（安全技术及工程专业论文）镇江市大气稳定度及抬升高度计算方法的研究.pdf

坚蔓丕堂堡主兰鱼堡塞 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ei n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t ，t h et y p e sa n da p p l i c a t i o n o f f l a m m a b l e ，e x p l o s i v ea n dv i r u l e n tg a sh a v ei n c r e a s e d i ft h eg a s l e a k si nt h e p r o c e s so fp r o d u c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o na n du s e ，i tw i l li n i t i a t ea c c i d e n t s t h a ti n c l u d e p o i s o n i n g ，f i r ee v e ne x p l o s i o n t h a tw i l lb r i n ge n o r m o u sh a r mt op e o p l e sl i v e s a n dp r o p e r t y , a n dr e s u l ti nh u g ee c o n o m i c a ll o s s t h ek e yt os o l v et h i sk i n do f p o l l u t i o na c c i d e n t si st oi n f e rt h et r a n s p o r t a t i o na n d d i f f u s i o no f p o l l u t a n tc o r r e c t l y i ne a c hc o n d i t i o n ，a n df o r e c a s ta c c i d e n td e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，t h em a i nm e t h o di sa p p l y i n gt h ea t m o s p h e r i cd i f f u s i o nm o d e l st o s i m u l a t et h et r a n s p o r t a t i o na n dd i f f u s i o n o fp o l l u t a n t t h et w oi m p o r t a n t p a r a m e t e r sw h i c h a r ea t m o s p h e r i cs t a b i l i t ya n dh o i s th e i g h ta r et h ek e yt ou s i n gt h e g a u s sm o d e l p r e s e n t l y , t h e r ea r eag r e a td e a lo fm e t h o d sa n df o r m u l a sa b o u ta t m o s p h e r i c s t a b i l i t ya n dh o i s th e i g h t b u tt h e r ed o n th a v eu n i f o r ms t a n d a r d si nc h o o s i n g t h e g o a lo ft h ea r t i c l ei s t of i n dt h es u i t a b l em e t h o d sa n df o r m u l a s ，a c c o r d i n gt o z h e n j i a n g sm e t e o r o l o g i ca n dg e o g r a p h i c a lp a r a m e t e r s f i r s t l y , t h e a r t i c l ec a r r i e so nq u a l i t a t i v ea n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so ne a c h h l c t h o d t h u si tc a nc h o o s et h es u i t a b l em e t h o df o rz h e n j i a n ga r e a t h e n i t c a l c u l a t e st h ea t m o s p h e r i cs t a b i l i t y , a n da n a l y z e st h ed a i l y , m o n t h l ya sw e l la s s e a s o n a