三组：污染物扩散理论

,梯度输送理论、湍流统计理论与相似理论基本处理及比较,小组成员,目录,1,总述复习及K理论概述,梯度输送统计理论,大气扩散的基本问题，是研究湍流与烟流传播和污染物浓度衰减的关系问题。目前处理这类问题有三种广泛应用的理论：梯度输送理论（简称理论）、湍流统计理论和相似理论。,总述,什么是湍流？湍流现象,杂乱、随机、无序,达芬奇描绘的湍流,火山爆发,reviewtime,空气污染物扩散过程由湍流运动和气流平均速度差决定,常用两种方法描述,欧拉方法,拉格朗日方法,梯度输送理论的基本处理,梯度输送理论（理论）德国科学家菲克在年发表了一篇题为“论扩散”的著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他把这个理论表述为：“假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中发生的热扩散相同，是十分自然的。”所以皆可用相同的数学方程式描述。理论是通过泰勒与菲克扩散理论的类比建立起来的。湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的分子扩散方程描述。为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。,梯度输送理论欧拉途径,由湍流运动引起的局地质量通量与该地被扩散物质的平均浓度梯度成正比，方向相反，称为梯度输送理论,又称K理论。其中表示流体密度表示扩散物质浓度。,梯度输送理论欧拉途径,平均量与脉动量关系,梯度输送理论欧拉途径,欧拉途径是利用求解流体运动规律方程得出扩散方程，而流体运动规律由雷诺方程确定，其中包含9个应力项，未知数数量大于方程数，方程不闭合，梯度理论则是利用半经验假设为前提减少未知数得到相应扩散方程。这也是理论的最大缺陷。,注意！,梯度输送理论欧拉途径,湍流扩散方程,梯度输送理论,梯度输送理论欧拉途径,此式即为K理论导出的普遍形式湍流扩散方程，它说明流体中某物质的散布是由湍流扩散所引起的。对大气扩散问题的处理就成为在一定的边界条件下求解方程的问题，这就是K理论发展的推动力之一。,梯度输送理论欧拉途径,特殊情况下的简化及求解,一无风瞬时点源,1推导假设前提：假定大气的静止的，湍流扩散系数为常数，且各向同性,Kx=Ky=Kz=常数,梯度输送理论欧拉途径,若在t=0时，在坐标原点释放Q（克）的污染物质，则满足以下条件,连续性条件,边界条件,当，时,时,当时,梯度输送理论欧拉途径,终极结论,梯度输送理论欧拉途径,特殊情况下的简化及求解,二无风连续点源,推导假设条件连续点源，可认为浓度处于定常状态，,连续点源可利用瞬时点源0积分得到,梯度输送理论欧拉途径,特殊情况下的简化及求解,三有风瞬时点源,推导条件,终极结论,四有风连续点源贴近实际重点掌握,坐标原点在烟囱口，平均风沿x轴方向水平方向上扩散远小于输送作用连续点源，为定常条件湍流运动各向同性,梯度输送理论欧拉途径,特殊情况下的简化及求解,四有风瞬时点源,边界条件,连续性条件,梯度输送理论欧拉途径,四有风连续点源,此式称为斐克扩散解污染浓度与源强成正比;离源距离越远,浓度越低;扩散系数越大,浓度越低;污染物在横风向及垂直向符合正态分布,梯度输送理论欧拉途径,特殊情况下的简化及求解,四有风瞬时点源,假定污染物在无界空间中扩散，不受任何界面限制的条件下导出的，称为无界情况下的扩散模式。,三方程的数值求解,解析解：采取各种近似简化条件数值解：考虑风场、湍流场、源强的时空分布，考虑干湿沉积过程及化学反应,水平方向离散化,沿经纬和垂直方向划分离散化网格,垂直方向离散化,大气分层（本例31层）,大气上界,地表,800hPa,200hPa,400hPa,600hPa,时间离散,中心差分蛙跳半显式非中心差分显式隐式,动力过程,动量守恒静力平衡方程（非静力平衡）连续方程（质量守恒）热力学方程（能量守恒）水汽守恒气体定律动力学保守变量守恒,应用时间发展方程,计算出新的状态Dt时间后(时间步长),初始时刻P,T,Q,U(初值),新状态t=t0+Dt,初始状态t0,时间发展方程(P,T,Q,U),基本概念,Dt即模式的时间步长。可从天气预报的几分钟，例如3分钟，到气候模式的半小时不等,t=t0+Dt,t=t0+2Dt,etc.,最终状态t=t0+预报时间,初始状态t0,基本概念,四湍流扩散系数K,14:0002:00,小结,对于梯度输送理论本身：通量与梯度之间的线性关系只是一种假定K不是流体的物理属性而是运动属性当前，中小尺度数值模式大多采用高阶闭和，大尺度区域的扩散输送问题仍然采用K闭合。,对于不同的求解计算途径：解析解：简单实用，广泛应用于环评工作领域，适用于均匀定常大气状况，有一定局限数值解：考虑风场、湍流场、源强的时空分布，考虑干湿沉积过程及化学反应，物理过程全面，计算复杂，通常在大气科学相关研究领域进行研究,2,湍流统计理论,湍流统计理论泰勒首先应用统计学方法研究湍流扩散问题，并于年提出著名的泰勒公式。萨顿首先应用泰勒公式，提出了解决污染物在大气中扩散的实用模式。