污染气象学课件：3_1 大气扩散型与污染浓度分布

1、第三章 大气扩散估算,第三章 大气扩散估算 3.1 大气扩散型与污染浓度分布 3.2 连续烟流高斯扩散模式 3.3 模式计算参数 3.4 其它非扩散过程 干湿沉积和化学转化影响 3.5 特殊气象条件下的扩散计算 期中测验,3.1 大气扩散型与污染浓度分布 一、大气扩散型 二、 污染浓度分布 3.2 连续烟流高斯扩散模式 一、有界条件下的基本扩散公式 二、常用大气扩散模式 三、扩散公式总结 练习作业二,实际生活中 大气污染例子,3.1 大气扩散型与污染浓度分布,阳成电厂,中国惠州大亚湾2006年2月10日中海壳牌石油化工有限公司（中海壳牌）宣布，继调试和开车活动结束之后，位于中国广东省惠州大亚湾

2、的石化联合工厂于2006年1月29日成功产出合格乙烯和丙烯。,日本东北部福岛第一核电站1号机组冒出白烟。东京电力公司2011年3月12日说,当天下午福岛第一核电站1号机组内传出爆炸声并冒出白烟,事故导致4人受伤,初步认定为冷却用氢气爆炸。新华社/路透 东京电力公司12日说,当天下午福岛第一核电站1号机组内传出爆炸声并冒出白烟,事故导致4人受伤,初步认定为冷却用氢气爆炸。,一、大气扩散型,http:/envf.ust.hk/dataview/profile/current/,烟云形状与风、温度随高度的变化,Lapse Rate,Inversion,Factors Contributing to

3、Air Pollution,TEMPERATURE,1、波浪型（链条型）,Weak Lapse Condition Dry Adiabatic Lapse Rate,H E I G H T,TEMPERATURE,WIND,Factors Contributing to Air Pollution,Coning,WIND,2、锥型,Factors Contributing to Air Pollution,Inversion Condition Dry Adiabatic Lapse Rate,H E I G H T,TEMPERATURE,WIND,Fanning,3、扇型（平展型）,Fac

4、tors Contributing to Air Pollution,Inversion Below Dry Adiabatic Lapse Rate,H E I G H T,TEMPERATURE,WIND,Lofting,4、屋脊型,Factors Contributing to Air Pollution,Inversion Above Dry Adiabatic Lapse Rate,H E I G H T,TEMPERATURE,WIND,Fumigation or Trapping,5、熏烟型（漫烟型）,各种温度层结时的烟流扩散形态,1、扇型（平展型） 晴朗小风夜间 2、锥型 阴天

5、多云，风速大 3、波浪型（链条型） 晴天午后，小风 4、熏烟型（漫烟型） 日出后 5、屋脊型 日落后,1、源 污染物排放口形式：点、线、面、体 污染物排放方式：瞬时、连续、间歇 污染物排放高度：高架、地面 污染物排放位置：固定、移动、无组织排放,二、 污染浓度分布,Point versus Non-Point Sources,Point,Non-Point,Big Bend Utility Plant Stacks (9),Big Bend Utility Plant Solids Transfer (9),污染物排放口形式：点、线、面、体,Release Geometry,Instantan

6、eous versus Steady-State Emissions,Instantaneous,Steady-state,Reuters photo from a Pakistan nuclear test site (17),Power plant plume as it crosses Puget Sound (13),污染物排放方式：瞬时、连续、间歇,污染物排放高度：高架、地面,Stationary versus Mobile Sources,Stationary (10),Mobile (11),污染物排放位置：固定、移动、无组织排放,1、源 污染物排放口形式：点、线、面、体 污染物

7、排放方式：瞬时、连续、间歇 污染物排放高度：高架、地面 污染物排放位置：固定、移动、无组织排放 实际经验中： 点：烟囱 瞬时：爆炸 线：公路、飞机、排气窗 连续：烟囱、电厂 面：城市 间歇：工艺流程 体：爆炸,2、源强表示： 源强Q： 连续源： 点：g/s、公斤/小时。 线：g/(sm)。 面：g/(sm2)、 公斤(小时公里2)。 瞬时源：克、公斤。,mg 空气质量标准 mg/m3,g 空气质量标准 g/m3,3、浓度 有两种表示法： 质量浓度：单位体积空气中包含污染物的质量。 mg/m3 ,g/m3 体积浓度：单位体积空气中污染物所占体积。 ppm, ppb, ppt 两种单位转换关系：,