lv f i r i a t i o n o nt h eb a s e ，t h ea r t i c l e s u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i co f s t a b i l i t yi nz h e n j i a n g a f t e rt h a t ，t h ea r t i c l ec a l c u l a t e st h eh o i s th e i g h t sw i t he a c hf o r m u l aa c c o r d i n g 江苏大学硕士学位论文 t ot h ed a t aw h i c hc o m ef r o ms e v e r a le n t e r p r i s e s t h e ni tc h o o s e st h es u i t a b l e f o r m u l a s f i n a l l y , i tu s e st h eq u a l i t a t i v e m e t h o dt oc o n f i r mt h ea c c u r a c y f i n a l l y , t h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h ec o n c l u s i o n sa n dv i c e s ，a n df o r e c a s t st h e d e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：p o l l u t i o na c c i d e n t ，a t m o s p h e r i c d i f f u s i o n m o d e l ，a t m o s p h e r i c s t a b i l i t y ，h o i s th e i g h t 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保剩 鬻耋篇p 岬 1 和丹细 j 指导教师签名互叻暨 撕夕年f 月夕日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：扫蛔巾 日期：2 0 0 7 年p 月咿日7 江苏大学硕主堂鱼蛰文 第一章绪论 1 1 引言 在工业的飞速发展过程中，化学物质大量使用，这一方面促进了工业的发展，但同时 也带来了巨大风险，导致突发性污染事故时有发生。 突发性污染事故不同于一般的污染事故，它没有固定的排放方式和排放途径，来势凶 猛，在瞬时内排放大量的污染物质。近年来，突发性污染事故的发生频率有逐渐增长的趋 势，每次发生突发性污染事故时，都造成了严重的环境危害，引起了巨大的社会反响，其 影响历时和范围不断增大。突发性环境污染事故作为威胁人类健康、破坏生态环境的重要 因素，其危害制约着生态平衡及经济、社会的发展，己成为全世界极为关注的问题之一 在过去的几十年中，我国和世界其它国家已经发生了许多严重的突发性污染事故，从 而引起了中毒、火灾和爆炸。例如，1 9 7 7 年我国某化肥厂因液氨管道腐蚀断裂导致液氨泄 漏，氨气影响范围达2 4 平方公里，造成4 3 人中毒“1 ；1 9 7 9 年温州电化厂液氯泄漏，造 成5 9 人死亡，约8 0 0 人中毒n 1 ；1 9 8 4 年，印度博帕尔异氰酸甲酯泄漏事故，导致3 1 5 0 人 死亡，5 万多人失明，2 万多人受到严重毒害，1 5 万人接受治疗，2 0 多万人被迫转移0 1 ； 1 9 8 9 年，某化工厂一辆载满2 4 吨9 8 一甲胺的货运槽罐汽车在开往江西鹰潭地区的途中 违规进入居民区，槽罐进料阀门被树枝击断，致使大量一甲胺蒸汽向外喷射，毒气浓雾弥 漫，全镇有6 0 0 人遭受不同程度的毒害，3 8 人死亡，经济损失2 0 0 万元以上”1 ：1 9 9 3 年， 我国深圳“8 1 5 ”事故，由于化学品泄漏引起混装物爆炸，造成2 亿多元的经济损失；1 9 9 7 年，北京东方化工厂“6 2 7 ”事故，由于储罐泄漏引起爆炸，死亡8 人，燃烧区域达6 万 多平方米；2 0 0 1 年，墨西哥伊达尔戈州p e m e x 公司所属图拉炼油厂由于气体泄漏引发爆炸 事故，造成1 名工人严重烧伤死亡，1 5 名工人烧伤；2 0 0 4 年4 月1 6 日凌晨，重庆天原化 工总厂2 号氯冷凝器发生爆炸，造成大量氯气泄漏，下午1 7 时化工厂再次发生爆炸，当 即造成9 人死亡和失踪，累计有1 5 万人被迫紧急疏散；2 0 0 5 年8 月1 日，泰兴市化月巴厂 一辆运输氨气槽罐车在向储罐输气时，中间的传输管突然爆裂，发生氨气泄漏，导致在下 风方向一储罐内的1 1 名工人中毒；2 0 0 6 年7 月银川市西南经济技术开发区鑫尔特化学品 有限公司发生液氯泄漏事故，造成周边地区的1 2 3 名居民中毒此类恶性事故不胜枚举， 其结果怵目惊心。正是由于大气污染事故所影响的范围极其广阔，所造成的危害极其严重， 望蒸盔堂塑主堂丝丝茎 其预防与控制已刻不容缓。 