《污染气象学》课件：第四章3-4 0515.ppt

1、第四章 城市、山区和水域附近扩散 4.1 城市大气扩散 4.2 城市多源高斯模式 4.3 山区大气扩散 4.4 水域附近大气扩散 4.3 山区大气扩散 P215 一、山区污染气象特征与浓度分布 二、山区扩散模式 三、山区大气扩散参数 山地地形地物的存在山地地形地物的存在作为障碍物由机械强迫作用而改变边界层气流分布；作为障碍物由机械强迫作用而改变边界层气流分布；由于下垫面热力性质的变异而诱生一些热力环流。由于下垫面热力性质的变异而诱生一些热力环流。一、山区污染气象特征与污染分布 山区特殊的气象条件主要表现在山区的温度场，风场，湍流特征与平原不同。一、山区污染气象特征与污染分布n山区温度场和逆温特

2、征起伏地形（地势和坡谷的方位，坡度不同）日射时间、强度，热量收支状况迥异气温的水平分布不均匀 水平气温分布很不均匀，造成局地热力环流水平气温分布很不均匀，造成局地热力环流形成坡风、山谷风等形成坡风、山谷风等日间：坡面接收太阳辐射多，气温比同样高度周围空气温度日间：坡面接收太阳辐射多，气温比同样高度周围空气温度高，夜间则反之。高，夜间则反之。n山区夜间常出现很强的逆温山区夜间常出现很强的逆温因地形作用会增强辐射逆温夜间山坡冷却快，冷空气沿坡下滑至谷底聚积，逆温发展比平原快又厚，强度更大。山区开始形成逆温的时间比平原早，消散时间比平原迟。地形陡峭，相对高差大的山区，全年逆温天数多，逆温层较厚，逆温

3、强度较大，持续时间较长，并会出现多层结构。2.山区风场特征山区风场特征n由背景风和局地由热力不均和地形强迫生成局地风迭加而成，结构较复杂，共同点：风向变化不规则，含局地环流等差异风速分布很不规则，山丘的迎风坡、山顶、两侧和背风侧的风速都有明显差异有明显的垂直运动气流，地形强迫，气流上升或下沉，受热不均匀也会引起局部的对流活动山区风场垂直结构比平原复杂。山区风随高度变化有明显的转变高度，下层主要是地形风，上面是梯度风。风向、风速都会发生明显转变。n夜间山坡冷却快，形成下坡风， 向山谷汇集，形成流向平原的山风坡风与山谷风坡风与山谷风n白天坡地上较暖，形成上坡风 谷底冷空气流入补充，形成谷风n山谷风

4、有明显的日变化，n白天吹谷风；夜晚吹山风。n日出日落前后为山谷风转换期n山谷风n-由于山坡和谷地受热不均匀而形成的局地性环流。n白天风从山谷吹向山坡，这种风叫谷风；到夜晚，风从山坡吹向山谷，这种风称山风。山风和谷风总称为山谷风。 过山气流n气流过山会在背风坡后出现下沉气流n处于山谷回流中低矮源，易造成高浓 度污染。n排放点切忌靠近山脚。山谷凹地中的小风 山谷中局部河湾地区或局部下凹地区，由于山的地形阻挡，气流不畅，易出现长时间小风，甚至形成静风区。并有强逆温层形成 。 严重污染山区风廓线n比平原地区复杂的多，主要取决于山谷的深度。n风廓线有多种形式，如： 幂次律分布、极值 型分布、反向和双 极

5、值 型分布、等速型分布等3.山区湍流场山区湍流场n山区湍流场比平原明显增大n受热不均 局地热力环流 热力湍流发展n山区地表凹凸不平 强迫气流上升下沉 机械湍流强n气流过山形成的背风坡涡流、冷空气下坡涡旋运动等起伏山地可能发生的各种气流现象典型山区污染情形n烟流与山体障碍物遭遇烟流与山体障碍物遭遇烟流与高大山体的迎面碰撞，会造成局地地面污染物高浓度。不稳定层结状况下，烟流越过山顶向下风方扩散，与山体相掩而过，造成的浓度分布尚不很确切；稳定层结状况下，观测表面，烟流沿地形等高线移行，并且被抑制上山或越山。在烟流绕行的山侧可能会形成地面高浓度（无定量资料确证）n山谷中的污染山谷中的污染山谷中的气流常

