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1、第五章 大气扩散参数,1,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和大气扩散参数。,2,大气扩散参数与稳定度、地形、地面粗糙度等有关。,3,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：在一定的源强和风速下， ， 它们的乘积与造成的浓度呈反比关系。,早期大气扩散参数处理稳定度扩散级别与扩散曲线法扩散曲线讨论风向脉动与扩散函数法扩散参数的研究现
2、状,4,主要内容,一 早期的扩散参数模式,1.萨顿模式 格雷厄姆萨顿（Graham Sutton)，英国气象学家。1903年2月4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。19261928年在威尔士大学、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。19421943年任英国国防部防化实验所所长。19431945年任坦克实验所所长。19451947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。1951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。1953年任皇家气象学会主席。19
3、531956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。19651971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：大气湍流（Atmos-pheric turbulence，1948）；微气象学（Micrometeoro-logy，1953）,5,具体步骤：1 找出泰勒公式中的拉格朗日相关系数的具体形式，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。,6,3 基于简单物理考虑，认为拉格朗日相关系数与湍流特征量（ ），宏观黏滞度（N
4、=u*Z0），时间间隔 相关，并通过量纲分析得到所有量的组合。,7,以y向为例：,n为由风速梯度观测确定的实验常数，m为风速廓线幂指数。,由 的性质， 可得：,一般中性m1/4； 稳定m 1/4； 不稳定m 1/4,8,萨顿参数,最早，但有局限性,泰勒公式:,代入泰勒公式，处理简化后可得：,T为运行时间，x为运行距离,萨顿基于拉氏相关函数和泰勒公式导出（萨顿）广义扩散参数; 他的功绩在于将大气扩散参数与可测量的气象参量联系起来；经验系数N , n , m 需要通过风速梯度观测才能确定; 萨顿曾在平坦地形做了小尺度扩散观测实验, 直接利用这些数据计算高架连续点源的扩散浓度将比实际观测值偏高。数理
5、推导也不严密，应用也很不方便。现今已经停用。,9,2 直接测量湍流特征量的方法,10,和 由双向风标测量，反映大气湍流扩散能力。,H. E. Cramer(1957)提出,，g与稳定度、下风向距离及地表粗糙度相关,3 BNL模式（M.E.Smith,1951）,特征量：水平风向摆动角的范围高架源（108m高塔施放油雾）扩散试验简便、合理、实用，美国机械工程师协会沿用至今,11,4 J. S. Hay & F. Pasquill(1959),出发点：统计理论，泰勒公式方法：利用相关函数和湍流能谱关系，由湍流观测资料做谱分析，计算扩散参数。总结：模型合理可取，反映湍流场本质，而且准确度较高，其探讨
6、有一定理论意义，但应用尚不普遍，观测要求高，计算工作量大。,12,二 稳定度扩散分级与扩散曲线法,在实际工作中，总是希望根据易得到的气象观测资料(如常规气象观测资料)就能估算出污染物在大气中的扩散状况。 由大量扩散试验（含气象观测和示踪物浓度观测）资料分析及理论分析得出扩散参数随下风方距离x的变化曲线 P-G法，或者P-G-T法英国气象学家帕斯奎尔(F. Pasquill，1961)基于大量扩散实验资料的分析, 建立了一套扩散参数计算方案,后经美国核气象学家杰富德(F. Giffod, 1961)和美国公共卫生局的气象学家特纳尔(D. B. , Turner, 1967)的改进与完善,构成了现
7、今广为引用的P-G-T 扩散曲线系统。,13,1. P-G曲线法方法要点：根据云况，日射以及地面风速，将大气扩散能力分级，然后根据扩散曲线读取不同下风距离处的扩散参数。大气分成A-F共六个稳定度等级 （云，日照，风速。）xy曲线（六条） （对应A、B.F稳定度级）,14,未考虑特殊下垫面，如城市、山地、水面等的动力和热力影响。为半定量方法,Pasquill (1961)按云、日照、风速划分6个稳定度扩散级别: A级极不稳定, B级中等不稳定, C级弱不稳定, D级中性, E级弱稳定, F级 中等稳定。,15,P-G曲线的应用根据常规资料确定稳定度级别,16,Pasquill（1961）表3.3
8、,17,太阳高度角云量,Turner(1961)引入太阳高度角判定日射强弱的定量办法，确定稳定度级别。,日射等级,风速,稳定度,（ 地理纬度，太阳倾角，时角）,表3.6 日射等级确定规则,18,考虑云量,表3.7 Turner的稳定度分级方法,19,由日射等级和地面风速,20,根据确定的稳定度级别，由P-G扩散曲线图得到扩散参数，代入高斯扩散公式可得浓度分布。,曲线的制作依据实测资料和理论原理，对y采用统计理论成果，z采用梯度输送理论成果,水平扩散参数,垂直扩散参数,图3.10,21,22,用PG扩散曲线方法确定扩散参数的步骤是： 根据太阳高度角和云量确定日射等级(见表3.6) ；根据日射等级