在发生突发大气污染事故时及时采取应急救援及紧急处理措施，需要正确推断污染物 的输送扩散规律，预测事故的发展趋势。目前预测事故发展趋势的最主要的方法就是应用 大气扩散模型来模拟污染物的输送扩散。 1 2 大气扩散的影响因素分析 1 2 1 污染物排放因素 污染物进入大气后，所引起的大气污染的程度与进入大气的污染物的数量、方式有关， 如果少量的污染物进入大气，因为9 5 的空气质量保存在距地表1 2 公里以内的对流层内， 污染物会扩散稀释、转化为其它无害物质，空气就会逐渐恢复原来的清洁状态：如果是突 发性大气污染事故，则在短时间内排放大量的、高浓度的污染物，会在近地面大气层中聚 集起来，就会造成局部的环境污染、导致中毒、火灾或爆炸事故。 1 2 2 气象要素 所谓气象要素是指表明某一地点在某一时间内的天气状况的气象变量与现象，如空气 温度、空气湿度、气压、风、云、雾、雷电及降水现象等“1 。 在多数情况下，排放进入大气层的污染物质总是被不断的输送、稀释、转化、清除， 正是由于大气的输送和稀释作用，使得污染物的浓度逐渐降低，直至被完全清除。但是大 气的稀释扩散与输送率随时空变化很大，受到多种因素的支配，这是一个很复杂的问题。 在大气污染状况的监测工作中，常常会发现同一地点来自同一排放源的污染物浓度监测结 果却不一定一样，有时可测到很高的浓度，有时浓度却非常低，出现很大的差异。这种现 象说明在不同的气象条件下，污染物的输送、扩散规律是不相同的。气象条件是影响污染 物扩散的一个重要因子，气象变化是非常复杂的，因而影响污染物散布的气象因子也是多 种多样的，影响污染物在大气中积累、输送、稀释和扩散的主要气象要素有风向、风速、 湍流、大气稳定度、逆温、降水、太阳辐射、云、空气湿度和天气形势等嘲。 ( 1 ) 风向 空气相对地面的运动形成风，风是一个矢量，既有大小，又有方向。在气象观测中风 向分1 6 个分位，每个方位相差2 2 5 。 风向对大气污染的影响主要表现在对大气污染物的水平输送上，某风向的频率越大， 2 江苏大学硕士学位论文 在污染源下风向的区域出现大气污染的几率就越大；静风状态时大气污染物将主要影响污 染源附近的区域。因此，风向决定着大气污染物影响的区域位置”。 ( 2 ) 风速 风速表示风的大小，即空气在单位时间内在水平方向上移动的距离。由于风既能输送 污染物，又能使污染物与空气混合降低浓度，因而风对污染物的浓度起很大作用，是影响 污染物扩散的一个重要的影响因子。大气对污染物的稀释扩散能力与风速的大小成正比， 风速越大，大气的水平扩散稀释能力越强，污染物扩散的距离越远，受污染的区域面积越 大，落到地面的污染物浓度越小：而风速小则相反，污染物扩散的距离近，容易形成局部 地区的高浓度污染。因此风速决定着大气污染物影响的区域面积和影响程度嘲。 ( 3 ) 湍流 在近地层，大气湍流有两种结构，一是由热力因子引起的热力湍流；二是由动力引起 的机械湍流。大气总是处在湍流运动中，并且湍流运动的特征模型湍涡有不同的尺度， 从几百米到几毫米不等，因而排放到大气中的污染物不可避免的被各种尺度的湍涡夹带、 输送。由于湍涡的运动是无规则的，速度大小、方向是随机变量，因而烟囱排放的烟气在 随平均风向下风输送过程中，还不断地向不同方向扩散、稀释，使烟流的形状时刻发生变 化，输送距离越长，散布范围也越广。因而可以说湍流也是影响污染物扩散的主要因子嘲。 湍流运动的结果是造成大气流场各层次各部分之间的强烈混合，污染物进入大气流场 就会与大气强烈混合，并迅速分散和稀释。总的来看，大气湍流越强，对污染物的扩散和 稀释越有利，大气中的污染物的浓度也就越低。如果没有湍流，那么烟团被排入大气后， 它的扩散过程是非常缓慢的，因为此时主要是分子扩散起作用，烟团将较长时间保持原来 的形状。在实际的大气中，由于湍流的存在，使烟团的扩散进行得非常迅速”1 。 “) 大气稳定度 大气稳定度是表征大气层稳定程度的物理量，是指气团受到任意方向扰动后，返回或 远离原平衡位置的趋势和程度。它表示在大气层中的个别空气团是否安稳于原来的位置， 是否易于发生垂直运动，即是否易于发生对流“1 。 边界层内气温的垂直分布与空气污染有密切的联系，而大气稳定度是反映大气温度垂 直分布的重要参量。在污染源排放量相对固定的情况下，污染物在大气中扩散、释放的速 度、距离和范围受大气稳定度的影响。当大气处于稳定状态时，污染物在大气中扩散缓慢、 范围小、浓度大；当大气处于不稳定状态时，情况与此截然相反。因此，大气稳定度不但 是有关污染物浓度计算公式中不可缺少的条件，其本身也是衡量大气污染严重与否的重要 3 簪苏大学硕士学位论文 指标之一 ( 5 ) 逆温 一般情况下，在低层大气中，通常气温是随高度的增加而降低的，但有时可能出现相 反的情况，气温随高度的增加而升高，这种现象称为逆温。大气逆温直接影响着大气污染 物的扩散。 逆温的形成有其特殊的气象条件，在日落后的夜晚，地面温度降低，近地面的空气温 度也随之降低，原来的对流层的大气的气温随高度的增加而减少的情况发生变化。在最贴 近地面的大气层中，大气的温度随着高度升高反而增加，也就是说，气温产生逆转，在这 个转折点处就形成一个温度逆转的层，即逆温层。