【清华】4 大气扩散浓度估算模式-第二部分20150325_525306696
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第4章 大气污染浓度估算模式2
对上式积分得到： 对上式积分得到： •
H2 2qL ρ ( x,0,0, H ) = exp − 2 2π uδz 2δz
风向与线源不垂直时， 风向与线源不垂直时，若风向与线源夹角 ϕ > 45° ，线源下风向的
浓度模式为： 浓度模式为：
H2 2qL ρ ( x,0,0, H ) = exp − 2 2π uδz sinϕ 2δz
∞
式中： 式中：
n为烟流在两界面之间的
反射次数 D为逆温层地离地面的 为逆温层地离地面的 高度，即混合层高度， 。 高度，即混合层高度，m。
简化的计算公式，分三种情况处理： 简化的计算公式，分三种情况处理： • 当
为烟流垂直扩散高度刚好达到逆温层底市的水平距离。 注： xD为烟流垂直扩散高度刚好达到逆温层底市的水平距离。 为中心处
2、熏烟型扩散模式
熏烟过程
在夜间发生辐射逆温时，清晨太阳升起后， 在夜间发生辐射逆温时，清晨太阳升起后，逆温从地面开始破坏而 逐渐向上发展。当逆温破坏到烟流下边缘以上时， 逐渐向上发展。当逆温破坏到烟流下边缘以上时，便发生了强烈的向下 混合作用，使地面污染物浓度增大。这一过程称为熏烟过程。 混合作用，使地面污染物浓度增大。这一过程称为熏烟过程。 熏烟过程可一直持续到烟流上边缘的逆温层消失为止。 熏烟过程可一直持续到烟流上边缘的逆温层消失为止。
Qx ρ= uD
(各参数符号见教材P105) 各参数符号见教材P105)
n
污染物在垂直方向的扩散情况不符。因而， 污染物在垂直方向的扩散情况不符。因而，箱模式往往低估了实际 的地面浓度。大城市范围越大，应用效果越好。 的地面浓度。大城市范围越大，应用效果越好。
简化为点源的面源模式
《大气污染控制工程》第三章大气污染气象学第四章大气扩散浓度估算模式
➢有效源高 He称为烟囱的有效高度（烟轴高度） He由烟囱几何高度Hs和烟流抬升高度ΔH组成
He=Hs+ΔH 要得到He，需求出ΔH（烟气抬升高度）。
➢烟气抬升ΔH 烟气从烟囱排出，有风时，大致有四个阶段:(见下页图) a）喷出阶段；b）浮升阶段；c）瓦解阶段；d）变平阶段
浮升阶段
的技术方法》
（P点源排放控制系数，表4-9,4-10）
二、烟囱设计中的几个问题
对于设计的高烟囱（大于200m），若所在地区上部逆温 出现频率较高时，则应按有上部逆温的扩散模式（封闭型 或熏烟型模式）校核地面污染物浓度
烟气抬升公式的选择也是烟囱设计的重要一环 优先采用国家标准中的推荐公式
气象参数的选取 多年平均值；某一保证频率的值
取上述两种情况之间一定保证率下的平均风速和扩散参数国标gbt1320191制定地方大气污染物排放标准的技术方法p点源排放控制系数表49410二烟囱设计中的几个问题对于设计的高烟囱大于200m若所在地区上部逆温出现频率较高时则应按有上部逆温的扩散模式封闭型或熏烟型模式校核地面污染物浓度排气筒高度不低于其所属建筑物高度的2倍避免烟气受背风面涡流区影响总量控制区二氧化硫排放速率超过14kgh氮氧化物超过9kgh或一氧化碳超过180kgh时排气筒高度须超过30m
瓦解阶段
变平阶段
喷
出
ΔH
阶
段
Hs
图 烟气抬升与扩散
喷出阶段:烟气依靠本身的初始动量垂直向上喷射，该阶段的距离约为几至十几倍烟 囱的直径；
浮升阶段:烟气和周围空气之间因温差而产生的密度差所形成的浮力而使烟流上升， 上升烟流与水平气流之间的速度差异而产生的小尺度湍涡使得两者混合后的温差 不断减小，烟流上升趋势不断减缓，逐渐趋于水平方向；
大气扩散浓度估算模式
• 由此可以求出下方向任一点的浓度。 • 1）地面浓度模式 • 令z＝0，得
y2 H2 exp x , y ,0, H exp 2 2 2 2 令y＝0、z＝0，得
第四章 大气扩散浓度估算模式
• • • • • • • 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 大气扩散 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区的扩散模式 烟囱高度设计 厂址选择
