大气污染控制工程课件：4 大气扩散浓度估算模式-20140319-476302634.ppt

1、1本章主要内容本章主要内容大气污染物扩散的基本描述大气污染物扩散的基本描述箱子模式箱子模式高斯扩散模式高斯扩散模式污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式城市及山区扩散模式城市及山区扩散模式烟囱高度设计烟囱高度设计空气质量模式的新进展空气质量模式的新进展五、特殊气象条件下的扩散模式五、特殊气象条件下的扩散模式 主要指气象条件与高斯模式不一样主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中难温度层结构均一，实际中难以实现）以实现） 封闭型扩散模式封闭型扩散模式上部存在逆温层的气象条件上部存在逆温层的气象条件相当于两镜面之间无穷次全反射相当于两

2、镜面之间无穷次全反射实源在两个镜子里形成实源在两个镜子里形成n n个像个像n n为在地面和逆面间反射次数为在地面和逆面间反射次数实源和无穷多个虚源贡献之和实源和无穷多个虚源贡献之和 22222exp2)0 , 0 ,(zzynDHuQxc封闭型扩散模式封闭型扩散模式(2)(2) 推导：推导：4D6D五、特殊气象条件下的扩散模式五、特殊气象条件下的扩散模式3封闭型扩散模式封闭型扩散模式(3)(3)-n2222222)2(exp2)2(exp)2exp(2,zzyzyHnDHnDyuQHzyxcnzzyHnDuQHxc222)2(exp, 0 , 0 ,五、特殊气象条件下的扩散模式五、特殊气象条件

3、下的扩散模式4封闭型扩散模式封闭型扩散模式(4)(4) 计算简化：计算简化：Dxx2.15zDHDx1. 当当 （尚未到封闭阶段）（尚未到封闭阶段） （烟流半宽度）（烟流半宽度） 查查PG曲线曲线 2Dxx0111DdzDD2. 当当 ，z向浓度混合均匀，向浓度混合均匀，z分布函数为分布函数为2DDxxx3. Dxx2Dxx内插（假定变化为线性）内插（假定变化为线性） )2exp()0 , 0 ,(22zzyHuQxc222exp2,yyyDuQyxc五、特殊气象条件下的扩散模式五、特殊气象条件下的扩散模式5熏烟型扩散模式熏烟型扩散模式(1)(1) 假设：假设： D 换成换成hf（垂向均匀分布

4、）；（垂向均匀分布）；Q 只包括进入混合层只包括进入混合层部分，部分， 则则2.15152.158oyyfyH tgH五、特殊气象条件下的扩散模式五、特殊气象条件下的扩散模式2yf2yff2F2exp2d)5 . 0exp(21)0 ,(yhuppQyxcpzf/ )Hhp （6熏烟型扩散模式熏烟型扩散模式(2)(2)2fzhH 逆温层消失到烟流上边缘，即逆温层消失到烟流上边缘，即2zH 逆温消失到逆温消失到 以上时，熏烟过程不复存在以上时，熏烟过程不复存在 逆温层消失到烟囱的有效高度处逆温层消失到烟囱的有效高度处五、特殊气象条件下的扩散模式五、特殊气象条件下的扩散模式2yf2yfF2exp2

5、)0 ,(yhuQyxcf2yf2yfF2exp22),(yHuQoyxc78本章主要内容本章主要内容大气污染物扩散的基本描述大气污染物扩散的基本描述箱子模式箱子模式高斯扩散模式高斯扩散模式污染物浓度的估算方法污染物浓度的估算方法特殊气象条件下的扩散模式特殊气象条件下的扩散模式城市及山区扩散模式城市及山区扩散模式烟囱高度设计烟囱高度设计空气质量模式的新进展空气质量模式的新进展六、城市及山区扩散模式六、城市及山区扩散模式城市大气污染特点城市大气污染特点u污染源种类多：点源、线源、面源污染源种类多：点源、线源、面源u下垫面粗糙度大下垫面粗糙度大u城市热岛效应城市热岛效应城市大气扩散模式城市大气扩散

