1、s2,……sn

等对原始的风向脉动记录进行滑动平均，得到经过平滑的n个、风向变化序列s1、s2，……

sn；对上述风向变化序列，分别计算标准差，得到(A)s1、(A)s2,……(A)sn根据结果做(A)s-s曲线图根据图求出任意y的确定方法：1）根据定义2）由扩散参数的比求

原则上有的确定方法：3）利用经验关系求值值与大气稳定度有关，并与湍流强度成反比，值范围1~10。大气越稳定，湍流强度越小，值越大。中性层结取4。C为实验常数，0.35~0.80，早期常取0.44，近期则常取0.60。在大气扩散试验中，欧拉方式比较易于实现扩散分析中需要用到拉格朗日参量时，通过的联系实现两种参量的转换很有意义，这也是PG模式的重要贡献之一值的改变对扩散参数的响应并不十分明显适用于开阔平坦地形上的小尺度扩散问题，利用A

和E

计算扩散参数，精确度高。但对观测要求较高，计算量大。局限性：扩散物质运行时间足够小3.3.2稳定度扩散级别与扩散曲线法利用常规气象资料，对大气的扩散稀释能力判别出稳定度扩散级别（A到F：极不稳定—稳定）由大量扩散试验资料和理论分析给出6条扩散曲线，即扩散参数离源下风距离的变化曲线根据扩散曲线，可得到不同稳定度状况下，离源不同下风距离的扩散参数的量值扩散曲线法，亦简称P-G法或P-G-T法P-G-T方法的要点

首先根据云况、日射和地面风速，将大气扩散稀释能力划分为A-F的6个等级，然后根据扩散曲线读出不同下风向距离处的扩散参数。P-G-T方法的应用步骤根据气象观测资料划分稳定度扩散级别6个稳定度级别：A：极不稳定；B：中等不稳定；C：弱不稳定；D：中性；E：弱稳定；F：中等稳定；有时加G：极稳定A～B；B～C；C～D；D～E；E～F（取内插）表3.3Pasquill稳定度分级方法地面风速（m/s）日间日射强度夜间天空状况强中等弱薄云遮天或云量≤4/8云量≤3/8<2AA-BB

2-3A-BBCEF3-5BB-CCDE5-6CC-DDDD>6CDDDD日间或夜间的阴天条件为中性；夜间前后1小时，不论何种天空状况，也为中性。仲夏晴天中午为强日照，寒冬晴天中午为弱日照。Turner稳定度划分的基本步骤依据纬度和赤纬、时角定出太阳高度角hsinh=sinsin+coscoscos

其中时角=(t-12)15o

，t为地方时按太阳高度角确定日射强度和等级，见表3.5结合天空状况确定日射等级，见表3.6结合地面风速给出稳定度扩散级别，见表3.7表3.5由太阳高度角去等日射强度与等级太阳高度角>6035~6015~35<15日射强度强中等轻度微弱日射等级4321时间天空状况日射等级无论日间或夜间总云量10/10，而且云高<2000m0总云量≤4/10-2总云量>4/10-1日间h<15o115o<h<35o235o<h<60o3h>60o4云高为<2000m的低云量6~9，且：