4.1 大气扩散
• 污染物进入大气后，随着大气的运动发生迁移、扩 散稀释及降解转化。
• 4.2.4 无界空间连续点源扩散模式
• 正态分布函数
x, y, z A x e
• 式中
ay 2
e
bz 2
a
• 则
1 2
2 y
b
1
2 2 z
2 y2 Q z x, y , z exp 2 2 2 2 2 u y z y z
• 4.1.2.2 湍流扩散
• 1）大气的无规则运动称为大气湍流。根据其成因可把湍流 分为两类：
• 热力湍流：垂直方向温度分布不均匀，使空气发生垂直运动 并进一步发展形成。其强度主要取决于大气稳定度。 • 机械湍流：由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起 的湍流。其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度。
H2 x ,0,0, H exp 2 u y z 2 z Q
• 3）地面最大浓度模式
max
z 2Q 2 uH e y
z
x x max
H 2
• 4.2.6 地面连续点源扩散模式 • 令H=0，得
y2 H2 exp x , y ,0, H exp 2 2 2 2 令y＝0、z＝0，得
第四章 大气扩散浓度估算模式
• • • • • • • 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 大气扩散 高斯扩散模式 污染物浓度的估算方法 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区的扩散模式 烟囱高度设计 厂址选择
4.1 大气扩散
• 污染物进入大气后，随着大气的运动发生迁移、扩 散稀释及降解转化。
• 4.2.4 无界空间连续点源扩散模式
• 正态分布函数
x, y, z A x e
• 式中
ay 2
e
bz 2
a
• 则
1 2
2 y
b
1
2 2 z
2 y2 Q z x, y , z exp 2 2 2 2 2 u y z y z
• 4.1.2.2 湍流扩散
• 1）大气的无规则运动称为大气湍流。根据其成因可把湍流 分为两类：
• 热力湍流：垂直方向温度分布不均匀，使空气发生垂直运动 并进一步发展形成。其强度主要取决于大气稳定度。 • 机械湍流：由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起 的湍流。其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度。
H2 x ,0,0, H exp 2 u y z 2 z Q
• 3）地面最大浓度模式
max
z 2Q 2 uH e y
z
x x max
H 2
• 4.2.6 地面连续点源扩散模式 • 令H=0，得
4大气扩散
8
2
2
第四章 大气扩散浓度估算模式
4.2.3 高架连续点源扩散的高斯模式 必须考虑地面的影响，认为污染物在地面全部反射， 采用像源法处理，由实源和虚源污染物浓度叠加而成。 坐标系：以污染源在地面的投影为坐标原点，则：
Q y (z H ) C实 ( x, y, z ) exp( 2 ) exp[ ] 2 2 y 2 z 2 u y z
例：已知，Hs＝100m，d＝5m，ū＝12m/s，Ts＝1000C， Ta＝200C，Qn＝250m3/s，求抬升高度。 解：q H
C p (Ts Ta )Qn
1.298 (373 293) 250 25960kW
H n0 q H H s u
n1 n2
1
1.3 25960 69.1m
u ——平均风速，m/s；
Q——源强，g/s
7
第四章 大气扩散浓度估算模式
4个方程，4个未知数, 解积分，得：
a
1 2 y
2
b
1 2 z
2
Q A( x) 2 u y z
Q y z C ( x, y, z ) exp( 2 ) exp( 2 ) 2 y 2 z 2 u y z
26
第四章 大气扩散浓度估算模式
27
第四章 大气扩散浓度估算模式
c、影响抬升的因素 ①、初始动量，取决于烟流出口速度v和烟囱出口内径 初始动量大，烟气向上的惯性大，可获得较大的抬升 高度
