大气中污染物的扩散

• 多数大气过程可视为绝热过程，气温变化由外界 压力变化引起。
• 当空气块绝热上升：气体对外作功，消耗内能， 温度下降；绝热下降时：外界对其作功，气体内 能增加，温度上升。
• 一小的干空气块，设在z处Vi ,Pi,Ti,周围空气V ,P,T上升 至z+dz处Vi ＋dVi ,Pi +dPi,Ti+d Ti ，周围空气V +dV P+dP,T+dT
下沉逆温:压缩逆温，高压控制区，数百米，多发生在高空大气
平流逆温：中纬度沿海地区，海上暖空气流到大陆或冷空气上
湍流逆温：湍流运动形成
锋面逆温：暖空气团爬到了冷空气团上层，冷空气一面可见
4。不同温度层结下的烟型
反卷型（波浪型）： γ-γd>0,多见于晴朗的白天
锥型： γ-γd≈0 平展型： γ-γd<-1(烟囱出口在逆温层） 上升型（屋脊型）：下部大气稳定，上部大气，日落 熏蒸型（漫烟型）：下部γ-γd>0,上部γ-γd<-1，上午 8－9点
第二节 大气水平运动和湍流
• 作用于大气的力：
气压梯度力
地转偏向力 惯性离心力 摩擦力 重力
近地层风速廓线
• 风速廓线：平均风速随高度变化的曲线，数学表达式为风速廓线 模式。 中性层结条件下的风速廓线模式 非中性层结条件下的风速廓线模式
大气的湍流运动
• 扩散的要素
• 风：平流输送为主，风大则湍流大 • 湍流：扩散比分子扩散快105～106倍
2。非稳定大气：气块加速上升或下降，此大气为称为非稳定大
气。
3。中性大气：气块被推到哪里就停在那里或作等速运动，此大
气为称为非稳定大气。
大气稳定度判定方法
• 设一空气块，状态参数为Pi,Ti，ρi,周围空气为P,T,ρ。
利用准静力条件及理想气体状态方程：
g( P Pi ) a Pi
g(T Ti ) a Ti
• 湍流的基本概念
• 湍流——大气的无规则运动
• 风速的脉动 • 风向的摆动
• 起因与两种形式
• 热力：温度垂直分布不均（不稳定） • 机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度
湍流扩散理论
• 主要阐述湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系 1.梯度输送理论
类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比
dTi R dPi . Ti C P Pi
假定空气气压满足准静力条件：pi=p,pi+dpi=p+dp
dT R dP . T CP P
dp=-ρg.dz Ti=T
干绝热递减率
dTi g d 0.98K / 100m dz C p
Cp_ 干空气定压比热＝1004J／(kg.K)
• 5.城市及山区的扩散模式
• 6.烟囱高度设计
高斯模式的有关假定:
• 坐标系
右手坐标，y为横风向，z为垂直向
• 四点假设
• a．污染物浓度在y、z风向上分布为正态分布 • b．全部高度风速均匀稳定 • c．源强是连续均匀稳定的 • d．扩散中污染物是守恒的（不考虑转化）
高斯扩散模式
• 高斯扩散模式的坐标系
无界空间连续点源扩散模式
• 由正态分布假定，得下风向任一点的浓度分布 ay 2 bz 2 c( x, y, z) A( x)e e • 方差的表达式
2 y


0
y 2cdy


0
cdy
z2


0
z 2cdz c dz


0
• 由假定d
源强积分式
（单位时间物质守恒）
q

1.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ气边界层的温度场
• 气温垂直递减
原因：对流层中气体接受地面热量不同； 对流层中水汽和固体杂质分布不均，对地面热辐射接受不同。
1。气温的垂直递减率： γd
• 干绝热递减率：干空气块或为饱和的湿空气块 在绝热条件下每升高单位高度（100m）所造成 的温度下降数值。
dTi d dz
• Ti：干空气块的温度，不同于周围空气的温度。
温度层结：气温随高度的分布
• 1:正常分布层结γ>0；2：中性层结γ= γd ；3：等 温层结γ=0 ；4：逆温γ<0
高 度 Z(m)
2
3
1
4
温度t(0C)
• 2。大气稳定度（垂向）
当一空气块受外力作用后产生上升（下降）运动后，去除外力，
1。稳定大气：气块减速并有返回原来高度的趋势，此大气为称 为稳定大气。
如为绝热运动，在Δz处，气块温度Ti= Ti0-γd.Δz，周围大气T= T0-γ.Δz 假设T0=Ti0
a
判定依据： γ-γd
g( d )

z
3。逆温
γ<0，γ-γd<0，逆温层大气为稳定大气
逆温层可称为阻隔层，会造成较为严重的大气污染。
逆温分类
辐射逆温：多见于冬季白天，200－300m,最大达400m
2.湍流统计理论
泰勒，正态分布 萨顿实用模式
高斯模式
3.相似理论
影响大气污染的地理因素
• 地形和地物的影响 • 山谷风 • 海陆风 • 城市热岛环流 其它因素： 污染物的性质和成分 污染源的几何形状和排放方式
第五节 大气中污染物的扩散模式
• 1.湍流扩散的基本理论 • 2.高斯扩散模式 • 3.污染物浓度的估算方法 • 4.特殊气象条件下的扩散模式
大气中污染物的扩散
• 主要气象要素对大气污染的影响 • 主要污染源扩散模式
• 1.大气边界层的温度场 • 2.大气水平运动和湍流
• 3.影响大气污染的地理因素
• 4.影响大气污染的其它因素 • 5.大气中污染物扩散模式
• 6.扩散参数的确定
• 1.湍流扩散的基本理论 • 2.高斯扩散模式 • 3.污染物浓度的估算方法 • 4.特殊气象条件下的扩散模式 • 5.城市及山区的扩散模式 • 6.烟囱高度设计
大气绝热过程：
K 1 K
dT R dP . T CP P
T2 P2 T1 P1
式中：T1， T2－状态1，2的空气温度（K）； P1， P2－状态1，2的空气压力（Pa）； R_空气的气体常数［J/(kg.K)］； Cp_空气的定压比热［J/(kg.K)］； K—绝热指数



ucdydz
q y2 z2 c( x, y , z ) exp[ ( 2 )] 2 2 y 2 z 2πu y z
高斯烟流的形态
q y2 z2 c( x, y , z ) exp[ ( 2 )] 2 2 y 2 z 2πu y z