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)1yz 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)。2uzy,大氣擴散參數(shù)與穩(wěn)定度、地形、地面粗糙度等有關(guān)。222222()()( , ,)exp() expexp2222yzzyzQyzHzHq x y zu ；H3高斯擴散公式中，風速不太小（1-2m/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，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

2、強和風速下， ， 它們的乘積與造成的濃度呈反比關(guān)系。yzyz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向脈動與擴散函數(shù)法風向脈動與擴散函數(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)，英國氣象學家。，英國氣象學家。1903年年2月月4日生于克溫坎，畢業(yè)于威爾士大學、阿伯里斯威恩大學和牛津大學。日生于克溫坎，畢業(yè)于威爾士大學、阿伯里斯威恩大學和牛津大學。19261928年在威爾士大學、阿伯里斯威恩大學任講師。年

3、在威爾士大學、阿伯里斯威恩大學任講師。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年任英國雷達研究發(fā)展中心主任。年任英國雷達研究發(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顧問。年任英國陸軍部科學顧問。19521953年任英國皇家軍事科學院教務(wù)長。年任英國皇家軍事科學院教務(wù)長。1953年任皇家氣象學會主

4、席。年任皇家氣象學會主席。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全國委員會主席。年任英國大地測量及地球物理學全國委員會主席。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，1948）；）；微氣象學微氣象學（Micrometeoro-logy，1953）5具體步驟：具體步驟：1 找

5、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。22200( )2( )TtyLy TvRd dt 63 基于簡單物理考慮，認為拉格朗日相關(guān)系數(shù)與湍流特征基于簡單物理考慮，認為拉格朗日相關(guān)系數(shù)與湍流特征量（量（ ），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

6、。* 0Nu z7以以y向為例向為例：2( )()LNRfv2( )()nLNRNvn為由風速梯度觀測確定的實驗常數(shù)，為由風速梯度觀測確定的實驗常數(shù)，m為風速廓線冪指數(shù)。為風速廓線冪指數(shù)。21mnm222,wvu由由 的性質(zhì)，的性質(zhì)， 可得：可得：( )LR(0)1,( )0LLRR mzzuu11一般中性m1/4； 穩(wěn)定m 1/4； 不穩(wěn)定m1000 2.10881 0.000212 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

7、.2295 01000 0.941015 0.114682 0500 BC 0.875086 0.314238 1000 1.0077 0.075718 500 1227平原地區(qū)和城市遠郊區(qū)，平原地區(qū)和城市遠郊區(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中國國家標準規(guī)定的方法中國國家標準規(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

8、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）風向脈動標準差（）風向脈動標準差（EPA，1990）2930對不穩(wěn)定類對不穩(wěn)定類A, B，C, 隨風速增加向隨風速增加向中性類移；中性類移；對穩(wěn)定類對穩(wěn)定類E, F, 隨隨風速增加向中性風速增加向中性類移；類移；31以風速做細致調(diào)整，觀測數(shù)據(jù)在粗糙度以風速做細致調(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。如果風向發(fā)生轉(zhuǎn)折，為了盡量減小風向轉(zhuǎn)折的影響，如果風向發(fā)生轉(zhuǎn)折，為了盡量減小風向轉(zhuǎn)折

9、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： 22221515151560432（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。風速很低、層結(jié)穩(wěn)定，煙流彎曲時，的

10、情形不很可靠。風速很低、層結(jié)穩(wěn)定，煙流彎曲時，對水平擴散參數(shù)的估算會過低，這時宜用水平風向脈對水平擴散參數(shù)的估算會過低，這時宜用水平風向脈動標準差方法。動標準差方法。 以溫度遞減率和風速相結(jié)合（同時考慮以溫度遞減率和風速相結(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A3525()10BfRiuz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362021-12-1

11、4南京信息工程大學 LAPE372zuzgRi2uzTgRi梯度理查遜數(shù)Ri近地層中2222uzTgRBi總體理查遜數(shù)RiBM-O長度：TpgHTCuL3*z/L：3*uCpzHTgLzT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：除了使用公認的已有統(tǒng)一規(guī)范的方案，例除了使用公認的已有統(tǒng)一規(guī)范的方案，例如如P-G-TP-G-T方案，國家標準給出的修改方案，方案，國家標準給出的修改方案，采用其他任何方案都應(yīng)當驗證其可行性，采用其他任何方案都應(yīng)當驗證其可行性，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

12、門的論證393 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。402021-12-14南京信息工程大學 LAPE41 就不同下墊面粗糙條件的應(yīng)用，問題比較復雜。因為不僅是PG擴散曲線法的原方案，就是各種

13、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)在國家標準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致檢驗，然后作實驗性調(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)，是相當困難的。其y、 z量值比PG曲

14、線預計的可大到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距離x成比例，至較遠距離后，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 風向脈動和擴散函數(shù)法風向脈動和擴散函數(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

15、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)與風向脈動標風向脈動標準差準差之間的聯(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。4422,002( , )( )Tty zLv wRd dt 由泰勒公式可得由泰勒公式可得45,()y zv wy zLTT ft 為拉格朗日時間尺度為拉格朗日時間尺度Lt0( )LtRdf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

16、小角度近似可得vAwETxTx46 和 分別為風向方位角和高度角脈動標準差。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，認為是穩(wěn)定度狀況函數(shù)。 4：使用方便，可用于多種情況。AEAEPasquill (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)LyLyLLLvyt uxftTftTtTTtT21exp1247由泰勒公式積分可得由泰勒公式積分可得(2) 擴散函數(shù)擴散函數(shù)f 的確定的確定兩者中間范圍一致，近范圍，理論值稍高，遠兩者中間范圍一致，近范圍，理論值稍高，遠距離相反。距離相反。48由試驗資料分析求取擴散函數(shù)的方由試驗資料分析求取擴散函數(shù)的方法法-自學（自學（P93）49（4）幾種擴散函數(shù)表達式50五五 擴散參數(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展（擴散參數(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展（自學自學）粗糙度對擴散參數(shù)的影響；粗糙度對擴散參數(shù)的影響； z z的研究；的研究；湍流參數(shù)的獲得；湍流參數(shù)的獲得；不同釋放高度的擴散參數(shù)；不同釋放高度的擴散參數(shù)；混合層厚度混合層厚度51重點重點P-G-T方法方法穩(wěn)定度擴散級別穩(wěn)定度擴散級別用用P-G-T擴散曲線方法確定地擴散曲線方法確定