空气污染气象学全套ppt课件.ppt

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1、空气污染气象学,概论,空气污染问题 一、空气污染 如图11示意的途径与系统中，自污染源排放的空气污染物，在一定条件下，历经各种大气过程而达到接受体。这里的核心过程则是大气输送与扩散过程以及在这一过程中发生的迁移变化和清除过程。发生这些过程的范围小至几百米，大至区域、洲际乃望全球性各种不同尺度。,概论（续）,自然状态下的洁净大气：是由氮、氧、氩、水汽和二氧化碳等成分构成，并且其中还含有一些悬浮的固态或液态气溶胶粒子。其主要成分在离地面几十公里以下的大气层里，组成比例基本不变。自然大气中亦有微量的其它气体成分，如氖、氦、氟等惰性气体及臭氧、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等，但总和极少，不到空气总容积

2、的0.01。大气环境容量：大气因通常具有一定的自净能力，即大气环境具有一定的容量。它是指在自然净化能力之内所容许的污染物排放量，把满足一定环境目标的污染物排放量定为容许排放总量。只有当污染物排放量超过大气的自净能力，即超过环境容量时才构成空气污染。,概论（续）,二、空气污染物及浓废(一)空气污染物 以各种方式排放进入大气层并有可能对人和生物、建筑材料以及整个大气环境构成危害或带来不利影响的物质称之为空气污染物。迄今，认为对人类危害较大的，已被人们注意的就有100多种。在与空气成分的混合过程中，还会发生各种物理变化与化学变化。这样，把原始排放的直接污染大气的污染物质称之为一次污染物，而把经化学反

3、应生成的新的污染物质称之为二次污染物。这种产生二次污染物的过程称之为二次污染。根据空气污染物的物理形态和化学成分，将共分为以下几类：,1 颗粒污染物。指以固体或液体微粒形式存在于空气介质中的分散休，自分子大小到大于10微米粒径的各种微粒，有飘尘、降尘等，总称总悬浮微粒(）；2 碳的氧化物。主要是：二氧化碳、一氧化碳等气体污柒物。3 氮氧化物。主要系一氧化氮和二氧化氮等气体污染物以及由此可能产生的二次污染物（主要来源于石油的燃烧，特别是机动车的废气排放）,冰岛埃亚菲亚德拉冰盖冰川火山爆发图（2010）,冰岛火山从4月14日开始喷发，导致欧洲出现自二战以来最大规模的航班禁飞一周内造成800万乘客滞

4、留，10万多架航班受影响,冰岛埃亚菲亚德拉冰盖冰川火山爆发图（2010）,火山灰达到自喷发以来的第一个最高点，高达1万米,冰岛埃亚菲亚德拉冰盖冰川火山爆发图（2010）,冰岛火山每秒钟喷出约50吨火山灰，影响了约10万架次航班，航空业遭受25亿欧元的巨大损失,印度尼西亚锡纳朋火山时隔400年再次喷发,切尔诺贝利核事故25年后,切尔诺贝利核事故,4 硫化物：主要的是二氧化硫，这是迄今认为的最主要的空气污染物，还有硫化氢等气体污染物以及由二氧化硫化学转化生成的硫酸盐等酸性污染物。（主要来源于含硫煤炭的燃烧和火山爆发等）5 卤化物。主要的有氟化氢、氯气和氯化氢等气体污染物。6 碳氢化合物。主要包括烷

5、烃、烯烃和芳烃类复杂多样的含碳和含氢化合物。7 氧化型。主要是指在空气中具有高度氧化性质的一些化合物，如臭氧及共他过氧化物。8放射性物质。一些偶发事件可能污染大气，如由于核装置的事故使大气受到放射性污染。如切尔诺贝利核电站80年代发生反应堆外泄，造成大范围、长时间的严重空气污染。,空气污染物浓度,浓度有两种表示法，一是质量浓度，单位体积空气中含污染物质量，毫克立方米；一是体积浓度，污染物体积与整个空气容积之比，ppm为单位，即污染物体积占空气容积的百万分之一，亦可用ppb、ppt等。,空气污染源,排放空气污染物进入大气的源称之为空气污染源，它分为自然源和人工源两大类。污染源与污染物的分类关系如

6、图所示。按照不同情况和研究目的，可以从不同角度对空气污染源进行分类。A 按照人类生产活动内容分类(1)工业污染源 指在工业生产过程中排放出废气污染物的源。（主要是各种工厂的烟囱）(2)农业污染源 指农田在使用农药、化肥过程中产生或残留在地面和土壤中，井经大气输送和扩散进入大气层的污染物的源。(3)城市生活污染源 指城市商业、交通、生活活动中排放废气污染物，如居民生活用炉灶和采暖锅炉放出大量烟尘和有害气体，以及交通运输的废气排放源等。,空气污染源（续）,B 按污染物排放方式分类(1)连续源：污染物以持续、定常的方式向大气层排放的污染源。（如持续生产的工厂烟囱）(2)间歇源：污染物以规则或不规则的

7、间歇性方式排放的污染源。（如非连续生产的工厂烟囱）(3)瞬时源：污染物以突发性方式在短时“瞬间”排放的污染源。（如爆炸等）,空气污染源（续）,C 按污染源排放位置分类(1)固定源：位置固定不变的污染源，如烟囱排放源，居民生活排放源等。(2)移动源：位置是移动的污染源，如车、船、飞机等排放源。(3)无组织排放源 无规则或泄漏向大气层排放污染物的源。如火灾、事故排放）,空气污染源（续）,D 按污染物排放高度分类(1)高架源 污染物通过离地一定高度的排放口排放污染物的源。如工厂烟囱。(2)地面源 污染物通过位于地面或低矮高度上的排放口排放的源。如居民生活排放。,空气污染源（续）,E 按污染物排放口的

8、形式分类(1)点源：污染物的排放口呈一定口径的点状排放的污染源。如烟囱。(2)线源：污染物排放口构成线状排放源，如工厂车间天窗排气，或由移动源构成线状排放的源，如道路车辆的废气徘放。(3)面源：在一定区域范围，以低矮密集的方式自地面或不大的高度排放污染物的源。(4)体源：由源本身或附近建筑物的空气动力学作用使污染物呈一定体积向大气层排放的源，如楼房的通风排气设施等。,空气污染的危害与影响,污染源、污染物(达到一定浓度)以及对人类及其生存环境造成危害与影响，这是构成空气污染问题的基本要素。当今的人们已经比较充分地认识到了空气污染的各方面危害和影响，主要的归结于以下方面 1 对人体健康的危害。如光

9、化学烟雾可能引起呼吸道粘膜受损，严重的可导致气管和肺部疾病；可吸入颗粒物会导致许多呼吸系统病变；2 对生物体的危害，包括对动物与植物的危害如放射性污染物发出的高能射线会破坏动植物正常的生理过程，甚至使基因产生突变。3 对各类物品的危害，如建筑材料、金属制品、胶、皮革、绢品以及各类文化艺术和文物的危害 4 对全球气候变化的影响，这是近一二十年来特别令人关注的课题，包括如温室气体效应和臭氧层破坏等方面的作用和危害，5 对酸雨威胁的作用，降水酸化和其它酸性沉积物的生成都是空气污染的直接后果。,空气污染控制和管理,我国目前主要实行浓度控制和总量控制；浓度控制：即通过控制污染源排放口排出的污染物浓度，来

10、控制大气环境质量的方法；总量控制：通过给定被控制区域内污染源允许排放总量，并优化分配到源，从而保证大气环境质量的办法。,一、空气污染气象学的研究内容与发展,空气污染气象学是研究空气污染问题与气象学的相互关系，运用气象学的原理和方法研究气象因子对空气污染物散布的支配作用和在各种条件下的影响，预测空气污染物的散布及其变化规律，以求能找到及时处理解决空气污染问题的正确途径，保护环境。其核心问题是大气湍流扩散，其尺度自几百米的小尺度局地范围到中远距离的中尺度和大尺度范围，主要的研究内容包括：1 各种气象条件下，空气污染物的散布规律，包括污染物自源排放后的输送、湍流扩散、迁移与清除过程以及这些条件下对空

11、气污染物浓度的定量估算；2 不同区域范围，不同下垫面条件和不同尺度大气过程支配与影响下的空气污染气象学规律及其定性和定量的预测分析；3 各种大气环境规划与管理所需的科学依据和局地工程大气环境影响评估所需的定性和定量分析；4 空气污染气象学的风洞和水槽模拟实验研究；,2 影响空气污染物扩散的主要因子,对大气污染状况的监测工作中，常常会发现在同一地点发自同一污染源的空气污染物，对其浓度监测结果的分析有时可测到很高的浓度，有时却测不出来，不同时间的测量值也有很大差异。这固然与污染源排放条件的变化以及采样点位置的选取有关，但主要是气象条件的影响所敢。大气扩散的理论研究和试验研究表明在不同的气象条件下，

12、同一污染源排放所造成的地面污染浓度可相差几十倍乃至几百倍。这是由于大气对污染物的稀释扩散能力随着气象条件的不同而发生巨大变化的缘故。,影响空气污染物扩散的主要因子,影响空气污染物散布的气象因子主要有：1 大气边界层的结构和特征；2 风和湍流；3 气温和大气稳定度；4 辐射和云；5 天气形势；下面分别简单回顾和介绍,1 大气边界层的结构和特征；,大气边界层是直接受地表影响最强烈的垂直气层，它占整个空气质量的110，其厚度随天气条件、地表特征而变，一般在I一2千米。在这一层里，气流受地面摩擦力和下垫面地形地物的影响比高层大气显著，并受这一层里的动量、热量、水汽和其它物质的输送及其源量的支配。因此空

13、气污染物的散布与其密切相关。按动力学特征，常把大气边界层分为三层：1 贴地层 是最贴近地面的一层，厚度在1米以内。在这层中，分子粘性应力占有重要地位，同时还要考虑湍流应力。2 近地层 该层高度可达50一100米。这一层直接受下垫面的影响，因此气象要素有明显的日变化。这层里湍流应力远超过分子粘性应力，柯氏力与气压梯度力可以忽略不计，大气与地面的相互作用主要依赖于垂直方向的湍流对动量、热量和水汽的输送，而这些湍流垂直输送通量随高度变化很小，故又称常通量层。3上部摩擦层(Ekman层)从近地面层到大气边界层项。在这一层里，柯氏力、气压梯度力和湍流应力达到同样量级。,2 风和湍流,1 风 空气相对于地

14、面的水平运动称为风，它有方向和大小。气象上的风向指风的来向。排入到大气中的污染物在风的作用下，会被输送到其它地区，风速愈大，单位时间内污染物被输送的距离愈远，混入的空气量愈多，污染物浓度愈低，所以风不但对污染物进行水平搬运，而且有稀释冲淡的作用。同时污染物总是分布在污染源的下风方，于是在考虑风速和风对污染物浓度的影响时，常引入污染系数的概念：由式可知，风频低，风速高，污染系数小，指空气污染程度轻。另外，风随高度的变化亦有影响。,2 风和湍流,2 湍流 湍流是一种不规则运动，其特征量是时空随机变量。由机械或动力作用生成机械湍流，如近地面风切变，地表非均一性和粗慥度均可产生这种机械湍流活动。由各种

15、热力因子诱生热力作用形成的湍流称热力湍流，如太阳加热地表导致热对流泡向上运动，地表受热不均匀或气层不稳定等都可引起热力湍流。一般情况下，大气湍流的强弱取决于热力和动力两因子。在气温垂直分布呈强递减时，热力因子起主要作用，而在中性层结情况下，动力因子往往起主要作用。,什么是湍流？,无规则的流体运动称为“湍流或乱流。1883年雷诺首先系统地研究了流体中湍流的产生条件。以雷诺数Re 表征：式中U为平均流动速度，L为流动的特征长度，为运动学粘滞系数。当 ReR*时,流动总是“湍流”的，称Re*为上临界雷诺数（12000-13800）；,大气中雷诺数一般很大，大气的流动通常是湍流的。大气运动的湍流现象是

16、容易识别的。但是，什么是湍流?要下一个严格而确切的定义却并不容易。目前认为比较恰当的提法是：“湍流是一种不规则运动，其流场的各个特征虽是时间和空间的随机变量，因此它的统计平均值是有规律的”。这就是说，湍流运动就其个别特征量来说是很不规则的，但其统计平均值还是有一定规律的。,湍流运动简单的数学描述,湍流运动简单的数学处理方法最初由雷诺提出。他把湍流流动设想成两种运动的组合，即在一种比较简单的平均运动上叠加了一种起伏很不规则、尺度范围很广的脉动运动，或涡旋性质的运动。一般以：A 是任一气象要素。分别可用其平均值与脉动值之和来表示。,湍流对大气扩散的影响,如果大气中只有有规则的风而没有湍涡运动，一个

17、烟团在气流中的运动情形如图(15a)所示，烟团仅仅靠分子扩散使烟团长大，速度非常缓慢，事实上大气中存在着剧烈的湍流运动，使烟团与空气之间强烈地混合和交换，大大加强烟团的扩散如图(15b)所示。湍流扩散比分子扩散的速率快105106倍，湍流扩散的作用是很重要的。但在平均运动方向上仍主要是风的平流输送作用，只要风速不是太小，在这个方向上的湍流输送作用可以不予考虑。,3 气温和大气稳定度,地球周围的大气具有层状结构。根据大气温度的垂直分布，由地表向外，依次划分为对流层、平流层、中层和热层，如图11所示。大气层的厚度在2000一3000km以上。,气温的垂直分布与空气污染有密切的联系，这是因为气温的垂

18、直分布决定了大气稳定度，而大气稳定度又影响着空气运动，进而影响污染物的散布。一、气温的垂直分布 近地面气层中气温的垂直分布一般说有三种情况：1气温随高度递减 这种情况一般出现在晴朗的白天风不太大时。少云的白天由于太阳强烈照射地面增热得很利害，近地面的空气因此也增热得很快，热量不断地由低层向高层传递，低层增热比高层快于是就形成了气温的下高上低状况。,二 气温随高度逆增气温出现上高下低的倒置现象这种现象一般出现在少云、无风的夜间。夜间太阳辐射等于0，地面无热量收入，但地面辐射却存在，因为少云大气逆辐射很少，因此有效辐射正得很大，地面将大量失去热量而不断冷却，近地面的这层空气也将随之冷却，热量不断地

19、由上向下传递，气层不断地由下向上冷却，因此整个气层下面比上面冷却得快，就形成了气温下低上高的现象。,3 气温随高度基本不变 这种情况常出现于多云天或阴天。白天，由于云层反射到达地面的太阳辐射大为减少，故地面增热得不利害。夜间，由于云的存在大大加强了大气的逆辐射，使有效辐射减弱，地面冷却得不利害，因此当有云存在时气温随高度变化不明显。风比较大的日子气层上下交换激烈，使上下层冷暖空气充分混合，因而气温随高度的变化也不明显。,大气的垂直稳定度,1 什么叫大气的垂直稳定度 大气稳定度的含义可以这祥理解，如果一块空气由于某种原因产生了向上或向下的运动，这以后就可能出现三种情况：当除去外力后这个气块逐渐减

20、速并有返回原来高度的趋势，我们说这时的大气是稳定的；当除去外力后这个气块仍加速前进，可以说这时的大气是不稳定的；如果除去外力后气块既不加速也不减速，可认为大气处于中性平两状态。,2 判断大气稳定度的基本方法（气块法）,1辐射逆温 在晴朗无云(或少云)的夜晚当风比较小时，地面出强烈的有效辐射而很快地冷却，近地面的气温也随之下降。离地面越近空气受地表的影响越大，因而降温就越利害，于是形成了自地面开始的逆温，如图16(a，b)所示。以后，随着地面辐射冷却的加剧，逆温逐渐向上扩展；黎明时达到最强，如图16(c)。日出以后，太阳辐射逐渐加强，地面很快增温，逆温便逐渐自下而上地消失，如图16(d,e),2

21、 平流逆温 由于暖空气平流到冷地表面上而形成的逆温称为平流逆温。因为当暖空气平流到冷地表面上，下层空气受地表影响大降温；而上层空气降温少故形成逆温。平流逆温的强弱取决于暖空气与冷地表面的温差。冬季，中纬度沿海地区因为海上温度高，陆上温度低，当海上暖空气流到大陆上时常形成平流逆温。此外，当暖空气平流到低地、盆地内积聚的冷空气上面时也可以形成平流逆温。,4湍流逆温 低层空气湍流混合形成的逆温称为湍流逆温。什么叫湍流混合?简单地讲，空气的不规则运动称为湍流，实际的空气运动部是种湍流运动。由于空气运动很不规则，其结果将使大气中包含的热量、水分和动量以及污染物质得以充分的交换和混合，这种因湍流运动引起的

22、属性混合称为湍流混合。,5锋面逆温 在对流层中的冷暖空气相遇时，暖空气密度小就会爬到冷空气上面去形成一个倾斜的过渡区，称为锋面。在锋面上，如果冷暖空气温度相差得大也可以出现逆温，这种逆温称为锋面逆温，仅在冷空气一边看得到。在实际大气中出现的逆温有时是由几种原因共同形成的，比较复杂，因此必须具体问题具体分析。,Chap.1 基本理论和模式,空气污染物的散布是在大气边界层的湍流场中进行的，或者说，空气污染物的散布过程就是大气输送与扩散的结果。因此，空气污染物散布的理论处理，就是从大气湍流扩散的基本理论出发，对空气污染物的散布过程作正确的数学物理模式。欧拉方式和拉格朗日方式两种基本理论，即梯度输送理

23、论和湍流统计理论对扩散问题的处理。欧拉方法:是相对于固定坐标系描述污染物的输送与扩散；拉格朗日方法:则是由跟随流体移行的粒子来描述污染物的浓度及其变化。两种方法采用不同类型的描述空气污染物浓度的数学表达式，都能正确地描述湍流扩散过程，然而，每种方法都有一定的困难，从而影响到对空气污染物散布的精确模拟。采用欧拉方法可以有效地预测污染物浓度，但是，由于雷诺方程导得的欧拉扩散方程组是不闭合的，为了求解必须采用适当的闭合方案并由此带来一系列拉术难点和问题。因为污染物是随流体微团移行的。所以，采用拉格朗日方法是一种描述污染物分布的自然方式。粒子移动的统计分析对扩散理论有重要贡献。然而，因为拉格朗日支配方

24、程的复杂性，使拉格朗日分析大多仅限于对统汁平稳和均匀湍流条件下的扩散问题的描述，而对那些有时间变化的(非定常的)污染物浓度的预测大多借助于欧拉扩散方程处理。,梯度输送理论和模式,湍流扩散的微分方程 湍流扩散微分方程实质上是流体中扩散物质质量守恒定律的一种形式。为了导出湍流扩散微分方程，我们在湍流扩散烟流中取微小体积元dxdydz,研究其中由于平均流动和湍流扩散而发生的物质交换情况。,方程解,静止烟团模式,移动烟团模式,就简化为：,烟流半宽度：y。的定义是沿y轴方向从浓度轴线(x轴)到浓度下降为轴线浓度十分之一处的距离；烟流半厚度：z0的定义是沿z轴方向从浓度轴线(x轴)到浓度下降为轴线浓度十分

25、之一处的距离；,同理，烟流的厚度和半厚度为：2z0=4.3z z0=2.15z,2y0=4.3y y0=2.15y,小结,高斯扩散模式（有界条件下的基本扩散模式）,这样，P点的浓度为,可见，地面横向积分浓度模式中不出现y。进行大气扩散实验资料分析时，常用到地面横向积分浓度模式。例如，从地面浓度实测资料中求得Ccwi，便可利用该式推算难以直接测量的z；反之，如果有z 的实测值，可用地面横向积分浓度模式检验发射源强Q。,高斯模式的适用条件,(1)下垫面平坦、开阔，性质均匀；(2)扩散过程中污染物没有衰减，污染物与空气没有相对运动，即随大气一起运动，地面对它起全反射作用；(3)扩散在同一温度层结的气

26、层中进行，平均风速大于1m/s;(4)平均流场平直稳定，平均风速和风向没有显著的变化；(5)适用于小尺度的扩散范围，以不超过10一2km为宜。,大气污染物浓度估算,在扩散模式里，需要知道的参数有：源强；y，z扩散参数；有效高度；u源高处风速因此要计算污染物地面浓度，就要知道这些参数,必须解决有效烟囱高度和扩散参数y，z的求算问题！,一有效烟囱高度的计算,烟气抬升过程及其影响因素,(1)喷出阶段 烟气在自身初始动量的作用下由烟囱口垂直向上喷出，但向上运动的烟气和水平气流之间的速度切变使烟流与四周空气很快发生湍流混合，烟体增大，并获得水平动量，烟道逐渐向水平方向弯曲。因而，在喷出阶段中，初始动量的

27、作用从开始占主导地位逐渐减退消失，浮力作用逐渐上升，成为决定抬升的主要因子。喷出阶段在几倍至十几倍左右于烟囱口径的距离上结束，是一个短暂的阶段。,(2)浮升阶段 烟气自烟囱口喷出后，热浮力对抬升立即起作用。起初，由于烟气与用围空气的温差大，浮力加速度很大，几秒钟后浮力引起的上升速度就远超过动力上升速度，使抬升进入“浮力支配”阶段。在浮升阶段中，上升烟流与水平气流之间的速度切变引起的自生湍流是导致烟气与周围空气混合的主要原因，环境湍流的影响较弱。持续的混合过程使烟体增大，烟流内外的温差不断减小，升速减慢，烟流逐渐变平。浮升阶段是热烟流抬升的主要阶段。,(3)瓦解阶段 在浮升阶段后期，烟流的升速已

28、经很慢，速度切变引起的自生湍流已经很弱。另一方面，随着烟体不断增大，越来越多的与烟流尺度相当的大气湍涡参与了混合作用，环境湍流的作用明显增强。当烟体剖面增大至环境湍流所含湍涡尺度时，大气湍涡大量侵入烟体，使烟流自身的结构在短时间内瓦解，烟气原先的热力和动力性质丧失殆尽，抬升基本结束。,(4)变平阶段 环境湍流使烟体继续扩散胀大，烟流逐渐变平。影响烟气抬升的主要因素有烟气本身的热力和动力性质以及气象、地形条件等,(1)烟气本身的性质 烟气抬升高度首先决定于它本身的初始动量和浮力。初始动量决定于烟气的出口速度和烟囱口内径。实测资料表明，热而强的大烟囱热力抬升是主要的，动力抬升是次要的；小烟囱的动力

29、抬升作用有所增加。,(2)周围大气状况 烟气与周围空气的混合速度对烟气抬升影响很大。混合愈快，温差和动量减小愈迅速，故抬升愈小，平均风速愈大，湍流愈强，混合就愈快，抬升高度就愈低。烟流所处气层内的温度层结也是影响抬升的重要因子。稳定的温度层结抑制烟流的抬升，不稳定层结促进抬升；但层结不稳定时湍流交换活跃，过快的混合对抬升不利。,(3)下垫面和其他因素的影响 城市等粗糙下垫面上空的湍流较强，不利于抬升。离开地面愈高，地面粗糙度引起的湍流减弱，对抬升有利。复杂的地形还可能形成局部温场和风场而影响抬升。烟囱本身的几何形状和周围障碍物的形状也会引起动力效应。当烟气出口速度过低，以致接近烟囱口处平均风速

30、时，会产生烟气下洗，只有当烟气出口速度2倍的环境风速时才不会产生烟气下沉。,如何估算烟囱抬升高度？,由上节烟流抬升过程的分析可见，烟气自出口排出后，形成烟流并经历初期的准垂直形式，然后弯曲并扩大至瓦解交平，达到终极抬升高度并以此高度计算烟流抬升高度H和有效源高H。显然，只有经过相当距离后，达到出现变平轨迹的离源距离XT上，才会有z(XT)=H。这里的XT称为终极抬升距离。这在实用抬升公式里是个很重要的概念并以此处理方法建立烟流终极抬升公式。从瓦解到变平并达到终极抬升的过程中，必须考虑终极抬升的概念，否则就会得出烟流无限抬升的不符合实际的推论。使烟流变平而不致无限上升的支配因素就是环境湍流的主导

31、作用。终极抬升的问题是至今尚未解决的一个烟流抬升课题，,烟流抬升方程,烟流是由运动中的流体构成的，于是大多数烟流抬升模式基于流体力学的基本定律，即质量守恒，浮力守桓和动量守恒来考察烟流抬升问题，通过积分这些守恒表达式(在烟流的截面上积分)，以方便的形式来描述烟流轨迹。,确定终极抬升距离的方法有经验截止、分段作用模式、关联作用模式、联合作用模式以及早期就考虑环境湍流作用的方法等。,初始动量,浮力项,常用的烟云抬升模式,我国国家标准推荐的模式,烟气抬升公式的应用,影响烟气抬升的因素多而复杂，目前还没有一种抬升高度公式考虑了所有这些因素。目前的大多数抬升公式都是半经验性的，是在各自有限的观测资料基础