6、被截滞于下部，风速比谷外小得多，而且在山顶常存在逆温。污染物由于垂直扩散受阻，稀释扩散速率受抑而积聚谷底以致形成“污染池”现象典型山区污染情形n山谷中的污染山谷中的污染逆温被破坏，发生山谷中的熏烟污染。典型山区污染情形n山谷中的污染山谷中的污染风向顺谷污染情况典型山区污染情形n山谷中的污染山谷中的污染流泄风污染流泄风污染气流平行于山谷移行，夜间，如果天气尺度风小，而且有强烈的辐射冷却，则会产生持续的下坡流泄风。污染烟气会被带向下游江边地带，污染该地的居民区。典型山区污染情形n山谷中的污染山谷中的污染山谷渠道风污染山谷渠道风污染污染气流可能循着同样的轨迹移行数小时乃至数日，形成相当高的长期平均浓

7、度。此种气流常常持续数日，直至天气形势改变。典型山区污染情形n山谷中的污染山谷中的污染下坡风与背风区污染下坡风与背风区污染晴夜，山坡辐射冷却，冷空气顺山坡向下流动，形成一层厚度不大的下坡风（厚度H时，取H-hT=0，此时，烟流中心线直接落于地面计算点，等于烟流中心线浓度。2)(exp22zTzyhHuQqn(4)长期（季、年）平均浓度，用下式计算： 式中为风扇形的角度（弧度表示），f是某扇形风向的相对频率。n(5)熏烟与封闭扩散：与平原地区相同方法处理。 评论：NOAA 模式未考虑烟流随地形的变化。 未考 虑山区湍流比平原强。 模式计算结果十分保守，不甚合理。（210倍）222)(exp2zT

8、zhHxuQfq2.EPA的和 美国国家环保局EPA提出两个引进地形修正的模式。 TsTyyznzzyzyzhHHhHHyLuQCLHnLHnLyuQCLL2exp26 . 12) 2(exp2) 2(exp2exp26 . 122222222为混合层高度，式中中间用内插时当时当CRSTER单源模式，用来。采用高斯扩散公式和P-G扩散参数体系，；考虑混合层作用： VLLEY VLLEY模式主要用来估计当烟流低于附近的地形高模式主要用来估计当烟流低于附近的地形高度时最不利条件下的日平均浓度。模式规定不考虑度时最不利条件下的日平均浓度。模式规定不考虑当地的实际气象条件，必须按以下假定的条件计算当地

9、的实际气象条件，必须按以下假定的条件计算最大的最大的2424小时平均浓度：（小时平均浓度：（1 1）用）用H-hH-hT T代替高斯模式代替高斯模式中的中的H H，当，当H-hH-hT T 10m10m。（。（2 2）在）在2424小时内风速小时内风速2.5m/s2.5m/s，稳定度属帕斯奎尔稳定度属帕斯奎尔F F级。（级。（3 3）关于水平扩散，假定）关于水平扩散，假定污染物在污染物在22.522.5 扇形内均匀分布，铅直扩散仍采用平扇形内均匀分布，铅直扩散仍采用平原的扩散参数。（原的扩散参数。（4 4）在）在2424小时，有小时，有6 6小时风向处于小时风向处于所计算的所计算的22.522

10、.5 扇形内。扇形内。3.美国ERT的PSDM模式n美国环境研究与技术公司（Environmental Research and Technology Inc.）提出点源扩散PSDM模式n仍为高斯模式，只对有效源高进行修正： 当hT H 时，用 H/2代替高斯模式中的H 。 高斯扩散公式经过经验修正后，可以应用于非平直的“规则”气流情形。这些方法作了很多简化，与实际有较大距离，只能作为粗略估算。需进一步研究。三、山区大气扩散参数 P221-223n缺乏统一标准，原则是把P-G曲线提级使用，且z比y增加大。n层结越稳定，山区与平原差异越大n各地不同，需实验确定深谷丘陵较平坦D EDE5.3 15

