第五章 大氣擴散參數(shù)

1、第五章第五章 大氣擴散參數(shù)大氣擴散參數(shù) 1 y z 基本高斯擴散公式中，欲計算得出污染物濃度 及其分布則必須知道源強Q，平均風(fēng)速 ，有效 源高H和大氣擴散參數(shù) ，Q, u往往是通過測 量獲得或者由工程設(shè)計給出。于是，問題歸之于 如何給出有效源高有效源高和大氣擴散參數(shù)大氣擴散參數(shù)。 2 u zy , 大氣擴散參數(shù)與穩(wěn)定度、地形、地面粗糙度等 有關(guān)。 222 222 ()() ( , ,)exp() expexp 2222 yzzyz QyzHzH q x y z u ；H 3 高斯擴散公式中，風(fēng)速不太?。?-2m/s）， x向湍流擴散可忽略不計，僅考慮y向和z向。 和 在擴散計算中有兩層作用，

2、一:通過指數(shù)項影響濃度呈高斯分布的形態(tài) 二：在一定的源強和風(fēng)速下， ， 它們的乘積與造 成的濃度呈反比關(guān)系。 y z y z 早期大氣擴散參數(shù)處理早期大氣擴散參數(shù)處理 穩(wěn)定度擴散級別與擴散曲線法穩(wěn)定度擴散級別與擴散曲線法 擴散曲線討論擴散曲線討論 風(fēng)向脈動與擴散函數(shù)法風(fēng)向脈動與擴散函數(shù)法 擴散參數(shù)的研究現(xiàn)狀擴散參數(shù)的研究現(xiàn)狀 4 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一 早期的擴散參數(shù)模式 1.薩頓模式薩頓模式 格雷厄姆格雷厄姆薩頓（薩頓（Graham Sutton)，英國氣象學(xué)家。，英國氣象學(xué)家。 1903年年2月月4日生于克溫坎日生于克溫坎，畢業(yè)于威爾士大學(xué)、阿伯里斯威恩大學(xué)和牛津大學(xué)。畢業(yè)于威爾士大學(xué)、阿伯

3、里斯威恩大學(xué)和牛津大學(xué)。19261928 年在威爾士大學(xué)、阿伯里斯威恩大學(xué)任講師。年在威爾士大學(xué)、阿伯里斯威恩大學(xué)任講師。 19281941年任助理教授。第二次世界大戰(zhàn)期間從事國防科研工作。年任助理教授。第二次世界大戰(zhàn)期間從事國防科研工作。 19421943年任英國國防部防化實驗所所長。年任英國國防部防化實驗所所長。 19431945年任坦克實驗所所長。年任坦克實驗所所長。 19451947年任英國雷達(dá)研究發(fā)展中心主任。年任英國雷達(dá)研究發(fā)展中心主任。 19501955年任英國大氣污染研究委員會主席。年任英國大氣污染研究委員會主席。1951年任英國陸軍部科學(xué)顧問。年任英國陸軍部科學(xué)顧問。 195

4、21953年任英國皇家軍事科學(xué)院教務(wù)長。年任英國皇家軍事科學(xué)院教務(wù)長。1953年任皇家氣象學(xué)會主席。年任皇家氣象學(xué)會主席。 19531956年任世界氣象組織常務(wù)理事。年任世界氣象組織常務(wù)理事。 19601966年任英國大地測量及地球物理學(xué)全國委員會主席。年任英國大地測量及地球物理學(xué)全國委員會主席。 19651971年任英國自然環(huán)境研究委員會主席。年任英國自然環(huán)境研究委員會主席。 在自然環(huán)境和氣象研究方面取得了許多成果。曾獲世界氣象組織頒發(fā)的獎金。著作：在自然環(huán)境和氣象研究方面取得了許多成果。曾獲世界氣象組織頒發(fā)的獎金。著作：大大 氣湍流氣湍流（Atmos-pheric turbulence，1

5、948）；）；微氣象學(xué)微氣象學(xué)（Micrometeoro-logy，1953） 5 具體步驟：具體步驟： 1 找出泰勒公式中的找出泰勒公式中的拉格朗日相關(guān)系數(shù)拉格朗日相關(guān)系數(shù)的具體形式，即的具體形式，即 尋找它與某些可測氣象參量的關(guān)系，代入泰勒公式求尋找它與某些可測氣象參量的關(guān)系，代入泰勒公式求 擴散參數(shù)。擴散參數(shù)。 2 將擴散參數(shù)代入基本高斯擴散，得到薩頓擴散公式。將擴散參數(shù)代入基本高斯擴散，得到薩頓擴散公式。 222 00 ( )2( ) Tt yL y TvRd dt 6 3 基于簡單物理考慮，認(rèn)為拉格朗日相關(guān)系數(shù)與湍流特征基于簡單物理考慮，認(rèn)為拉格朗日相關(guān)系數(shù)與湍流特征 量（量（ ），