这时逆温层的上部不稳定，下部稳定， 而烟囱的高度一般在这个逆温层以上，因而烟气向上扩散，一般不会造成严重的污染；而 在日出前后，则出现一个与上述状况相反的一个逆温层，这时逆温层的上部稳定，下部不 稳定，因而烟气向下扩散，往往会造成严重的地面污染。这是因为逆温层像一个大盖子一 样笼罩着大地，阻止地面气流上升运动，使污染物停滞积累在地面上，加剧大气污染的程 度。同时，逆温层出现时的风速一般都很小，大多是静风，也会导致空气污染物难以稀释 扩散，因此，逆温层越厚，维持的时间越长，空气污染就越严重跚。 ( 6 ) 降水 降水对空气污染物能起着清除和冲刷作用。在雨雪作用下，大气中的一些污染气体能 够溶解在水中，降低空气中污染气体的浓度，较大的雨雪对空气污染物粉尘颗粒也起着有 效的清除作用嘲。对大气颗粒物而言，雨滴在下落过程中可以碰撞，捕获颗粒物。此外， 颗粒物还可以充当大气降水的凝结核，使水汽在上面凝结。 ( 7 ) 太阳辐射 太阳辐射是地球大气的主要能量来源，地面和大气层一方面吸收太阳辐射能，另一方 面不断的放出辐射能。地面及大气的热状况、温度分布和变化，制约着大气的运动状态， 影响着云与降水的形成，对空气污染起着一定的作用。在晴朗的白天，太阳辐射首先加热 地面，近地层的空气温度升高，使大气处于不稳定状态；夜间地面辐射失去能量，使近地 层温度下降，形成逆温，大气层结稳定”1 。 ( 8 ) 云 云对太阳辐射有反射作用，它的存在会减少到达地面的太阳直接辐射，同时云层对大 气逆辐射又有加强作用，从而减小了地面的有效辐射，因此云层的存在可以减小气温随高 度的变化”。 4 江苏大学硕士学位论文 ( 9 ) 空气湿度 近地面层空气湿度越大，环境空气污染越重。城市中大量排放的烟尘悬浮物和汽车尾 气等污染物，在低气压、小风速的条件下，不易扩散，与低层空气中的丰富水汽相结合， 形成烟雾，而这种烟雾的持续时间往往较长，不易沉降，对环境空气的污染影响较大嘲。 天气形势 天气现象与气象状况都是在相应的天气形势背景下产生的，一般情况下，在低压控制 时，空气为上升运动，云量较多，如果风速稍大，大气多为中性或不稳定状态，有利于污 染物的扩散；相反在高气压控制下，般天气晴朗，风速较小，并伴有空气的下沉运动， 往往在几百米到2 千米的高度上形成下沉逆温，抑制湍流的向上发展，夜间有利于形成辐 射逆温，不利于污染物的扩散，容易造成地面污染。 1 2 3 地形 地球表面有海洋和陆地，陆地上有平原、丘陵和山地，它们对污染物的扩散有直接或 间接的影响。 当污染物运动时，碰到高的丘陵和山地，在迎风面会发生下沉作用，会在其附近引起 污染；如果丘陵不太高，污染物越过，则会在背风面下滑并产生涡流，出现严重污染。 地形的主要影响是通过对空气运动和气湿的影响，改变污染物的运动和扩散。 2 4 地物 城市有许多建筑物，占有相当大的空间，建筑物间街道纵横，高低起伏，阻碍气流运 行，降低风速，不利于污染物扩散。 1 3 大气扩散模型的研究与发展 大气扩散模型是一种描述污染物在大气中( 主要是边界层内) 输送和扩散规律的物理 和数学模型，即将空气污染过程模型化，研究模型中的各种参数，描述空气中污染物浓度 的时空变化规律，其实质就是用一定的物理模型和数学表达式及相应的处理方法，在一定 的初始条件和边界条件下，模拟分析污染物在空气中的散布状况，预测大气质量。 国外对危险源的安全检测与事故态势预测的研究十分重视，自二十世纪六十年代来， 由于工业规模的不断扩大和工艺过程的复杂化，生产设备及系统过程潜在的危险性也越来 越复杂和严重。因此，随着环境科学理论的发展，工业发达的国家开始对危险物扩散模型 坚菱盔堂塑主堂垡迨塞 进行了初步的研究，至二十世纪七十年代陆续发表了如美国西北大学和迈阿密大学合著的 ( m a t h e m a t i c so fe n v i r o n m e n t a lp r o c e s s 等许多理论研究专著，在此基础上相继建立 了一系列的过程分析模型，如1 9 7 4 年的v a nu l d e n 模型、1 9 7 5 年的g e r m e l e sa n dd r a k e 模型、1 9 7 8 年的p i c k n e e t 模型、1 9 7 9 年的f r y e ra n dk a i s e r 模型、1 9 8 0 年的e i d s v i k 模型和f a y 模型、1 9 8 1 年的f a ya n dc a r p e n t e r 模型。进入二十世纪八十年代后，英美等 许多发达国家，加强了对易燃、易爆等危险物泄漏事故模型的深入研究，有计划、有步骤 的开展了一系列的现场模型验证工作。另外，关于野外实验验证的研究工作，国外已涉及 到诸如航空航天、核工业、军工、石油、交通、环境保护等相关的广泛研究领域“”。 由于易燃、易爆性或毒性物质释放具有其特殊性，所以人们十分重视对其扩散过程的 研究，包括数学和物理建模方法以及各种尺度的现场实验获得数据进行模型验证。