8、例如，臭氧O3,分子量48，则 1ppm=48/22.4=2.14 mg/m3 二级标准 0.20mg/m3 为 0.2*22.4/48=0.93ppm,X=MC/22.4 C=22.4X/M 式中：X污染物以每标立方米的毫克数表示的浓度值； C污染物以ppm表示的浓度值； M污染物的分子量。 由上式可得到如下关系： 1ppm=M/22.4 mg/m3 , 1mg/m3=22.4/M ppm,4、浓度分布：,3.2 连续烟流高斯扩散模式 一、有界条件下的基本扩散公式 二、常用大气扩散模式 三、扩散公式总结,一、有界条件下的基本扩散公式,梯度理论导出的有风连续点源在无界情形下的扩散公式：,实际

9、排放源位于地面或接近地面的大 气边界层内 由于地面存在,扩散是有界的, 实际计算必须考虑地面的影响。,有界情形点源烟流扩散坐标系： 坐标原点O，烟囱底部 X轴，平均风方向 Y轴，横风风向 Z轴，垂直于oxy平面，指向天顶，取右手坐标系。 烟流中心线在oxy平面的投影与x轴重合。,考虑地面全反射，可用像源法处理。,图中P（x，z）点的浓度可以认为是两部分贡献之和： q=q实+q虚 (3.1) 它们相当于在地面（z=0）坐标系里，位在（0，0，H）位置实源的贡献和位在（0，0，-H）位置像源的贡献。,实源贡献q实：P点在以实源为原点的坐标系中的垂直向坐标（Z-H）。于是,（3.2）,像源贡献q像：

10、 P点在以像源为原点的坐标系中垂直向坐标为（Z+H）。,(3.3),此式即为有界情形高架连续点源的高斯模式或烟流模式。 单位： 有效源高H m ，它包含烟囱高度hs和烟流的抬升高度h。 横向、铅直向扩散参数y、zm,此式即为有界情形高架连续点源的高斯模式或烟流模式。 上式为(x,y,z)的函数 上式为长时间平均浓度 均匀场,讨 论,二、几种常用空气污染浓度估算公式（常用大气扩散模式）,1、高架连续点源地面浓度公式： 2、高架连续点源地面轴线浓度公式： 3、地面源轴线浓度公式：,由此可见(3.5)式的物理意义为：,高架源、地面源的地面轴线浓度,4、横向积分浓度qcwI：,指下风距离为x的地面浓度

11、公式，沿y向各处浓度的总和。 量纲为(mg/m2)； 常用上式求z，实测得 qcwI，Q，u，H后可求z。,5、高架源地面最大浓度及出现距离,(3.9) (3.10),教材:假定，令y和z之比为常数，若令 且p=g，代入（3.6）有,p59,高架源地面最大浓度及出现距离是最常用的公式，其作用： （1）. 计算源的地面最大浓度和出现位置； （2）. 计算最大允许排放量； （3）. 设计烟囱高度。,6、最高地面浓度与临界风速,由上式清楚可见，有效源高H和平均风速 的作用。,在某一风速下会出现地面最大浓度的极大值， 称为地面绝对最大浓度qmaxabs， 对应风速值称为临界风速uc，有时亦称为危险风速

12、。,7、长期平均浓度： 在较长的时段内（年、季、月）， 不能直接用前面的扩散公式来计算。 若： 365天24小时算出再平均笨 用一种稳定度得一年平均风速不科学,有两种算法： 联合频率法 简单的扇型法,联合频率法： 长期平均浓度应按每一种风向、风速和大气稳定度的频率加权平均，此时浓度公式为： 式中：i，j，k为风向、风速和稳定度等级的下标 qijk为在每一个给定风向、风速和稳定度的浓度，可取相应的高斯扩散公式计算 fijk为风向、风速、大气稳定度的相对联合频率，即：,风向、风速、稳定度的联合频率表,简单的扇型法： 气象部门提供的风向资料是按16个方位给出的，每一个方位相当于一个22.5度的扇形。 假定： 1.长时间内，同一扇形内各个角度有相同的风向频率。 2.当吹某一扇形风时，全部污染物都集中在这个扇形内，扇形以外浓度为0。,则在下风距离为x处的扇面宽度（AB弧长）为： 相应的平均浓度为：,上式相当于某一风向仅影响下风向接收点，如S风只影响到源的N方向的接收点。 某风向下长期平均浓度为：,三、扩散公式总结 基本公式有界条件