第四章-不同地形的大气污染扩散.ppt

第一节城市空气污染扩散 城市区别于乡村的特点是 城市建筑增加了下垫面的粗糙度 城市的生产和生活使它成为人工热源 城市污浊的空气改变了辐射收支 城市下垫面植被少 干燥 蒸发消耗热量较少 城市的特点改变了城市边界层的气象条件 污染物的扩散规律也与农村不完全相同 一 城市气候特征 1 热岛 效应首先 城市的气温与周围农村不同 工业和家庭消耗大量燃料 使城市成为一个巨大的热源 大城市的热释放量可以与接受的太阳辐射能相比拟 例如柏林每年人工热源释放的热量相当于直接太阳辐射能的1 3左右 由于城市净热量收入比周围农村多 气温比较高 根据统计中等以上的城市的年平均温度比周围农村高1 左右 这就是所谓的 城市热岛效应 热岛 形成的原因是城市固有特点造成的 地面粗糙大 近地面层风速比农村要小 一般低20 30 城市地面反射率一般比农村小10 故城市接受太阳辐射能量比同样大面积农村多 城市上空气溶胶等污染物质多 导致有效辐射减少 城市雨水能及时由地下排走 地面蒸发耗热比农村少加上人为的热源 最终导致城市边界层热层结的改变 城市热岛 形成的条件 无云 小风的夜晚 冬季强于夏季 表 5 1 北京城区与郊区气温差 1985年 这说明冬季热岛效应比夏季强 并且夜间或清晨日出前热岛效应显著 最高气温的差值全年相对于最低气温差来说一般是小的 亦即白天热岛效应不明显 城市气温的铅直分布与周围农村不相同 这是影响城市大气扩散的一个重要因素 从图中可以看出白天 城市和乡村近地面气温较高 温度层结是超绝热的 形成一个深厚的混合层 日落之后 乡村近地面气温渐渐下降 逐步形成由地面向上发展的逆温层 稳定气层的厚度可达数百米 但是 当空气移到相对粗糙和暖和的城市上空以后 从下部向上加热 近地面重新改变成超绝热或中性的温度层结 形成一个薄的混合层 上部则仍维持从乡村移行过来的逆温 构成了城市上空特有的上部逆温 城市热岛效应的温度分布特征可归纳如下 城市热岛的强度和城市的大小 每天的时间以及气象条件有关 大城市的热岛强度较强 同一城市夜间比白天强 无风的晴夜强度最大 城市上空很少出现夜间地面逆温 而是有一层或多层上部逆温 乡村地区却经常出现从地面向上发展的逆温 较少出现上部逆温 乡村气温的昼夜变化是很有规律的 但城市温度变化规律就不太明显 热岛中心向下风向偏移 它直接影响的上限在50 400米范围内 有时可接近一千米 2 动力效应 热岛改变了温度场 当然也会影响到风场 首先 是热岛环流 它的作用在晴朗无风的天气最强 此时在近地面形成一种从周围乡村吹向城市的特殊局地风称为 城市风 气流在城市中心辐合上升 通常在300 500米高度向四周辐散 见图 5 3 城郊之间的环流 城市下垫面对流场的动力效应是影响城市气象条件的另一个重要因素 首先是在整个城区增加了地面粗糙 空气流经粗糙的城市表面时会产生更多的湍流 水平和铅直湍流交换强度都比平坦的乡村大得多 进而改变了风随高度的分布状况 总的来说 城市边界层的风场 温度场的分布和变化规律比平坦的乡村复杂 不同城市也有明显差异 城市近地层的风速减小 湍流增强 温度层结更不稳定 扩散稀释速率白天明显增快 夜间有逆温层顶盖 污染不易散开 二 城市污染源 城市几乎包含了所有类型的污染源 通常是根据城市污染源的特点以及研究目的和方法制定适当的分类 国外有些城市按燃料消耗 工业 商业活动 交通运输及灰化炉等项分类 每一项再分若干项 从研究大气扩散角度看 最终要求得到三种类型污染源的资料 1 弧立高耸源 即高架连续点源 要了解污染物的成分 性质 源强和源强随时间的变化 源的位置 高度和抬升高度 