32、上归纳出来的，局限性较大。当用于其他地方时，常不能令人满意。对同一个烟源，在同一气象条件下，用不同公式计算的结果往往相差甚大。之所以出现这种情况，有以下几方面的原因：,(2)观测技术和方法不完善 观测烟羽抬升多用照相法、经纬仪等光学手段。通过肉眼现测，或观测例少，或观测不到全景，或观测精度差，这些都有碍于得到可信的统计数据,(1)定义问题 早年以为烟羽可见外形消放时表示烟羽已达最大抬升高度。事实上，单纯以外形判断是不可靠的。正确理解抬升高度应该是烟羽平均路径变平的高度。,(3)地形地物和气象条件的差异 这是公式计算值与实际观测值不能很好吻合的一个重要因素。因为各地气象条件不同，地形及烟囱周围的

33、建筑物造成的气流扰动和局地环流对烟羽抬升的影响很大，千差万别。观测发现，即使在同一个地方，当有地形地物影响时，风向不同，烟气抬升高度也不一样。,我国幅员辽阔，地形复杂，必须针对具体情况选用适当的公式。在有条件时，应通过现场实测或风洞模拟试验结果，与各烟气抬升公式的计算结果相比较，以确定适合的烟气抬升高度计算式，,大气扩散参数,早期的大气扩散参数处理模式：1梯度观测法萨顿模式遵循大气扩散的统计理论处理途径，最早于50年代就提出了几种确定大气扩散参数的方法，并建立了相应的扩散模式。它们在空气污染气家学学科发展及其应用中起过重要作用2直接测量湍流特征量的方法 基于湍流活动与空气污染物散布的密切联系，

34、在早期大量扩散试验研究中，测量各种湍流特征量并由实验确定经验表达式和有关系致的量值，建立各种确定大气扩散的方法和相应模式。,PG扩散曲线法,1 根据常规气象资料确定稳定度级别,帕斯奎尔根据大量观测资料的总结，首先提出了根据云量、云状和太阳辐射状况的估计以及地面风速等常规气象资料，将大气的扩散能力从强不稳定到稳定划分为A、B、C、D、E、F六个稳定度级别，具体分类方法如表35,利用PG扩散曲线确定y、z,按表确定出某地某时的大气稳定度级别后，就可以利用PG扩散曲线查出相应稳定度上各下风距离x处的y、z值。,PG扩散曲线的适用性,我国目前推荐的大气扩散参数,扩散参数的修正,扩散参数的修正,(2)布

35、里吉斯(1973)考虑到下垫面和烟囱高度的影响，提出一套计算扩散参数的方法。对于平坦开阔下垫面采用表310的公式，对于城市下垫面则采用表311的公式。布里吉斯建议，表311 的扩散参数用于城市中100m以下的源更适宜。,扩散参数的修正,3)为弥补PG扩散曲线对loom以上高架源估算可靠性差的缺点，史密斯(smith)根据美国布鲁克海文实验室(BNL)在108m高架源的大量扩散试验，总结了计算的扩散参数BNL公式，见表312。,扩散参数的修正,可以求出最大地面浓度和距离,作业：推导下面结果,平均浓度随取样时间的稀释作用,取样时间是指连续取得观测数据并用以计算统计平均值的时间长度。对污染物浓度来说

36、，就是指大气采样的采样时间。湍流统计量与取得时间的长短有关。污染物在大气中的扩散和浓度分布是在湍流的作用下形成的，所以平均污染浓度必然和湍流统计量一样受采样时间影响。另一方面，在大气质量标准中，对不同的平均时间(采样时间)规定了不同的允许值，如一次浓度(30min,60min)、日平均、年日平均浓度等。于是产生了这样的问题：扩散公式计算的浓度代表多长时间的平均浓度?不同采样时间的平均浓度之间有何关系?,我国目前推荐,恶劣气象条件下的扩散,实际应用中的简化形式,如图39所示，分为三种情况：(1)xxL。为烟羽边缘刚好达到逆温层底那一点在x轴上的投影点到源的距离，当xxL时，烟羽的高度未到达逆温层

37、底的高度，它的扩散未受上部逆温层的影响，这时地面浓度可用一般高斯扩散公式计算。令烟流中心线到逆温层底的距离为z0。可以认为就是烟云半厚度，z0=L-He,，所以z0=L-He=2.15z所以当：时，烟羽未受逆温层的影响。这样，根据计算出的z值和当时的稳定度计算出xL,熏烟型扩散与封闭型扩散的比较,熏烟型扩散的形成具有以下特点：(1)夜间以地面为底整层处逆温状态；(2)日出后，逆温层由地而向上被破坏；(3)破坏消散达烟流上边缘时，上方仍为逆温层，下部则已由逆温变成递减的不稳定状态，烟流混合向地面形成短时间的熏蒸现象。可见，与封闭型扩散相比有以下三点不同：(1)熏烟型扩散过程的烟流原先处于稳定层结

38、气层内，然后，污染物由积聚到熏蒸到地；而封闭型扩散过程的烟流原先处于不稳定层结气层内，污染物并无积聚，对地面浓度影响略轻。(2)熏烟型扩散过程持续时间很短暂；而封闭型扩散过程往往会持续相当长的时间。(3)熏烟型扩散过程造成的地面污染物高浓度落地点范围窄小但离源距离变化很大，视逆温强度、地面加热率、平均风速和有效源高等而定；封闭型扩散过程造成的范围较大，影响相对稳定。,熏烟模式的推导,三 微风下的扩散,在微风(u1.5ms)条件下，平均风向(X方向)的湍流扩散速率远远小于平均风速的平流输送速率的假设不能成立，X方向的扩散作用不可忽略。这时就不能再用忽略X方向扩散作用导出的烟流模式，而应采用瞬时点

39、源的移动烟团模式积分的方法来求算连续点源的浓度分布。,微风时扩散参数,目前对烟团模式的扩散参数研究很少。特纳尔提出的烟团扩散参数与平流时间T的关系示于左图，一般计算时，取 x y,简化烟团模式1,简化烟团模式2,下面推出导则中的模式,危险风速下的污染浓度,计算地面轴线最大浓度的(下式）是在风速不变的条件下导出的。实际上，风速对地面最大浓度会产生双重影响：可见风速增大，地面最大浓度减少；但从各种烟气抬升公式看，风速增大有效源高H降低从而使地面浓度增大。两种作用的结果正好相反。因此，可以设想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。,大多数烟气抬升公式中：HU-1所以可以写成：

40、H=BU；B为抬升公式中除了风速而外的一切量，对U求导时，可把B看成常数，将H=Hs+H=Hs+BU代入最大落地浓度公式对U求偏导数，Cmax U=0，就可以推出Cmax出现极值时的风速危险风速Uc,作业,影响污染物在大气中散布的其他过程,前面的扩散模式都是在假定污染物在扩散过程中没有衰减的条件下导出的。实际上，大气中的污染物不仅将被稀释和扩散，而且还有沉降、化合、分解、雨雪冲洗以及地面的吸收、吸附等作用发生。这些过程不但改变了污染物的平衡收支，而且不断影响着大气污染物的浓度。但是对于10一20km以内的中小尺度的扩散来说，上述净化过程虽可起到一些作用，但比起平流输送与扩散稀释来说，则是次要的

41、。研究结果表明，大气的平流输送和稀释扩散仍是决定大气污染物浓度分布的主要因子。,影响污染物在大气中散布的其他过程,一 干沉积过程；包括重力沉降和下垫面的清除作用二 降水清洗、化学反应和放射性衰变大气中的降水(雨、雪)和水汽凝结物(云、雾)都能对污染物起到净化作用(称为湿沉积)：各种普通污染物，也会发生化学反应而变成新的污染物；放射性物质则可能发生放射性衰变。,重力沉降,重力沉降时浓度计算（地面全吸收）,这种扩散和沉降的迭加可认为是烟流运行过程中，实源以Vs的速度向下移动，在x处向下移动的高度为Vs t=Vs xU，即源高由H降到了(H-Vs xU)。假若只考虑粒子的沉降，地面对粒子全吸收，则计

42、算式中不存在反射项；地面大气中粒子的浓度为：,重力沉降时浓度计算（地面非全吸收）,实际上，由于大气湍流及其他动力作用，地面不是全吸收表面，应考虑地面的反射作用。但毕竟有沉降作用，又不是全反射。故对反射项要乘一反射系数，所以：,下垫面的清除,大气中的气态污染物和飘尘(10m以下)在随风飘移过程中，碰到地面、水面、植物、建筑物时，因碰接、吸附、静电吸引、动物呼吸等而被逐渐清除。这种清除速度很慢，不象较大粒子的沉降那样明显。一般认为这种清除作用不影响污染物的浓度分布形式，只使源强受到损耗，源强Q应以Q(x)代替。由于清除速度很慢，计算短时间扩散时一般不予考虑。,降水清洗、化学反应和放射性衰变,处理办

43、法是将这些清除作用假定为使污染物浓度随时间t按指数衰减：即定义半衰期为使污染物浓度衰减到没有这些作用时浓度的一半所需的时间，以T表示。即：t=T时，C=0.5C0=0.693/T，所以；,总体考虑,综合重力沉降、下垫面消除、降水清洗、化学反应和放射性衰变等的影响，高架源的正态分布模式可写为：,清除作用,重力沉降作用,下垫面清除,恶劣气象条件下的污染物模式小结,1、封闭型当温度层结出现了上部逆温情况时，即低层是中性或不稳定，而离地面几百米到12km高度上有一稳定逆温层。2、熏烟型夜间形成了辐射逆温，高架源排入稳定气层中的烟气，日出以后，逆温从下而上被破坏。3、微风在微风(u1.5ms)条件下，平

44、均风向(X方向)曲湍流扩散速率远远小于平均风速的乎流输送速率的假设不能成立，x方向的扩散作用不可忽略。这时就不能再用忽略”方向扩散作用导出的烟流模式，而应采用瞬时点源的移动烟团模式积分的方法来求算连续点源的浓度分布。4、危险风速风速对地面最大浓度产生双重影响。风速，则地面最大浓度，使有效源高H，使地面最大浓度。两种作用相反，故出现某一风速Uc（危险风速）时地面绝对最大浓度。5、其他影响因子干沉积（包括重力沉降和下垫面的清除作用）；降水清洗、化学反应和放射性衰变,不同下垫面对污染物扩散的影响,影响污染物扩散不仅有气象条件因子，而且还有下垫面状况因子。下垫面主要有以下几类：1 城市2 山区3 水域