为了更 好的预防意外释放的发生以及控制其扩散的后果，英美等工业化国家开展了广泛的实验研 究m 1 ”；在二十世纪八十年代初步完成了以b u r r o m l 、c o y o t e “1 1 和t h o r n e yi s l a n d “2 “ 力等具有代表性的一系列大规模实验后，二十世纪九十年代又进行了氯气等物质的现场实 验研究，理论研究的发展十分迅速，至今已有数以百计的各类模型“”。这些模型差别主要 表现在以下几个方面“”： ( 1 ) 建立模型的理论体系和研究途径不同 湍流扩散的三大理论体系是：统计理论、k 理论和相似理论。从不同理论原理出发，必 然导出不同形式的数学模式。此外，还有一些如统计回归模式、箱模式等从其它经验方法 或理论途径导出的模式。 ( 2 ) 模式描写不同 污染物在大气中经历输送、扩散过程和各种物理和化学的转化清除过程，还有一些特 殊的过程，如烟气的抬升和障碍物引起的下沉过程等等。一个数学模式不可能也不需要模 拟所有的过程。由于侧重描写的过程不同，得到的模式也不一样。 ( 3 ) 描写的对象、条件和模式的要求不同 现有的扩散模式，按污染源的性质可分为点、线、面源和多源扩散模式；按下垫面条 件可分为平原、城市和各种复杂地形下的模式；按时空尺度可分为短时间( 1 2 4 h ) 模式和 长时间( 月、季、年) 模式以及小尺度、区域及全球模式。有些模式是针对某些特殊气象条 件导出的，如漫烟型、封闭型和准静风扩散模式等。 但是，由于影响扩散过程的气象条件、地形、下垫面状况及污染本身的复杂性。到目 前为止，基于现有的理论，还不能找到一个适用于各种条件的大气扩散模式来描述所有这 6 江苏大学硕士学位论文 些复杂条件下的大气扩散问题。 1 3 1 第一代空气质量模式 从2 0 世纪6 0 年代开始，以p a s q u i l l 和g i f f o r d 为代表的一些大气扩散科学家，在 分析p r a r i eg r a s s 现场观测数据的基础上，给出了不同的大气稳定度条件下的扩散参数， 并发展了第一代空气质量模型。 第一代空气质量模式以高斯分布理论为基础，对污染源扩散分布进行预测，其中的 扩散参数取决于大气边界层的湍流状况，在第一代空气质量模式中按照p a s q u i l l 方法将 大气边界层的稳定度根据风速、日照强度和云量，分成离散的6 类，用a f 表示；后来， t u r n e r 又增加了第七类，用1 7 表示，也有用 g 表示。各稳定度对应的扩散参数，则 应用p a s q u i l l 和g i f f o r d 根据p r a r i eg r a s s 现场实验数据绘制的曲线确定。2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初各国环保局所推荐的空气质量模式基本上都沿用了这一套体系，我国 自2 0 世纪7 0 年代以来，也广泛采用了这套体系。 第一代空气质量模式，不论是点源模式，还是以点源模式为基础，通过积分方法得到 的线源模式、面源模式、体源模式等，都具有如下2 个特点： ( 1 ) 浓度计算在水平方向和垂直方向上都采用高斯分布假设； ( 2 ) 湍流分类和扩散参数采用离散化的经验分类方法。 这不仅在理论上与大气边界层的湍流特征的连续变化相违背，也与2 0 世纪7 0 年代末 至2 0 世纪8 0 年代初对湍流扩散的研究成果不符，尤其是在对流条件下，更是如此。因此， 自2 0 世纪8 0 年代初开始，许多大气扩散科学家进行了大量的尝试，力图发展一种更符合 观测结果的模式嘲。 1 3 2 第二代空气质量模式 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，基于w i l l i s 和d e a r d o r f f 以及l a m b 等人的工作，开始 发展起新一代的空气质量模式，以便使预测更符合对流条件下污染物的分布特点，并尽可 能的反映近i o 多年来大气边界层湍流研究的成果，出现了一系列比较实用且比较接近真 实情况的模式系统，如加拿大安大略省环境保护部2 0 世纪9 0 年代初期开发的a m s 系统o “、 丹麦的o m l 系统啪1 、英国a d m s 系统、美国希葛玛公司开发的h p d m 系统汹1 、美国p e r r y 、 p a i n e 、v e n k a t r a m 和w e i l 等人共同开发的a e r m o d 模式系统。 a m s 系统的特点是：摒弃了传统的p a s q u i l l - - g i f f o r d 体系，改为根据表面热通量及 风速的大小将边界层内的污染类型分为稳定、不稳定和近中性三类；近表面源采用v a n 7 江苏大学硕士学位论文 u l d e n 以及h o r s t 模式；不稳定条件下的高架源采用v e n k a t r a m 模式；引入了特殊环境中 的模式或算法。 丹麦o w l 系统的浓度预测模式仍为高斯体系，但是边界层的稳定度分级不再采用 p a s q u i l l - - g i f f o r d 方法。该系统包括两部分，第一部分为气象模块，应用常规观测资料 确定扩散计算中需要的物理参数；第二部分为扩散计算模块，用基本物理参数来模拟扩散 过程。 