5污染气象学基础知识-2

湍流扩散理论大气污染物的扩散主要依赖湍流若只有风而无湍流，从烟囱里排出的废气像一条“烟管”保持着同样粗细，吹向下方，很少扩散不同尺度湍流对烟团扩散的影响湍流强度的表示方法描述湍流运动的两种方法如：CMAQ模式如：hysplit后向轨迹模式三种湍流扩散理论——1）梯度输送理论三种湍流扩散理论——2）湍流统计理论泰勒、萨顿、高斯趋于三种湍流扩散理论——2）湍流统计理论？？平稳：湍流不随时间发生变化？？均匀：湍流不随空间发生变化高斯扩散三种湍流扩散理论——3）相似扩散理论大气过程的尺度大尺度（特征尺度大于103公里）主要受地表能量收支不均匀影响，大气运动流体静力的近似成立，全球尺度及大部分的区域－大陆的大气扩散与大尺度大气过程有关中尺度（特征尺度100－103公里）受流体动力学效应及地表能量收支非均匀性，局地－区域尺度的大气扩散由中尺度大气过程控制小尺度（特征尺度小于100公里）流场非常复杂，局地尺度的大气扩散受小尺度大气过程的支配。空气质量模式的概念以数学方法定量描述大气中污染物从源到接受点所经历的全过程的一种手段或工具其核心部分为大气扩散模式，主要描写大气对污染物的输送、扩散和稀释作用。空气质量模式的种类按理论体系分为：统计理论模式:将物质在大气中的行为用速度场的运动学统计特征来描述(如高斯正态模式、非正态模式、Monte-Calo模式等)K理论模式:在不同假设条件下求解物质守恒方程，为使方程闭合，通常假设湍流通量与平均变量的梯度成比例(如欧拉型模式、拉格朗日型模式、欧拉－拉格朗日混合型模式)相似理论模式:假设在常通量层中物质的运动行为可以由速度尺度、温度尺度与动力学粗糙度长表征空气质量模式的种类按空间尺度分为：微尺度模式（建筑物尺度）、局地尺度模式（1-10公里）、中远距离输送模式（100公里以上）按时间尺度分为：短期平均模式（1-24小时）和长期平均模式（月、季、年）空气质量模式的选择污染源类型及污染物性质时间尺度空间尺度模拟区的下垫面特征大气化学过程常用空气质量模式的适用性空气质量的解析模式（箱模式、高斯模式）城市及区域空气质量数值模式（欧拉型K模式）远距离输送模式（烟团模式、拉格朗日K模式）箱模型uhLQc它可以粗略估算城市的大气污染物允许排放总量，常用于总量控制中。尤其在缺少详细的气象和污染源资料时适用。高斯模型目前应用较广的有：ISC3(美国EPA开发)AERMOD(美国EPA开发)ADMS（英国剑桥开发）CALPUFFQ表示污染源的源强σyσz表征污染物在水平和垂直方向的扩散能力He表示烟囱的有效高度)2exp()2exp()0,,(2222zyzyheyQyxC高斯型模式的优点至今仍是最主要的应用型模式适用于平原城市及郊区的范围在20-30km以内，流场不十分复杂误差主要来源于模式输入参数，尤其是污染源资料不可能十分准确、精细对气象资料的需求低，运算效率高，适用于城市大气环境规划的方案优化和项目环评高斯模式的局限性重要缺陷：采用了均匀、定常假定当尺度达到几十公里或因下垫面不均匀使流场较复杂时，高斯烟流模式的精度难以满足要求对大气污染物沉积和化学转化过程的处理较粗，不适于进行特殊污染过程的研究（如研究光化学烟雾）K模式目前最先进的是：CMAQ、WRF-chemK理论模式又称涡旋扩散理论，是在不同假设条件下求解物质守恒方程，为使方程闭合，通常假设湍流通量与平均变量的梯度成比例，比例系数为KiiiiiiSQRCKUCtC)()(iC为污染物i的平均浓度U为风矢量K为湍流扩散系数张量iR为i污染物与其它污染物之间的化学反应转化率iQ为第i种污染物的排放率iS第i种污染物的沉积清除率欧拉型K模式的物质传输方程K模式的优点总体效能较高斯模式大大提高能模拟三维非定常流场中的输送和扩散边界可以反射、吸收和穿透污染物可模拟非线性化学反应引起的浓度变化可精细模拟沉积引起的浓度变化高级的研究性的模式K模式的局限性很难用K模式求得高架点源的地面最大浓度和精确位置，当需要计算某个点源对某个采样点的浓度贡献时，K模式并不适用。