9、和地面风速确定稳定度等级（见表3.7) ；根据稳定度等级和距离x可查出扩散参数（见图3.10)。,用P-G扩散曲线方法确定地面最大浓度qm和出现的离源距离xm的步骤是： 根据太阳高度角和云量确定日射等级(见表3.6) ；根据日射等级和地面风速确定稳定度等级（见表3.7) ；根据已知的有效源高H，由 式计算得到 值；在图3.10(b)中相应稳定度扩散级别的PG扩散曲线上，由x=xm的值读出相应的 值；将所得的 ， 及已知的源强、平均风速和有效源高代人 式，便可估算该气象状况下的地面最大浓度,23,三 扩散曲线法的完善,24,1.国家标准中的修改应用（GB/T13201-91）,修正太阳高度角的计
10、算方法适应我国大量地面观测无云高观测的情况用幂函数表达式确定扩散参数；考虑不同下垫面的影响。,25,26,27,平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳定方向提半级工业区和城市中心区，C提至B级，D、 E、F向不稳定方向提一级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：,2 不同稳定度分类方法克服宏观资料判定稳定度的局限,（1）风向脉动标准差（EPA，1990）,29,30,对不稳定类A, B，C, 随风速增加向中性类移；,对稳定类E, F, 随风速增加向中性类移；,31,以风速做细致调整，观测数
11、据在粗糙度z0=15cm，10m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，应该将长时间段分成小段进行计算，例如将60min的时间划分为15min一段，最终小时量值：,32,（2）与温度递减率有关方法 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向的湍流状况。国际原子能机构(1980)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动标准差方法。,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）,34, 分别以
12、温度梯度和 表征湍流的垂直和水平运动 以总体理查孙数的方法计算划分稳定度,35,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,36,2022/12/4,南京信息工程大学 LAPE,37,梯度理查逊数Ri,近地层中,总体理查逊数RiB,M-O长度：,z/L：,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,38,注意：,除了使用公认的已有统一规范的方案，例如P-G-T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，提供充分的实验依据和例证，必要时还应做专门的论证,39,3 不同源高和不同下垫面的应用,P-G扩散曲线
13、实验依据：平坦理想条件，大量低矮源扩散试验。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，不同高度层有不同的频率分布；另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。,40,2022/12/4,南京信息工程大学 LAPE,41,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GB
14、T1320191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 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
15、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。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 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与风向脉动标准差之间的联系,43,(1)方法原理,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。,44,由泰勒公式可得,45,为拉格朗日时间尺度,f为普适函数，扩散参数，函数
16、形式随源高和稳定度变化，由小角度近似可得,46,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，可用于多种情况。,Pasquill (1976)给出试验资料所得的f(x)数据,47,由泰勒公式积分可得,(2) 扩散函数f 的确定,两者中间范围一致，近范围，理论值稍高，远距离相反。,48,由试验资料分析求取扩散函数的方法-自学（P9
17、3）,49,（4）几种扩散函数表达式,50,五 扩散参数的现状和发展（自学）,粗糙度对扩散参数的影响；z的研究；湍流参数的获得；不同释放高度的扩散参数；混合层厚度,51,重点,P-G-T方法稳定度扩散级别用P-G-T扩散曲线方法确定地面最大浓度qm和出现的离源距离xm的步骤国家标准,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),53,54,