英国剑桥环境咨询公司，国家动力、技术和环境中心以及英国气象局等十多位科学家 开发的a d m s 系统啪是英国规则应用的大气扩散模型系统，从内容上尽可能的吸收了近年 来在空气质量模拟领域内的最新研究成果，主要包括气象输入模块、边界层参数计算模块、 烟羽扩散和浓度计算模块四个部分。 2 0 世纪8 0 年代中期，美国s i g h m a 公司建立了h p d w 模式，到1 9 9 3 年发展为4 2 版本， 并作为美国e p r i 的行业法规模式体系。该模式的主要特点是： ( 1 ) 不用p a s q u i l l 稳定度分类法，将大气边界层分为不稳定、近中性和稳定三类； ( 2 ) 不用跃变式的p a s q u i l l 曲线或幂指数形式的扩散参数体系，采用连续的普适函数 或无量纲表达形式； ( 3 ) 不稳定条件下基本上不用高斯模式；采用p d f 模式、小风对流模式或l o f t 模式； “) 模式所需参数可从常规气象资料计算得到； ( 5 ) 可以广泛适用于平原、城市、丘陵等不同类型的下垫面1 。 目前，新一代空气质量模型在稳定度条件下仍采用高斯分布，但在处理扩散参数、烟 羽抬升以及对逆温层的穿透上，还是与第一代模式不同。此外，新一代空气质量模型，大 多包含一些特殊环境下扩散计算专用模块。 综上，第2 代空气质量模式具有以下特点： ( 1 ) 气象模块均基于常规的气象资料； ( 2 ) 彻底抛弃了传统的p a s q u i l l - - g i f f o r d 稳定度分级及扩散参数体系； ( 3 ) 在对流条件下，垂直浓度均采用非高斯模式的分布函数； ( 4 ) 一些模式系统还包含了特殊条件下的空气质量模拟方法，如建筑物尾迹模式，复杂 地形模式，沿海熏烟模式等。 1 3 3 我国扩散模型的发展 我国的大气扩散实验和理论研究工作开始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 4 年科学院大气物理 研究所和南京大学气象系分别在我国西北和东北地区进行了大规模的野外扩散试验；其 8 江苏大学硕士学位论文 后，由于山区建厂和城市大气污染任务的带动，自1 9 6 8 年到1 9 7 3 年，在全国7 个省市l o 几个山谷进行了山区大气边界层结构的观测和大气扩散实验工作；同时，对城市郊区的中 小型工厂的污染扩散规律也进行了实测和研究瞄1 。学者们对于大气扩散模型的研究也从没 有停止过：陈长和等通过对静风条件下大气扩散实验，建立了静风条件下的扩散模型嘶； 王凤林对突发性环境污染事故的大气扩散模型进行了初步研究，对模型的应用进行了说明 嘲；刘思湄等对沿海丘陵地区的大气扩散扩律进行了研究，并建立了大气环境预测系统 嘲另外，中国科学院大气物理研究所以及清华大学正在对城市大气质量模型系统进行 相关的研究工作渊，尤其是国家环保局科技发展项目大气污染总量控制规划职能决策支 持系统( i d s s a p t e c p ) 的开发研究将有可能促进我国空气质量预报模型的发展和规范化。 我国的法规性大气扩散模式最早颁布于1 9 8 3 年的国家标准制定地方大气污染物排 放的技术原则和方法( g b 3 8 4 0 8 3 ) 中，1 9 9 1 年中国国家技术监督局和国家环境保护局 又颁布了制定地方大气污染物排放标准的技术原则和方法( g b t 3 8 4 0 9 1 ) ，其中规定 了大气污染物地面浓度的计算方法，它是目前中国唯一具有法规意义的大气扩散模式，基 本上与美国的c r e s t e r ，i s c 属于同一种类型。该模式的特点是： ( 1 ) 采用高斯烟流模型； ( 2 ) 采用p a s q u i i i - - t u r n e r 稳定度分类法，将大气分为a f 共6 类； ( 3 ) 采用p a s q u i l l - - g i f f o r d 扩散参数，并按距离分段拟合成幂指数形式； ( 4 ) 对烟气在混合层顶穿透的处理采用极端化的方法，要么完全穿透，要么没有穿透； ( 5 ) 应用修正的h o l l a n d 公式和b r i g g s 公式计算烟气抬升高度； ( 6 ) 根据幂指数关系换算至q 烟囱出口高度的平均风速。 1 4 研究的内容 任何一个大气扩散模型都有许多的参数，其中大气稳定度、抬升高度是关键参数，合 理地确定大气扩散参数是模式计算结果准确性的重要保证。 当前，大气稳定度和抬升高度的计算方法和公式众多，但还没有统一的标准来规范计 算方法和公式，各公式计算出来的结果之间差别很大，给大气扩散模型的应用和污染物扩 散的预测工作带来了很大的困难，影响其准确性。 本文的主要研究内容是根据镇江地区的气象和地理参数，研究适合镇江地区使用的大 气稳定度和抬升高度计算方法和公式，为本地区大气扩散模型的应用和污染物扩散的预测 工作提供保障。 9 江苏大学硕士学位缝窆 1 5 研究的目的和意义 1 5 1 研究的目的 突发性污染事故具有形式的多样性、发生的突然性、处理的复杂性、明显的社会性和 巨大的危害性，会造成严重的环境污染，对周围的人员和动植物构成长期的影响。如果释 放量小或能够及时的控制住，造成污染的范围不大，属于一般设备或操作事故。