污染气象学课件：4_3山区大气扩散

1、第四章 城市、山区和水域附近扩散 4.1 城市大气扩散 4.2 城市多源高斯模式 4.3 山区大气扩散 4.4 水域附近大气扩散,4.3 山区大气扩散,一、山区污染气象特征与浓度分布 二、山区扩散模式 三、山区大气扩散参数,山区 山区它包括山地，丘陵和崎岖的高原，面积广大。约占全国面积的2/3。 山区在发展旅游，采矿和农业多种经营等方面优势较大，部分水热条件较好的山间盆地和河谷平原，可以发展种植业。 山区地面较为崎岖，交通不便，基础设施难度较大。总的来说，山区比较贫穷。,我国山区，丘陵占很大比重，许多城市，工矿企业位于山区。 山区大气扩散研究是近20年来污染气象研究热门课题,一、山区污染气象特

2、征与污染分布,1、温度场 山区由于地形复杂（向阳、背阴、坡度大小等），地面受热不均匀，加上日照的时间变化 水平气温分布很不均匀，造成局地热力环流 形成坡风、山谷风等,山区辐射逆温因地形作用大为增强。开始形成比平原早，消散比平原迟。 深山沟逆温厚度、强度及持续时间比平原长。 有多层逆温（山区深度达400m以上）。,2、风场 主要由热力作用引起地形风，包括坡风、山谷风、大型地形风等。,白天坡地上较暖，形成上坡风 谷底冷空气流入补充，形成谷风。,夜间山坡冷却快，形成下坡风， 向山谷汇集，形成流向平原的山风。,山谷风 -由于山坡和谷地受热不均匀而形成的局地性环流。 白天风从山谷吹向山坡，这种风叫谷风；

3、 到夜晚，风从山坡吹向山谷，这种风称山风。 山风和谷风总称为山谷风。,日出、日落前后，为山谷风转换期,过山气流 气流过山会在背风坡后出现下沉气流 处于山谷回流中低矮源，易造成高浓 度污染。 排放点切忌靠近山脚。,山谷凹地中的小风 山谷中局部河湾地区或局部下凹地区，由于山的地形阻挡，气流不畅，易出现长时间小风，甚至形成静风区。 并有强逆温层形成 。 严重污染,山区风廓线 比平原地区复杂的多，主要取决于山谷的深度。 风廓线有多种形式，如： 幂次律分布、极值 型分布、反向和双 极值 型分布、等速型分布等,山区湍流场 山区湍流比平原明显增大 受热不均 局地热力环流 热力湍流发展 山区地表凹凸不平 强迫

4、气流上升下沉 机械湍流强 过山的背风坡涡流、地形尾流涡旋等,二、山区扩散模式,各山区都有其自身的地形和微气象特点，对已有的经验规律，必须慎用。 为满足山区评价等问题需要，建立了几个引进地形影响修正的扩散模式，将原高斯模式推广应用至山区。 浓度计算结果多偏于保守估计，利于管理。,山区气流在水平和垂直方向上都不是平直的，流场的空间分布不均匀， 浓度分布难以用高斯分布描述。,1、NOAA（高斯）模式 美国国家大气海洋局分析了烟流受起伏地形的影响，提出了以高斯模式为基础的NOAA模式。,假设在中性，不稳定时烟流轴线与地面平行，随地形起伏而起伏。 稳定时，假定烟流中心始终保持其初始的高度不变。,主要处理

5、为： (1)扩散参数仍用平原P-G曲线，稳定度分类仍用P-T法 (2)在中性，不稳定时，假设烟流中心与地形的高度差始终保持初始的有效源高，即烟流轴线与地面平行，随地形起伏而起伏。在这种假定下，地形的影响被排除。 地面轴线浓度,(3)稳定时，假定烟流中心始终保持其初始的高度不变。 地面轴线 hT是地形高度。 当hTH时，取H-hT=0， 此时，烟流中心线直接落于地面计算点，等于烟流中心线浓度。,(4)长期（季、年）平均浓度，用下式计算： 式中为风扇形的角度（弧度表示），f是某扇形风向的相对频率。 (5)熏烟与封闭扩散：与平原地区相同方法处理。 评论： NOAA 模式未考虑烟流随地形的变化。 未考

6、 虑山区湍流比平原强。 模式计算结果十分保守，不甚合理。（210倍）,2、EPA的CRSTER单源模式和VALLEY山谷模式 美国国家环保局EPA提出两个引进地形修正的模式： CRSTER单源模式，用来计算有效源高超过地形高度的浓度。 VALLEY模式主要用来估计当烟流低于附近地形高度时的浓度。,（1）CRSTER单源模式，用来计算有效源高超过地形高度的浓度。 采用高斯扩散公式和P-G扩散参数体系， 规定，扩散公式中的烟流中心线高度H=H-hT, 即有效源高扣除计算点地形高度；,考虑混合层作用：,（2） VALLEY模式主要用来估计当烟流低于附近地形高度时的浓度 。,假定稳定，烟流不接地，保持

7、10米距离,假定中性和不稳定，烟流平行地形, L=1,地形修正因子 ，L=1,不修正，1L 401,线性递减,在不利条件下的日平均浓度。,其中：y 为计算点横风向距离， A是22.5度风向扇形的横截向弧长，D是混合层高度，R是质量浓度与体积浓度转换因子，K是现场浓度转换为标准状态的转换因子。,3、美国ERT的PSDM模式 美国环境研究与技术公司提出点源扩散PSDM模式。仍为高斯模式，只对有效源高进行修正： 当hT H 时，用 H/2代替高斯模式中的H 。,高斯扩散公式经过经验修正后，可以应用于山区非平直的“规则”气流情形。 这些方法作了很多简化，与实际有较大距离，只能作为粗略估算。需进一步研究

