《污染气象学》课件：第三章1.ppt

1、第三章 大气扩散估算 第三章 大气扩散估算3.1 大气扩散型与污染浓度分布 3.2 连续烟流高斯扩散模式3.3 模式计算参数 3.4 其它非扩散过程 干湿沉积和化学转化影响 3.5 特殊气象条件下的扩散计算 期中测验3.1 大气扩散型与污染浓度分布大气扩散型与污染浓度分布 一、大气扩散型一、大气扩散型 二、二、 污染浓度分布污染浓度分布3.2 连续烟流高斯扩散模式连续烟流高斯扩散模式 一、有界条件下的基本扩散公式一、有界条件下的基本扩散公式 二、常用大气扩散模式二、常用大气扩散模式1) 高架连续点源地面浓度公式；高架连续点源地面浓度公式；2) 高架连续点源地面轴线浓度公式；高架连续点源地面轴线

2、浓度公式；3) 地面源轴线浓度公式；地面源轴线浓度公式；4) 横向积分浓度；横向积分浓度；5) 高架源地面最大浓度及出现距离；高架源地面最大浓度及出现距离；6) 最高地面浓度与临界风速；最高地面浓度与临界风速；7) 长期平均浓度长期平均浓度 三、扩散公式总结三、扩散公式总结练习作业二 实际生活中 大气污染例子3.1 大气扩散型与污染浓度分布阳成电厂中国惠州大亚湾2006年2月10日中海壳牌石油化工有限公司（中海壳牌）宣布，继调试和开车活动结束之后，位于中国广东省惠州大亚湾的石化联合工厂于2006年1月29日成功产出合格乙烯和丙烯。 日本东北部福岛第一核电站1号机组冒出白烟。东京电力公司2011

3、年3月12日说,当天下午福岛第一核电站1号机组内传出爆炸声并冒出白烟,事故导致4人受伤,初步认定为冷却用氢气爆炸。新华社/路透 一、大气扩散型Inversion通常大气对流层内的气温是随高度呈递减速关系。但是在某些特殊条件下，如在空气通常大气对流层内的气温是随高度呈递减速关系。但是在某些特殊条件下，如在空气下沉、辐射冷却、空中热气流流向地面、近地层扰动等因素的影响下，高层气温反而下沉、辐射冷却、空中热气流流向地面、近地层扰动等因素的影响下，高层气温反而高于低层气温，这种现象称为逆温。逆温的类型有辐射逆温、下沉逆温、湍流逆温、高于低层气温，这种现象称为逆温。逆温的类型有辐射逆温、下沉逆温、湍流逆

4、温、平流逆温和锋面逆温。出现逆温现象的一层气体，称为逆温层。平流逆温和锋面逆温。出现逆温现象的一层气体，称为逆温层。在逆温层内，空气密度随高度增加而迅速减小在逆温层内，空气密度随高度增加而迅速减小。逆温层的物理特征是气体状态稳定，对气体。逆温层的物理特征是气体状态稳定，对气体上下对流过程有抑制作用。对流层内的逆温层上下对流过程有抑制作用。对流层内的逆温层高度通常在高度通常在100-200米上下。米上下。由于逆温层对空气对流有强烈的抑制作用由于逆温层对空气对流有强烈的抑制作用，所以极其不利于大气污染物的扩散。由于大，所以极其不利于大气污染物的扩散。由于大量气溶胶粒子和水汽积聚在逆温层下面，因此量

5、气溶胶粒子和水汽积聚在逆温层下面，因此近地面层极易形成烟雾。近地面层极易形成烟雾。Lapse Rate How temperature changes with heightFactors Contributing to Air PollutionTEMPERATUREStrong Lapse Condition Dry Adiabatic Lapse RateLoopingHEIGHTWIND1、波浪型（链条型）Weak Lapse ConditionDry Adiabatic Lapse RateHEIGHTTEMPERATUREWINDFactors Contributing to Ai

6、r PollutionConingWIND2、锥型Factors Contributing to Air PollutionInversion Condition Dry Adiabatic Lapse RateHEIGHTTEMPERATUREWINDFanning3、扇型（平展型）Factors Contributing to Air PollutionInversion BelowDry Adiabatic Lapse RateHEIGHTTEMPERATUREWINDLoftingFactors Contributing to Air PollutionInversion AboveD

