1、第五章第五章 大气扩散参数大气扩散参数1yz 基本高斯扩散公式中，欲计算得出污染物浓度及其分布则必须知道源强Q，平均风速 ，有效源高H和大气扩散参数 ，Q, u往往是通过测量获得或者由工程设计给出。于是，问题归之于如何给出有效源高有效源高和大气扩散参数大气扩散参数。2uzy,大气扩散参数与稳定度、地形、地面粗糙度等有关。222222()()( , ,)exp() expexp2222yzzyzQyzHzHq x y zu ；H3高斯扩散公式中，风速不太小（1-2m/s），x向湍流扩散可忽略不计，仅考虑y向和z向。 和 在扩散计算中有两层作用，一:通过指数项影响浓度呈高斯分布的形态二：在一定的源
2、强和风速下， ， 它们的乘积与造成的浓度呈反比关系。yzyz早期大气扩散参数处理早期大气扩散参数处理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扩散曲线讨论扩散曲线讨论风向脉动与扩散函数法风向脉动与扩散函数法扩散参数的研究现状扩散参数的研究现状4主要内容主要内容一 早期的扩散参数模式1.萨顿模式萨顿模式 格雷厄姆格雷厄姆萨顿（萨顿（Graham Sutton)，英国气象学家。，英国气象学家。1903年年2月月4日生于克温坎日生于克温坎，毕业于威尔士大学、阿伯里斯威恩大学和牛津大学。毕业于威尔士大学、阿伯里斯威恩大学和牛津大学。19261928年在威尔士大学、阿伯里斯威恩大学任讲师。年在
3、威尔士大学、阿伯里斯威恩大学任讲师。19281941年任助理教授。第二次世界大战期间从事国防科研工作。年任助理教授。第二次世界大战期间从事国防科研工作。19421943年任英国国防部防化实验所所长。年任英国国防部防化实验所所长。19431945年任坦克实验所所长。年任坦克实验所所长。19451947年任英国雷达研究发展中心主任。年任英国雷达研究发展中心主任。19501955年任英国大气污染研究委员会主席。年任英国大气污染研究委员会主席。1951年任英国陆军部科学顾问。年任英国陆军部科学顾问。19521953年任英国皇家军事科学院教务长。年任英国皇家军事科学院教务长。1953年任皇家气象学会主席
4、。年任皇家气象学会主席。19531956年任世界气象组织常务理事。年任世界气象组织常务理事。19601966年任英国大地测量及地球物理学全国委员会主席。年任英国大地测量及地球物理学全国委员会主席。19651971年任英国自然环境研究委员会主席。年任英国自然环境研究委员会主席。在自然环境和气象研究方面取得了许多成果。曾获世界气象组织颁发的奖金。著作：在自然环境和气象研究方面取得了许多成果。曾获世界气象组织颁发的奖金。著作：大大气湍流气湍流（Atmos-pheric turbulence，1948）；）；微气象学微气象学（Micrometeoro-logy，1953）5具体步骤：具体步骤：1 找出
5、泰勒公式中的找出泰勒公式中的拉格朗日相关系数拉格朗日相关系数的具体形式，即的具体形式，即寻找它与某些可测气象参量的关系，代入泰勒公式求寻找它与某些可测气象参量的关系，代入泰勒公式求扩散参数。扩散参数。2 将扩散参数代入基本高斯扩散，得到萨顿扩散公式。将扩散参数代入基本高斯扩散，得到萨顿扩散公式。22200( )2( )TtyLy TvRd dt 63 基于简单物理考虑，认为拉格朗日相关系数与湍流特征基于简单物理考虑，认为拉格朗日相关系数与湍流特征量（量（ ），宏观黏滞度），宏观黏滞度（N=u*Z0），时间间隔时间间隔 相关，并通过量纲分析得到所有量的组合。相关，并通过量纲分析得到所有量的组合。
6、* 0Nu z7以以y向为例向为例：2( )()LNRfv2( )()nLNRNvn为由风速梯度观测确定的实验常数，为由风速梯度观测确定的实验常数，m为风速廓线幂指数。为风速廓线幂指数。21mnm222,wvu由由 的性质，的性质， 可得：可得：( )LR(0)1,( )0LLRR mzzuu11一般中性m1/4； 稳定m 1/4； 不稳定m1000 2.10881 0.000212 500 0.91437 0.281846 01000 0.941015 0.12719 0500 B 0.865014 0.396353 1000 1.09356 0.057025 500 0.919325 0.