11、.26.01.2平原山区)()(zyzy第四章 城市、山区和水域附近扩散 4.1 城市大气扩散 4.2 城市多源高斯模式 4.3 山区大气扩散 4.4 水域附近大气扩散 非均匀和复杂下垫面边界层非均匀和复杂下垫面边界层沿海沿海 大的陆地和水域交界处，下垫面不连续，造成动力、热力特征差异，产生一些特殊的大气现象（海陆风、热力内边界层）,影响大气扩散一、水域对气象条件一、水域对气象条件（一）水面上扩散速率小。气流在开阔而平滑的水（一）水面上扩散速率小。气流在开阔而平滑的水面上流动比陆地上光滑得多，因此机械湍流较弱，面上流动比陆地上光滑得多，因此机械湍流较弱，扩散速率较陆地低，水面上扩散速率比陆地上

12、平坦扩散速率较陆地低，水面上扩散速率比陆地上平坦地区低地区低1-21-2级。但水面上风速较大，一定程度上改级。但水面上风速较大，一定程度上改善了污染物在水面上的扩散稀释条件。善了污染物在水面上的扩散稀释条件。 当风从水面吹向陆地或由陆地吹向水面时，由于当风从水面吹向陆地或由陆地吹向水面时，由于下垫面温度骤然改变，将引起下层空气的变性，形成下垫面温度骤然改变，将引起下层空气的变性，形成热边界层。在这种条件下，沿海和大湖沿岸常常形成热边界层。在这种条件下，沿海和大湖沿岸常常形成特殊的漫烟型空气污染过程。特殊的漫烟型空气污染过程。 （二）水域引起的最明显的局地气流是海陆风（二）水域引起的最明显的局地

13、气流是海陆风 由于海陆温差大，来自光滑海面上的海风减速由于海陆温差大，来自光滑海面上的海风减速小，海风吹到粗糙而热不稳定的陆面上，空气的铅小，海风吹到粗糙而热不稳定的陆面上，空气的铅直混合增强，这些都使海风在伸及高度、风速、深直混合增强，这些都使海风在伸及高度、风速、深入大陆深度等方面大于陆风。入大陆深度等方面大于陆风。一、沿岸地区气象学特征1. 沿岸地区重要大气过程和气流系统支配沿岸地区大气性状的两个最主要因子：（1）水陆温差（2）较大尺度的气流系统：离岸流，向岸流，沿岸流。大气运动输送过程大气湍流扩散 重要大气过程大尺度对流活动 云与雾的生成2、局地海陆风环流n成因：下垫面条件热力诱生n日

14、间：海风56m/s 夜间：陆风12m/s 海陆风日夜转变（一）海陆风对空气污染的影响（一）海陆风对空气污染的影响 1 1）循环作用。白天，处于局地环流之中的污染源排放的污循环作用。白天，处于局地环流之中的污染源排放的污染物随气流热抬升后，在上层流向海洋并下沉，又可能部分染物随气流热抬升后，在上层流向海洋并下沉，又可能部分地被海风带回地表。这种循环积累可能达到较高的浓度。地被海风带回地表。这种循环积累可能达到较高的浓度。2 2）往返作用。海陆风是日夜转换的，一般是：海风开始于上）往返作用。海陆风是日夜转换的，一般是：海风开始于上午午9-119-11时，时，13-1513-15时最强，此后逐渐减弱

15、，时最强，此后逐渐减弱，17-2017-20时左右转为陆时左右转为陆风。夜晚被陆风吹响海洋的污染物，白天有可能部分地带回陆风。夜晚被陆风吹响海洋的污染物，白天有可能部分地带回陆面，形成重复污染。面，形成重复污染。3 3）大范围的盛行风和海风方向相反）大范围的盛行风和海风方向相反 下层海风的温度低，上层陆上气流的温度高，在冷暖空气下层海风的温度低，上层陆上气流的温度高，在冷暖空气的交界面上，形成一层倾斜的逆温顶盖，冷空气的前缘为辐的交界面上，形成一层倾斜的逆温顶盖，冷空气的前缘为辐合上升气流带，上层气流的方向与下层相反。合上升气流带，上层气流的方向与下层相反。 海风入侵的距离和厚度视它和盛行风的