7、ry Adiabatic Lapse RateHEIGHTTEMPERATUREWINDFumigation or Trapping各种温度层结时的烟流扩散形态1、扇型（平展型） 晴朗小风夜间2、锥型 阴天多云，风速大3、波浪型（链条型） 晴天午后，小风4、熏烟型（漫烟型） 日出后5、屋脊型 日落后根据烟形判断大气稳定度根据烟形判断大气稳定度 漫烟型漫烟型、熏烟型熏烟型波浪型波浪型 锥型锥型爬升型爬升型、屋脊型、屋脊型平展型平展型 rd r 稳定稳定，晴夜、早晨，晴夜、早晨TZZ T r 下部不稳定，上部稳定，下部不稳定，上部稳定，早早8-108-10点，污染重，危害点，污染重，危害大大rd

8、r 不稳定不稳定 rd r 中性稳定中性稳定rd r 下部稳定，上部下部稳定，上部不稳不稳定，污染小定，污染小rd 1、源污染物排放口形式：点、线、面、体污染物排放方式：瞬时、连续、间歇污染物排放高度：高架、地面污染物排放位置：固定、移动、无组织排放二、二、 污染浓度分布污染浓度分布Point versus Non-Point Sources Point Non-PointBig Bend Utility Plant Stacks (9)Big Bend Utility Plant Solids Transfer (9)污染物排放口形式：点、线、面、体Release GeometryPoint

9、AreaLineVolumeInstantaneous versus Steady-State Emissions Instantaneous Steady-stateReuters photo from a Pakistan nuclear test site (17)Power plant plume as it crosses Puget Sound (13)污染物排放方式：瞬时、连续、间歇污染物排放高度：高架、地面Stationary versus Mobile Sources Stationary (10) Mobile (11)污染物排放位置：固定、移动、无组织排放1、源污染物排放

10、口形式：点、线、面、体污染物排放方式：瞬时、连续、间歇污染物排放高度：高架、地面污染物排放位置：固定、移动、无组织排放实际经验中：点：烟囱 瞬时：爆炸线：公路、飞机、排气窗 连续：烟囱、电厂面：城市 间歇：工艺流程体：爆炸2、源强表示：源强Q：连续源：点：g/s、公斤/小时。线：g/(sm)。面：g/(sm2)、 公斤(小时公里2)。瞬时源：克、公斤。mg空气质量标准mg/m3g空气质量标准 g/m33、浓度有两种表示法：质量浓度：单位体积空气中包含污染物的质量。 mg/m3 ,g/m3体积浓度：单位体积空气中污染物所占体积。 ppm, ppb, ppt两种单位转换关系：例如，臭氧O3,分子量

11、48，则 1ppm=48/22.4=2.14 mg/m3 二级标准 0.20mg/m3 为 0.2*22.4/48=0.93ppmX=MX=MC/22.4 C/22.4 C=22.4X/M C=22.4X/M 式中：式中：XX污染物以每标立方米的毫克数表示的浓度值；污染物以每标立方米的毫克数表示的浓度值； CC污染物以污染物以ppmppm表示的浓度值；表示的浓度值； MM污染物的分子量。污染物的分子量。 由上式可得到如下关系：由上式可得到如下关系： 1ppm=M/22.4 mg/m3 , 1ppm=M/22.4 mg/m3 , 1mg/m3=22.4/M ppm4、浓度分布： xxxxxx15

12、. 2 宽： 半云3 . 4 宽 烟云2exp21 正 态态分布22 ) 0 (%10)15. 2 () 0 (%7 .60 xx3.2 连续烟流高斯扩散模式 一、有界条件下的基本扩散公式 二、常用大气扩散模式 三、扩散公式总结一、有界条件下的基本扩散公式 梯度理论导出的有风连续点源在无界情形下的扩散公式：为正态分布形式。气扩散能力。称为大气稀释能力或大正比于源强zyxquuzyxqQzyxqPzyuQzyxqzyzyzyzy,)45. 229(22exp2,12222 实际 排放源位于地面或接近地面的大 气边界层内 由于地面存在,扩散是有界的, 实际计算必须考虑地面的影响。有界情形点源烟流扩