8、。,三、山区大气扩散参数,缺乏统一标准，原则是把P-G曲线提级使用，且z比y增加大。 层结越稳定，山区与平原差异越大 各地不同，需实验确定,第四章 城市、山区和水域附近扩散 4.1 城市大气扩散 4.2 城市多源高斯模式 4.3 山区大气扩散 4.4 水域附近大气扩散,非均匀和复杂下垫面边界层 沿海,大的陆地和水域交界处，下垫面不连续，造成动力、热力特征差异，产生一些特殊的大气现象（海陆风、热力内边界层）,影响大气扩散,一、沿岸地区气象学特征 1. 沿岸地区重要大气过程和气流系统 支配沿岸地区大气性状的两个最主要因子： （1）水陆温差 （2）较大尺度的气流系统：离岸流，向岸流，沿岸流。,大气运

9、动输送过程 大气湍流扩散 重要大气过程 大尺度对流活动 云与雾的生成,2、局地海陆风环流 成因：下垫面条件热力诱生 日间：海风56m/s 夜间：陆风12m/s 海陆风日夜转变,二、沿岸地区内边界层特征 热力内边界层（ TIBL ）形成 离岸流，海上形成内边界层 向岸流，陆上形成内边界层 对TIBL的定义目前有不同认识， 对它的分析具有较强的经验性。,三、沿岸地区污染散布特征,沿岸地区湍流扩散的基本特点 由气流系统及边界层结构决定了沿岸地区湍流扩散的基本特点： 水平分布和垂直分布不均一，不同水平区域及垂直气层有不同的湍流扩散特征量。,(1)水上边界层及水上扩散 不存在平流时，海上边界层日变化很小

10、 水热容大，海上边界层变化由流过其上方的气团温差、和湿度差支配，不是局地辐射支配 P-G扩散体系不适用于水面扩散。 水上又难以进行直接湍流观测 需利用天气形势和气候学资料来表征水上扩散 目前还没有好的办法,水上湍流强度远比陆面小。（粗糙度小）,(2) 不同气流条件下的扩散 向岸流 岸上形成TIBL 对污染物散布影响大 离岸流 水上形成TIBL 影响不大 陆风转海风 原带入海上的污染物回流陆上,沿岸地区三种特殊的污染物散布形式 回流散布： 向岸流条件下，排放较高的烟流穿过入流层而进入到上空回流层并返回水面； 晚间离岸流时，排放伸入上空的烟流会返回岸上，对岸边环境造成重复污染。,封闭型散布：陆上高

11、层有逆温，岸边排放，进入内陆数十公里 熏烟型扩散：陆上形成TIBL，短时间高浓度，最令人关心的情况。 比辐射熏烟时间长（可维持几个小时）,四、沿岸陆上熏烟扩散模式,Lyons和Cole（1973）提出计算沿岸地带熏烟污染的模式， 烟流轮廓用1/10中心轴线浓度确定 模式分成三个阶段处理：,第一阶段：烟流处在x=o至x=xB之间 xB是烟流下缘和热力内边界层界面相交点的离源距离 此时扩散为一般高架源连续点源公式： 扩散参数取稳定时的参数（E，F类）,第二阶段xBxxE 烟流开始进入TIBL (xB )到全部进入完毕(xE )熏烟阶段（区） xE是烟流上缘和TIBL交点的水平坐标。 L(x)是TI

12、BL层顶的高度。,第二阶段xBxxE 假定污染物一进入TIBL即很快扩散至地面，z向均匀分布，y向正态分布,第三阶段xxE 全部进入，扩散与封闭型扩散相似，唯一不同的是混合层厚度L（x）随距离而变。 污染物在垂直方向处于均匀分布状态，可直接运用均匀分布封闭型扩散简化公式：,问题是如何定 值用虚源订正法 第三阶段起点在xE处，实际的 可以想象为处在xB和xE之间一个虚点源 造成的，虚源按不稳定的条件扩散，到xE点，它的 横侧风向浓度分布标准差恰好等于 。 然后继续按不稳定条件在第三段中扩散。,设虚点源离实源距离 ， 为从 算起的下风向距离，则： 式中 可以从图中由三角关系得出 在xE点有：,对始

13、终处于热内边界层内的低矮源，则不需作虚源订正，直接取 计算 上述持续熏烟模式来源于高斯模式，其理论限制与应用限制与高斯模式相同，此外，扩散参数的选取仍需进一步研究。,第四章小结 复杂地形下的大气扩散估算,热岛效应 -城市气温比周围农村高现象。 山谷风-由于山坡和谷地受热不均匀而形成的局地性环流。 海陆风 -由于海洋和陆地热力性质的差异而形成的一种局地环流。 热内边界层-由于表面温度差或表面粗糙度的变化而引起气流从一种热力性质下垫面进入另一种下垫面所形成的内边界层。,几个概念,典型中尺度环流,城市多源空气质量模式 -为点源、线源、面源模式总称， 关键是源强的处理。 山区扩散模式 -在高斯模式的基础上，考虑烟流随地形的起伏，进行地形修正。 沿海陆上扩散模式 -考虑内边界层的作用，采用熏烟模式，分段处理。,？,作业五： 某高新技术开发区近似方形、占地10km2，设计建筑平均高度40m，NOx总排放量为6000kg/hr.，该地区年平均风速为3m/s。试估算中性条件下，离开发区边沿10km处的NOx最大浓度增量。 假定： 抬升公式: