1、第三章第三章 大气扩散估算大气扩散估算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 2222222)(exp2)(exp)2exp(2),(zzyzyHzHzyuQHzyxq；uzyQ污染物排放源强 mg/s烟囱出口处风速 m/s大气扩散水平、垂直参数 m烟气排放有效高度H m),(Hzyxq；污染浓度mg/m3第三章第三章 大气扩散估算大气扩散估算3.3 模式计算参数 一、稳定度分类 二、大气扩散参数 三、风速 的计算 四、源强 的计算 五、烟气有效高度H的计算 1. 烟气抬升过程 2.实用抬升公式2222222)(exp2)(exp)2exp(2),(zzyzyHzHzyu
2、QHzyxq；uQ大气扩散参数 又称大气扩散标准差、浓度分布均方差。又称大气扩散标准差、浓度分布均方差。 表示扩散质点随浓度中心轴距离的浓度分布的均方差表示扩散质点随浓度中心轴距离的浓度分布的均方差 是大气扩散能力的度量，常以是大气扩散能力的度量，常以表示表示 根据湍流统计理论对扩散问题的处理，空气污染物在随机湍根据湍流统计理论对扩散问题的处理，空气污染物在随机湍流场中的扩散能力和散布范围由大气扩散参数表征。流场中的扩散能力和散布范围由大气扩散参数表征。 在三个分量方向上分别以在三个分量方向上分别以x，y，z表示，它具有时空变化，表示，它具有时空变化，尤其随着离源下风距离尤其随着离源下风距离x
3、有不同量值。有不同量值。 与气象条件、地形地貌、与源的距离密切相关。与气象条件、地形地貌、与源的距离密切相关。 值越大，说值越大，说明湍流强度越大，扩散速率也越大。随着明湍流强度越大，扩散速率也越大。随着下垫面粗糙度增大下垫面粗糙度增大、下风距离增大以及大气稳定度减小下风距离增大以及大气稳定度减小， 将增大将增大。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 日落后基本高斯扩散公式中，由于有风速不太小（如2米/秒）的假设，x向的湍流扩散可予忽略不计，故而一般不引入x，而仅以y和z表征。这时y和z在扩散计算中
4、至少有两层作用，一是通过指数项影响浓度呈高斯分布的形态，二是在一定的源强和风速条件下，它们的乘积与造成的浓度成反比关系。浓度随下风距离的变化是通过不同距离的扩散参数量值代入而得的。迄今建立并付诸应用的高斯模式，在进行空气质量模拟（亦即作污染物浓度计算）时，都是建立在高斯扩散公式基础上，运用各种条件下不同的大气扩散参数模式，其计算系统并不改变，只是以不同扩散参数y和z构成不同模式。2222222)(exp2)(exp)2exp(2),(zzyzyHzHzyuQHzyxq；对大气扩散参数进行研究，建立著名且实际应用的模式对大气扩散参数进行研究，建立著名且实际应用的模式主要有主要有 萨顿模式萨顿模式
5、p英国气象学家萨顿在1953年在泰勒公式的基础上建立的。他先找出了泰勒公式中的拉氏相关系数与一些可测气象参数的联系，然后代入泰勒公式，得出萨顿扩散参数Cy和Cz，在用Cy和Cz表示出y和 z， 而Cy和Cz是可以观测确定的。 稳定度扩散级别与扩散曲线法稳定度扩散级别与扩散曲线法首先由气象观测资料判定稳定度级别（A、B、C、D、E、F），然后总结分析得出相应级别中扩散参数随距离源下风距离x的变化曲线（扩散曲线），再用扩散曲线读出不同离源距离处的扩散参数y和 z 。泰勒公式泰勒公式对大气扩散参数进行研究，建立著名且实际应用的模式对大气扩散参数进行研究，建立著名且实际应用的模式主要有主要有 稳定度扩
6、散级别与扩散曲线法稳定度扩散级别与扩散曲线法p P-G-T法法 巴斯奎巴斯奎(Pasquill) 吉福德吉福德(Gifford) 特纳特纳(Turner)Pasquill根据风速与日间日射程度和夜间天空状况判定稳定度级别。根据风速与日间日射程度和夜间天空状况判定稳定度级别。 Turner根据太阳高度角判定日射强度，再结合云况确定日射等级，然后根据太阳高度角判定日射强度，再结合云况确定日射等级，然后根据日射等级和地面风速判定稳定度级别。根据日射等级和地面风速判定稳定度级别。p其他稳定度分类方法其他稳定度分类方法a 风向脉动标准差法风向脉动标准差法 b 温度递减率法温度递减率法 c 我国的扩散曲线
7、法我国的扩散曲线法 d边界层湍流边界层湍流参量法参量法p扩散曲线扩散曲线除除P-G-T曲线外，还有曲线外，还有BNL扩散曲线和扩散曲线和TVA扩散曲线等扩散曲线等对大气扩散参数进行研究，建立著名且实际应用的模式对大气扩散参数进行研究，建立著名且实际应用的模式主要有主要有p 扩散函数法扩散函数法1970年以后，形成了一种由风向脉动与扩散函数来确定扩散参数的方法。扩散函数法引进了以边界层参量表示扩散参数，采用了连续性的稳定度概念，舍弃了原来间隔分级的稳定度分类，并考虑了源高的影响，有了新的发展。 直接测量湍流特征量的方法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，在早期大量扩散
8、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数的量值，建立各种确定大气扩散的方法和相应模式。随着学科发展，早期扩散参数有关内容因其经验性而不再运用。稳定度扩散级别与扩散曲线法（P-G-T法法 ） 为了对工业污染源和其它源排放的气悬物质在大气中的扩散作定量的估算，英国气象学家F.Pasquill(1961)基于200多次扩散试验资料分析，建立了一套估算方法，后经美国核气象学家F.Gifford(1961)和美国公共卫生局的气象学家D.B.Turner(1967)改进完善，构成了P-G-T实用系统，广泛应用于高斯扩散模式体系估算扩散参数y和 z 。由常规的地面气象观测资料，如风速、
9、云与太阳辐射状况，对大气的稀释扩散能力判出稳定度扩散级别（A、B、C、D、E、F共6类）分别给出6根扩散曲线，即扩散参数随离源下风距离x的变化曲线，曲线是由大量扩散试验（含气象观测和示踪物浓度的测量等）资料和理论分析总结得出。根据曲线便可得到不同稳定度状况下，离源不同下风距离的根据曲线便可得到不同稳定度状况下，离源不同下风距离的扩散参数的量值扩散参数的量值。这是一种用常规气象资料估算大气扩散的简便实用的方法，常称为扩散曲线法，亦简称P-G法或P-G-T法。自建立以来被广泛应用并不断改进完善，形成一个实用体系。3.3 模式计算参数一、稳定度分类 分类标准很多： Ri， L ，Z/L等，要求 参数
10、 并非日常观测资料所能提供。 -为便于实际应用，利用常规气象观测资料进行分类。0*, ,zwuzuz. Pasquill-Turner分类法基本思路： 根据Ri定义：热力因子：白天，太阳辐射 太阳高度角， 云况 （云量、云状） 夜间，红外辐射-云况动力因子： 风速大小（不考虑风向， 因近地面层风 向不变） 动力因子热力因子2zuzgRiPasquill提出分类指标： 由云况、日射 确定辐射等级由风速、辐射等级 确定 稳定度类别 分ABCDEF类 Pasquill的稳定度分级方法的稳定度分级方法地面风速（米/秒）日间日射程度夜间天空状况强中等弱薄云遮阴天或低云量4/8云量3/86CDDDD Pa
11、squill(1961)按表所示划分给出6个稳定度扩散级别，即A、B、C、D、E、F类，依次规定为极不稳定，中等不稳定，弱不稳定，中性，弱稳定，中等稳定状况，有时对极稳定状况定义为G类。 Pasquill的方法根据风速、日射和夜间天空状况半定量地给出稳定度扩散级别，它未能比较确切地确定辐射状况，显然，过于粗糙。 u日间或夜间的阴天条件为中性；夜间前后1小时，不论何种天空状况，也为中性。u仲夏晴天中午为强日照，寒冬晴天中午为弱日照。由太阳高度角h确定日射强度与等级h（度）日射强度日射等级60强43560中等31535轻度215微弱1coscoscossinsinsinh日射等级确定规则日射等级确
12、定规则时间天空状况日射等级不论日间或夜间总云量10/10，而且云高4/10-1日间H15115h35235h604云高601H600云高9，不论h0Turner把加热指数按太阳高度角、云况 具体化确定为3，2，1，0。 Turner的稳定度分级方法的稳定度分级方法地面风速（米/秒）日射等级43210-1-26CDDDDDD上述分类方法，由Pasquill和Turner 建立，称为P-T法P-G-TP-G-T方法的要点方法的要点 首先根据云况、日射和地面风速，将大气扩散稀释能力划分为A-F的6个等级，然后根据扩散曲线读出不同下风向距离处的扩散参数。P-G-TP-G-T方法的应用步骤方法的应用步骤
13、1.根据气象观测资料划分稳定度扩散级别6 6个稳定度级别个稳定度级别：A：极不稳定；B：中等不稳定；C：弱不稳定；D：中性；E：弱稳定；F：中等稳定；有时加G：极稳定P-G-TP-G-T方法的应用步骤方法的应用步骤2.根据稳定度扩散级别和扩散曲线给出大气扩散参数n PasquillPasquill方法利用英国开阔平坦乡村地区气象观测资料，未方法利用英国开阔平坦乡村地区气象观测资料，未考虑特殊的下垫面条件，也未能比较确切给出辐射状况，过考虑特殊的下垫面条件，也未能比较确切给出辐射状况，过于粗糙。于粗糙。在应用于城市下垫面时应做稳定度等级的订正。在应用于城市下垫面时应做稳定度等级的订正。n Tur
14、nerTurner的稳定度划分方法较为确切。只要有地面风速、云量、的稳定度划分方法较为确切。只要有地面风速、云量、云高常规观测资料，就可以客观地定出稳定度级别。所以这云高常规观测资料，就可以客观地定出稳定度级别。所以这种方法是实际工作中最常应用的方法。种方法是实际工作中最常应用的方法。n PasquillPasquill和和TurnerTurner稳定度计算方法，都是用宏观的气象资料稳定度计算方法，都是用宏观的气象资料间接地给出微观湍流特征。大气扩散速率最终取决于流场的间接地给出微观湍流特征。大气扩散速率最终取决于流场的湍流特性，用上述宏观的气象条件划分稳定度等级是一种间湍流特性，用上述宏观的
15、气象条件划分稳定度等级是一种间接方法。有时，大气宏观条件大致相同，但流场湍流特性会接方法。有时，大气宏观条件大致相同，但流场湍流特性会差别很大。差别很大。因此用湍流场的特征量表征大气稳定度更为有效。因此用湍流场的特征量表征大气稳定度更为有效。a.常规气象资料表征稳定度太粗糙，没有考虑各种大、中尺度过程的影响，也没有考虑下垫面的影响。与其它稳定度分类法相比，差别较大。b.稳定度等级代表不同扩散速率的等级，扩散试验表明，使用定量的稳定度指标有时不能说明扩散速率的快慢。如风向发生缓慢偏转，显示有大尺度湍涡的作用，即使是逆温的情况也不例外。稳稳定定度度分分类类扩扩散散曲曲线线 a.没有考虑地面粗糙度的
16、影响，扩散曲线是依据十分平坦的观测资料得出的，对城市和其它粗糙地形的扩散速率估计过低。需进行订正。b.扩散曲线的取样时间为3分钟，一般短时间平均浓度需要的取样时间为3060分钟，必须订正到相同的时间才可以应用。c.垂直扩散参数的曲线适用于地面源，不一定适用于高架源。P-GP-G适适用用性性 Pasquill和Turner 依据的是英国、美国机场的气象资料，比较详细（总、低云量，云状，云高），国内因资料所限（无云高资料），进行了订正，得出了中国的分类表，称为P-T-C法66国家标准中的修改与应用国家标准中的修改与应用国家标准国家标准GB/T13201-91u对对P-G-TP-G-T方法的主要修改
17、：适应我国大量地面气象观方法的主要修改：适应我国大量地面气象观测站无云高观测资料的情况，而仅以总云量和低云量测站无云高观测资料的情况，而仅以总云量和低云量来确定太阳辐射等级来确定太阳辐射等级u总云量和低云量 + 太阳高度角 太阳辐射等级u太阳辐射等级 + 地面风速 大气稳定度u将P-G-T方法中的图标曲线方式，修改为幂函数形式y2、y1分别为取样时间为2、1时的横风向扩散参数；q为时间稀释指数。2121()qyyu采样时间订正采样时间订正1h100h q=0.30.51 q=0.2注意注意平原地区农村及城市远郊区的扩散参数选取，对A，B，C类可由表直接查算，对D，E，F类则需向不稳定方向提半级
18、后查算工业区或城区中点源的扩散参数选取，A，B类不提级，C类升到B级，D，E和F类则向不稳定方向提一级后查算丘陵山区的农村或城市，其扩散参数选取原则同城市工业区u下垫面调整，参考以下意见下垫面调整，参考以下意见应用P-T-C法应注意的问题：A.太阳高度角的计算B.云况：区分总云量/低云量；低、中、高云辐射性质不同C.风速：为地面风速（离地10m处10分钟平均风速）300155 .23coscoscossinsinsinh经度北京时时角算；），可查天文年历或计为太阳赤纬（为地理纬度；其他分类方法 根据地面常规资料判断稳定度类的做法有局限性，个别情况会出现较大偏差，故有其它方法。（一）温度梯度分类
19、法 近地层温度随高度的变化是大气稳定度状况的定量判据之一。 美国原子能委员会推荐用10m和30m高度的温度差。理论上最大缺陷是不考虑风速。 在近地层中， 有一定调节作用，可与Pasquill法有一定对应。 外推到高架源，与Pasquill法一样有问题。zuz和)100/(mZT分类标准按稳定度类国际原子能机构中国大气物理所1980A-1.9-2.21.51.61.54.0l实践表明：对稳定状况，可用温度梯度法；l对不稳定状态及高架源，用此法不可靠。(二) 风向标准差法（A分类法）决定大气稀释扩散速率的最终因子是大气运动的性质，即风和湍流。在大致相同的宏观气象条件下，流场的性质可以有相当大的差异
20、。因此，仅根据宏观气象条件来划分扩散级别显得过于粗糙。而风向脉动标准差A（水平）和E（垂直）却是表征湍流强度的直接参量，与扩散参数y和z的关系密切，可以用它来判定扩散级别。 水平风向脉动标准差A 即风的方位角脉动的标准差； 垂直风向脉动标准差E 即风的高度角脉动的标准差。 A 、 E 可由双向风标直接观测并计算得到，它们直接反映与大气稳定度状况相关的湍流扩散能力。所以，可用来确定稳定度等级。.,越大，越不稳定AvAu在所讨论高度处测得A 、 E ，可用此法。注意垂直与水平分类不同。稳定度类水平A(度)垂直EA22.511.5B17.522.510.011.5C12.517.57.810.0D7
21、.52.55.07.8E3.87.52.45.0F3.82.4l局限性：需要湍流测量仪器才能测量要求在所在高度以温度递减率和风速划分稳定度类的方案以温度递减率和风速划分稳定度类的方案风速（米/秒）T/Z（/100米），20120米高两层2.07DDDDDDD其他分类法宏观里查逊数S分类法l宏观Ri数 ，同时考虑温差和风速影响l近地层与Ri对应很好，近地层可用。l边界层上与Ri不一致，特别是不适用于不稳定边界层，不能用。 建议稳定度分类采用PTC法2uTSP-T-C法确定稳定度的具体过程？1.先计算太阳倾角（太阳赤纬）；2.再计算太阳高度角；3.由云量和太阳高度角按表查出太阳辐射等级；4.由太阳
22、辐射等级与风速按表查出稳定度类别。由表4 结果可知: 、用不同分类法得出的分类结果差别很大; 、风向标准差法给出较多的不稳定类稳定度. 不稳定类(A C 类) 频率随高度的增加而减少, 稳定类(EF 类) 频率随高度的增加而增加, 反映了粗糙下垫面粗糙下垫面的影响; 、温度梯度分类法给出较多的稳定类稳定度, 反映了沿海地区对流较弱的特点; 、温度梯度和风速分类法的结果明显比单用温度梯度分类的结果更接近地面大气稳定度的分类结果. 但该分类法中E、F 类的具体划分标准是有问题的; 、理查逊数Ri 法得出不稳定类稳定度频率介于风向标准差法和其他分类法之间. 它综合反映了沿海地区热力因素和动力因素的作
23、用. Ri 法中稳定类具体划分为E、F 类的标准也是有问题的; 、地面大气稳定度和塔层大气稳定度有明显的差别. 地面大气稳定度PasquillTurner 改进法的分类结果与常规PasquillTurner 法的分类结果基本一致.二、大气扩散参数 y z1、半经验规律由湍流统计理论有： 即 因为所以在具备湍流量A和 E的观测资料的情况下，只要获得fy, fz的函数形式，便可求得所需的扩散系数 dnTnTnsinnFdnTnTnsinnF220L22220L22,2TTvvy TTfyvyuuEvA小风不成立Tux xxfxxfzEzyAyfy, fz为普适函数，也称扩散函数，函数形式随稳定度和
24、源高变化，也受制于泰勒公式的限制条件lDraxler给出：2121)(9.01)(9.01izziyyTuxxfTuxxfTi为fy或fz等于0.5所需的运行（或扩散）时间Tiy、Tiz 随稳定度不同，具有时间因子的作用。地面源高架源稳定不稳定稳定不稳定Tiy30030010001000Tiz50100100500上式符合Taylor理论：2121xTxTyyyyxx或很大，或很小，2.综合经验规律Pasquill-Gifford曲线图 Pasquill-Gifford根据平坦地面、粗糙度z0较小的实验结果总结出一套图。P-G扩散曲线扩散曲线距离(公里)（米）0.10.20.30.40.50.
25、60.81.01.21.4Ay27.049.871.692.111.2132170207243278z14.029.349.472.1105153279456674930By19.135.851.661.081.475.8123151178203z10.720.530.240.551.262.884.6109133157Cy12.623.333.543.353.462.880.999.1116133z7.4414.020.526.532.6.8.650.761.473.083.7Dy8.3715.321.928.835.340.950.565.676.787.9z4.658.3712.115.
26、318.120.927.032.137.241.9Ey6.0511.616.721.426.531.240.048.857.765.6z3.726.058.8412.713.014.919.621.424.727.0Fy4.197.9110.714.417.720.526.532.638.143.3z2.334.195.586.988.379.7712.114.015.817.2距离(公里)（米）1.61.82.03.04.06.08.010121620Ay313z1230By228253278395508723z181207233363493777Cy14416618226933547460
27、3735z95.3107116167219316409498Dy98.6109121173221315405488569729884z47.052.156.779.1100140177212244307372Ey70.582.385.6129166237306366427544659z29.331.633.541.948.860.970.779.187.4100111Fy48.834.560.586.5102156207242285365437z19.120.521.927.031.237.742.846.550.255.860.5P-G扩散曲线制作依据扩散曲线制作依据横风向扩散源高不限（混合
28、层高度以内）采样时间1000B0.9143700.8650140.2818460.396353010001000BC0.9493250.8650140.2295000.314238010001000C0.9242790.8851570.1777540.232123110001000CD0.9268490.8869400.1439400.189396110001000D0.9294180.8887230.1107260.146669110001000DE0.9251180.8927940.09856310.124308110001000E0.9208180.8968640.08640010.10
29、1947110001000F0.9294180.8887230.05536340.733348010001000垂直扩散参数幂函数表达式系数值垂直扩散参数幂函数表达式系数值12azxr稳定度11下风距离（米）A1.121541.513602.108810.07999040.008547710.0002115450300300500500B0.9644351.063560.1271900.0570250500500BC0.9410151.007700.1146820.07571820500500C0.9175950.1068030CD0.8386280.7564100.8155750.12615
30、20.2356670.1366590200020001000010000D0.82621206320230.555360.1046340.4001670.8107630200020001000010000DE0.7768640.5723470.4991490.1117710.52899221.038100200020001000010000E0.7883700.65618880.4147430.09275290.4333841.732410100010001000010000F0.7844000.5259690.3226590.06207650.3700152.4069101000100010
31、00010000Briggs参数 Briggs综合了P-G实验数据，BNL扩散曲线，St-Souis城（ Z0 大，城市）、TVA（高烟囱）扩散数据得：（A）适用于平坦开阔地形平坦郊野稳定度yzABCDEF21)0001.01(22.0 xx21)0001.01(16.0 xx21)0001.01(11.0 xx21)0001.01(08.0 xxx20. 0 x12. 021)0002.01 (08.0 xx21)0015. 01 (06. 0 xx1)0003. 01 (03. 0 xx1)0003. 01 (016. 0 xx21)0001.01(04.0 xx21)0001.01 (0
32、6.0 xx这种拟合，符合Taylor理论：21y,x,0 xxxy应该是-1/2（B）适用于城市的参数（ Z0 从几米到10米）稳定度yzA BCDE Fx20. 02/1)0004. 01 (32. 0 xx2/1)0004.01 (22.0 xx2/1)0004. 01 (16. 0 xx2/1)0004. 01 (11. 0 xx2/1)001.01 (24.0 xx2/1)0003. 01 (14. 0 xx2/1)0004. 01 (32. 0 xx应该是-1/2不同粗糙度（不同粗糙度（z0）时的）时的P-G扩散参数（米）扩散参数（米）离源距离源距离离(公里公里)z0=10厘米厘米
33、ABCDEFyzyzyzyzyzyz0.134.715.024.210.816.58.110.15.87.73.65.32.21.0251155181821215579.23957.12438.912101700100012654309283206122004601132991201003038300024761550174210001093590838300680z0=30厘米厘米0.145.119.131.613.720.510.312.97.49.84.66.62.81.028817820294.314263.391.444.966.627.648.613.810178510751447
34、52798634465821550912231754.81003097312625101615176010421131615891313580125z0=100厘米厘米0.153.115.037.110.823.48.115.75.811.63.67.82.21.034015523782166551063976.22453.112102000100015294301044320704200529113341511003430300026411550190110001244590917300629120实际做法A.由实验归纳出a、b、c、d,根据 算出P-G提级法（国标推荐此法） 粗糙度大的城市，仍查平坦地形的P-G图，但要向不稳定方向提一级或半级。如算出为D级，则查C或CD级对应的曲线。应用中，有条件做实验的，也只是与P-G提级法比较，确定应提多少级，计算时仍用P-G图。dzbycxax？问题与讨论练习作业三(大气稳定度分类)补：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。