K模式的空间分辨率一般最小为1Km*1KmK模式对输入参数要求很高，往往需要投入大量经费用于外场试验远距离输送模式指模拟的污染物输送距离超过数百公里的模式；通常采用拉格朗日型K模式和烟团轨迹模式，有代表性的是HARM模式SQRCKDtDCii)(tDtDiK三个方向的湍流扩散系数R污染物与其它污染物之间的化学反应转化率Q源项S沉积清除率远距离输送模式的适用问题研究酸雨和酸性沉积物的机理、趋势和控制对策污染物在大范围内的分布变化规律及长期平均影响研究污染物在区域和洲际之间的通量，分析各地区的相互影响研究主要元素(S、N、C等）的质量循环、演变规律及对人类生存环境的影响空气质量模式的发展历程第一代主要包括：基于质量守恒的箱模式、基于湍流统计理论的高斯模式和拉格朗日轨迹模式ISC3、AERMOD、ADMS、CALPUFF、Hysplit后向轨迹模式城市空气质量模式的发展第一代模式PhotochemicalBoxModelOZIP/EKMA(forozone)ISC3,CALPUFF,AERMOD(forprimarypollutants)GaussianDispersionModel空气质量模式的发展历程第二代：加入了较复杂的气象模式和非线性反应机制、干湿沉降；仅考虑单一污染问题，对污染物之间相互转化和影响考虑不全面城市空气质量模式的发展第二代模式EulerianGridModels:UAM,RADM,REMSAD,ROM空气质量模式的发展历程第三代：“一个大气”；多模块集成、多尺度嵌套、对大气物理、化学过程进行较精细的模拟CMAQ、CAMx、WRF-chem城市空气质量模式的发展第三代模式（Models-3）－OneAtmosphere的概念AirToxicsOzoneAcidRainVisibilityPM2.5WaterQuality.OHNOx+VOC+OH+hv---O3SOx[orNOx]+NH3+OH---(NH4)2SO4[orNH4NO3]SO2+OH---H2SO4NO2+OH---HNO3VOC+OH---OrgainicPMOH---AirToxics(POM,PAH,Hg(II),etc.)FinePM(Nitrate,Sulfate,OrganicPM)NOx+SOx+OH(LakeAcidification,Eutrophication)第三代模式（Models－3）MeteorologyProcessorEmissionProcessorAirQualityModelSMOKEorRAMSorPAVEMeteorologyProcessorEmissionProcessorAirQualityModelSMOKEorRAMSorPAVE扩散统计理论导出的正态分布假设下的扩散模式：（1）坐标系坐标系取排放点（无界源、地面源或高架源排放点）在地面的投影点为原点，主风向为x轴，y轴在水平面内垂直于x轴，正方向在x轴的左侧，z轴垂直于水平面，向上为正，即右手坐标系。（2）正态分布（高斯模式）假设下的扩散模式的假定：①在y、z轴上的分布为正态分布，即在y、z轴上分别有②在扩散的各个空间，风速是均匀稳定的，即时时、处处风速为常数，ū=常数；③污染物排放的源强Q是连续均匀的；④在扩散过程中污染物没有沉降、化合和分解；地面对其起全反射作用，不发生吸收或吸附作用。⑤x向风速（平均）不能太小，远远大于其它方向的湍流。20ayecc20bzecc（1）平原、农村地区及城市远郊区的扩散参数的选取：A、B、C级稳定度直接由表3-15和表3-16查出σy、σz幂函数；D、E、F级稳定度则需向不稳定方向提半级后查算。