②、烟温高于周围气温而产生的浮力 烟气温度高于周围大气之间的温差，Ts-Ta，
③、风速 另外，风速垂直切变、大气稳定度、地面粗糙度
第四章 大气扩散浓度估算模式
第四章 大气扩散浓度估算模式 4.1、湍流扩散理论简介 *、梯度输送理浓度估算模式
2
2
第四章 大气扩散浓度估算模式
4.2.3 高架连续点源扩散的高斯模式 必须考虑地面的影响，认为污染物在地面全部反射， 采用像源法处理，由实源和虚源污染物浓度叠加而成。 坐标系：以污染源在地面的投影为坐标原点，则：
Q y (z H ) C实 ( x, y, z ) exp( 2 ) exp[ ] 2 2 y 2 z 2 u y z
例：已知，Hs＝100m，d＝5m，ū＝12m/s，Ts＝1000C， Ta＝200C，Qn＝250m3/s，求抬升高度。 解：q H
C p (Ts Ta )Qn
1.298 (373 293) 250 25960kW
H n0 q H H s u
n1 n2
1
1.3 25960 69.1m
u ——平均风速，m/s；
Q——源强，g/s
7
第四章 大气扩散浓度估算模式
4个方程，4个未知数, 解积分，得：
a
1 2 y
2
b
1 2 z
2
Q A( x) 2 u y z
Q y z C ( x, y, z ) exp( 2 ) exp( 2 ) 2 y 2 z 2 u y z
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第四章 大气扩散浓度估算模式
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第四章 大气扩散浓度估算模式
c、影响抬升的因素 ①、初始动量，取决于烟流出口速度v和烟囱出口内径 初始动量大，烟气向上的惯性大，可获得较大的抬升 高度
②、烟温高于周围气温而产生的浮力 烟气温度高于周围大气之间的温差，Ts-Ta，
③、风速 另外，风速垂直切变、大气稳定度、地面粗糙度
第四章 大气扩散浓度估算模式
第四章 大气扩散浓度估算模式 4.1、湍流扩散理论简介 *、梯度输送理浓度估算模式
4大气扩散浓度估算模式
H2 ( x,0,0, H ) exp 2 2 u y z 大浓度)模式：
2Q z max 2 u H e y
z
x xmax
H 2
四. 地面连续点源扩散模式
y2 z 2 ( x, y, z,0) exp 2 2 u y z 2 z2 y Q
（2）当1700kW<QH<2100kW时：
QH 1700 H H1 H 2 H1 400
2(1.5vs D 0.01QH ) 0.048 (QH 1700 ) H1 u u
H2 0.332Q
3/ 5 H
H
2/ 5 s
u
1
（3）当QH≤1700kW或∆T<35K时：
吉福德（Gifford）
1. 根据常规气象资料确定稳定度级别
表4-4 稳定度级别划分表 地面风速u10 /m.s-1 <2 白天太阳辐射 强 A 中 A-B 弱 B 阴天的白 天或夜间 D 有云的夜晚 薄云遮天或低云≥5/10 云量≤4/10
2-3
3-5 5-6 >6
A-B
B C C
B
B-C C-D D
kw24875273140201402509783510024875303一pg扩散曲线法帕斯奎尔pasquill吉福德gifford根据常规气象资料确定稳定度级别表44稳定度级别划分表地面风速u10ms1白天太阳辐射阴天的白天或夜间有云的夜晚薄云遮天或低云510云量41023ab1稳定度级别中a为强不稳定b为不稳定c为弱不稳定d为中性e为较稳定f为稳定2稳定度级别ab表示按ab级的数据内插3夜间定义为日落前一小时至日出后一小时4不论何种天气状况夜间前后各一小时算作中性5强太阳辐射对应于碧空下的太阳高度角大于60的条件弱太阳辐射相当于碧空下太阳高度角为1535
大气扩散浓度估算模式
§第三节 污染物浓度的估算
2. 扩散参数的确定
（1）P－G曲线法
P－G曲线由.根据常规气象资料估算 再由Gifford制成方便的图表
§第三节 污染物浓度的估算 P－G曲线的应用
根据常规资料确定稳定度级别
§第三节 污染物浓度的估算
利用扩散曲线确定 y和 z
§第三节 污染物浓度的估算
H =0.362QH x u
1/3 2/3 1/3 2/3
1 1
