理想条件下空气污染物散布-扩散参数

1、2021/3/10授课：XXX1 q(x, y, z; H) Q, u, y , z , H, 扩散参数怎样给出？ 2021/3/10授课：XXX2 3.3.1 早期的大气扩散参数处理早期的大气扩散参数处理 3.3.1.1 萨顿模式 给出RL ()的具体形式,根据Taylor公式求出扩散参数，再 代入Gauss公式得到萨顿公式 萨顿扩散参数Cx,Cy 时间间隔 宏观粘滞度 ，湍流特征量 0 222 zuN wvu 萨顿模式 RL () n L LL vN N R RR 2 )( 0)(, 1)0( 2 )( v N fRL 2021/3/10授课：XXX3 m z z uu m m n)(,

2、1 2 1 1 n zz n yy xC xC 222 222 2 1 2 1 n n n z n n n y u w unn N C u v unn N C 1 2 2 2 1 2 2 2 )2)(1 ( 4 )2)(1 ( 4 2021/3/10授课：XXX4 3.3.1.2 直接测量湍流量的方法直接测量湍流量的方法 1)、风向脉动标准差(H. E. Cramer,1957) 由Taylor公式，在近距离，运行时间不长，有 当水平风向脉动摆角不大（1/T，它们对扩散都不起作用，只有那些频率 非常低的湍涡才对扩散有贡献 w 上面的参量都是拉氏形式，按下列假定转化成欧拉形 式的参量 w 假设1

3、 只要观测v的时间（取样时间）大于粒子运行时间的 5倍，就可以用定点观测得到脉动速度方差的代替跟 踪观测得到的脉动速度方差。 22 5 EL vv T 时，当 2021/3/10授课：XXX9 假定2： 拉氏自相关系数与欧拉自相 关系数形式完全相同，仅在 时间尺度上差了一个倍数。 ）（）（时，当tRRt EL )( 2cos)(4 2cos)(4)( 0 0 nF tdtntR dnRnF E L LL 欧拉变数表示的湍流时间 尺度较小，它的频率就高。 由图上可以看出：欧拉谱 向高频端有一个位移。 2021/3/10授课：XXX10 将上式代入Taylor公式的谱形式： dn nT nT nF

4、Tvy Ey 2 2 0 2222 / )/(sin )( /, 222 )( T vTy 下标表示取样时间，T/表示先对v取T/时间的平均以后 在计算方差。利用Cramer公式可以写出 xxx xxx u xETEvz u xATApy , , p、 v分别表示以角度（弧度）表示的横风向和垂直向浓 度分布标准差。 当扩散物质的运行时间T足够小，有： 2021/3/10授课：XXX11 时间尺度是唯一的待定参量，起初=0.44/i，值改 变时，扩散参数不灵敏。 给定值以后，就可以根据水平风向脉动记录计算各 个距离的p，其步骤如下： 1）根据取样时间确定平均时间，最大平均时间sn =/5。 2）

5、用不同的平均时间s1、s2, sn 等对原始的风向脉 动记录进行滑动平均，得到经过平滑的n个、风向变化 序列s1、s2， sn 。 3）对上述风向变化序列，分别计算标准差，得到 (A)s1、(A)s2, (A)sn 。 4）根据结果做(A)s -s曲线图。 5）根据图求出任意y。 2021/3/10授课：XXX12 w 的确定方法： 1）根据定义 2）由扩散参数的比求 原则上有 3）利用经验关系求值：值与大气稳定度有关，并与湍流 强度成反比，值范围110。大气越稳定，湍流强度越小， 值越大。中性层结取4。 2 0 0 )()( )( )( )( v tvtv R dR dR T T v E L

6、 E L T TEvLy )()( T TEvEy / )()(2.1 ()() yLyE 欧拉时间尺度。）式的拉氏时间尺度和分别代表满足（和1 . 2 , , EL E L TT T T v v y u c u c i c C为实验常数，0.350.80，取0.60。 2021/3/10授课：XXX13 w 适用于开阔平坦地形上的小尺度扩散问题，利用A 和E 计算扩散参数，精确度高。但对观测要求较高， 计算量大。 2021/3/10授课：XXX14 3.3.2 稳定度级别与扩散曲线法稳定度级别与扩散曲线法 利用常规气象资料把大气的扩散能力划分为六个 稳定度等级，从A到F（极不稳定稳定） 用实

7、验曲线给出每个等级的y和z随距离的变化， 这些实验曲线称为扩散曲线。 稳定度的划分方法多种，有差别。 3.3.2.1 P-G-T方法 Pasquill把风速和辐射状况作为划分稳定度等级的 指标。 辐射状况由白天日照和夜间云量来估计。表3.3 2021/3/10授课：XXX15 表3.3 Pasquill稳定度分级方法 地面 风速 （m/s） 日间日射强度夜间天空状况 强中等弱 薄云遮天 或云量 4/8 云量 3/8 6CDDDD 不论何种天空状况，夜晚头不论何种天空状况，夜晚头1及最后及最后1h稳定度为中性。稳定度为中性。 （日落前1h至日出后1h为夜晚）。 仲夏晴天中午为强日照，寒冬晴天中午