h>60o1h≤60o0云高<2000米m的低云量>9，不论h0夜间表3.6日射等级确定规则地面风速日射等级43210-1-2<2AA~BBCDEF2~3A~BBCDDD~EE3~5BB~CCDDDD~E5~6CCDDDDD~E>6CDDDDDD表3.7Turner的稳定度分类方法P-G-T方法的应用步骤根据稳定度扩散级别和扩散曲线给出大气扩散参数，利用图3.10和表3.8Pasquill方法利用英国开阔平坦乡村地区气象观测资料，未考虑特殊的下垫面条件，也未能比较确切给出辐射状况，过于粗糙。在应用于城市下垫面时应做稳定度等级的订正。Turner的稳定度划分方法较为确切。只要有地面风速、云量、云高常规观测资料，就可以客观地定出稳定度级别。所以这种方法是实际工作中最常应用的方法。Pasquill和Turner稳定度计算方法，都是用宏观的气象资料间接地给出微观湍流特征。大气扩散速率最终取决于流场的湍流特性，用上述宏观的气象条件划分稳定度等级是一种间接方法。有时，大气宏观条件大致相同，但流场湍流特性会差别很大。因此用湍流场的特征量表征大气稳定度更为有效。a.常规气象资料表征稳定度太粗糙，没有考虑各种大、中尺度过程的影响，也没有考虑下垫面的影响。与其它稳定度分类法相比，差别较大。b.稳定度等级代表不同扩散速率的等级，扩散试验表明，使用定量的稳定度指标有时不能说明扩散速率的快慢。如风向发生缓慢偏转，显示有大尺度湍涡的作用，即使是逆温的情况也不例外。稳定度分类扩散曲线a.没有考虑地面粗糙度的影响，扩散曲线是依据十分平坦的观测资料得出的，对城市和其它粗糙地形的扩散速率估计过低。需进行订正。b.扩散曲线的取样时间为3分钟，一般短时间平均浓度需要的取样时间为30~60分钟，必须订正到相同的时间才可以应用。c.垂直扩散参数的曲线适用于地面源，不一定适用于高架源。P-G适用性

3.3.3扩散参数法的修改完善

3.3.3.1国家标准中的修改与应用

国家标准GB/T13201-91对P-G-T方法的主要修改：适应我国大量地面气象观测站无云高观测资料的情况，而仅以总云量和低云量来确定太阳辐射等级总云量和低云量+太阳高度角太阳辐射等级太阳辐射等级+地面风速大气稳定度（表3.10）将P-G-T方法中的图标曲线方式，修改为幂函数形式（表3.11）注意污染物扩散在铅直方向受地面限制，风向倾角变化范围较小，当取样时间超过几分钟后，铅直风向脉动范围变化不大，所以对铅直向扩散参数可以不做取样时间的订正。水平风向可在360o范围内改变，而表3.11中的扩散参数适用于采样时间为0.5小时的情形，如果采样时间大于或小于这个时段需进行订正。采样时间订正y2、y1分别为取样时间为2、1时的横风向扩散参数；q为时间稀释指数。采样时间订正1h<100hq=0.30.5<1q=0.2注意平原地区农村及城市远郊区的扩散参数选取，对A，B，C类可由表直接查算，对D，E，F类则需向不稳定方向提半级后查算工业区或城区中点源的扩散参数选取，A，B类不提级，C类升到B级，D，E和F类则向不稳定方向提一级后查算丘陵山区的农村或城市，其扩散参数选取原则同城市工业区下垫面调整，参考以下意见3.3.3.2其它稳定度分类方法风向脉动标准差决定大气扩散稀释速率的最终因子是大气运动的性质，即风和湍流。在大致相同的宏观气象条件下，流场的性质可以有相当大的差异。因此，仅根据宏观气象条件来划分扩散级别过于粗糙。美国环保局(EPA,1990)，推荐了用表征湍流强度的风向标准差A，E