6、模式9六、城市及山区扩散模式六、城市及山区扩散模式1.1.线源扩散模式线源扩散模式 无限长线源：较长街道或公路上行驶的车辆密无限长线源：较长街道或公路上行驶的车辆密度大，可在街道两侧形成连续稳定长度的线源度大，可在街道两侧形成连续稳定长度的线源 主要假定：主要假定： 污染物连续排放，形成无线长线源；污染物连续排放，形成无线长线源； 风向与线源垂直；风向与线源垂直； 在横风向上，污染物浓度处处相同。在横风向上，污染物浓度处处相同。城市大气扩散模式城市大气扩散模式10六、城市及山区扩散模式六、城市及山区扩散模式1.1.线源扩散模式：无限长线源线源扩散模式：无限长线源城市大气扩散模式城市大气扩散模式

7、 确定单位线源源强确定单位线源源强QL作用下地面污染物浓度作用下地面污染物浓度 确定无限长线源下风向的地面浓度模式确定无限长线源下风向的地面浓度模式2y22z2zy2yexp2HexpuQ)0 , y, x( cLy2yexp2HexpuQ)0 , y, x( c2y22z2zydL2z2z2Hexpu2Q2)0 x( cL，风向和线源不垂直时，交角风向和线源不垂直时，交角45o 2z2z2Hexpsinu2Q2)0 , x( cL11六、城市及山区扩散模式六、城市及山区扩散模式1.1.线源扩散模式：有限长线源线源扩散模式：有限长线源 有限长线源：在街道上行驶的车辆只能在街道有限长线源：在街道

8、上行驶的车辆只能在街道两侧产生断续的稳定浓度场的线源两侧产生断续的稳定浓度场的线源 主要假定：主要假定： 风向与线源方向垂直；风向与线源方向垂直； 接受点处平均风向为接受点处平均风向为x方向；方向； 线源范围线源范围y1y y2。城市大气扩散模式城市大气扩散模式p2pexp212Hexpu2Q2)0 , y, x( c21pp22z2zdLyyp/11yyp/22注意注意“边缘效应边缘效应”！12六、城市及山区扩散模式六、城市及山区扩散模式1.1.线源扩散模式：线源扩散模式：例题：例题： 在阴天情况下，风向与公路垂直，平均风速为在阴天情况下，风向与公路垂直，平均风速为4m/s，最大交通量为最大

9、交通量为8000辆辆/h，车辆平均速度为，车辆平均速度为64km/h，每辆车排，每辆车排放放CO量为量为210-2 g/s，试求距公路下风向，试求距公路下风向300m处的处的CO浓度。浓度。解答：解答：(1) 确定适用的扩散公式，公路可以当作一无限长线源确定适用的扩散公式，公路可以当作一无限长线源(2) 源强为源强为(3) 确定当日大气稳定度，阴天为确定当日大气稳定度，阴天为D级稳定度，由表级稳定度，由表4-4 查得查得在下风向在下风向300m处，处， (4) CO浓度浓度城市大气扩散模式城市大气扩散模式2z2z2Hexpu2Q2)0 x( cL，m)g/(sL32105 . 26400010

10、28000Qm1 .12z3mg/m041200300.),( c13城市大气扩散模式城市大气扩散模式2.2.面源扩散模式面源扩散模式面源：烟囱高面源：烟囱高 40m；单个排放量单个排放量0.04t/h 箱子模式：箱子模式：考虑源强的不均匀性，考虑源强的不均匀性，沿沿x x方向划分为更小的方向划分为更小的面源单元面源单元六、城市及山区扩散模式六、城市及山区扩散模式mixuHqLbcnimixiuHqxbc114城市大气扩散模式城市大气扩散模式2.2.面源扩散模式面源扩散模式面源：烟囱高面源：烟囱高 40m；单个排放量单个排放量0.04t/h 简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式 网格划分：