倘若释放 量大，释放气体未能及时控制住，那就可能酿成大祸。危险物质大量释放后，必然将污染 空气、水、土壤或食物，经呼吸道，消化道或皮肤进入人体，引起群体中毒甚至死亡。特 别是易燃、易爆物质释放后，遇明火或静电火花可引发爆炸事故，也可能扩散相当一段距 离后，遇明火引起囤火爆炸，对周围环境、人员、设备等造成巨大的危害仕力。 泄漏事故发生后，应及时准确的采取处理办法和应急救援措施，将事故危害和经济损 失减低到最小，而大气扩散模型的准确应用是这项工作顺利实施的关键。 本项目属于江苏省科技厅社会发展项目突发性环境污染事故应急监钡4 与救援预案管 理的研究( b s 2 0 0 5 0 4 8 ) 奇勺一个子项目，主要的目的是确定镇江市大气稳定度和烟气抬 升高度计算公式，为准确地预测事故的影响范围、获取未来时间、空间的灾害危险程度， 确定相应的安全距离和伤害半径提供依据，同时预测事故的变化趋势，制定应急救援和处 置措施，进而将事故损失降低到最低程度。 1 5 2 研究的意义 虽然现在人们的安全意识有了很大的提高，但是由于操作、设备、环境、人等因素， 导致重大泄漏事故发生的可能性还是存在的。因此，保证突发性污染事故发生后，选用正 确的大气扩散模型进行计算，得出污染物的扩散趋势及影响范围，对及时启动应急救援预 案，将经济损失以及人员伤亡减少到最低限度，具有重大的现实意义。 1 6 镇江地形及气候特点 1 6 1 地形特点 镇江位于长江中下游南岸，江苏省西南部，北纬3 l 。3 7 - - 3 2 。1 9 ，东经1 1 8 。5 8 至1 1 9 。5 8 之间，东西最大直线距离约9 5 5 公里，南北最大直线距离约7 6 。9 公里。 镇江市地形大势表现西高东低，平原占3 5 2 9 6 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 6 2 气候特点 镇江市属北亚热带季风气候的温暖亚带，四季分明，温暖湿润，热量丰富，雨量充沛。 ( 1 ) 气温、日照 镇江市区常年平均气温1 5 4 ，丹阳1 4 9 c ，丹徒为1 5 4 ，句容、扬中均为1 5 1 。市区1 月平均气温2 3 ，7 月平均气温2 7 8 1 2 ，年较差2 5 5 ，日较差8 2 。市 区极端最高气温4 1 i c ( 1 9 3 4 年7 月1 3 日) ，市区极端最低气温一1 2 9 c ( 1 9 3 3 年1 月 2 7 日) 。 镇江光照，夏至日日照时间为1 4 2 2 小时，冬至日9 9 8 小时，全年4 4 2 8 1 小时。 ( z ) 降永 镇江的降水属于湿润型，季节分配为春季2 3 ，夏季4 5 ，秋季2 1 。全年的平均相对 湿度为7 6 。 ( 3 ) 风向、风速 镇江市盛行东北到东偏南向风，其平均风速偏大，常年平均风速为3 4 米秒，上半 年风速比下半年大，冬末春初( 2 4 月) 为全年最大。l o 月份风速最小，平均为2 8 3 3 羝i 移。 ( 4 ) 四季特征 镇江的四季分明，一般以3 5 月为春，6 8 月为夏，9 一1 1 月为秋，1 2 2 月为冬。 江苏大学硕士学位论文 第二章镇江市大气稳定度特性的分析 2 1 大气稳定度 静止的大气层中，如果气块受到垂直方向外力的扰动后，大气层结能抑制外力的扰动， 使它具有返回原平衡位置的趋势，则称这种大气层结是稳定的；如果气块受扰动后，大气 层结能促使扰动发展，使气块具有能进一步远离原平衡位置的趋势，则称这种大气层结是 不稳定的；如果气块受扰动后，大气层结既不抑制也不促进扰动的发展，也就是既不使气 块返回原来的平衡位置，也不促进它远离原来的平衡位置，则称这种大气层结是中性的。 因此，所谓大气稳定度，表示空气块在垂直方向上的稳定程度，即气块是否安于原来所在 的层次，是否易于发生对流。其级别愈低愈有利于空气和污染物的混合稀释，污染浓度就 愈低，反之则污染浓度愈高。 边界层中的大气稳定度是一个极其重要的参数，由于湍流运动的极端复杂性，以及人 们对湍流认识的局限性，通常很难确定大气边界层湍流过程的细节，而合理的稳定度参数 可以描述大气动力与热力湍流的相对重要性，因此，长期以来，稳定度参数是定义大气湍 流状态和描述大气扩散能力的一个重要因子。利用稳定度参数可以将大气湍流状况进行简 单的分类，这在大气扩散模式中得到广泛的应用，它决定了大污染物输送、扩散计算以及 扩散参数的选取。而扩散参数是大气湍流运动强弱的标志，各种扩散模式将大气的稳定度 状态与污染物浓度有机的联系起来，从而将大气对污染物的影响模式化、参数化。因此， 稳定度参数的合理选择直接影响各类扩散模式计算结果的准确性。 2 2 大气稳定度的主要影晌因素 2 2 1 太阳辐射 在晴朗的白天，风不太大时，太阳辐射使地面温度上升，形成气温上低下高的状态， 靠近地面的空气密度比上空的小，轻的空气在下，重的空气在上，容易形成上下空气的对 流扰动，这时大气处于不稳定状态。少云、无风的夜间则相反，夜间的太阳辐射等于零， 地面无热量收入，但地面长波辐射却存在，因此，大气逆辐射很少，有效辐射很大。由于 地面大量失去热量而不断冷却，近地面的空气也随之冷却，就形成了气温上高下低的状态， 堑蔓丕堂堡主堂垡鲨塞 称为逆温。此时。