45、附近,城市扩散气象特点,(一)城市热岛效应 城市气温比周围农村高的现象称为城市热岛效应。造成这一现象的主要原因有：(1)生产和生活大量的燃料燃烧，使城市成为一个巨大的热源；(2)建筑物的限量和导热率大，白天储存大量热能，夜间释放出来使城市温度比农村高；(3)城市多被各种建筑物及水泥面覆盖，减少了水份蒸发消耗的热量，从而增加了地面向大气输送的热量；(4)城市污浊的空气层对地面长波辐射的吸收较强，其逆辐射也较强，使地面和近地层温度比农村高；(5)冬季气温低于人体温度，空气能从众多的人体获得一郎份能量。,国外大城市的热岛强度可达5，国内大城市一般为23，中等城市平均在1以上。,城市扩散气象特点,(二

46、)城市混合层城市特殊的热力性质，会产生“城市混合层”。晴朗的白天，城市和乡村的温度层结都是递减的，仅城市紧靠地面一层递减得更快。夜里，乡村由于辐射冷却在近地层形成逆温层。但当乡村空气移动到相对温暖和下垫面粗糙的城市上空时，下层空气被重新加热而形成一薄层混合层，其上部仍维持从乡村移行过来的逆温(图41b)。此混合层厚度为几十米到几百米之间，由城市的规模和空气运动的速度、时间而定。,城市扩散气象特点,(三)城市风场和湍流由于城市温度经常比农村高(持别是夜间)，气压较低在晴朗平稳的天气下可形成从用围农村吹向城市的局地风，称为“城市风”。这种风在市区内相合就会产生上升气流，通常在300一500m高度向

47、四周辐散，从而形成城市热岛环流。出现地区性静风时，城市风非常明显(图43n)；有和风时，只在城市背风部分出现城市风。(图43b)。由于夜晚城乡温差比白天大，夜间，风不断从乡村吹来，风速可达2.0ms，这种风可将郊区工厂的污染物带到市中心，使污染浓度升高。,城市扩散大气污染特点,城市微气象特征，下垫面和污染源的特殊性构成了城市空气污染的特点。1、由于城市热力和机械湍流强烈，扩散速率高，在相同天气条件下城市上空的扩散参数耍比平坦的乡村大，相当于PG扩散曲线向不稳定方向提高12级。2、城市中主要污染物浓度有明显的日变化；3、城市空气污染也有明显的月、季、年的变化。就S02和飘尘而言，冬季最高，春和秋

48、次之，夏季最低，这主要是由污染物排放员的年变化(冬季能耗大)和气象条件的年变化引起的。,个例（北京）,夜间，薄的城市混合层虽不利于扩散，但许多生产、生活源暂时停止了排放，使源强大大降低，因而地面浓度较低。日出后，城市生产、生活活动逐步展开，污染物排放量大大增加。虽然随着日照的增强湍流交换也增加了，但其影响远不及排放量的增长，因此地面浓度在8时左右呈现第一个高峰。此后，日照进一步增强，湍流加剧，混合层高度和风速增大，而污染物排放量却不再进一步增加，因此浓度开始减小，到午后出现最大混合层时降到白天最低值。接近日落时，湍流减弱，郊区大气自地面开始逐渐趋于稳定，城市上空再次形成有限的混合层，风速亦减小

49、因此限制了污染物的稀释扩散，生活燃烧量增加，地面浓度在1820时左右呈现第二个峰值。到夜间，生产生活活动减少，排放量降低，地面浓度再次下降到最低点。,城市扩散多源高斯模式,城市和工业区的排放源和排放方式是多种多样的，对城市中各种各样的污染源逐个进行计算是不可能的。实际总是把众多的排放源分为点、线、面三类。面源；排放量不大而源数众多的源；线源；街道和公路的汽车排气；点源；排放量集中，高度较高，数目也不多的源。这样，城市的污染源资料经过整理和编目以后，就可以归并成若干点、线、面源，它们构成了整个城市的多源体系。城市多源模式应将各类源的扩散均考虑进去。,城市扩散点源高斯模式,1高架点源的扩散城市下垫

50、面和城市边界层对大气扩散的影响程度是随高度递减的。通常，当源的高度超过附近建筑物高度2.5倍时，烟气将不会被下洗气流直接带向地面；若有效源高超过周围建筑物面度5倍以上，烟气扩散到地面时，烟流的宽度和厚度已比建筑物的尺度大很多，建筑物引起的局地气流对烟流整体扩散的影响就比较小。此时，可以把城市建筑群看成是下垫面上的粗糙元。因此，只要污染源足够高，城市对扩散的影响仅相当于增加了下垫面的粗糙度，使大气更不稳定，其扩散规律与平坦开阔地形上的扩散没有本质的不同。,城市扩散点源高斯模式,具体做法：模式：采用前面介绍的高斯高架点源模式；参数：采用城市气象资料和扩散参数；最好用实测资料；如无时，扩散参数可以用