6、宏觀黏滯度），宏觀黏滯度（N=u*Z0），時間間隔時間間隔 相關(guān)，并通過量綱分析得到所有量的組合。相關(guān)，并通過量綱分析得到所有量的組合。 * 0 Nu z 7 以以y向為例向為例： 2 ( )() L N Rf v 2 ( )()n L N R Nv n為由風(fēng)速梯度觀測確定的實驗常數(shù)，為由風(fēng)速梯度觀測確定的實驗常數(shù)， m為風(fēng)速廓線冪指數(shù)。為風(fēng)速廓線冪指數(shù)。 2 1 m n m 222 ,wvu 由由 的性質(zhì)，的性質(zhì)， 可得：可得： ( ) L R (0)1,( )0 LL RR m z z uu 1 1 一般中性m1/4； 穩(wěn)定m 1/4； 不穩(wěn)定m1000 2.10881 0.000212

7、500 0.91437 0.281846 01000 0.941015 0.12719 0500 B 0.865014 0.396353 1000 1.09356 0.057025 500 0.919325 0.2295 01000 0.941015 0.114682 0500 BC 0.875086 0.314238 1000 1.0077 0.075718 500 1 2 27 1 1 x y 2 2 x z 穩(wěn)定度等 級 （P S） 1 下風(fēng)距離， m 2 下風(fēng)距離，m 1 2 0.924279 0.177154 01000 0.917595 0.106803 C 0.885157 0.

8、232123 1000 0.926849 0.14394 01000 0.838628 0.126152 02000 0.88694 0.189396 1000 0.75641 0.235667 200010000 CD 0.815575 0.136659 10000 0.929481 0.110726 01000 0.826212 0.104634 11000 0.632023 0.400167 100010000 D 0.888723 0.146669 1000 0.55536 0.810763 10000 0.925118 0.0985631 01000 o.776864 0.10463

9、4 02000 0.892794 0.124308 1000 0.572347 0.400167 200010000 DE 0.499149 1.0381 10000 0.920818 0.086001 01000 0.78837 0.092753 01000 0.896864 0.124308 1000 0.565188 0.433384 100010000 E 0.414743 1.73241 10000 0.929481 0.0553634 01000 0.7844 0.062077 01000 0.525969 0.370015 100010000 F 0.888723 0.07334

10、8 1000 0.322659 2.40691 10000 平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，平原地區(qū)和城市遠(yuǎn)郊區(qū)，D、E、F向不穩(wěn)定向不穩(wěn)定 方向提半級方向提半級 工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，工業(yè)區(qū)和城市中心區(qū)，C提至提至B級，級，D、 E、 F向不穩(wěn)定方向提一級向不穩(wěn)定方向提一級 丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū)丘陵山區(qū)的農(nóng)村或城市，同工業(yè)區(qū) 28 中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法 不僅將穩(wěn)定度擴散級別內(nèi)插分析，還規(guī)定對不同下不僅將穩(wěn)定度擴散級別內(nèi)插分析，還規(guī)定對不同下 墊面運用時，確定擴散參數(shù)應(yīng)參考以下意見：墊面運用時，確定擴散參數(shù)應(yīng)參考以下意見： 2 不同穩(wěn)定度分類方法不同穩(wěn)定度分類方法 克服宏

11、觀資料判定穩(wěn)定度的局限克服宏觀資料判定穩(wěn)定度的局限 （1）風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差（）風(fēng)向脈動標(biāo)準(zhǔn)差（EPA，1990） 29 30 對不穩(wěn)定類對不穩(wěn)定類A, B， C, 隨風(fēng)速增加向隨風(fēng)速增加向 中性類移；中性類移； 對穩(wěn)定類對穩(wěn)定類E, F, 隨隨 風(fēng)速增加向中性風(fēng)速增加向中性 類移；類移； 31 以風(fēng)速做細(xì)致調(diào)整，觀測數(shù)據(jù)在粗糙度以風(fēng)速做細(xì)致調(diào)整，觀測數(shù)據(jù)在粗糙度z0=15cm， 10m高度處測量得到。采樣時間為高度處測量得到。采樣時間為15min。 如果風(fēng)向發(fā)生轉(zhuǎn)折，為了盡量減小風(fēng)向轉(zhuǎn)折的影響，如果風(fēng)向發(fā)生轉(zhuǎn)折，為了盡量減小風(fēng)向轉(zhuǎn)折的影響， 應(yīng)該將長時間段分成小段進行計算，例如將應(yīng)該將長時間段分

12、成小段進行計算，例如將60min的的 時間劃分為時間劃分為15min一段，最終小時量值：一段，最終小時量值： 2222 15151515 60 4 32 （2）與溫度遞減率有關(guān)方法）與溫度遞減率有關(guān)方法 以溫度遞減率，即以兩層（以溫度遞減率，即以兩層（10m、60m） 的垂直溫度梯度來表征水平和垂直向的湍的垂直溫度梯度來表征水平和垂直向的湍 流狀況。流狀況。國際原子能機構(gòu)國際原子能機構(gòu)(1980)推薦推薦 33 對穩(wěn)定大氣狀況可靠，而對不穩(wěn)定狀況或高架源排放對穩(wěn)定大氣狀況可靠，而對不穩(wěn)定狀況或高架源排放 的情形不很可靠。風(fēng)速很低、層結(jié)穩(wěn)定，煙流彎曲時，的情形不很可靠。風(fēng)速很低、層結(jié)穩(wěn)定，煙流彎

13、曲時， 對水平擴散參數(shù)的估算會過低，這時宜用水平風(fēng)向脈對水平擴散參數(shù)的估算會過低，這時宜用水平風(fēng)向脈 動標(biāo)準(zhǔn)差方法。動標(biāo)準(zhǔn)差方法。 以溫度遞減率和風(fēng)速相結(jié)合（同時考慮以溫度遞減率和風(fēng)速相結(jié)合（同時考慮 支配湍流活動的機械和熱力因子）支配湍流活動的機械和熱力因子） 34 分別以溫度梯度和分別以溫度梯度和 表征湍流的垂直表征湍流的垂直 和水平運動和水平運動 以總體理查孫數(shù)的方法計算劃分穩(wěn)定度以總體理查孫數(shù)的方法計算劃分穩(wěn)定度 A 35 25 ()10 Bf Riu z 取煙流中心線處 EPA(1990)推薦在缺乏云量和云高資料時，采用表 3.18替換原P-G-T方法 36 2021-6-23南京信

14、息工程大學(xué) LAPE37 2 z u z g Ri 2u z T g Ri 梯度理查遜數(shù)Ri 近地層中 2 2 2 2 u z T g R Bi 總體理查遜數(shù)RiB M-O長度： T p gH TCu L 3 * z/L： 3 * uCp zH T g L z T 湍能消耗率 湍能供給率 臨界理查遜數(shù)Ric0.25 （3）邊界層湍流參量法）邊界層湍流參量法 38 注意： 除了使用公認(rèn)的已有統(tǒng)一規(guī)范的方案，例除了使用公認(rèn)的已有統(tǒng)一規(guī)范的方案，例 如如P-G-TP-G-T方案，國家標(biāo)準(zhǔn)給出的修改方案，方案，國家標(biāo)準(zhǔn)給出的修改方案， 采用其他任何方案都應(yīng)當(dāng)驗證其可行性，采用其他任何方案都應(yīng)當(dāng)驗證其可

15、行性， 提供充分的實驗依據(jù)和例證，必要時還應(yīng)提供充分的實驗依據(jù)和例證，必要時還應(yīng) 做專門的論證做專門的論證 39 3 不同源高和不同下墊面的應(yīng)用 P-G擴散曲線實驗依據(jù)：平坦理想條件，大擴散曲線實驗依據(jù)：平坦理想條件，大 量低矮源擴散試驗。量低矮源擴散試驗。 就不同源高的應(yīng)用，有兩方面問題：一是就不同源高的應(yīng)用，有兩方面問題：一是 使用不同的穩(wěn)定度判據(jù)劃分穩(wěn)定度類，不使用不同的穩(wěn)定度判據(jù)劃分穩(wěn)定度類，不 同高度層有不同的頻率分布；同高度層有不同的頻率分布； 另另是對于不同的源根據(jù)相應(yīng)實驗基礎(chǔ)得是對于不同的源根據(jù)相應(yīng)實驗基礎(chǔ)得 出的擴散曲線均有差異。出的擴散曲線均有差異。 40 2021-6-2

