空气污染学第五章大气扩散参数.

第五章大气扩散参数1y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和大气扩散参数。2uzy,大气扩散参数与稳定度、地形、地面粗糙度等有关。222222()()(,,)exp(){exp[]exp[]}2222yzzyzQyzHzHqxyzu；H3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，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稳定度扩散级别与扩散曲线法扩散曲线讨论风向脉动与扩散函数法扩散参数的研究现状4主要内容一早期的扩散参数模式1.萨顿模式格雷厄姆·萨顿（GrahamSutton)，英国气象学家。1903年2月4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。1926—1928年在威尔士大学、阿伯里斯威恩大学任讲师。1928—1941年任助理教授。第二次世界大战期间从事国防科研工作。1942—1943年任英国国防部防化实验所所长。1943—1945年任坦克实验所所长。1945—1947年任英国雷达研究发展中心主任。1950—1955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。1952—1953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。1953—1956年任世界气象组织常务理事。1960—1966年任英国大地测量及地球物理学全国委员会主席。1965—1971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：①《大气湍流》（Atmos-phericturbulence，1948）；②《微气象学》（Micrometeoro-logy，1953）5具体步骤：1找出泰勒公式中的拉格朗日相关系数的具体形式，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。22200()2()TtyLyTvRddt63基于简单物理考虑，认为拉格朗日相关系数与湍流特征量（），宏观黏滞度（N=u*Z0），时间间隔相关，并通过量纲分析得到所有量的组合。*0Nuz7以y向为例：2()()LNRfv2()()nLNRNvn为由风速梯度观测确定的实验常数，m为风速廓线幂指数。21mnm222',','wvu由的性质，可得：()LR(0)1,()0LLRRmzzuu11一般中性m~1/4；稳定m1/4；不稳定m1/422222221()2(1)(2)nnnyyNvTCxnnv22222221()2(1)(2)nnnzzNwTCxnnw22122221224()(1)(2)4()(1)(2)nnynnzNvCnnuuNwCnnuu8萨顿参数最早，但有局限性222000()2()2()()TtTLLyTvRddtvTRd泰勒公式:代入泰勒公式，处理简化后可得：T为运行时间，x为运行距离萨顿基于拉氏相关函数和泰勒公式导出（萨顿）广义扩散参数;他的功绩在于将大气扩散参数与可测量的气象参量联系起来；经验系数N,n,m需要通过风速梯度观测才能确定;萨顿曾在平坦地形做了小尺度扩散观测实验,直接利用这些数据计算高架连续点源的扩散浓度将比实际观测值偏高。数理推导也不严密，应用也很不方便。现今已经停用。92直接测量湍流特征量的方法pyAgzExx10和由双向风标测量，反映大气湍流扩散能力。H.E.Cramer(1957)提出AE脉动风方位角标准差脉动风高度角标准差p，g与稳定度、下风向距离及地表粗糙度相关3BNL模式（M.E.Smith,1951）特征量：水平风向摆动角的范围高架源（108m高塔施放油雾）扩散试验简便、合理、实用，美国机械工程师协会沿用至今114J.S.Hay&F.Pasquill(1959)出发点：统计理论，泰勒公式方法：利用相关函数和湍流能谱关系，由湍流观测资料做谱分析，计算扩散参数。总结：模型合理可取，反映湍流场本质，而且准确度较高，其探讨有一定理论意义，但应用尚不普遍，观测要求高，计算工作量大。12二稳定度扩散分级与扩散曲线法在实际工作中，总是希望根据易得到的气象观测资料(如常规气象观测资料)就能估算出污染物在大气中的扩散状况。由大量扩散试验（含气象观测和示踪物浓度观测）资料分析及理论分析得出扩散参数随下风方距离x的变化曲线——P-G法，或者P-G-T法英国气象学家帕斯奎尔(F.Pasquill，1961)基于大量扩散实验资料的分析,建立了一套扩散参数计算方案,后经美国核气象学家杰富德(F.Giffod,1961)和美国公共卫生局的气象学家特纳尔(D.B.,Turner,1967)的改进与完善,构成了现今广为引用的P-G-T扩散曲线系统。131.P-G曲线法方法要点：根据云况，日射以及地面风速，将大气扩散能力分级，然后根据扩散曲线读取不同下风距离处的扩散参数。大气分成A-F共六个稳定度等级（云，日照，风速。。。）x~σy曲线（六条）（对应A、B…..F稳定度级）14未考虑特殊下垫面，如城市、山地、水面等的动力和热力影响。为半定量方法Pasquill(1961)按云、日照、风速划分6个稳定度扩散级别:A级—极不稳定,B级—中等不稳定,C级—弱不稳定,D级—中性,E级—弱稳定,F级—中等稳定。15P-G曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别16Pasquill（1961）表3.317太阳高度角云量Turner(1961)引入太阳高度角判定日射强弱的定量办法，确定稳定度级别。日射等级风速稳定度coscoscossinsinsin（地理纬度，太阳倾角，时角）表3.6日射等级确定规则18考虑云量表3.7Turner的稳定度分级方法19由日射等级和地面风速20根据确定的稳定度级别，由P-G扩散曲线图得到扩散参数，代入高斯扩散公式可得浓度分布。曲线的制作依据实测资料和理论原理，对σy采用统计理论成果，σz采用梯度输送理论成果水平扩散参数垂直扩散参数图3.102122用P—G扩散曲线方法确定扩散参数的步骤是：根据太阳高度角和云量确定日射等级(见表3.6)；根据日射等级和地面风速确定稳定度等级（见表3.7)；根据稳定度等级和距离x可查出扩散参数（见图3.10)。用P-G扩散曲线方法确定地面最大浓度qm和出现的离源距离xm的步骤是：①根据太阳高度角和云量确定日射等级(见表3.6)；②根据日射等级和地面风速确定稳定度等级（见表3.7)；③根据已知的有效源高H，由式计算得到值；④在图3.10(b)中相应稳定度扩散级别的P—G扩散曲线上，由x=xm的值读出相应的值；⑤将所得的，及已知的源强、平均风速和有效源高代人式，便可估算该气象状况下的地面最大浓度232mzxxHmzxxyzyyzmHueQq22三扩散曲线法的完善241.国家标准中的修改应用（GB/T13201-91）修正太阳高度角的计算方法适应我国大量地面观测无云高观测的情况用幂函数表达式确定扩散参数；考虑不同下垫面的影响。2526表3-11扩散参数的幂函数表达式数据（取样时间0.5h）11xy22xz稳定度等级（P·S）α1下风距离，mα2下风距离，m0.9010740.4258090～10001.121540.079990～3001.5260.008548300～500A0.8509340.60205210002.108810.0002125000.914370.2818460～10000.9410150.127190～500B0.8650140.39635310001.093560.0570255000.9193250.22950～10000.9410150.1146820～500B～C0.8750860.31423810001.00770.075718500122711xy22xz稳定度等级（P·S）α1下风距离，mα2下风距离，m120.9242790.1771540～10000.9175950.106803C0.8851570.23212310000.9268490.143940～10000.8386280.1261520～20000.886940.18939610000.756410.2356672000～10000C～D0.8155750.136659100000.9294810.1107260～10000.8262120.1046341～10000.6320230.4001671000～10000D0.8887230.14666910000.555360.810763100000.9251180.09856310～1000o.7768640.1046340～20000.8927940.12430810000.5723470.4001672000～10000D～E0.4991491.0381100000.9208180.0860010～10000.788370.0927530～10000.8968640.12430810000.5651880.4333841000～10000E0.4147431.73241100000.9294810.05536340～10000.78440.0620770～10000.5259690.3700151000～10000F0.8887230.07334810000.3226592.4069110000平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，C提至B级，D、E、F向不稳定方向提一级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：2不同稳定度分类方法——克服宏观资料判定稳定度的局限（1）风向脉动标准差（EPA，1990）2930对不稳定类A,B，C,随风速增加向中性类移；对稳定类E,F,随风速增加向中性类移；31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15min。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60min的时间划分为15min一段，最终小时量值：22221515151560432（2）与温度递减率有关方法①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流状况。国际原子能机构(1980)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的情形不很可靠。风速很低、层结稳定，烟流弯曲时，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。②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）34③分别以温度梯度和表征湍流的垂直和水平运动以总体理查孙数的方法计算划分稳定度A3525()10BfRiuz取烟流中心线处④EPA(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362019/12/20南京信息工程大学LAPE372zuzgRi2uzTgRi梯度理查逊数Ri近地层中2222uzTgRBi总体理查逊数RiBM-O长度：TpgHTCuL3*z/L：3*uCpzHTgLzT湍能消耗率湍能供给率临界理查逊数Ric~0.25（3）边界层湍流参量法38注意：除了使用