11、将面源按照网格划分：将面源按照一定方式划分成面积相一定方式划分成面积相等的小方格，每个小方等的小方格，每个小方格称为一个单位面源，格称为一个单位面源，源强等于方格内总源强源强等于方格内总源强除以方格面积。除以方格面积。六、城市及山区扩散模式六、城市及山区扩散模式15城市大气扩散模式城市大气扩散模式2.2.面源扩散模式面源扩散模式面源：烟囱高面源：烟囱高 40m；单个排放量单个排放量0.04t/h 简化为点源的面源模式简化为点源的面源模式 网格划分网格划分 虚拟等效：虚拟点源虚拟等效：虚拟点源排放的污染物扩散到排放的污染物扩散到单位面源中心的时候，单位面源中心的时候，烟流宽度等于面源宽烟流宽度等

12、于面源宽度，烟流厚度等于面度，烟流厚度等于面源高度。源高度。六、城市及山区扩散模式六、城市及山区扩散模式16城市大气扩散模式城市大气扩散模式2.2.面源扩散模式面源扩散模式面源：烟囱高面源：烟囱高 40m；单个排放量单个排放量hT 时，时， ；H O3SOx or NOx + NH3 + OH - (NH4)2SO4 or NH4NO3SO2 + OH - H2SO4NO2 + OH - HNO3VOC + OH -Orgainic PM OH Air Toxics(POM, PAH, Hg(II), etc.) Fine PM(Nitrate, Sulfate, Organic PM) NO

13、x + SOx + OH (Lake Acidification, Eutrophication) 八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展35ModelSpatial ScaleTemporal ScaleCIT Urban scaleEpisodicUAM-AEROUrban scaleEpisodicUAM-AIMUrban scaleEpisodicURMUrban to mesoscaleEpisodic DAQM2Urban to mesoscaleEpisodicMAQSIP-AIMUrban to mesoscale EpisodicCMAQ-MADRID Urban

14、to mesoscaleEpisodicPMCAMx Urban to mesoscale EpisodicSAQM-AEROUrban to mesoscaleEpisodicSTEM-IIIMesoscaleEpisodicADOMMesoscaleEpisodicWRF-ChemUrban to mesoscaleEpisodicGATOR-GCMOMUrban to global scale Long termModels-3/CMAQ Urban to mesoscale Long termUAM-LC Urban scale Long termREMSADMesoscale Lon

15、g termVISHWAMesoscale Long term空气质量模式的发展空气质量模式的发展八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展空气质量模型的类型空气质量模型的类型Developed for a number of pollutant types and time periods Short-term models for a few hours to a few days; worst case episode conditions Long-term models to predict seasonal or annual average concentrations;

16、health effects due to exposureClassified by Non-reactive models pollutants such as CO Reactive models pollutants such as O3, NO2, etc.八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展38Classified by level of sophistication Screening: simple estimation use preset, worst-case meteorological conditions to provide conservative

17、estimates. Refined: more detailed treatment of physical and chemical atmospheric processes; require more detailed and precise input data.Classified by framework used Eulerian Lagrangian Hybrid Lagrangian/Eulerian Statisticalhttp:/www.epa.gov/scram001/images/smokestacks.jpg http:/www.epa.gov/scram001

18、/images/grid4.jpg 八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展空气质量模型的类型空气质量模型的类型39Classified by dimensionalityBox model (0-D)Column model (1-D)2-D chemical transport model3-D chemical transport modelClassified by spatial scaleMolecular (2mm)Microscale (2mm-100m)Urban scale (100m-2km)Regional/continental (2-2000km)Synop

19、tic to global (500-20000km)八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展空气质量模型的类型空气质量模型的类型4041八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展空气质量模型的类型空气质量模型的类型41Classified by generation of meteorologyGeneral circulation models (internally calculated)Chemical transport models (externally calculated)Online (a fully-coupled GCM-CTM)Offline (a CT