（2）工业区或城区中点源的扩散参数选取：工业区：A、B级不提级；C级提到B级；D、E、F级向不稳定方向提一级半；然后查算。非工业区的城区：A、B级不提级；C级提到B～C级；D、E、F级向不稳定方向提一级；然后查算。（3）丘陵山区的农村或城市：同城市工业区。（4）大于30min的取样时间，σz不变，σy按下式计算：式中：σyτ2－取样时间为τ2时的横向扩散参数，m；σyτ1－取样时间为τ1时的横向扩散参数，m；q－时间稀释指数。qyy)(1212有效源高H称为烟囱的有效高度（烟轴高度，它由烟囱几何高度Hs和烟流（最大）抬升高度ΔH组成，即H=Hs+ΔH)ΔH：烟囱顶层距烟轴的距离，随x而变化的。1、烟气抬升（1）烟气从烟囱排出，有风时，大致有四个阶段:a）喷出阶段；b）浮升阶段；c）瓦解阶段；d）变平阶段：（2）烟云抬升的原因有两个：①是烟囱出口处的烟流具有一初始动量（使它们继续垂直上升）；②是因烟流温度高于环境温度产生的静浮力。这两种动力引起的烟气浮力运动称烟云抬升，烟云抬升有利于降低地面的污染物浓度。浮升阶段瓦解阶段变平阶段喷出阶段HsΔH图烟气抬升与扩散2、影响烟云抬升的几个重要因素（1）烟气本身的因素a）烟气出口速度（Vs）：决定了烟起初始动力的大小；b）热排放率（QH）—烟囱口排出热量的速率QH越高烟云抬升的浮力就越大，大多数烟云抬升模式认为，其中α=1/4～1，常取α为2/3。c）烟囱几何高度（看法不一）有人认为有影响；有人认为无影响。（2）环境大气因素a）烟囱出口高度处风速越大，抬升高度愈低，。b）大气稳定度不稳时，抬升较高；中性时，抬升稍高；稳定时，抬升低。c）大气湍流的影响大气湍流越强，抬升高度愈低。（3）下垫面等因素的影响HQ32s我国（GB/T13201-91）“制定地方大气污染物排放标准的技术方法”推荐的抬升公式：a.当Qh≥2100KJ/s且△T≥35K时，uHQnnsnh/210，其中svahTTQPQ/35.0表系数n0、n1、n2的取值（见书P75表3-6）Qh(KJ/s)下垫面情况（平原地区）n0n1n2农村或城市远郊区1.4271/32/3Qh≥21000城区及近郊1.3031/32/3农村或城市远郊区0.3323/52/521000Qh≥2100且ΔT≥35K城区0.2923/52/5当Z2≤200m，mZZuu)(121；当Z2200m，mZuu)200(11式中：u1-附近气象台（站）高度5年平均风速，m/s；m-见书P55表3-5。Z1-附近气象台（站）高度5年平均风速，m/s；Z2-烟囱出口处高度，m；b.当1700kJ/sQh2100kJ/s时，)4001700)((121hQHHHH式中：uQuQDuHhhs/)1700(048.0/)01.05.1(21△H2-由布里吉斯公式求得。c.当Qh≤1700kJ/s或者△T35K时，uQDuHhs/)01.05.1(2d.凡地面以上10m高处ū≤1.5m/s的地区，8/34/1)0098.0(5.5dZdTQHah4、烟云抬升高度的测定选用烟云抬升高度计算公式前往往根据实例，根据实测时烟囱参数代入各种公式进行计算，选用与实测值近似的公式，或将公式中系数作以修改。目前已知的测定方法有照相法、气球测高法、激光雷达法等。5、有效源高对地面最大浓度的影响高架连续点源地面最大浓度计算式从Cmax公式看出：风速对Cmax有两种作用结果：①风速增大，地面最大浓度减小；②从各种抬升公式看，风速增大时抬升高度减小，地面最大浓度增大。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，相对此时的风速称为危险风速。