湍流扩散理论

远距离输送模式的适用问题
研究酸雨和酸性沉积物的机理、趋势和控制对策
污染物在大范围内的分布变化规律及长期平均影响
研究污染物在区域和洲际之间的通量，分析各地区 的相互影响
研究主要元素(S、N、C等）的质量循环、演变规律 及对人类生存环境的影响
空气质量模式的发展历程 第一代主要包括：基于质量守恒的箱模式、基于湍流 统计理论的高斯模式和拉格朗日轨迹模式 ISC3、AERMOD、ADMS、 CALPUFF、Hysplit 后向轨迹模式
高 斯 模 型
目前应用较广的有： ISC3 (美国EPA开发) AERMOD(美国EPA开发) ADMS（英国剑桥开发） CALPUFF
he2 C ( x, y,0) exp( ) exp( ) 2 2 y z 2 y 2 z Q
y2
Q
表示污染源的源强
σyσz 表征污染物在水平和垂直方向的扩散能力 He 表示烟囱的有效高度
湍流扩散理论
大气污染物的扩散主要依赖湍流
若只有风而无湍流，从烟囱里排出的废气像一条
“烟管” 保持着同样粗细，吹向下方，很少扩散
不同尺度湍流对烟团扩散的影响
湍流强度的表示方法
描述湍流运动的两种方法
如：CMAQ模式
如：hysplit 后向轨迹模式
三种湍流扩散理论——1）梯度输送理论
三种湍流扩散理论——2）湍流统计理论
使流场较复杂时，高斯烟流模式的精度 难以满足要求 对大气污染物沉积和化学转化过程的处 理较粗，不适于进行特殊污染过程的研 究（如研究光化学烟雾）
K 模式
目前最先进的是：
CMAQ、WRF-chem
K理论模式又称涡旋扩散理论，是在不同假设条件下求解
物质守恒方程，为使方程闭合，通常假设湍流通量与平 均变量的梯度成比例，比例系数为K
指模拟的污染物输送距离超过数 百公里的模式；通常采用拉格朗 日型K模式和烟团轨迹模式，有 代表性的是HARM模式
DC i (K iC ) R Q S Dt
D Dt t
Ki
三个方向的湍流扩散系数
污染物与其它污染物之间的化学反应转化率
R
Q
源项
沉积清除率
S
空气质量模式的种类
按空间尺度分为：微尺度模式（建筑物尺度）、
局地尺度模式（1-10公里）、中远距离输送模 式（100公里以上）
按时间尺度分为：短期平均模式（1-24小时）
和长期平均模式（月、季、年）
空气质量模式的选择
污染源类型及污染物性质
时间尺度
空间尺度 模拟区的下垫面特征 大气化学过程
常用空气质量模式的适用性
空气质量的解析模式（箱模式、高斯模式） 城市及区域空气质量数值模式（欧拉型K模
式）
远距离输送模式（烟团模式、拉格朗日K模
式）
箱 模 型
LQ c uh
它可以粗略估算城 市的大气污染物允 许排放总量，常用 于总量控制中。尤 其在缺少详细的气 象和污染源资料时 适用。
欧拉型K模式的物质传输方程
Ci (UCi ) ( KCi ) Ri Qi S i t
Ci
为污染物i的平均浓度
为风矢量
U
K
Ri Qi Si
为湍流扩散系数张量
为i污染物与其它污染物之间的化学反应转化率
为第i种污染物的排放率
第i种污染物的沉积清除率
K 模式的优点
总体效能较高斯模式大大提高 能模拟三维非定常流场中的输送和扩散 边界可以反射、吸收和穿透污染物 可模拟非线性化学反应引起的浓度变化
高斯型模式的优点
至今仍是最主要的应用型模式 适用于平原城市及郊区的范围在20-30km以内，
流场不十分复杂 误差主要来源于模式输入参数，尤其是污染 源资料不可能十分准确、精细 对气象资料的需求低，运算效率高，适用于 城市大气环境规划的方案优化和项目环评
高斯模式的局限性
重要缺陷：采用了均匀、定常假定 当尺度达到几十公里或因下垫面不均匀
可精细模拟沉积引起的浓度变化
高级的研究性的模式
K模式的局限性
很难用K模式求得高架点源的地面最大浓度和精确位置，当 需要计算某个点源对某个采样点的浓度贡献时，K模式并不
适用。
K模式的空间分辨率一般最小为1Km*1Km
K模式对输入参数要求很高，往往需要投入大量经费用于外
场试验
远距离输送模式
城市空气质量模式的发展
第一代模式
Gaussian Dispersion Model Photochemical Box Model
ISC3, CALPUFF, AERMOD
(for primary pollutants)
OZIP/EKMA
(for ozone)
http://www.epa.gov/scram001/tt22.htm
其核心部分为大气扩散模式，主要描写大 气对污染物的输送、扩散和稀释作用。
空气质量模式的种类
按理论体系分为：
统计理论模式 :将物质在大气中的行为用速度场的
运动学统计特征来描述 (如高斯正态模式、非正态 模式、Monte-Calo模式等 ) K理论模式:在不同假设条件下求解物质守恒方程， 为使方程闭合，通常假设湍流通量与平均变量的梯 度成比例 (如欧拉型模式、拉格朗日型模式、欧拉 －拉格朗日混合型模式) 相似理论模式:假设在常通量层中物质的运动行为 可以由速度尺度、温度尺度与动力学粗糙度长表征

中尺度（特征尺度100－103公里） 受流体动力学效应及地表能量收支非均匀性 ，局地－区域尺 度的大气扩散由中尺度大气过程控制

小尺度 （特征尺度小于100公里） 流场非常复杂 ，局地尺度的大气扩散受小尺度大气过程的支 配。
空气质量模式的概念
以数学方法定量描述大气中污染物从源到
接受点所经历的全过来自百度文库的一种手段或工具
趋于
泰勒、萨顿、高斯
三种湍流扩散理论——2）湍流统计理论
高斯扩散
？？平稳：湍流不随时间发生变化 ？？均匀：湍流不随空间发生变化
三种湍流扩散理论——3）相似扩散理论
大气过程的尺度

大尺度（特征尺度大于103公里） 主要受地表能量收支不均匀影响，大气运动流体静力的近似成 立 ，全球尺度及大部分的区域－大陆的大气扩散与大尺度大 气过程有关