20、M with meteorology archives)Classified by mode of applicationBackcast/nowcast modelsForecast modelsClassified by types of applicationResearch-grade modelsRegulatory models空气质量模型的类型空气质量模型的类型八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展42模式选择模式选择1.1. 污染源及污染物污染源及污染物污染源的类型污染源的类型污染源的形态有点源、线源、面源和它们组成的复合源；污染源的形态有点源、线源、面源和它们组成的

21、复合源；按其排放方式可分为瞬时源、间断源和连续源。按其排放方式可分为瞬时源、间断源和连续源。污染物的性质污染物的性质可分为气态污染物或颗粒物。可分为气态污染物或颗粒物。对后者，还需了解其粒径分布，估计重力沉降、干沉积与对后者，还需了解其粒径分布，估计重力沉降、干沉积与扩散的相对重要性。扩散的相对重要性。此外，还应考虑是惰性的或是反应性污染物。此外，还应考虑是惰性的或是反应性污染物。 八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展432.2. 模拟的时空范围及分辨率模拟的时空范围及分辨率模式区的范围模式区的范围局地空气污染问题以采用高斯型模式比较适当。局地空气污染问题以采用高斯型模式比较适当。

22、模拟的时间尺度模拟的时间尺度大气扩散模式计算的基准时间尺度为小时平均，其他时大气扩散模式计算的基准时间尺度为小时平均，其他时段的平均浓度可在小时平均浓度的基础上逐时段的平均浓度可在小时平均浓度的基础上逐时( (或按一定或按一定的采样间隔的采样间隔) )求和计算，也可按频率加权的计算方法。求和计算，也可按频率加权的计算方法。要求的空间分辨率要求的空间分辨率模式计算浓度的空间分辨率是一项重要和敏感的指标。模式计算浓度的空间分辨率是一项重要和敏感的指标。在一个孤立点源的下风区，相距数百米两个接受点的污在一个孤立点源的下风区，相距数百米两个接受点的污染物浓度可以有数量级的差异，即使在污染源分布比较染物

23、浓度可以有数量级的差异，即使在污染源分布比较均匀的城市，相距均匀的城市，相距1km1km监测浓度的差异也常常很大。监测浓度的差异也常常很大。模式选择模式选择八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展443.3. 模拟区的下垫面特征模拟区的下垫面特征下垫面可分为平原乡村、城市、山区及水陆交界下垫面可分为平原乡村、城市、山区及水陆交界地区等。地区等。复杂下垫面时，高斯模式不再适用。复杂下垫面时，高斯模式不再适用。模式选择模式选择八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展4.4. 对模式效能的要求对模式效能的要求空气质量模式应当具备的效能与前述三方面的条空气质量模式应当具备的效能与前述三

24、方面的条件及要求有密切关系。例如，对局地空气污染，件及要求有密切关系。例如，对局地空气污染，通常仅需考虑大气的扩散稀释作用，而对中、远通常仅需考虑大气的扩散稀释作用，而对中、远距离问题则还必须考虑污染物的化学转化和干湿距离问题则还必须考虑污染物的化学转化和干湿沉积等其他物理化学过程，此时对模式效能将提沉积等其他物理化学过程，此时对模式效能将提出不同的要求。出不同的要求。45模式性能评价模式性能评价模式的合理性、保真性和灵敏性分析模式的合理性、保真性和灵敏性分析1.1.合理性分析合理性分析在进行模式性能评价时，可考虑选取一个参考模式，用以校核拟用在进行模式性能评价时，可考虑选取一个参考模式，用以

25、校核拟用模式，进一步考核其物理模型和参数化方案等的合理性，必要时还模式，进一步考核其物理模型和参数化方案等的合理性，必要时还可作一些对比性的经验计算。可作一些对比性的经验计算。2.2.模式检验模式检验主要目的是检查模式的主要目的是检查模式的“保真性保真性”。一般应使用同步的排放源、气。一般应使用同步的排放源、气象和浓度监测资料，检验模式计算值与实测值的符合程度。这是模象和浓度监测资料，检验模式计算值与实测值的符合程度。这是模式性能评价的最主要的内容。式性能评价的最主要的内容。 八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展46模式性能评价模式性能评价2.2. 模式检验模式检验八、空气质量模式