划分稳定度的方法。（表3.12～3.15，p79～81）3.3.3.2其它稳定度分类方法风向脉动标准差EPA方法的应用步骤利用水平风向和垂直风向脉动标准差判断稳定度级别利用风速资料，调整稳定度级别（注意：表3.13的观测数据应是自粗糙度为15cm的平坦地面上10m高度处观测得到的，采样时段为15min，最少3min，最长60min）3.3.3.2其它稳定度分类方法与温度递减率有关的分类方法以温度递减率，即以两层垂直温度梯度来表征水平和垂直向的湍流状况。表3.16此方法对于稳定大气状况的情形是可靠的，对于不稳定状况或者对高架源排放的情形是不很可靠。当风速很低且层结稳定条件下，如果烟流发生弯曲，该方法对y的估算严重偏低，此时宜用水平风向脉动标准差方法。3.3.3.2其它稳定度分类方法与温度递减率有关的分类方法以温度递减率和风速相结合考虑的方案，同时考虑了支配水平和垂直向的湍流状况。表活动的机械因子和热力因子。表3.17一般认为此方法较之仅以温度递减率作判断的方案要好。3.3.3.2其它稳定度分类方法与温度递减率有关的分类方法分立方案：分别以温度梯度和A表征湍流的垂直和水平活动美国EPA推荐方案：在缺乏云量和云高资料时，采用表3.18替换原P-G-T方案3.3.3.2其它稳定度分类方法边界层（PBL）湍流参量方法大气稳定度状况实质上是大气热力过程和动力过程对湍流产生、发展或抑制能力的一种量度。采用一些具有明确理论意义的边界层湍流参量作为划分稳定度扩散级别的判据，应该能比P-G-T方案更加客观地表征大气稳定度状况。常用的参量：梯度理查逊数、总体理查逊数和莫宁-奥布霍夫长度。P82-84，表3.193.3.3.3不同源高和不同下垫面的应用P-G-T扩散曲线的实验依据是平坦理想条件，大量低矮源（或地面源）扩散试验的结果。表3.22对不同的源高和下垫面条件，应用扩散曲线法确定扩散参数须进行修正与方法选择。对不同源高的应用，两方面问题：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；表3.20-21，P85对于不同的源，根据相应实验依据基础得出的扩散曲线均有差异。图3.8，图3.10，图3.113.3.3.3不同源高和不同下垫面的应用P-G-T扩散曲线法在不同下垫面的应用，须对P-G-T方案作合理的修正和补充。修正方案：如国标GB/T13201-91，根据不同情况作提级处理，P79考虑粗糙度，修正P-G-T方案，表3.23，图3.12，表3.243.3.3.4扩散曲线法的内插完善Briggs(1974)分析P-G-T扩散曲线、BNL扩散曲线和TVA扩散曲线在不同距离的特性，将其结合在一起，提出一套内插公式，表3.25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的计算在各类稳定度条件下，初期烟流的扩散速率与下风距离x成比例；而至较远距离后，则与成比例3.3.4风向脉动与扩散函数法将扩散参数y和z与风向脉动标准差A和E联系起来,试图去除扩散曲线法中经验性的一面，由此形成了一种由风向脉动与扩散函数确定扩散参数的方法，这是扩散参数研究的主要进展之一。A和E由双向风标观测扩散函数见表3.273.3.5扩散参数研究的现状和发展稳定度扩散级别与扩散曲线法采用常规气象资料，确定扩散参数，但对不同源高、不同下垫面条件，采用不同稳定度分类方法风向脉动与扩散函数法重要意义：引入连续稳定度的概念，舍弃间隔分级的稳定度类别3.3.5扩散参数研究的现状和发展实施意见y1）10km以内，研究透彻，资料多，数据可靠，不同扩散参数结果彼此接近2）最佳公式：

3）y可用P-G曲线做粗略估计，但应根据粗糙度和取样时间进行订正3.3.5扩散参数研究的现状和发展实施意见z1）研究少，测量数据少，可靠性差，与y比，更多地依赖于温度层结2)P-G曲线的z根据近地面源1km以内的扩散试验资料得出，其它都是外推的结果，故P-G曲线适用于近地面源的近距离扩散3.3.5扩散参数研究的现状和发展实施意见z3）一般情况下应考虑z0的影响，只有在不稳定层结时，对流湍流对铅直扩散的影响才超过机械湍流4)高架源的z推荐采用BNL数据一个污染源在稳定度为A、D、F时的地面浓度分布图给定值以后，就可以根据水平风向脉动记录计算各个距离的p，其步骤如下：

