《大气环境学》平原地区的大气扩散

第四章

平原地区的大气扩散

1《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024第一节空间物质分布的基本特征

一、大气扩散的基本特征大气扩散决定于大气中的流场和温度场。物质在大气中扩散，在沿着顺风向运动的同时，向各个方向扩散。在平稳和均匀湍流场下，扩散粒子位移的概率服从正态分布。二、空间物质的浓度分布1、平均浓度式中：q——瞬时浓度；

τ——采样时段。式中：M——采样时间内所采的物质的质量；

V——采样体积，.注意：任何涉及的浓度必须指明其所对应的时段。2《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/20242、空间物质散布的坐标系统

原点：烟囱脚（排放源的垂直投影点）X轴：沿平均风向Y轴：⊥x轴，与x轴在同一水平面内Z轴：垂直向上ZXY烟囱口（0,0,Hs）u0顺风向输送。P(x,y,z)空间物质散布的坐标系统示意图

3、空间物质浓度与风速的关系风在输送物质的同时，还起到稀释的作用。

浓度C与风速u成反比。3《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024zyxUO2m/szyxUO5m/s4《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024

污染物在随风向被输送到下风向的同时，由于湍流作用以及大气中各种各样的热力和动力因子，还会向左右以及上下方向扩散，我们称之为横风向（y向）扩散和垂直向（z向）扩散。如何来研究横风向扩散的规律呢？依据统计学原理，可以从“传分币”实验来给出定性的结论。4、烟流的横风向分布5《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/20240

640-1

3201

320640-2

1600

3202

1604

40-3

80-1

2401

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605

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106

100

20032631416032215890228239834915423415944219122118312541562041495312104200123456红色数字为横坐标数；蓝色数字为理论数据；方框右上角为实验数据。某次“传分币”实验结果6《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024q0中心值q4q3q2n（q）0y2y各排数据符合正态分布（高斯分布）：其中：y0为最大值所在的中心位置坐标；

σy为粒子散布的标准差。

或

7《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/20245、横风向扩散参数σy指下风向某距离处，污染物在y向位移的平方平均值的方根。特例：当取点及取值对称时，。8《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024作业：某两次示踪剂野外扩散实验结果如表。分别求两次实验所获得的横向扩散参数σy.y2(m)-10-5051015C2(μg/m3)420302150y1(m)0±50±100±150±200±250C1(μg/m3)200180120501009《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024式中：y边——烟流半宽度；

2y边——烟流云宽度，简称“云宽”。7、垂直向扩散参数σz

即垂直方向烟云粒子散布的标准差。6、烟流边界

污染物浓度下降到轴线浓度的1/10处，即认为到达烟流边界。8、σy、σz的讨论反映了大气的扩散能力随着下风向距离x↗，σy↗，σz↗不稳定条件下，σ大；稳定时，σ小q00yy边q边q0/102y边10《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024三、采样时间对平均浓度的影响较短时间：瞬时烟流形状窄而不规则，浓度相对较高；较长时间：烟流形状宽且较规则，浓度相对较低。一般来说，采样时间愈长，烟流中污染物的平均浓度愈低。为什么？

0y1h平均边界10min平均边界瞬时边界平均风向相对浓度不同时间下的烟流边界及相对浓度11《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024

污染物平均浓度随采样时间延长而降低的这一特性，称为时间稀释作用，可表示为：式中：C1、C2——分别对应于τ1和τ2采样时间的浓度；

q——时间稀释指数。指数q和取样时间长短、有效源高、大气稳定度、平均风速以及当地的风谱结构等有关，是因时因地而异的，需要通过对长期观测资料的统计分析来确定。长期以来，各位学者给出的q值差别较大。原因：由于取样时间延长，风的摆动增大，从而使横向扩散参数σy随取样时间而增大。因此，需根据扩散时间对σy进行修正。但垂直方向的扩散因受地面限制，当时间延长到10～20s以后，σz不再随取样时间而增大。12《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024q值可采用不同采样时间测量的示踪剂浓度值计算：为了与环境空气质量标准进行比较，经常需要进行时间换算。国标规定：τ=0.5～1hr，q＝0.2

τ=

1～100hr，q＝0.3例：根据某污染物0.5hr采样浓度，估算其24hr日均采样浓度值。13《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024第二节连续点源高斯扩散模式

Gauss扩散模式适用于开阔、平坦地形上的小尺度（＜10km）扩散，且假定：①

污染物是被动的，进入大气后即跟随周围的空气作相同的运动；②

扩散过程中无任何形式的转化，污染物不被清除，即质量守恒；③

流场（风速）均匀、稳定；④

源强连续均匀；⑤

y、z方向为正态分布。实际大气中不满足上述理论中的前提条件，但小尺度扩散试验表明，正态分布假设至少可以作为一种粗略的近似。

14《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024某镍铜矿正在排放废气的烟囱

15《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024一、Gauss基本模式

1、无界情形（1）简单情形简单的烟流扩散模型zr截面AOyux根据连续条件，截面A中任意一点浓度为：r(x)是大气扩散稀释能力的标志。

16《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024（2）高斯扩散模式此时烟流截面上浓度不均匀，

y向和z向分别呈正态分布。无界空间任一点的浓度：

在任意一个与x轴垂直的烟流截面上，取一个小面元dydz进行研究：

zdzdy源Oyxu17《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024根据连续性原理：

无界空间连续点源Gauss模式：应用概率积分18《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/20242、有界情形注意：原点取在污染源在地面的铅直投影点上。