13、散坐标系：坐标原点O，烟囱底部X轴，平均风方向Y轴，横风风向Z轴，垂直于oxy平面，指向天顶，取右手坐标系。 烟流中心线在oxy平面的投影与x轴重合。 考虑地面全反射，可用像源法处理。 图中P（x，z）点的浓度可以认为是两部分贡献之和： q=q实+q虚 (3.1) 它们相当于在地面（z=0）坐标系里，位在（0，0，H）位置实源的贡献和位在（0，0，-H）位置像源的贡献。 实源贡献q实：P点（x,z）点在以在以实源为原点的坐标系中的垂直向坐标应由以地面为原点的z坐标变换为（Z-H）。于是2222)(21exp2),(zyzyHzyuQHzyxq；实（3.2） 像源贡献q像： 像源在P点（x,z）

14、点的浓度贡献相当于实源在图中P（x,-z）点所贡献的浓度。P点偏离实源烟流浓度分布中心线的距离为-（z+H）。已采用坐标变换法，由于x轴取为像源的烟流浓度分布中心线上，所以相当于z作坐标变换为(z+H)。2222)(21exp2),(zyzyHzyuQHzyxq；像(3.3)4 . 3(2)(exp2)(exp)2exp(2),(222222zzyzyHzHzyuQHzyxq；此式即为有界情形高架连续点源的高斯模式或烟流模式。单位：有效源高H m ，它包含烟囱高度hs和烟流的抬升高度h。横向、铅直向扩散参数y、zm,q3smusmgQmmg平均风速，源强浓度)4 . 3(2)(exp2)(ex

15、p)2exp(2),(222222zzyzyHzHzyuQHzyxq；此式即为有界情形高架连续点源的高斯模式或烟流模式。上式为(x,y,z)的函数上式为长时间平均浓度均匀场常数u讨 论二、几种常用空气污染浓度估算公式（常用大气扩散模式）1、高架连续点源地面浓度公式：2、高架连续点源地面轴线浓度公式：3、地面源轴线浓度公式：)5 . 3()21exp)0 ,(2222zyzyHyuQHyxq（；)6 . 3()2exp()0 , 0 ,(22zzyHuQHxq；)7 . 3()00 , 0 ,(zyuQxq； 由此可见(3.5)式的物理意义为：高架源、地面源的地面轴线浓度4、横向积分浓度qcwI

16、：指下风距离为x的地面浓度公式，沿y向各处浓度的总和。 量纲为(mg/m2)；常用上式求z，实测得 qcwI，Q，u，H后可求z。)8 . 3()(21exp22); 0 ,(2zzcwIHuQdyHyxqq5、高架源地面最大浓度及出现距离maxmaxmax, 0,xqxqcxaxdzby则有：求代入上式假定)6 . 3()2exp()0 , 0 ,(22zzyHuQHxq；(3.9)(3.10)dddbdbddbdbdcHxddbddbacHuQq212max2max)()()2exp()(地环境保护高烟囱排放，有利于局高烟囱地面浓度低浓度远较小，高烟囱落地最大稳定时，性质：,11,)()(

17、)2exp()(2max1max212max2maxHHcdHxdbdcHxddbddbacHuQqddbddddbdbddb 教材:假定，令y和z之比为常数，若令 且p=g，代入（3.6）有2Hmxxzpyxc1gzxc2)2exp()0 , 0 ,(222221ggpxcHxcxcuQHxq；yzmHueQq22可得到更简单的形式早年，假定zy2p59 高架源地面最大浓度及出现距离是最常用的公式，其作用：1. 计算源的地面最大浓度和出现位置；2. 计算最大允许排放量；3. 设计烟囱高度。6、最高地面浓度与临界风速 最大，使作用相反，存在某一和即maxmax1,quHuHuquHHHHddb