重的空气在下，轻的空气在上，很难使大气发生垂直交换，印大气呈稳 定状态。 2 2 2 云量 云对太阳辐射有反射作用，它的存在会减少到达地面的太阳直接辐射，同时云层又加 强了大气的逆辐射，减少地面的有效辐射，因此云层的存在可以减小气温随高度的变化， 增加大气的稳定度，从而减弱大气污染物的扩散，使污染加剧。 2 2 ，3 风速 风速越大，气块进一步远离原平衡位置的趋势越大，稳定性降低；风速较小时，气块 远离原平衡位置的趋势就越小，稳定性增加。 2 2 4 地形 地形的主要影响是通过对空气运动和气温的影响来影响大气稳定度。 2 3 稳定度分级方法及选用 国外众多学者对稳定度的分级方法进行了广泛的研究，基于不同的观点和认识定义了 各种大气稳定度分级方法。 按考虑影响因素的侧重点不同，各种大气稳定度的分级方法大致可分为以下三类： ( 1 ) 侧重于热力因子的方法：p a s q u i l l 法，p a s q u i l 卜t u r n e r 法，国标方法，温度梯度 法和位温梯度法等。 ( 2 ) 侧重于动力因子的方法：风速比法等。 ( 3 ) 同时考虑热力因子和动力因子的方法：理查逊数法和奠宁一奥布霍夫长度法。 2 3 1p a s q u 1 1 分类方法 帕斯奎尔把大气稳定度分为 - f 六个级别( 表2 - 1 ) ，再根据大量常规观测资料，于 1 9 6 1 年首先总结出了根据云量、云状、太阳辐射状况和地面风速等气象资料，划分大气稳 定度的方法( 表2 2 ) 。他把大气对污染物的扩散能力用a 、b 、c 、d 、e 、f 这六个稳定度级 别来表示。 江苏大学硕士学位论文 表2 - 1 大气稳定度分类 t a b l e 2 1s o r to f a t m o s p h e r i cs t a b l m y b cdef 极不稳定不稳定 微不稳定中性微稳定稳定 表2 - 2 帕斯奎尔稳定度分级 t a b | e 2 - 2c l a s s i f i c a t i o no f p a s q u i | is t a b i l 姆 地面风速 白天 夜晚 ( m s ) 太阳辐射状况阴天( 白天 薄云遮天或 ( 据地面或夜晚)云量4 1 0 强 中等弱低云 _ - 5 1 0 1 0 m 高处) 6c ddddd 2 3 2p a s q u il f t u r n e r 稳定度分级方法 由于支配和影响大气稳定度状况的因子很多，实际的大气湍流运动又十分复杂，再加 上大气过程的时空尺度不同，下垫面状况各异，就使得问题更加复杂。于是，仅根据地面 宏观气象观测资料判定稳定度等级的做法反映出较大的局限性，尤其是个别情况更会出现 偏差，从而会使得根据稳定度级别确定的扩散参数互不相同，以致估算所得的污染物浓度 也会造成偏差。于是，t u r n e r 弓l 进了一个利用太阳高度角来判定日照强弱的更好的定量的 规范的方法以给出稳定度级别。这种方法首先计算出计算时日的太阳倾角。然后计算太阳 高度角，最后再由太阳高度角和云量查出太阳辐射等级( 式2 一l 、2 2 ) ，最后由地面风速 和太阳辐射等级查出大气稳定度等级“7 “删( 表2 3 、2 4 ) 。这种方法称为p a s q u i l 卜t u r n e r 法，简称p - t 法。 h o - - - - - a r c s i n s i n o s i n o q - c o s 如o s o e o s ( 1 5 t + 2 3 0 0 ) 】 ( 2 1 ) 式中：当地纬度； 旯当地经度； 仃太阳倾角( ) 。 1 4 扛蒸奎学硕士学位论文 o - 4 0 0 0 6 9 18 0 3 9 9 1 2 c o s o o + 0 0 7 0 2 5 7 s i n o o - - 0 0 0 6 7 5 8 c o s 2 0 0 + o 0 0 0 9 0 7 s i n 2 0 0 一0 0 0 2 6 9 7 c o s 3 8 0 + 0 0 0 1 4 8 0 s i n 3 岛】l 8 0 丌 式中：吼3 6 0 d 。3 6 5 ( d e g ) ； d 。一年中日期序数( 0 ，1 ，2 ，3 6 4 ) ： t 气象观测时的北京时闻( 钟点) ， 表2 - 3p - t 法q , 的太阳辐射等级 t a b l e 2 - 3g r a d eo f s u nr a d i a t i o nj np - tm c t h o d ( 2 2 ) 云量( 1 1 0 ) 太阳高度角( h o ) 总云量低云量 夜间h o h os 1 5 。 1 5 。 h o 3 5 。3 5 。 9 ，或 2 0 0 0 m 5 0 0 0 m 之间云 - 10 0+ 1+ i 量为6 9 2 0 0 0 m 以下云量为6 9 0o 0o+ 1 2 0 0 0 m 以下云量 900000 表2 - 4p 1 法中的大气稳定度等级 t a b l e 2 - 4g r a d eo f a t m o s p h e r es t a b i ! 姆i np tm e t h o d 太阳辐射等级 地面风速 + 3+ 2+