16、相对强弱海风入侵的距离和厚度视它和盛行风的相对强弱而定，通常近岸处的厚度可达数百米，入侵距离约而定，通常近岸处的厚度可达数百米，入侵距离约几公里。此时沿岸低矮的烟流随下层海风吹向内陆，几公里。此时沿岸低矮的烟流随下层海风吹向内陆，它的上部受逆温顶盖的限制，属封闭型扩散，可形它的上部受逆温顶盖的限制，属封闭型扩散，可形成地面高浓度。在海风前缘，污染物随辐合气流上成地面高浓度。在海风前缘，污染物随辐合气流上升，然后随上层盛行风吹向海洋。在海洋上扩散到升，然后随上层盛行风吹向海洋。在海洋上扩散到下层的部分污染物会被海风吹向内陆。下层的部分污染物会被海风吹向内陆。（4 4）持续的漫烟型及封闭型污染，发

17、生在气团变）持续的漫烟型及封闭型污染，发生在气团变性形成的热边界层内性形成的热边界层内 春末夏初，白天陆地温度比水温高得多，当气春末夏初，白天陆地温度比水温高得多，当气流从水面吹向陆地的时候，低层的空气很快增温，流从水面吹向陆地的时候，低层的空气很快增温，温度层结转向不稳定，形成热边界层。温度层结转向不稳定，形成热边界层。 热边界层在海岸附近开始形成，在空气向内陆运热边界层在海岸附近开始形成，在空气向内陆运动的过程中，受地面加温变性的气层逐渐增厚。因此，动的过程中，受地面加温变性的气层逐渐增厚。因此，热边界层顶向内陆逐渐增高。热边界层顶向内陆逐渐增高。 热边界层内的空气受地面加热变性，它的温度

18、层热边界层内的空气受地面加热变性，它的温度层结和未受地面影响的上层空气不同。如果原先水面气结和未受地面影响的上层空气不同。如果原先水面气层是稳定的，热边界层以上的气流仍维持稳定状态，层是稳定的，热边界层以上的气流仍维持稳定状态，并保持水面气层的低湍流特性。热边界层内的层结则并保持水面气层的低湍流特性。热边界层内的层结则是不稳定的，加上陆地比水面粗糙，故这一层内的湍是不稳定的，加上陆地比水面粗糙，故这一层内的湍流交换大为加强。此时，热边界层内外气层的特性截流交换大为加强。此时，热边界层内外气层的特性截然不同。然不同。二、沿岸地区内边界层特征 热力内边界层（ TIBL ）形成n离岸流，海上形成内边

19、界层n向岸流，陆上形成内边界层n对TIBL的定义目前有不同认识， 对它的分析具有较强的经验性。三、沿岸地区污染散布特征1.沿岸地区湍流扩散的基本特点 由气流系统及边界层结构决定了沿岸地区湍流扩散的基本特点： 水平分布和垂直分布不均一，不同水平区域及垂直气层有不同的湍流扩散特征量。(1)水上边界层及水上扩散不存在平流时，海上边界层日变化很小 水热容大，海上边界层变化由流过其上方的气团温差、和湿度差支配，不受局地辐射支配 P-G扩散体系不适用于水面扩散。 水上又难以进行直接湍流观测 需利用天气形势和气候学资料来表征水上扩散 目前还没有好的办法水上湍流强度远比陆面小。（粗糙度小） (2) 不同气流条

20、件下的扩散n向岸流 岸上形成TIBL 对污染物散布影响大n离岸流 水上形成TIBL 影响不大n陆风转海风 原带入海上的污染物回流陆上n封闭型散布：陆上高层有逆温，岸边排放，进入内陆数十公里n熏烟型扩散：陆上形成TIBL，短时间高浓度，最令人关心的情况。四、沿岸陆上熏烟扩散模式nLyons和Cole（1973）提出计算沿岸地带熏烟污染的模式，n烟流轮廓用1/10中心轴线浓度确定 n模式分成三个阶段处理：n第一阶段：烟流处在x=o至x=xB之间 xB是烟流下缘和热力内边界层界面相交点的离源距离 此时扩散为一般高架源连续点源公式： 扩散参数取稳定时的参数（E，F类）22222s212)(exp2)(