18、PS由上式清楚可见，有效源高H和平均风速 的作用。udddbdbddbdbdcHxddbddbacHuQq212max2max)()()2exp()(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qmaxabs，对应风速值称为临界风速uc，有时亦称为危险风速。, 0,maxuqHHHuKHSp求代入设)2exp()(2maxddbddbacHuQqddbdbddbSScScPScHHHKudbpdbpHKuHddbpKu, 1, 1)(1则取）和稳定度（）（依赖于抬升公式的选择）与烟囱特性有关（可见，7、长期平均浓度： 在较长的时段内（年、季、月）， 不能直接用前面的扩散公式来

19、计算。若： 365天24小时算出再平均笨 用一种稳定度得一年平均风速不科学有两种算法： 联合频率法 简单的扇型法联合频率法： 长期平均浓度应按每一种风向、风速和大气稳定度的频率加权平均，此时浓度公式为：式中：i，j，k为风向、风速和稳定度等级的下标 qijk为在每一个给定风向、风速和稳定度的浓度，可取相应的高斯扩散公式计算 fijk为风向、风速、大气稳定度的相对联合频率，即： ijkijkijkqfq)15. 3(长期1ijkijkf风向、风速、稳定度的联合频率表 风向、风速、稳定度联合频率()气象因子NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW

20、NNW N C 1.5 m/sABCDEF0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.27 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.27 0.27 0.270.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.54 0.81 0.27 0.54 1.63 0.

21、81 0.81 1.08 0.27 0.00 0.00 0.00 0.27 0.27 0.27 0.54 3.790.27 0.00 0.00 0.54 0.00 0.00 0.27 0.27 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.27 1.380.00 0.54 0.00 0.00 0.27 0.27 0.27 0.27 0.00 0.27 0.00 0.00 0.00 0.00 0.27 0.54 3.52-(1.53.0 3.0-4.5 4.5-6.0)-6.0ABCDEF0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

22、0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.27 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.27 0.27 0.00 0.00 0.27 0.00 0.00 0.81 1.35 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3.53 1.35 0.000.00

23、 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 可见： 风速风向分布不均匀。 高风速的高值区均出现在中性。简单的扇型法： 气象部门提供的风向资料是按16个方位给出的，每一个方位相当于一个22.5度的扇形。假定：1.长时间内，同一扇形内各个角度有相同的风向频率。2.当吹某一扇形风时，全部污染物都集中在这个扇形内，扇形以

24、外浓度为0。则在下风距离为x处的扇面宽度（AB弧长）为： 相应的平均浓度为：222exp1622); 0 ,(1621zzHxuQdyHyxqxq162 x 上式相当于某一风向仅影响下风向接收点，如S风只影响到源的N方向的接收点。 某风向下长期平均浓度为：222exp1622,zkjkzkjkijkikikjkijkHxuQfqfixq长期三、扩散公式总结三、扩散公式总结基本公式有界条件下高架源烟流模式： 地面浓度z=0；地面轴线浓度z=0，y=0；横向积分浓度 ；最大浓度 ；长期平均浓度 2222222)(exp2)(exp)2exp(2),(zzyzyHzHzyuQHzyxq；qdy0 x

25、q 高架连续点源高斯模式的浓度扩散公式汇总高架连续点源高斯模式的浓度扩散公式汇总地面轴线地面轴线上点上点C(x,0,0)地面点地面点C(x,y,0)任一点任一点C(x,y,z)C：污染物浓度：污染物浓度（g/m3)；Q：源强（：源强（g/s）；）；：烟囱高度的平均风速（：烟囱高度的平均风速（m/s）；）；：用浓度标准偏差表示的：用浓度标准偏差表示的y和和z轴上的扩散参数；轴上的扩散参数；H：烟囱有效高度（：烟囱有效高度（m），为烟囱高度），为烟囱高度h和烟羽抬升高度和烟羽抬升高度H之和之和 高斯公式表明：估算浓度分布，需知道: 源强Q， 平均风速 ， 有效源高H 扩散参数 其中Q、 易于直接测量， 问题是如何求出Hzy和,zy,uu2222222)(exp2)(exp)2exp(2),(zzyzyHzHzyuQHzyxq；讨 论 练习作业二(高架源地面最大浓度与出现距离公式推导并作图分析)： 设y=ax, z=bx,求高架源地面轴线最大浓度和最大轴线浓度出现距离表达式。