高斯在大量实测资料分析的基础上，应用湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式，即通常所说的高斯模式。,湍流统计理论拉格朗日途径从研究湍流脉动场的统计性质出发（如相关，湍强，湍谱），来描述流场中扩散物质的散布规律。,个别粒子的随机运动无法描述，大量粒子的集合趋向一个稳定的统计分布。解决问题关键：确定粒子游走随机函数y（t）的概率分布。,对于概率相同的无规则行走问题，当步数充分大时，有：1所走距离的概率分布接近正态分布2其位移均方根（标准差）与行走时间的平方根成正比,若统计量不随时间变化，则湍流场是平稳场协方差反映湍流空间大小和寿命长短根据相关系数概念,一湍流扩散的拉格朗日描述与特征,若为平稳湍流，则统计量与湍流起始时刻无关，只取决于时间间隔，并有：R()偶函数，相对于纵坐标对称。原点R=1,足够大时，R0.,二泰勒公式及其讨论,1.Taylor（1921）用统计理论处理扩散，将浓度分布标准差与湍流脉动统计量联系。即描述拉格朗日相关系数和的定量关系,定常均匀的湍流场中，粒子的湍流扩散范围取决于湍流脉动速度方差和拉格朗日相关性。,2.泰勒公式的另一种形式,小结,扩散问题统计处理的根本目标是找出描述粒子位移的概率分布，即上述扩散粒子散布方差，再找出概率分布函数的具体形式。其难点在于湍流场的非定常，非均一性。泰勒公式是理想状况下导出的，在下垫面平坦，气流稳定的小尺度扩散适用，超出这样的范围需作一定的修订。,3,相似理论及三种理论体系比较,相似理论,湍流相似扩散理论，最早始于英国科学家理查森和泰勒。后来由于许多科学家的努力，特别是俄国科学家的贡献，使湍流扩散相似理论得到很大发展。湍流扩散相似理论的基本观点是，湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止，从这一基本观点出发，利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找出普适函数的具体表达式，从而解决湍流扩散问题。我们把这种理论称为相似扩散理论。,相似理论的基本处理,Monin(1959),Batchelor(1959,1964),Gifford(1962)发展的相似理论，在近地层大气湍流中占有重要地位。拉格朗日相似假设：近地层中，流体质点的统计特征完全可用确定的欧拉特征的参量来确定中性大气：参量非中性大气：和。,式中b和为待定的普适常数和普适函数，中性时，进一步假设相应的水平位移的增长率等于在高度处的平均风速，表示为,(1),(2),用量纲分析的方法可得到：,1基本数学处理,2中性层结的平均位移,中性层结，风廓线为代入（1）和（2），并积分得,3非中性层结的平均位移,非中性层结，风廓线为代入（1）和（2），并积分得,4小结,相似理论是以量纲分析为基础，基本原理为拉格朗日相似性假设，其物理模型有2点，1：粒子扩散特征与流场的拉格朗日性质相关2：近地层中，表征流场欧拉性质的参量主要有摩擦速度，莫宁-奥布霍夫长。相似理论适用于近地层内，即湍流粘滞力为常数的薄层内。,三种基本理论的比较与讨论,三种理论体系比较,正是：久思旧理非良策，破局还得看今朝。毕竟“扩散理论”路在何方，且听四组下回分解。,2020/5/3,tobecontinued,谢谢您的观赏THEEND,环保热下的冷思考,2020/5/3,传说学霸都爱刷题,2020/5/3,那么，(*),问题来了,2015-2016学年第一学期期末试卷,班级：姓名：一选择题（每题10分，共计30分）故事背景：你是一名当地最大污染企业的普通员工，虽然工作环境很恶劣，但你仍觉得自己是世上最幸运的人。因为你那最最乖巧可爱的女儿，黑黑的软发，大大的眼睛，胖嘟嘟的小脸而后来，这一切都变了，先是从河流的腐朽，天空的阴霾，直到你听到医生说出囡囡患肺癌的消息1.你几近崩溃，隐隐觉得女儿的患病跟你所处企业有关，一个念头不可抑制地冒了出来A.向法院起诉企业B.什么也不做,2020/5/3,2.你站在法院门口，却迟迟没有迈进去。因为你心里明白，如果你这样做了，明天就会失业，而你更明白，你没什么本事，除了老本行，什么也干不了！你是家里的支柱，更关键的是，囡囡治病需要钱！A.迈进去，起诉企业B.回家，去医院看看囡囡，然后去上班,2020/5/3,3.下班回家后，你颓然地坐在凳子上，想着如何凑够50万给囡囡治病，抽起了早已戒掉的烟事情终于还是引起了政府的重视，政府拨了一笔钱定了两种方案来解决这件事A.把所有资金用于环境治理B.给相关受害者以50万的资金补偿,2020/5/3,二问答题(共计70分)环境问题，他从哪里来？现在在哪里？未来，又将去向何方？,2020/5/3,从哪里来,1.何为资源？资源真的有限吗？,资源未必有限，知识确实有限,2.资源的过度开采与环境污染有何不同？,受伤的总是地球。,现在在哪里,现在，环境问题在人类发展中应占据怎样的位置？1.环保究竟需要多少钱？,2020/5/3,按IPCC的方案中国2020年后每年要花1万亿人民币购买碳排放权！1，000，000，000，000,2.环保，公益还是商品？这是个问题,富者的公益，穷者的侈谈,将去向何方,1.我们在拯救地球吗？还是拯救人类自己？,这不是