H =1.55QH H s u
H =0.332QH 3/5 H s 2/5
3/5 3/5 6 / 5
x*=0.33QH H s u
§第三节 污染物浓度的估算
（3）我国国家标准（GB/T13201-91)中规定的公式
0
源强积分式
（单位时间物料守恒）
q
ucdydz
§第二节 高斯扩散模式
q y2 z2 c( x, y , z ) exp[ ( )] 2 2 2 y 2 z 2πu y z
§第二节 高斯扩散模式
高斯烟流中心线上的浓度分布
§第二节 高斯扩散模式
3. 高架连续点源扩散模式
熏烟型的污染示意图
§第四节 特殊气象条件下的扩散模式
• 例题4-6： • 某电厂烟囱有效高度150m，SO2排放量151g/s。 夜间和上午地面风速为4m/s，夜间云量3/10。 若清晨烟流全部发生熏烟现象，确定下风向 16km处的地面轴线浓度。
例题4-6
• 解：夜间u=4m/s、云量=3/10时，由表4-3查 得稳定度为E级。由E级和x=16km查表4-4得 σy=544m，σz=100m。则求得：
大气污染控制工程课件04大气扩散浓度估计模式
2、烟气抬升的原因
原因：
(1)排放源及排放烟气的性质 初始动量 流速和烟囱口内径 温度差 浮力项 (2)环境大气的性质 和烟流与周围大气的混合速率 （3）下垫面性质与烟流抬升
此外,平均风速、风速垂直切变及大气稳定度 等对烟流抬升都有影响。
2、烟气抬升计算公式
烟气抬升公式 1霍兰德公式 2布里吉斯公式 3我国的“制订原则和方法” 中推荐的公式 由于影响烟流抬升的因素多而复杂，还没 有一个通用的计算公式。现在所用都是的 经验或半经验公式。
高斯模式的有关假定-坐标系
2、四点假设
(1) 污染物浓度在 y 、 z 轴上的分布符合高斯分布 ( 正态分 布 )； (2)在全部空间中风速是均匀的、稳定的 (3)源强是连续均匀的 (4)在扩散过程中污染物质量是守恒的。 对后述的模式，只要没有特别指明，以上四点假设条 件都是遵守的。
二、无限空间连续点源扩散的高斯模式
T TS
3、中国国家标准
（2）1700 kW＜QH＜2100 kW时 Q 1700 H △H= △H1+(△H2-△H1)
400
2(1.5vs D 0.01QH ) 0.048(QH 1700 ) △H1= u u
△H2=n0 QHn1 Hs n2 u-1 计算的抬升高度。 （3） 当QH≤1700 kW或（Ts- Ta）＜35 K时： 是霍兰德公式计算值的2倍
(1)地面浓度模式 我们时常关心的是地面污染物浓度， 而不是任一点的浓度。由 式(4-7)在z=0时得到地面浓度
y2 H2 ( x, y,0, H ) exp ( 2 ) exp( 2 ) 2 y 2 z u y z Q
(2)地面轴线浓度模式 地面浓度是以x轴为对称的，轴线x上具有最大值、 向两侧（如y方向）逐渐减小，由式 (4—8)在y＝0 时得到地面轴线浓度。
大气扩散浓度估算模式
大气扩散浓度估算模式第一节 湍流扩散的基本理论一 湍流1．定义：大气的无规则运动风速的脉动 风向的摆动2．类型：按形成原因 热力湍流：温度垂直分布不均（不稳定）引起，取决于大气稳定度机械湍流：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起3．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倍二 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.梯度输送理论通过与菲克扩散理论类比建立起来的（菲克定律：单位时间内通过单位断面上的物质的数量与浓度梯度呈正比）类比于分子扩散，污染物的扩散速率与负浓度梯度成正比xCkF ∂∂-= 式中，F — 污染物的输送通量k — 湍流扩散系数 C — 污染物的浓度X — 与扩散截面垂直的空间坐标（扩散过程的长度）xC∂∂— 浓度梯度 要求得各种条件下某污染物的时、空分布，由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能是在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况进行修正。
