大气环境容量测算模型简介(环发[2003]141号)

附件二：

大气环境容量测算模型简介

说明：本部分内容是“重点城市大气环境容量核定工作方案”中提到的各推荐模型的简介，主要目的是为了使各城市了解各模型的功能和基本原理，同时，了解如选用该模型，都需要准备哪些输入数据，以便各城市根据本市的实际情况，提前准备。

第一部分大气扩散烟团轨迹模型

1 大气扩散烟团轨迹模型简介

该模型由国家环境保护总局环境规划院开发。

烟团扩散模型的特点是能够对污染源排放出的“烟团”在随时间、空间变化的非均匀性流场中的运动进行模拟，同时保持了高斯模型结构简单、易于计算的特点，模型包括以下几个主要部分。

1.1 三维风场的计算

首先利用风场调整模型，得到各预测时刻的风场，由于烟团模型中释放烟团的时间步长比观测间隔要小得多，为了给出每个时间步长的三维风场，我们采用线性插值的方法，利用前后两次的观测风场内插出其间隔时间内各个时间步长上的三维风场，内插公式如下：

[] ()t

t

t

n n i

t

V

t

V

t

V

V

i

∆

-

=⋅

-

+

=

1

21

2 1

)

( )

( )

(

式中： V(t 1)、V(t 2)—分别为第1和第2个观测时刻的风场值；

t ∆—烟团释放时间步长；

n —为t 1、t 2间隔内的时间步长数目；

V i —表示t 1、t 2间隔内第i 个时间步长上的风场值。

1.2 烟团轨迹的计算

位于源点的某污染源，在t 0时刻释放出第1个烟团，此烟团按t 0时刻源点处的风向风速运行，经一个时间步长t ∆后在t 1时刻到达P 11，经过的距离为D 11，从t 1开始，第一个烟团按P 11处t 1时刻的风向风速走一个时间步长，在t 2时刻到达P 12，其间经过距离D 12，与此同时，在t 1时刻从源点释放出第2个烟团，按源点处t 1时刻的风向风速运行，在t 2时刻到达P 22，其经过的距离为D 22，以此类推，从t 0时刻经过j 个t ∆，到t j 时刻共释放出了j 个烟团，这时，这j 个烟团的中心分别位于Pij ，i=1，2，…j ，设源的坐标为（Xs ，Ys ，Zs(t)），Zs(t)为t 时刻烟团的有效抬升高度，Pij 的坐标为（Xij ，Yij ，Zij ），u 、v 分别为风速在X 、Y 方向的分量，则有如下计算公式：

t 1时刻：

211211111001100110011)()()](,,,[)](,,,[)](,,,[s s s s s s s s s s s s s s Y Y X X D D t t Z Y X t W Z Z t t Z Y X t V Y Y t t Z Y X t U X X -+-==∆⋅+=∆⋅+=∆⋅+=

t 2时刻：

2

2222222221122112211222

1112211121

1121121111111111121111111111211111111112)()()](,,,[)](,,,[)](,,,[)()(],,,[],,,[],,,[s s s s s s s s s s s s s s Y Y X X D D t

t Z Y X t W Z Z t t Z Y X t V Y Y t t Z Y X t U X X Y Y X X D D D D t

Z Y X t W Z Z t Z Y X t V Y Y t

Z Y X t U X X -+-==∆⋅+=∆⋅+=∆⋅+=-+-+=+=∆⋅+=∆⋅+=∆⋅+=

以此类推，到tj 时刻，共释放出j 个烟团，这些烟团最后的中心位置分别在Pij ，Xij ，Yij ，Zij ，i=1，2，… j ，对于第i 个烟团有：

2

)1(2)1(11)1()1()1(1)1()1()1()1(1)1()1()1()1(1)1()()(],,,[],,,[],,,[---=----------------+-+==∆⋅+=∆⋅+=∆⋅+=∑j i ij j i ij j i j

k ik j

i j i j i j i j j i ij j i j i j i j j i ij j i j i j i j j i ij Y Y X X D D D t Z Y X t W Z Z t Z Y X t V Y Y t Z Y X t U X X

j i D 为i 个烟团从源点释放后到tj 时刻所经过的距离。

1.3 浓度公式

由前一个小节的计算，已找到由S 点(Xs ，Ys)的污染源释放出来的所有烟团在第j 个时刻所处的位置，这样S 处的污染源在第j 个时刻在地面某接受点R(X 、Y 、0)处造成的浓度就是所有i 个烟团的浓度贡献之和。考虑中心位于Pij 的烟团对R 点的浓度贡献，则有：

()⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡∆⋅-=∆⋅-=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡--=⋅⎥⎥⎦⎤

⎢⎢⎣⎡--=⋅⋅⋅⋅=2

22

22

2322)(2)(2)()2(z d d b y ij Y x ij X d

b Z Y X z

y x s

i t j V EXP C t j b EXP C Y Y EXP C X X EXP C C C C C C Q C σσσσσσπ

式中：Qs —源强，mg/s ；

z y x σσσ、、：—X 方向、Y 方向、Z 方向的大气扩散参数，m ；

Cx 、Cy 、Cz ：—X 、Y 、Z 方向扩散项，Cz 在后面给出算式； C b 为污染物转化项，b 为转化率，1/s ； C d 为污染物沉降项，V d 为沉降速率，m/s 。

由于考虑到烟团对混合层的穿透作用及混合层对烟团的反射作用，垂直扩散项分以下几种情况讨论：