计算抬升高度需要的源参数 这类污染源的排放量通常都比较大 在空气污染分析中应逐个考虑 2 低矮分散源它包括居民燃烧源 这类源的排放量很小 但数量很多 在分析计算中不可能作为单独的点源逐个考虑 通常当成面源处理 通过污染调查 应当得出城市面源强度的分布和它的时间变化 3 活动源主要是汽车交通工具的污染排放 常作为专门的空气污染问题进行研究 三 城市空气污染特征 城市下垫面 气象条件和污染的特殊条件形成了城市大气扩散和空气污染的特征 1 城市的大气扩散速率明显增大国内外的观测均表明 在相同天气条件下 城市扩散参数比乡村大 相当于帕斯圭尔扩散曲线向不稳定方向提高1 2级 三 城市空气污染特征 2 城市扩散包含两种主要运动尺度 这是它的另一重要特点 一种是城市中尺度 几公里至几十公里 的扩散 一般的城市扩散模式主要描写这种尺度的扩散过程 另一种是城市微尺度扩散 由街道和建筑物的动力效应引起的 仅仅模拟前一种扩散 就不能描绘微尺度扩散影响 无法解释某些局部的浓度变化和空气污染现象 3 城市污染浓度的日变化城市近地层温度层结与周围农村不同 形成了不同的空气污染日变化特征 在乡村 夜间逆温层内的铅直交换十分微弱 对高架源的污染源来说 近地面是清洁的 而城市 许多低矮的污染源处在夜间浅薄的混合层内 这一层风速通常亦较小 所以夜间近地面浓度比农村高 见图 5 6 图 5 6 夜间乡村 城市中高架源扩散示意图 日出后的一个短时间内 混合层发展到源高附近 可形成漫烟型污染 地面污染浓度较高 即下面为湍流扩散 上面仍有顶盖 阻止扩散到高空去 城市 乡村都有类似情况 见图 5 7 早晨和中午中高架源扩散示意图 城市空气污染实际的日变化是气象条件与污染物排放率日变化的综合结果 一些城市的空气污染监测表明 地面浓度常出现两个高峰值 日出之后一个高峰 傍晚以后常出现次高峰 日变化的典型过程如下 见 图5 8 北京市工业区二氧化硫浓度日变化 从00点 04点 此时薄的夜间混合层虽然不利于扩散 但地面浓度很低 这是由于许多生产活动暂时停止 污染物排放量大为减少之故 这一段时间内气象条件没有明显变化 污染物浓度改变不大 黎明前后 城市活动逐渐增加 污染排放量越来越大 但湍流混合强度增大不多 所以地面浓度上升 到08点左右达最大值 此后因混合层向上发展 风速加大 但污染排放量不再进一步增加 污染浓度减小 到午后混合充分发展时降到白天的最低值 接近日落时 混合层高度开始降低 风速逐渐减小 此时 郊区近地面开始形成稳定气层 城市则逐渐形成薄的混合层 地面浓度再一次增加 成为第二个高峰 次高峰 直到城市的生产和生活开始减少为止 随着污染物排放量的减少 污染浓度下降到最低点 整个周期从凌晨前后又重新开始 4 城市污染的年变化 城市污染有明显的季节变化 以SO2和飘尘来说 一般冬季浓度最高 春 秋次之 夏季最低 春季和秋季污染浓度的相对变化比较大 这些变化都是与污染物排放量以及气象条件变化的特征相吻合 见表 5 2 南北方大气污染季节变化比较 表 5 2 南北方大气污染季节变化比较 城市空气污染的另一个特点是浓度的空间分布很不均匀 对SO2和漂尘这类很普遍的污染物质也是如此 浓度分布不均匀的根本原因是污染源分布不均匀 而浓度的大小与所处位置有关 面源造成的污染浓度主要决定于上风向几百米范围内的面源强度 点源的污染范围较窄 短距离内地面浓度可改变几个数量级 四 城市多源扩散模式 城市多源扩散模式的应用主要是对城市区域或大工业区进行空气污染物分布的模拟处理 它对城市空气污染管理与控制具有重要意义 进行这类模式操作一般包括以下五个组成部分 污染源的调查与编目1 污染源的调查 1 