8、为弱日照仲夏晴天中午为强日照，寒冬晴天中午为弱日照。 2021/3/10授课：XXX16 Turner稳定度划分 首先，依据研究地域的纬度和赤纬、时角定出太阳高度角h sinh=sinsin+coscoscos 其中时角=(t-12)15o ，t为地方时。 其次，按太阳高度角和天空状况确定日射等级，见表3.5，3.6 最后，结合地面风速给出稳定度，表3.7。 地面 风速 日射等级 43210-1-2 6CDDDDDD 表3.7 Turner的稳定度分类方法 2021/3/10授课：XXX17 时间天空状况日射等级 无论日间或夜间 总云量10/10，而且云高4/10-1 日间 h15o1 15o

9、h35o2 35oh60o4 云高为60o1 h60o0 云高9，不论h0 夜间 表3.6 日射等级确定规则 2021/3/10授课：XXX18 2021/3/10授课：XXX19 w Turner的稳定度划分方法较为确切。只要有 地面风速、云量、云高常规观测资料，就可 以客观地定出稳定度级别。所以这种方法是 实际工作中最常应用的方法。此方法原为机 场每小时的气象观测资料而设计的，机场多 在城郊，下垫面比较平坦，在应用于城市下 垫面时应做稳定度等级的订正。 2021/3/10授课：XXX20 w 上述Pasquill和Turner稳定度计算方法，都 是用宏观的气象资料间接地给出微观湍流 特征。

10、大气扩散速率最终取决于流场的湍 流特性，用上述宏观的气象条件划分稳定 度等级是一种间接方法。有时，大气宏观 条件大致相同，但流场湍流特性会差别很 大。因此用湍流场的特征量表征大气稳定 度更为有效。 2021/3/10授课：XXX21 a.常规气象资料表征稳定度太粗糙，没有考虑各 种大、中尺度过程的影响，也没有考虑下垫 面的影响。与其它稳定度分类法相比，差别 较大。 b.稳定度等级代表不同扩散速率的等级，扩散试 验表明，使用定量的稳定度指标有时不能说 明扩散速率的快慢。如风向发生缓慢偏转， 显示有大尺度湍涡的作用，即使是逆温的情 况也不例外。 稳 定 度 分 类 扩 散 曲 线 a.没有考虑地面

11、粗糙度的影响，扩散曲线是依据十 分平坦的观测资料得出的，对城市和其它粗糙 地形的扩散速率估计过低。需进行订正。 b.扩散曲线的取样时间为3分钟，一般短时间平均 浓度需要的取样时间为3060分钟，必须订正 到相同的时间才可以应用。 c.垂直扩散参数的曲线适用于地面源，不一定适用 于高架源。 P-G 适 用 性 p75 p76 2021/3/10授课：XXX22 3.3.3. 扩散参数法的修改完善扩散参数法的修改完善 3.3.3.1 国家标准国家标准 20世纪70年代以来，在我国环保研究实践中积累 了很多经验，对扩散曲线不断修改和完善，并结 合实际情况制定了国家标准GB/T13201-91。 稳定

12、度、扩散参数确定： w 云量 + 太阳高度角 太阳辐射等级 w 太阳辐射等级 + 地面风速 大气稳定度 w 由稳定度等级查算扩散参数 有风时（风速u 1.5m/s）扩散参数 小风(0.5 u 1.5m/s)和静风(u 0.5m/s)扩散参数 w 注意：根据下垫面条件调整确定稳定度等级；取 样时间订正 。p79 2021/3/10授课：XXX23 表3.10-a 太阳辐射等级 云量，1/10太阳辐射等级数 总云量/低云 量 夜间h15o 15oh35o3565o 4/4-2-1+1+2+3 57/4-10+1+2+3 8/4-100+1+1 5/570000+1 8/800000 2021/3/

13、10授课：XXX24 表3.10-b 大气稳定度等级 地面 风速 m/s 太阳辐射等级 +3+2+10-1-2 1.9AABBDEF 22.9ABBCDEF 34.9BBCCDDE 55.9CCDDDDD 6DDDDDD 2021/3/10授课：XXX25 表3.11-a 横向扩散参数 幂函数表达式数据 扩散参数稳定度等级11下风距离 y=1x1 A0.901074 0.850934 0.425809 0.602052 01000 1000 B0.914370 0.865014 0.281846 0.396353 01000 1000 BC0.919325 0.875086 0.229500

14、0.314238 01000 1000 C0.924279 0.885157 0.177154 0.232123 01000 1000 CD0.926849 0.886940 0.143940 0.189396 01000 1000 D0.929418 0.888723 0.110726 0.14669 01000 1000 DE0.925118 0.892794 0.0985631 0.124308 01000 1000 E0.920818 0.896864 0.0864001 0.101947 01000 1000 F0.929418 0.888723 0.0553634 0.073334