16、3南京信息工程大學(xué) LAPE41 就不同下墊面粗糙條件的應(yīng)用，問題比較復(fù)雜。因為不僅是 PG擴散曲線法的原方案，就是各種修改與完善的方法其實 驗基礎(chǔ)亦都是建立在下墊面平坦開闊，地面粗糙度很小的理想 情形下的。但是，實際應(yīng)用中遇到的大量課題則多半是不同的 粗糙下墊面條件下運用的擴散參數(shù)，在大量實驗基礎(chǔ)上，對 PG方案作出合理的修正與補充則是十分必要的。 一種做法就是像本節(jié)在國家標(biāo)準(zhǔn)GBT1320191中的推薦方 案，即對不同粗糙面如城市、丘陵山區(qū)或平原、城郊和工業(yè)區(qū) 等確定穩(wěn)定度擴散級別時，根據(jù)不同情況作提級處理。這種做 法雖然具有較強的經(jīng)驗性，但是，只要有比較周密的濃度分布 資料作細(xì)致檢驗，然

17、后作實驗性調(diào)整，往往就能取得令人滿意 的效果。 實用中，復(fù)雜地形條件下使用穩(wěn)定度擴散級別方法確定擴散參 數(shù)，是相當(dāng)困難的。其y、 z量值比PG曲線預(yù)計的可大到 210倍。最好應(yīng)作實地y、 z這類特征量觀測。 4 擴散曲線法的內(nèi)插完善 Briggs，1974內(nèi)插完善內(nèi)插完善 PG擴散曲線，BNL擴散曲線和TVA擴散曲線 等都具有各自的持性。Briggs分析這些曲線在不 同距離的特性，將其結(jié)合一起，提出了一套內(nèi)插 公式。這套公式適用于開闊鄉(xiāng)間條件，用來計算 地面濃度，尤其是對高架源煙流排放造成的最大 濃度計算用。公式反映了在各類穩(wěn)定度情況下， 初期煙流的擴散速率與下風(fēng)距離x成比例，至較 遠(yuǎn)距離后，

18、則與x1/2成比例。這與擴散理論的推 斷結(jié)論是一致的 42 四四 風(fēng)向脈動和擴散函數(shù)法風(fēng)向脈動和擴散函數(shù)法 擴散曲線法試驗基礎(chǔ)存在較大的經(jīng)驗性， 方案結(jié)果有許多不確定性 僅以宏觀氣象狀況為判據(jù)，在穩(wěn)定度級 別和湍流特性之間缺少清晰關(guān)系 目前重要發(fā)展是擴散參數(shù)擴散參數(shù)與風(fēng)向脈動風(fēng)向脈動標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)差準(zhǔn)差之間的聯(lián)系 43 (1)方法原理方法原理 按照湍流擴散理論，在均勻定常條件下，粒按照湍流擴散理論，在均勻定常條件下，粒 子位移的總體平均由泰勒公式表示。子位移的總體平均由泰勒公式表示。 44 22 , 00 2( , )( ) Tt y zL v wRd dt 由泰勒公式可得由泰勒公式可得 45 ,

19、() y zv wy z L T Tf t 為拉格朗日時間尺度為拉格朗日時間尺度 L t 0 ( ) L tRd f為普適函數(shù)，擴散參數(shù)，函數(shù)形式隨為普適函數(shù)，擴散參數(shù)，函數(shù)形式隨源高源高和和 穩(wěn)定度穩(wěn)定度變化，由小角度近似可得變化，由小角度近似可得 vA wE Tx Tx 46 和 分別為風(fēng)向方位角和高度角脈動標(biāo)準(zhǔn)差。 由此可知，在具備湍流量 和 的觀測資料的情況下， 只要知道擴散函數(shù)形式，并正確估算湍流時間尺度的 方法，就可以求出擴散參數(shù)。 特點：1：方法原理與湍流統(tǒng)計理論基礎(chǔ)一致。 2：舍棄分離的穩(wěn)定度級別，采用連續(xù)性穩(wěn)定度， 接近實際。 3：考慮源高影響，認(rèn)為是穩(wěn)定度狀況函數(shù)。 4：使用方便，可用于多種情況。 A E A E Pasquill (1976)給出試驗資料所得的給出試驗資料所得的f(x)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) L y L y LL L v y t u x f t T f t T t