确定污染源的性质它包括确定高架点源 线源和面源的原则标准 2 对三种污染源调查及资料搜集2 污染源的编目 二 气象资料的获取及处理1 风 1 地面 10m高处 风向风速的统计 2 风速随高度的变化2 逆温层分布3 大气稳定度状况4 混合层厚度 三 空气污染物浓度的监测与分析 四 建立扩散模式和计算公式 五 模式计算精度与可能产生误差分析 第二节山区空气污染扩散 我国山地 丘陵约占全国总面积的2 3以上 大部分农田 森林分布在这些地区 许多工矿企业和城市集镇位于山区 丘陵地带 随着经济的发展 在这类地区还将建设更多的工矿企业 因此研究这类地区的大气污染扩散具有实际意义 山区的气侯特征 1 温度场特征 由于地形作用 辐射逆温大为增强 夜间山坡冷却较快 冷空气沿山坡下滑 在谷地堆积 山谷凹地风速较小 湍流微弱 逆温发展比平原快 厚度厚 强度大 见图 5 9 美国多诺拉谷地逆温 相反 在山顶和坡地 因风速较大 湍流较强 加上冷空气下滑换来较暖空气上升 因此夜间冷却比平原和山谷地带和缓 因而山顶和坡地上空逆温也较弱 由于山区地形对太阳辐射的阻挡 逆温形成时间比平原早 消散时间比平原迟 山区逆温的生消与局地地形有关 地形陡峭 相对高差大的山区 全年逆温天数多 强度大 逆温层深厚 持续时间也长 就季节差异来说 一天之中山区逆温持续时间冬季比夏季长 逆温强度也是冬季最强 夏季最弱 渡口市07时逆温状况 该市处于金沙江河谷两岸 地形陡峭 山高谷深 境内的相对高差一般都是在500 600米以上 表 5 3 中的逆温顶高是指逆温层顶至观测起始点的相对高度差 该观测点的位置较高 如果从江面算起 则逆温层的厚度应再增加150米左右 表中的数据都是多年平均值 如果按极值看 强逆温厚度可达600 800米 强度达4 C 100米以上 从上表中也可以看出 山区逆温有明显的季节变化 各项指标都是冬季高于夏季 山区逆温的另一个特点是 多中心 沟谷越深 坡越陡 地形越复杂 就越易形成多个逆温中心 逆温强度的垂直分布也不均匀 一般随高度减弱 2 风场特征 山区地形复杂 地表面受热不均匀引起局地环流 典型的如山谷风环流或更小尺度的局地环流 地形的起伏改变了低层气流的路径和速度分布 因此山区实际的风场是在某盛行风的背景下加上述两个方面因素叠加的结果 所以山区流场的空间结构复杂 时间变化明显 2 风场特征 山区风场的第一个显著特点就是其风向 风速的水平分布极不规则 山区风场和大范围盛行风场可能有很大差别 局地环流和地形的作用使山区邻近点的风向常常很不一致 当梯度风较强时 不同地点的风向相关程度高一些 梯度风较小时各点风向更加不规则 风速也是如此 迎风坡 背风坡 山顶和山腰两侧的风速都有明显差别 一般山顶和山腰两侧流线密集 风速较大 迎风坡下部气流受阻 风速减弱 而在背风坡 流线很快辐散 风速急剧减小 在山的背风面和地形闭塞的山坳和凹地常出现静风区 山区风场的第二个特点是风的垂直结构和平原不同 山区风场的垂直结构比平原复杂 许多观测表明 山区风随高度的变化有一个明显的转变高度 下面是地形风上面是梯度风 在转变高度上 风向或风速或两者都发生明显的改变 见图 5 10 几种实测风速廓线图形 a 正常型可用幂次律描述的风速廓线 平原地区一般属于这种风速廓线 b 等速型风速随高度无明显的变化 c 极值型风速向上增加至某一高度达最大值 然后随高度反而减小 d 反向型风速随高度出现两个极值 一个最大 一个最小 e 其它型不属于以上各型的很不规律廓线 表 5 4 渡口市金沙江河谷风速廓线分类表 1979 1980 由于地形造成的热力作用引起局地风一山谷风 山风 下坡风 一夜间 地面因散热而冷却 