2.湍流统计理论泰勒首先将统计理论应用在湍流扩散上图4-1显示：从原点O 放出的粒子，在风沿着x 方向吹的湍流大气中扩散。
粒子的位置用y 表示，则结论为：①y 随时间变化，但其变化的平均值为零②若从原点放出很多粒子，则在x 轴上粒子的浓度最高，浓席分布以x 轴为对称轴，并符合正态分布。
萨顿实用模式：解决污染物在大气中扩散的实用模式高斯模式：应用湍流统计理论得出正态分布假设下的扩散模式 3.相似理论第二节 高斯扩散模式一 坐标系的建立—右手坐标系1．原点O ：无界点源或地面源，O 为污染物的排放点高架源，O 为污染物的排放点在地面上的投影点补充：点源 高架源 连续源 固定源线源 地面源 间歇源 流动源 面源2．x 轴：正向为平均风向，烟流中心线与x 轴重合 3．y 轴：垂直于x 轴 4．z 轴：垂直于xoy 平面二 高斯模式的有关假定1．污染物浓度在y 、z 轴上的分布为正态分布；)2exp(21)(22y yy y f σπσ-=)2exp(21)(22z zz z f σπσ-=y σ，z σ— 分别为污染物在y 和z 方向上分布的标准差，m2．全部高度风速均匀稳定，即风速u 为常数；3．源强是连续均匀稳定的，源强Q 为定值；4．扩散中污染物是守恒的，不考虑转化，即烟云在扩散过程中没有沉降、化合、分解及地面吸收、吸附作用发生；0=∂∂tC5．在x 方向上，输送作用远远大于扩散作用，即 )(xCk x x C u x ∂∂∂∂>>∂∂； 6．地面足够平坦。
4大气污染浓度估算模式
4大气污染浓度估算模式气污染是指空气中存在的有害物质的浓度超过了对人类和环境健康的安全限值。
为了准确估算大气污染浓度，科研人员提出了多种模式，以下介绍四种常用的大气污染浓度估算模式。
1.高斯模型高斯模型是一种常用的空气污染浓度估算模式，也被称为点源模型。
这种模型假设污染物在大气中的传输和扩散过程符合高斯分布，即呈现出一个钟形曲线。
它通过输入源点的位置、排放速率、周围环境条件等参数，估算出不同距离和方向上的浓度。
高斯模型适用于估算点源的扩散浓度，如烟囱排放的污染物。
2.插值模型插值模型是一种基于测量而非计算的方法，用于估算大范围区域内的污染物浓度。
它通过采集分布在空间上的有限浓度数据点，并通过数学插值技术来推断其他地点的浓度。
插值模型可以更好地描述污染物随空间变化的趋势和分布规律。
常用的插值方法包括反距离权重插值法、克里金插值法等。
3.气象-扩散模型气象-扩散模型是一种综合考虑大气环境条件和物质扩散规律的模型。
它根据气象因素（如风速、风向、湍流强度等）和地理地形（如高度、植被覆盖等）等参数，模拟污染物的输送和扩散过程。
气象-扩散模型可以提供更准确的大范围区域内的污染物浓度预测，适用于城市、地区或国家层面的空气质量评估。
4.化学传输模型化学传输模型是一种综合考虑化学反应和扩散过程的模型，用于估算大范围区域内的污染物浓度。
它通过输入大气环境条件、污染物排放源的位置和排放量等参数，模拟和计算污染物在大气中的传输、转化和沉降过程。
化学传输模型可以评估不同化学物质的影响，预测和分析复杂的气象和污染过程。
这四种大气污染浓度估算模式各有优势和适用范围，可以根据具体情况选择合适的模型进行预测和分析。
大气浓度扩散估算模式课件
排污许可证管理
03
依据核定的排放总量，发放排污许可证，对排污单位实施许可
管理，确保污染物排放符合总量控制要求。
空气质量预报与预警
气象资料分析
收集历史气象资料，分析气象要素与污染物扩散的关系，建立气 象条件数据库。
模式预测
利用大气浓度扩散估算模式，结合实时的气象数据，对未来一定 时间内的空气质量进行预测。
THANKS
感谢观看
模型建立
结合工业园区内的生产工艺、排放源强、地形地貌等信息，构建污染物扩散模型，考虑 气象条件、地形和局地小气候等因素对污染物扩散的影响。
结果分析
分析不同排放情景下，园区周边环境中的污染物浓度分布，评估园区对周边环境的污染 影响程度，为工业园区的规划和管理提供科学依据。
大气污染联防联控模拟案例
案例概述
应用
用于模拟和分析湍流状态下的大气污染物扩散过程，有助于更好地理 解污染物的扩散机制。
污染物扩散模型
定义
污染物扩散模型是用来模拟和预测污染物在大气中扩散的数学模型。
原理
通过建立数学方程来描述污染物的扩散过程，利用数值方法求解方 程，得到污染物浓度的空间分布和时间变化。