7、2295 01000 0.941015 0.114682 0500 BC 0.875086 0.314238 1000 1.0077 0.075718 500 122711xy 22xz 稳定度等级 （P S） 1 下风距离，m 2 下风距离，m 120.924279 0.177154 01000 0.917595 0.106803 C 0.885157 0.232123 1000 0.926849 0.14394 01000 0.838628 0.126152 02000 0.88694 0.189396 1000 0.75641 0.235667 200010000 CD 0.815575
8、 0.136659 10000 0.929481 0.110726 01000 0.826212 0.104634 11000 0.632023 0.400167 100010000 D 0.888723 0.146669 1000 0.55536 0.810763 10000 0.925118 0.0985631 01000 o.776864 0.104634 02000 0.892794 0.124308 1000 0.572347 0.400167 200010000 DE 0.499149 1.0381 10000 0.920818 0.086001 01000 0.78837 0.0
9、92753 01000 0.896864 0.124308 1000 0.565188 0.433384 100010000 E 0.414743 1.73241 10000 0.929481 0.0553634 01000 0.7844 0.062077 01000 0.525969 0.370015 100010000 F 0.888723 0.073348 1000 0.322659 2.40691 10000 平原地区和城市远郊区，平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定向不稳定方向提半级方向提半级工业区和城市中心区，工业区和城市中心区，C提至提至B级，级，D、 E、F向不稳定方向提一
10、级向不稳定方向提一级丘陵山区的农村或城市，同工业区丘陵山区的农村或城市，同工业区28中国国家标准规定的方法中国国家标准规定的方法不仅将稳定度扩散级别内插分析，还规定对不同下不仅将稳定度扩散级别内插分析，还规定对不同下垫面运用时，确定扩散参数应参考以下意见：垫面运用时，确定扩散参数应参考以下意见：2 不同稳定度分类方法不同稳定度分类方法克服宏观资料判定稳定度的局限克服宏观资料判定稳定度的局限（1）风向脉动标准差（）风向脉动标准差（EPA，1990）2930对不稳定类对不稳定类A, B，C, 随风速增加向随风速增加向中性类移；中性类移；对稳定类对稳定类E, F, 随随风速增加向中性风速增加向中性类
11、移；类移；31以风速做细致调整，观测数据在粗糙度以风速做细致调整，观测数据在粗糙度z0=15cm，10m高度处测量得到。采样时间为高度处测量得到。采样时间为15min。如果风向发生转折，为了尽量减小风向转折的影响，如果风向发生转折，为了尽量减小风向转折的影响，应该将长时间段分成小段进行计算，例如将应该将长时间段分成小段进行计算，例如将60min的的时间划分为时间划分为15min一段，最终小时量值：一段，最终小时量值： 22221515151560432（2）与温度递减率有关方法）与温度递减率有关方法 以温度递减率，即以两层（以温度递减率，即以两层（10m、60m）的垂直温度梯度来表征水平和垂直
12、向的湍的垂直温度梯度来表征水平和垂直向的湍流状况。流状况。国际原子能机构国际原子能机构(1980)推荐推荐33对稳定大气状况可靠，而对不稳定状况或高架源排放对稳定大气状况可靠，而对不稳定状况或高架源排放的情形不很可靠。风速很低、层结稳定，烟流弯曲时，的情形不很可靠。风速很低、层结稳定，烟流弯曲时，对水平扩散参数的估算会过低，这时宜用水平风向脉对水平扩散参数的估算会过低，这时宜用水平风向脉动标准差方法。动标准差方法。 以温度递减率和风速相结合（同时考虑以温度递减率和风速相结合（同时考虑支配湍流活动的机械和热力因子）支配湍流活动的机械和热力因子）34 分别以温度梯度和分别以温度梯度和 表征湍流的垂
13、直表征湍流的垂直和水平运动和水平运动 以总体理查孙数的方法计算划分稳定度以总体理查孙数的方法计算划分稳定度A3525()10BfRiuz取烟流中心线处EPA(1990)推荐在缺乏云量和云高资料时，采用表3.18替换原P-G-T方法362022-5-31南京信息工程大学 LAPE372zuzgRi2uzTgRi梯度理查逊数Ri近地层中2222uzTgRBi总体理查逊数RiBM-O长度：TpgHTCuL3*z/L：3*uCpzHTgLzT湍能消耗率湍能供给率临界理查逊数Ric0.25（3）边界层湍流参量法）边界层湍流参量法38注意：除了使用公认的已有统一规范的方案，例除了使用公认的已有统一规范的方
14、案，例如如P-G-TP-G-T方案，国家标准给出的修改方案，方案，国家标准给出的修改方案，采用其他任何方案都应当验证其可行性，采用其他任何方案都应当验证其可行性，提供充分的实验依据和例证，必要时还应提供充分的实验依据和例证，必要时还应做专门的论证做专门的论证393 不同源高和不同下垫面的应用P-G扩散曲线实验依据：平坦理想条件，大扩散曲线实验依据：平坦理想条件，大量低矮源扩散试验。量低矮源扩散试验。就不同源高的应用，有两方面问题：一是就不同源高的应用，有两方面问题：一是使用不同的稳定度判据划分稳定度类，不使用不同的稳定度判据划分稳定度类，不同高度层有不同的频率分布；同高度层有不同的频率分布；另
15、另是对于不同的源根据相应实验基础得是对于不同的源根据相应实验基础得出的扩散曲线均有差异。出的扩散曲线均有差异。402022-5-31南京信息工程大学 LAPE41 就不同下垫面粗糙条件的应用，问题比较复杂。因为不仅是PG扩散曲线法的原方案，就是各种修改与完善的方法其实验基础亦都是建立在下垫面平坦开阔，地面粗糙度很小的理想情形下的。但是，实际应用中遇到的大量课题则多半是不同的粗糙下垫面条件下运用的扩散参数，在大量实验基础上，对PG方案作出合理的修正与补充则是十分必要的。一种做法就是像本节在国家标准GBT1320191中的推荐方案，即对不同粗糙面如城市、丘陵山区或平原、城郊和工业区等确定稳定度扩散
16、级别时，根据不同情况作提级处理。这种做法虽然具有较强的经验性，但是，只要有比较周密的浓度分布资料作细致检验，然后作实验性调整，往往就能取得令人满意的效果。实用中，复杂地形条件下使用稳定度扩散级别方法确定扩散参数，是相当困难的。其y、 z量值比PG曲线预计的可大到210倍。最好应作实地y、 z这类特征量观测。4 扩散曲线法的内插完善Briggs，1974内插完善内插完善 PG扩散曲线，BNL扩散曲线和TVA扩散曲线等都具有各自的持性。Briggs分析这些曲线在不同距离的特性，将其结合一起，提出了一套内插公式。这套公式适用于开阔乡间条件，用来计算地面浓度，尤其是对高架源烟流排放造成的最大浓度计算用
17、。公式反映了在各类稳定度情况下，初期烟流的扩散速率与下风距离x成比例，至较远距离后，则与x1/2成比例。这与扩散理论的推断结论是一致的42四四 风向脉动和扩散函数法风向脉动和扩散函数法扩散曲线法试验基础存在较大的经验性，方案结果有许多不确定性仅以宏观气象状况为判据，在稳定度级别和湍流特性之间缺少清晰关系目前重要发展是扩散参数扩散参数与风向脉动风向脉动标标准差准差之间的联系43(1)方法原理方法原理按照湍流扩散理论，在均匀定常条件下，粒按照湍流扩散理论，在均匀定常条件下，粒子位移的总体平均由泰勒公式表示。子位移的总体平均由泰勒公式表示。4422,002( , )( )Tty zLv wRd dt
18、 由泰勒公式可得由泰勒公式可得45,()y zv wy zLTTft 为拉格朗日时间尺度为拉格朗日时间尺度Lt0( )LtRdf为普适函数，扩散参数，函数形式随为普适函数，扩散参数，函数形式随源高源高和和稳定度稳定度变化，由小角度近似可得变化，由小角度近似可得vAwETxTx46 和 分别为风向方位角和高度角脉动标准差。由此可知，在具备湍流量 和 的观测资料的情况下，只要知道扩散函数形式，并正确估算湍流时间尺度的方法，就可以求出扩散参数。特点：1：方法原理与湍流统计理论基础一致。 2：舍弃分离的稳定度级别，采用连续性稳定度，接近实际。 3：考虑源高影响，认为是稳定度状况函数。 4：使用方便，可
19、用于多种情况。AEAEPasquill (1976)给出试验资料所得的给出试验资料所得的f(x)数据数据LyLyLLLvyt uxftTftTtTTtT21exp1247由泰勒公式积分可得由泰勒公式积分可得(2) 扩散函数扩散函数f 的确定的确定两者中间范围一致，近范围，理论值稍高，远两者中间范围一致，近范围，理论值稍高，远距离相反。距离相反。48由试验资料分析求取扩散函数的方由试验资料分析求取扩散函数的方法法-自学（自学（P93）49（4）几种扩散函数表达式50五五 扩散参数的现状和发展（扩散参数的现状和发展（自学自学）粗糙度对扩散参数的影响；粗糙度对扩散参数的影响； z z的研究；的研究；
20、湍流参数的获得；湍流参数的获得；不同释放高度的扩散参数；不同释放高度的扩散参数；混合层厚度混合层厚度51重点重点P-G-T方法方法稳定度扩散级别稳定度扩散级别用用P-G-T扩散曲线方法确定地扩散曲线方法确定地面最大浓度面最大浓度qm和出现的离源和出现的离源距离距离xm的步骤的步骤国家标准国家标准52作业已知：2016年1月上旬某一天中午，太阳高度角为33.8，无云，地面风速为2.5m/s，南京某发电厂燃煤速率104kg/h，其中含硫2.5%，污染物释放的烟囱高70m,烟流抬升约30m。用P-G-T曲线法求：1.假设该工程没有任何脱硫设备，请给出SO2的释放速率。2.请给出SO2地面最大浓度处离源距离xm、水平和垂直方向大气扩散参数 , 3.根据高斯扩散方程计算出SO2地面最大浓度qm。（e=2.72, pi=3.14)53yz54