21、exp)2exp(2zszsyzsysHzHzyuQqn第二阶段xBxxE 烟流开始进入TIBL (xB )到全部进入完毕(xE )熏烟阶段（区） xE是烟流上缘和TIBL交点的水平坐标。 L(x)是TIBL层顶的高度。 )(15. 2)()(15. 2)(EzsEBzsBxHxLxHxLn第二阶段xBxxE 假定污染物一进入TIBL即很快扩散至地面，z向均匀分布，y向正态分布 )2exp()2exp(21)(2222yFyFfydppxLuQq8HysyF)(/ )(xHxLpzsn第三阶段xxE 全部进入，扩散与封闭型扩散相似，唯一不同的是混合层厚度L（x）随距离而变。 污染物在垂直方向处

22、于均匀分布状态，可直接运用均匀分布封闭型扩散简化公式： )(2exp)()(222xyxLxuQqyuyun 问题是如何定 值用虚源订正法 第三阶段起点在xE处，实际的 可以想象为处在xB和xE之间一个虚点源 造成的，虚源按不稳定的条件扩散，到xE点，它的横侧风向浓度分布标准差恰好等于 。 然后继续按不稳定条件在第三段中扩散。 )(Eyfyx)(Eyfx0 x)(xyu 设虚点源离实源距离 ， 为从 算起的下风向距离，则： 式中 可以从图中由三角关系得出 在xE点有： 0 x0 xx)(00 xxxxxxxEE0 xxE)()(EyfyuxxEEyuEEyfxxxxx)()(tan0)()(E

23、yuEyfEExxxxxxn对始终处于热内边界层内的低矮源，则不需作虚源订正，直接取 计算n上述持续熏烟模式来源于高斯模式，其理论限制与应用限制与高斯模式相同，此外，扩散参数的选取仍需进一步研究。)(xyu第四章小结 复杂地形下的大气扩散估算复杂地形城市山区沿岸边界层与 污染气象热岛效应城市混合层城市风速减小湍流强山谷风、坡风过山气流风速变化复杂湍流增强海陆风热内边界层扩散模式面源虚点模式箱模式平流扩散模式模式的核心 是地形修正NOAA,EPA,ERT模式持续熏烟模式（三阶段）热岛效应 -城市气温比周围农村高现象。山谷风-由于山坡和谷地受热不均匀而形成的局地性环流。海陆风 -由于海洋和陆地热力

24、性质的差异而形成的一种局地环流。热内边界层-由于表面温度差或表面粗糙度的变化而引起气流从一种热力性质下垫面进入另一种下垫面所形成的内边界层。 几个概念典型中尺度环流城市多源空气质量模式 -为点源、线源、面源模式总称， 关键是源强的处理。山区扩散模式 -在高斯模式的基础上，考虑烟流随地形的起伏，进行地形修正。沿海陆上扩散模式 -考虑内边界层的作用，采用熏烟模式，分段处理。作业五： 某高新技术开发区近似方形、占地10km2，设计建筑平均高度40m，NOx总排放量为6000kg/hr.，该地区年平均风速为3m/s。试估算中性条件下，离开发区边沿10km处的NOx最大浓度增量。假定： 抬升公式:h=21.5WD+0.038WD2(Ts-Ta)/Ts/U， 其中 W为烟气出口速度m/s， D为出口内径m， Ts出口烟温K， Ta环境温度K， U出口处风速m/s。有关扩散参数为：不稳定： y=0.4X0.86，z=0.05X1.1， 风速幂指数为0.1， 中性： y=0.14X0.89，z=0.12X0.91， 风速幂指数为0.2， 稳定： y=0.11X0.89，z=0.82X0.48， 风速幂指数为0.25 )