紧贴山坡的空气比山谷中部同高度上的空气冷却得快 因而在水平方向上形成温度差 温度差引起密度差 即坡面上的空气密度比山谷中同高度上的空气密度大 使得冷而重的山坡空气沿山坡向谷底中心流动 结果在山谷中汇成一股由山谷流人平原的气流 这就是所谓 山风 或 下坡风 山谷风环流示意图 谷风 上坡风 一白天 情况正好与夜间相反 地面因吸收太阳辐射而增热 山坡上的空气比山谷中部同高度上的空气增热快 故山坡上的空气比同高度处山谷上空的空气密度小 因而谷底空气将沿山坡上升 在谷道中汇成一股由平原流人山谷的气流 这就是所谓 谷风 或 上坡风 有明显的铅直气流 平原地区气流多是平直的 山区由于起伏地形的影响 会强迫气流上升和下沉 受热不均匀也会引起局部的上升和下沉气流 1981年12月至1982年1月用平衡气球在渡口市金沙江河谷的观测表明 铅直气流的平均速度为0 3米 秒左右 大的达1 1 5米 秒 有时气球沿河谷的一侧顺山而下 再沿另一侧山坡上升 其轨迹与地形十分吻合 3 山区的湍流特征 山区湍流强度一般比平原大得多 在山区除了温度层结不稳定可引起热力湍流外 由于复杂的地形受热不均匀也会引起局部热对流 同时山区粗糙的地形也会产生不同尺度的机械湍流 扩散速率取决于总的湍流强度 即取决于热力湍流和机械湍流的总和 平原地区机械湍流的贡献相对较小 当层结稳定时热力湍流又不可能发展 所以总的湍流微弱 扩散缓慢 但在山区 即使在稳定条件下 仍能形成较强的机械湍流 扩散速率比平原快得多 二 山区典型的污染过程 1 山谷中的污染在狭长的山谷或河谷地带 除了污染物的侧向扩散可能受到两侧山坡限制外 还有一些特殊过程 山谷风转换及小风下的污染物累积现象 一天之中 山谷风交替出现 吹山风时排放的污染物向外流动 若不久转人谷风 被污染的空气又被带回谷内 特别是山谷风转换时刻 风向不稳定 时进时出 不断重复这种 拉锯 使排放源周围空气中污染物浓度不断增加 如果同时有逆温存在 风速很小 风向变化频繁 则污染更加严重 图 5 12 吹山谷风时污染物流向示意图 山谷中的漫烟型污染 山谷中的漫烟型污染是一种严重的污染 一般在早晨日出后出现 地面浓度极高 傍晚又出现一回次高峰 如 某地有一河谷地带 该河谷基本上呈南北走向 宽1 5 2千米 两侧山坡相对高度为700 800米 某冶炼厂烟囱高120米 日出前的几个小时内 风速很小 由于夜间的逆温 沿着河谷吹向下游的气流是稳定的 烟流经抬升达到300米高度后就不再升高 维持在这个高度上顺流而下 几乎没有什么扩散 烟流中的SO2浓度很高 日出以后 河谷两侧的山坡受太阳照射 很快增温 东侧仍较冷 于是形成局地环流 图 5 13 山谷中的局地环流 在四川省渡口市观测到另一种漫烟过程 该市弄弄坪区的高架源处在山坡上 加上抬升高度 夜间烟气积聚在逆温层上部 如前所述 渡口市冬季逆温层厚度可达500 600米 逆温层的上部要到中午前后才完全消散 故发生漫烟的时间比平原迟 图 5 14 是该地区一月份SO2平均浓度日变化曲线图 各地面采样点的日最高浓度都规则地出现在11时30分左右 春秋季的地面浓度也以11时30分左右最高 但不如冬季明显 2 下坡风及 冷湖 中的污染 下坡风晴朗的夜间 山坡辐射冷却 冷空气沿山坡向下流动 形成一层厚度不大的下坡风 其厚度超过50米的机会较少 位于山坡上的排放源的高度未超过下坡风的厚度 污染物将被带向谷底 冷湖 现象 在山区 有些地方四周地形高 中间是凹地 夜间沿山坡流下的冷空气没有出口 在凹地中积聚 形成强逆温层 称为 冷湖 现象 当梯度风不大时 凹地是静风 有些非典型的山谷地带 没有明显的山谷风 也可能出现强逆温和静风相配合的气象条件 山谷凹地中这种逆温和静风的伴随出现 可能造成最不利的污染形势 如果污染源位于凹地之中 上部受到逆温层的限制或下沉的冷空气带回谷底 四周则受到地形的限制 加上静风条件 污染物排不出去 会在凹地中积聚形成高浓度 3 背风区的污染 气流过山会在背风区出现明显的上升气流和下沉气流 有时还会出现剧烈的湍流区 当气流垂直于山脉走向越过山背时 由于山的影响 在山的背风一侧常形成波状流动称为地形波或叫背风波 这种波动是一种重力波 是由于气流过山被强迫抬升 当大气层结比较稳定时 在重力 惯性力的交替作用下作振动 于是形成背风波 在下风方向出现一系列上升和下沉气流 过山气流引起的污染通常有以下几种情况 几种典型的背风区污染 排放源位于山前 烟流随过山气流带向地面 造成下沉污染 排放源位于过山下沉气流或湍流区 此时烟流被向下倾斜的气流带向地面 或由于强烈的湍流混合很快扩散到地面 造成地面的高污染浓度 污染源位于背风侧回流区中 此时烟流被回流区的下沉气流带回地面 而且部分污染物可能在回流区内往返积累造成高污染浓度 只有当排放源高度超过回流层高度后 才不会受回流的影响 根据对过山气流的分析 若背风坡地形相对开阔 靠近坡面排放的污染物会被过山气流带到坡底 但对排放源较高的烟流 则可能只是被下压到一定的高度 不一定完全下压触地 高度超出过山气流层的烟源则基本上不受影响 若山后是狭窄的深谷 过山气流只能影响上部流场 不易侵人山谷的中下部 因此 在山区建立排放源时 其位置应尽可能离开盛行风向背风面的山脚 并要有足够的高度 避免过山气流直接下压和强湍流区的影响 四 山区的扩散参数 前面提到的狭长山谷中扩散模式和NOAA模式所采用的扩散参数都是直接采用 高斯烟流 模式所用扩散参数的方法 但严格讲由于山区气流十分复杂 不能直接采用以前方法 因此一般山区扩散参数的获取有两个途径 1 在总结山区扩散经验规律基础上 根据山区湍流强 扩散快的特点 按我国规定把稳定度提级后再查找 y z 2 有条件最好是进行现场大气扩散实验或在实验室作风洞模拟实验来确定 y z 下面是我国某山区扩散实验结果 3 背风区的污染 气流过山会在背风区出现明显的上升气流和下沉气流 有时还会出现剧烈的湍流区 当气流垂直于山脉走向越过山背时 由于山的影响 在山的背风一侧常形成波状流动称为地形波或叫背风波 过山气流引起的污染通常有以下几种情况 见图 5 16 几种典型的背风区污染 几种典型的背风区污染 排放源位于山前 烟流随过山气流带向地面 造成下沉污染 排放源位于过山下沉气流或湍流区 此时烟流被向下倾斜的气流带向地面 或由于强烈的湍流混合很快扩散到地面 造成地面的高污染浓度 污染源位于背风侧回流区中 此时烟流被回流区的下沉气流带回地面 而且部分污染物可能在回流区内往返积累造成高污染浓度 只有当排放源高度超过回流层高度后 才不会受回流的影响 三 山区污染扩散模式 1 狭长山谷中的扩散模式在狭长山谷中 当烟体的边缘接近两侧山坡时 侧向扩散受到两侧壁的限制 因此可以认为在离源一定距离后 经过侧壁的多次反射 横向浓度接近均匀分布 而垂直向仍为正态分布 无上层逆温时 这时可以仿照封闭型扩散的处理方法 得到在y向均匀分布以后高架点源的地面浓度公式 当X 2Xy时 烟流横向扩散就基本趋于均匀了 NDAA模式 美国国家海洋与大气局分析了起伏地形对烟流的影响后提出了以高斯烟流为基础的NoAA模式 其要点如下 1 在大气为中性和不稳定层结时 A B C D层结 假设烟流中心和地形的高度差始终保持初始的有效源高 即烟流中线轨迹与地面平行 随地形起伏而起伏 在这种假设条件下 地形的影响被排除 