应用
广泛应用于大气污染防治、环境影响评价和城市规划等领域，为决 策者提供科学依据。
扩散和传输过程。
未来展望
随着科技的不断进步和应用需求 的提高，大气浓度扩散估算模式 将继续发展，考虑更多的影响因 素和复杂条件，提高模拟精度和
实用性。
02
大气浓度扩散估算模式的理论基 础
大气对流扩散理论
定义
应用
大气对流扩散理论是研究在大气流动 过程中，污染物如何在大气中传播、 扩散和稀释的理论。
《大气污染控制工程》第三章大气污染气象学第四章大气扩散浓度估算模式
瓦解阶段:烟体不断膨胀过程中使得大气湍流作用明显加强，烟体结构瓦解，逐渐失 去抬升作用的；
变平阶段:在环境湍流作用下，烟流继续扩散膨胀并随风飘移的。
烟囱高度的计算
计算方法2:按地面绝对最大浓度计算
Cmax
2q ( z uH 2e y
)
（4-10）Cmax
u
H H (3 21) Cmax
的技术方法》
（P点源排放控制系数，表4-9,4-10）
二、烟囱设计中的几个问题
对于设计的高烟囱（大于200m），若所在地区上部逆温 出现频率较高时，则应按有上部逆温的扩散模式（封闭型 或熏烟型模式）校核地面污染物浓度
烟气抬升公式的选择也是烟囱设计的重要一环 优先采用国家标准中的推荐公式
气象参数的选取 多年平均值；某一保证频率的值
1. 大气稳定度的概念 指在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流。
定性理解：
外力使气块上升或下降 气块去掉外力
气块减速，有返回趋势，稳定 气块加速上升或下降，不稳定 气块停在外力去掉处，中性
不稳定条件下有利于扩散
大气稳定度与烟流 型的关系
波浪型（不稳） 锥型（中性or弱稳） 扇型（逆温） 爬升型（下稳，上
考虑地面轴线浓度模式
c(x,
y,
z,
H
)
q
u y
z
exp(
H2
2
2 z
)
上式，x增大，则 、y 增z 大，第一项减小，第二 项增大，必然在某x 处有最大值
第三章 大气污染气象学 第四章大气扩散浓度估算模式
扩散的要素
水平方向：风（平流输送）为主 垂直方向：湍流（脉动风速） 风速越大，湍流越强，大气污染扩散速度越快
变平阶段:在环境湍流作用下，烟流继续扩散膨胀并随风飘移的。
烟囱高度的计算
计算方法2:按地面绝对最大浓度计算
Cmax
2q ( z uH 2e y
)
（4-10）Cmax
u
H H (3 21) Cmax
的技术方法》
（P点源排放控制系数，表4-9,4-10）
二、烟囱设计中的几个问题
对于设计的高烟囱（大于200m），若所在地区上部逆温 出现频率较高时，则应按有上部逆温的扩散模式（封闭型 或熏烟型模式）校核地面污染物浓度
烟气抬升公式的选择也是烟囱设计的重要一环 优先采用国家标准中的推荐公式
气象参数的选取 多年平均值；某一保证频率的值
1. 大气稳定度的概念 指在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流。
定性理解：
外力使气块上升或下降 气块去掉外力
气块减速，有返回趋势，稳定 气块加速上升或下降，不稳定 气块停在外力去掉处，中性
不稳定条件下有利于扩散
大气稳定度与烟流 型的关系
波浪型（不稳） 锥型（中性or弱稳） 扇型（逆温） 爬升型（下稳，上
考虑地面轴线浓度模式
c(x,
y,
z,
H
)
q
u y
z
exp(
H2
2
2 z
)
上式，x增大，则 、y 增z 大，第一项减小，第二 项增大，必然在某x 处有最大值
第三章 大气污染气象学 第四章大气扩散浓度估算模式
扩散的要素
水平方向：风（平流输送）为主 垂直方向：湍流（脉动风速） 风速越大，湍流越强，大气污染扩散速度越快
大气污染控制工程 大气扩散浓度估算模式
1.利用高斯扩散模式计算污染物浓度
• 主要参数：
uQ、 、H、x、y、 zy、 z
27
四、污染物浓度的估算
2.烟气抬升高度的计算
有效源高
• 起因与两种形式
热力：温度垂直分布不均。 机械：风速分布不均匀
及地面粗糙度。
• 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。
3
一、大气污染物扩散的基本描述
2.湍流扩散的基本理论