26、的新进展八、空气质量模式的新进展浓度差分析：浓度差分析：以相同时间、地点的观测值和计算值为数据对以相同时间、地点的观测值和计算值为数据对，求其差值：，求其差值：下标下标o o、p p分别表示观测值与模式预测值。分别表示观测值与模式预测值。 最大浓度分析：最大浓度分析：在空气污染分析中，地面最大浓度常是人们在空气污染分析中，地面最大浓度常是人们最关心的。最关心的。最大浓度差：最大浓度差：式中：式中： 分别表示观测和模拟的地面最大浓度。分别表示观测和模拟的地面最大浓度。47),(),(tzyxctzyxccpompmomcccmpmocc 、NioNipocccNMB11模式性能评价模式性能评价2

27、.2. 模式检验模式检验八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展浓度比值分析：浓度比值分析：计算每一对浓度计算值与观测值的比值计算每一对浓度计算值与观测值的比值K将将K值落在值落在0.52范围内作为模式精度是否可取的指标。范围内作为模式精度是否可取的指标。通常较佳模式通常较佳模式K值落在上述范围内的成数应超过值落在上述范围内的成数应超过50。 相关分析：相关分析：计算由浓度观测值和计算值组成的数据对序列计算由浓度观测值和计算值组成的数据对序列的相关系数的相关系数 浓度时空分布比较：浓度时空分布比较：为了更直观地考察模式的预测效能，为了更直观地考察模式的预测效能，可以绘制计算浓度和观测浓

28、度的时间、空间变化图，比较它可以绘制计算浓度和观测浓度的时间、空间变化图，比较它们高、低中心区的位置、数值以及分布图形是否一致。们高、低中心区的位置、数值以及分布图形是否一致。 485 .011221NiNippooNippooccccccccR模式性能评价模式性能评价3.3. 灵敏度分析灵敏度分析八、空气质量模式的新进展八、空气质量模式的新进展 模式输出模式输出(计算浓度计算浓度)对输入变量的偏导数。对输入变量的偏导数。 可以定量判别影响空气质量的各个因子的相对重要性，可以定量判别影响空气质量的各个因子的相对重要性，确定它们的误差和不确切性对模式输出的影响。确定它们的误差和不确切性对模式输出

29、的影响。 包括：包括： 分析模式输入分析模式输入输出响应关系的合理性，为改进输出响应关系的合理性，为改进模式提供依据。模式提供依据。 明确模式所依据的各项基础资料的相对重要性以及明确模式所依据的各项基础资料的相对重要性以及对它们的精度和分辨率要求，以便改进观测方案，对它们的精度和分辨率要求，以便改进观测方案，以及确定模式输入参数的方法。以及确定模式输入参数的方法。 为评价控制空气污染的策略提供可靠性分析和环境为评价控制空气污染的策略提供可靠性分析和环境效益分析。效益分析。491. 举例说明大气湍流现象；产生大气湍流的主要原因是什么？2.高斯扩散模式立足于哪种湍流扩散理论？它的主要假设是什么？3.解释封闭型和熏烟型扩散现象发生的气象条件和对地面浓度的影响。4.城市大气污染扩散的特点是什么？如何建立城市多源大气扩散模式？5.烟囱高度的计算方法有哪几种？它们各自的特点是什么？6.试分析实际大气中影响“正态烟云”假设成立的主要因子。描述湍流扩散的三大理论，讨论它们在理论和应用方面的优缺点。7.简述对流边界层的主要物理特性以及对污染扩散的影响。8.在均匀平坦的下垫面上，如何根据风廓线观测确定湍流交换系数Km、摩擦速度u*和地面粗糙度Z0？思考题思考题50