1）根据取样时间确定平均时间，最大平均时间sn=τ/5。

2）用不同的平均时间s1、s2,……sn

等对原始的风向脉动记录进行滑动平均，得到经过平滑的n个、风向变化序列s1、s2，……

sn

。

3）对上述风向变化序列，分别计算标准差，得到(A)s1、(A)s2,……(A)sn

。

4）根据结果做(A)s-s曲线图。

5）根据图求出任意y。的确定方法：1）根据定义2）由扩散参数的比求原则上有3）利用经验关系求值：值与大气稳定度有关，并与湍流强度成反比，值范围1~10。大气越稳定，湍流强度越小，值越大。中性层结取4。2.1C为实验常数，0.35~0.80，取0.60。

表3.10-a太阳辐射等级

云量，1/10太阳辐射等级数总云量/低云量夜间h15o15o<h35o35<h65oh>65o4/4-2-1+1+2+35~7/4-10+1+2+38/4-100+1+15/5~70000+18/800000表3.10-b大气稳定度等级地面风速m/s太阳辐射等级+3+2+10-1-21.9AA~BBDEF2~2.9A~BBCDEF3~4.9BB~CCDDE5~5.9CC~DDDDD6DDDDDD表3.11-a横向扩散参数幂函数表达式数据扩散参数稳定度等级11下风距离y=1x1A0.9010740.8509340.4258090.6020520~1000>1000B0.9143700.8650140.2818460.3963530~1000>1000B~C0.9193250.8750860.2295000.3142380~1000>1000C0.9242790.8851570.1771540.2321230~1000>1000C~D0.9268490.8869400.1439400.1893960~1000>1000D0.9294180.8887230.1107260.146690~1000>1000D~E0.9251180.8927940.09856310.1243080~1000>1000E0.9208180.8968640.08640010.1019470~1000>1000F0.9294180.8887230.05536340.07333480~1000>1000表3.11-c小风和静风时扩散参数的系数稳定度0102U100.5m/s1.5m/sU100.5m/sU100.5m/s1.5m/sU100.5m/sA0.930.761.57B0.760.560.47C0.550.350.21D0.470.270.12E0.440.240.07F0.440.240.05注意取样时间指连续取得观测数据并用以计算平均值的时间长度。对污染物浓度计算，即指大气采样的时间。假设大气湍流场是均匀、平稳的，这是Gauss公式的前提，所以在Guass公式中没有指明平均风速和扩散参数的采样时间及观测高度。但在应用中，为了使各种观测资料和计算结果具有可比性，必须考虑这些因素。采样时间订正上述Pasquill和Turner稳定度计算方法，都是用宏观的气象资料间接地给出微观湍流特征。大气扩散速率最终取决于流场的湍流特性，用上述宏观的气象条件划分稳定度等级是一种间接方法。有时，大气宏观条件大致相同，但流场湍流特性会差别很大。因此用湍流场的特征量表征大气稳定度更为有效。等级σA（度）A22.5B17.5~22.5C12.5~17.5D7.5~12.5E3.8~7.5F3.8(2)温度梯度法p81(3)PBL湍流参量法823.3.3.3不同源高、不同下垫面

稳定度的高度变化扩散曲线依据的源高、源特性不同

z0的影响，p87表3.233.3.3.4扩散曲线的内插完善综合，表3.253.3.3.2其它稳定度分类方法

(1)风向脉动标准差

美国环保局(EPA,1990)，推荐了用表征湍流强度的风向标准差A，E

划分稳定度的方法。p79表3.25Briggs扩散参数(单位：m)

(a)开阔乡间条件稳定度级别σyσz

A0.22x(1+0.0001x)-1/20.20xB0.16x(1+0.0001x)-1/20.12xC0.11x(1+0.0001x)-1/20.08x(1+0.0002x)-1/2D0.08x(1+0.0001x)-1/20.06x(1+0.0015x)-1/2E0.06x(1+0.0001x)-1/20.03x(1+0.0003x)-1F0.