15、8 01000 1000 2021/3/10授课：XXX26 表3.11-c 小风和静风时扩散参数的系数 稳定度 0102 U100.5m/s 1.5m/sU100.5 m/s U100.5m/s 1.5m/sU100.5m/s A0.930.761.57 B0.760.560.47 C0.550.350.21 D0.470.270.12 E0.440.240.07 F0.440.240.05 2021/3/10授课：XXX27 取样时间的订正取样时间的订正 w 取样时间指连续取得观测数据并用以计算平 均值的时间长度。对污染物浓度计算，即指 大气采样的时间。假设大气湍流场是均匀、 平稳的，这是

16、Gauss公式的前提，所以在 Guass公式中没有指明平均风速和扩散参数的 采样时间及观测高度。但在应用中，为了使 各种观测资料和计算结果具有可比性，必须 考虑这些因素。 2021/3/10授课：XXX28 w 污染物扩散在铅直方向受地面限制，风向倾角 变化范围较小，当取样时间超过几分钟后，铅 直风向脉动范围变化不大，所以对铅直向扩散 参数可以不做取样时间的订正。水平风向可在 360o范围内改变，而表3.11中的扩散参数适用于 采样时间为0.5小时的情形，如果采样时间大于 或小于这个时段需进行订正。 2021/3/10授课：XXX29 q yy )( 1 2 12 适用时间 范围，h q 11

17、000.3 0.510.2 y2、y1分别为取样时间为2、1时的横风向 扩散参数。 2021/3/10授课：XXX30 等级A（度） A22.5 B17.522.5 C12.517.5 D7.512.5 E3.87.5 F3.8 (2)温度梯度法 p81 (3)PBL湍流参量法82 3.3.3.3 不同源高、不同下垫面不同源高、不同下垫面 稳定度的高度变化 扩散曲线依据的源高、源特性 不同 z0的影响，p87 表3.23 3.3.3.4 扩散曲线的内插完善扩散曲线的内插完善 综合，表3.25 3.3.3.2 其它稳定度分类方法其它稳定度分类方法 (1)风向脉动标准差 美国环保局(EPA, 19

18、90)，推荐了用表征湍流强度的风向 标准差A， E 划分稳定度的方法。p79 2021/3/10授课：XXX31 表3.25 Briggs扩散参数 (单位：m) (a) 开阔乡间条件 稳定度级别yz A0.22x(1+0.0001x)-1/20.20 x B0.16x(1+0.0001x)-1/20.12x C0.11x(1+0.0001x)-1/20.08x(1+0.0002x)-1/2 D0.08x(1+0.0001x)-1/20.06x(1+0.0015x)-1/2 E0.06x(1+0.0001x)-1/20.03x(1+0.0003x)-1 F0.04x(1+0.0001x)-1/2

19、0.016x(1+0.0003x)-1 (b)城市条件yz A-B0.32x(1+0.0004x)-1/20.24x(1+0.001x)-1/2 C0.22x(1+0.0004x)-1/20.20 x D0.16x(1+0.0004x)-1/20.14x(1+0.0003x)-1/2 E-F0.11x(1+0.0004x)-1/20.08x(1+0.0015x)-1/2 2021/3/10授课：XXX32 3.3.4 风向脉动与扩散函数法 将扩散参数y和z与风向脉动标准差A和E联系起来, 由此形成了一种由风向脉动与扩散函数确定扩散系 数的方法，这是扩散参数研究的主要进展之一。 由Taylor公

20、式： tL拉格朗日时间尺度，fy、fz扩散函数 当T 很小时，有Taylor公式可得： )( L yvy t T fT)( L zwz t T fT Tx vA Tx wE 2021/3/10授课：XXX33 A、E可以从风向脉动资料算出，只要知道扩散函数fy、 fz和估计tL的方法，就可算出扩散参数。许多外场扩散试 验都有扩散参数和A、E的同步观测资料，据此可以反推 得出扩散函数fy、fz的形式。 w P. R. Draxler汇总了11次试验资料，将扩散资料按源高、 稳定度及铅直向或水平向进行分类，分别求出扩散函数。 其中T为扩散时间，Ti为fy或fz等于0.5所需的时间。这种方 法对于不稳定时地面源的铅直扩散和稳定时高架源的铅直 扩散是不适合的。 w Pasquill 5 . 0 )(90. 01 1 i zy T T ff )()()( Le yA Le y e v L yvy tu x xf tu x f u x t T Tf )(xxf Ay 汇总扩散函数表达式，表汇总扩散函数表达式，表3.27 p95 2021/3/10授课：XXX34 3.3.5 扩散参数研究状况 (1) 实用体系 (2) 观测试验 (3) 施放高度对扩散参数的影响 (4) PBL结构及湍流参量与扩散 2021/3/10授课