P(x,y,z)P’(x,y,-z)z实源SOx像源S’实源的烟云轴线H像源的烟云轴线像源法处理示意图

假设地面对污染物没有吸收、吸附作用，是一个完全反射面，因此可根据全反射原理，用“像源法”来解决此问题。

19《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024P点的浓度可视为两部分贡献之和：①不存在地面时P点应具有的浓度相当于无界时位于（0,0,H）的实源在P点的影响浓度②由于地面反射作用而增加的浓度相当于位于（0,0,-H）的“像源”在P点的影响浓度实际浓度是二者之和。则有高架点源连续扩散模式：

20《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024当源在（0,y0,z0）时：

二、其他实用公式1、地面源

2、地面浓度

21《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/20243、地面轴线浓度

0CxCmXm-yσy地面轴线浓度随下风向距离x的变化

地面源的地面浓度：

22《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024作业：4.4污染源的东侧为峭壁，其高度比污染源高得多，如图所示。设有效源高为H，污染源到峭壁的距离为L，峭壁对烟流起全反射作用。试推导吹南风时高架连续点源的扩散模式。当吹北风时，这一模式又变成何种模式？源峭壁NL23《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/20244、地面最大浓度及其出现距离利用地面轴线浓度公式求极值，可导出地面最大浓度值。出现地面最大浓度时，必须满足：

24《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024实际可用近似式计算：在xm处满足：

5、地面横风向积分浓度CCWI

对于高架点源：

利用地面浓度观测资料求得CCWI，并可推算难以直接测量的σz。

——第i点所代表的对应于浓度Ci的y向长度，m.25《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024Gauss模式的适用条件：下垫面平坦开阔，性质均匀扩散物质随周围空气被动运动，物质守恒，不发生转化地面为全反射作用扩散物质处于同一类温度层结的气层中，扩散范围小于10km平均流场平直、稳定，平均风向和风速无显著的时间变化连续点源公式仅适用于风速＞1～2m/s的有风情形26《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024第三节大气扩散参数

一、试验法1、示踪剂扩散实验基本方法：于假想源点，在一段较长的时间里匀速地释放出示踪物质；在下风向不同距离上，沿横风向和垂直向多点采样；对某一距离x，求得扩散参数。横风向垂直向27《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024求得多组扩散参数后，按最小二乘法进行线性拟合：常利用横风向积分浓度CCWI间接求取。

2、平衡球探测法在设计的烟云高度施放一个随遇平衡的气球，它如同烟云中的一个粒子随着风和湍流运动，用双经纬仪观测其运行轨迹，根据统计理论，可获得扩散参数。基本原理：源于Taylor理论，即湍流统计理论。条件限制：要求空气温度上下均匀。28《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024二、估算法

利用气象站的常规气象资料（风速、云、太阳辐射状况等）来估计大气扩散参数。（一）

P－G法（P－G扩散曲线法）英国气象学家F.Pasquill（1961）美国核气象学家F.Gifford（1961）美国公共卫生局的气象学家D.B.Turner（1967）

方法要点划分6个稳定度级别给出6条x～σy（x～σz）曲线，分别对应于6个稳定度29《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024

实施细则6种稳定度级别

A—强不稳B—不稳C—弱不稳

D—中性E—较稳定F—稳定稳定度级别划分稳定度级别划分表（参考）30《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024利用扩散曲线确定

和帕斯奎尔曲线法的缺点稳定度的划分比较粗糙D.B.Turner改进适用于开阔平坦的下垫面（如平原地区）31《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024P－G扩散曲线（英国伦敦气象局）32《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024（二）中国国家标准规定的方法（“修订Pasquill分类法”）《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》(GB/T13201-91)1、稳定度的求取（1）太阳高度角

h⊙

Turner（1961）太阳光线与地平面的交角。φ

——地理纬度；上海φ

＝31.3°δ——太阳倾角，又称“赤纬”ω——时角h⊙取决于季节、地理纬度、当地的地方时。某地某时的h⊙：33《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/202434《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024月旬太阳倾角(°)月旬太阳倾角(°)月旬太阳倾角(°)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太阳倾角δ的概略值

太阳倾角δ的确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《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024或通过准确计算获取太阳倾角δ：

θ0——360dn/365，deg；

dn——一年中日期序数，1，2，3，…365.

时角ω的确定

t——地方时λ——经度，上海121°26’E故有36《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024云层的存在可以减小气温随高度的变化，使大气一般处于中性状态；我国云量观测：全天空十分制我国无云高观测资料，仅以云量来判断（“修订”）（2）h⊙＋云量辐射等级R表4-2太阳辐射等级R总云量/低云量夜间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《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024卷云卷积云高云族38《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024中云族高积云高层云39《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024低云族层积云层云雨层云40《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024表4-4大气稳定度的等级地面风速u10(m/s)太阳辐射等级R＋3＋2＋10－1－2≤1.9AABBDEF2～2.9ABBCDEF3～4.9BBCCDDE5～5.9CCDDDDD≥6DDDDDD注：地面风速u10(m/s)系指离地面10m高度处10min平均风速。（3）R＋u10

稳定度41《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/20242、σy、σz的求取表4-5横向扩散参数幂函数表达式的系指数值（取样时间0.5h）稳定度级别

1

1下风距离（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《大气环境学》平原地区的大气扩散5/9/2024表4-6垂直向扩散参数幂函数表达式的系指数值稳定度级别

2

2下风距离（m）A1.121541.513602.108810.07999040.008547710.000211545≤300300＜X≤500＞500B0.9644351.093560.1271900.057025≤500＞500B～C0.9410151.007700.1146820.0