此时地面轴线浓度用以前讲的高斯地面轴线浓度即可 2 在大气为稳定层结时 E F 假设烟流中心线与海平面平行 于是对起伏地形 烟流中心线与地面不平行 设地形高度为hr 于是引进经高度修正后的地面轴线浓度计算公式 式中hT是地形高度 亦即计算点地面高于烟囱底的高度 并令当ht H时 H hT 0 此时烟流中心线直接落于地面计算点 即地面浓度等于烟流中心浓度 3 对NOAA模式的评价 显然 NOAA模式未考虑烟流随地形起伏的变化 包括烟流可能发生形变或绕流而不一定直接触地 另外亦未引人山区扩散速率比平原地区高的因素 因此模式计算结果误差较大 总的来说 由于山区气象及地形条件复杂 风向和风速分布极不规则 因此山区污染的研究及山区污染浓度的计算都十分困难 以上介绍的模式都作了很多简化 与实际情况有较大差距 只能作为粗略估算 第三节水域附近的空气污染扩散 由于经济 交通等原因世界上许多城市和工业区往往位于沿海和大溯沿岸 我国沿海地区也是人口和工业集中 经济比较发达的地区 因此研究这类地区的湍流扩散和污染物的输送状况是很重要的课题 在水陆交界区域 由于水体和陆地的粗糙度 热力性质和辐射传输等剧烈的水平差异 形成了局地气象特征 使得这些区域的大气扩散规律与平原地区有明显的不同 出现一些特殊的空气污染过程 海陆风环流的影晌 大型水域附近最明显的局地环流是海 湖 陆风环流 海陆风是以日为周期的中小尺度天气过程 由于水陆的热力性质不同 造成他们之间的温度差 水的导热率 比热 热容量等都比陆地大 因而水面温度变化比陆面缓慢 其日变化也比陆地小 这样导致水面上和陆地上气温的差异 从而生成海陆风 在近地面 白天吹海风 海风上面是返回海洋的反向补偿气流 其厚度约等于海风的一倍 夜间则吹陆风 海陆风环流示意图 海陆风环流对大气污染的扩散有几种作用 1 循环作用海风上方的补偿气流和下层风向相反 对一些排放或抬升较高的污染源 进人反向补偿气流的污染物向下扩散后 会随海风环流带回陆地 提高低层上风向污染物的浓度 2 海陆风转换时的重复污染海陆风是有日变化的环流 在海陆风转换期 随陆风输向水体方向的污染物又会被发展起来的海风带回陆地 形成重复污染 见图 5 18 陆风 湖风转换前后污染物的输送 海陆风转换期平均风速较小 气流比较紊乱 单个源排放的污染物常常被分散在较广阔的范围内 上述的重复污染不一定引起过高的浓度 但对一个工业区或城市来说 许多源的重复污染彼此交叉重迭 就会使整个地区平均污染物浓度增高 这一点对沿海城市的污染有不可忽视的影响 3 海风 锋面 的影响 如果大范围的盛行风和海风方向相反 随着海风人侵 下层海风温度较低 上层陆上气流温度较高 海风的前沿形成一层倾斜的逆温顶盖 这与大尺度天气系统的 冷锋 有些相似 见图 5 19 海风人侵时污染物输送示意图 海风前缘为辐合上升气流带 污染物随辐合气流上升 然后随上层盛行风吹向海洋 在海洋上扩散到下层的部分污染物 又将随海风进入内陆 海风入侵的距离和厚度看它和盛行风的强弱而定 在近岸处通常厚度可达几百米 入侵距离可达几千米 沿岸较低的排放源排放的烟流随海风吹向内陆 它的扩散受上部逆温顶盖的限制 封闭 可形成地面较高浓度的污染 二 热力边界层的影晌 1 热力边界层的大气污染过程水陆温差除了以日为周期的变化外 水陆热力性质的差异 还使得它们温度年变化的位相不同 水体温度变化位相落后于相邻的陆地 春末夏初 水面温度开始上升 但陆地温度升得更快一些 当远岸的大气处于稳定状态 随着系统性的向岸气流吹向陆上时 受陆地下垫面的影响 低层空气逐渐变性 形成不稳定状态 而上部仍保持原来的特性 从而形成所谓的 热力边界层 热力边界