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，将浓度梯度作为物质扩散的驱动力； ➢ 应用欧拉法研究每一空间位置上运动质点的特征量； ➢ 基本参数：湍流扩散系数K；气象资料：风速及K的垂直廓线； ➢ 限制条件：小尺度湍涡。
拉格朗日法(质点系法)：跟踪 并研究每个流体质点的运动情 况，把它们综合起来以掌握整 个流体运动的规律。
5
一、大气污染物扩散的基本描述
3.大气污染物浓度估算模式
概念：模拟大气污染物的输送、扩散、迁移过程，预测在 不同污染源条件、气象条件及下垫面条件下某污染物浓度 时空分布的数学模型，是大气中污染物迁移和扩散规律的、 简单化的数学描述。 应用：城市、区域、全球的气象、气候和大气污染研究。
13
三、高斯扩散模式
2.高斯扩散模式的假定
① 污染物浓度在y、z风 向上分布为正态分布; ② 全部高度风速均匀稳 定; ③ 源强是连续均匀稳定 的; ④ 扩散中污染物质量守 恒 ⑤ （不考虑转化）。
14
三、高斯扩散模式
3.高斯扩散模式的推导
x方向的扩散通量； k—— 湍流扩散系数,
m2/s。
15
✓ 作为法规模型支持空气质量评估和大气污染控制规划制定； ✓ 作为研究工具识别大气输送与扩散机理。
• 主要参数：
uQ、 、H、x、y、 zy、 z
27
四、污染物浓度的估算
2.烟气抬升高度的计算
有效源高
• 起因与两种形式
热力：温度垂直分布不均。 机械：风速分布不均匀
及地面粗糙度。
• 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。
3
一、大气污染物扩散的基本描述
2.湍流扩散的基本理论
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，将浓度梯度作为物质扩散的驱动力； ➢ 应用欧拉法研究每一空间位置上运动质点的特征量； ➢ 基本参数：湍流扩散系数K；气象资料：风速及K的垂直廓线； ➢ 限制条件：小尺度湍涡。
拉格朗日法(质点系法)：跟踪 并研究每个流体质点的运动情 况，把它们综合起来以掌握整 个流体运动的规律。
5
一、大气污染物扩散的基本描述
3.大气污染物浓度估算模式
概念：模拟大气污染物的输送、扩散、迁移过程，预测在 不同污染源条件、气象条件及下垫面条件下某污染物浓度 时空分布的数学模型，是大气中污染物迁移和扩散规律的、 简单化的数学描述。 应用：城市、区域、全球的气象、气候和大气污染研究。
13
三、高斯扩散模式
2.高斯扩散模式的假定
① 污染物浓度在y、z风 向上分布为正态分布; ② 全部高度风速均匀稳 定; ③ 源强是连续均匀稳定 的; ④ 扩散中污染物质量守 恒 ⑤ （不考虑转化）。
14
三、高斯扩散模式
3.高斯扩散模式的推导
x方向的扩散通量； k—— 湍流扩散系数,
m2/s。
15
✓ 作为法规模型支持空气质量评估和大气污染控制规划制定； ✓ 作为研究工具识别大气输送与扩散机理。
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ISC3, AERMOD, CALPUFF
(for primary pollutants)
OZIP/EKMA
(for ozone)
/scram001/tt22.htm
30
八、空气质量模式的新进展
1.空气质量模式的发展
第二代模式
Eulerian Grid Models :
1 2π
exp
p2 2
dp
p1 y1 / y
p2 y2 / y 注意“边缘效应”！
11
六、城市及山区扩散模式
1.城市大气扩散模式
例题： 在阴天情况下，风向与公路垂直，平均风速为4m/s， 最大交通量为8000辆/h，车辆平均速度为64km/h，每辆车排 放CO量为2×10-2 g/s，试求距公路下风向300m处的CO浓度。
2Q πuH 2e
z y
烟气抬升高度与风速的关系：
H B u
，代入
H
Hs
B u
令 dmax / du 0 ，得到危险风速 uc B / Hs
将
H
B uc
Hs
H 2
代入可得
absm
Q z 2πeHsB y
Q
2πeH
2 s
u
c
z y
Hs
≥
2πeu c
查P-G曲线 －> xD
2. 当 x 2xD ，z向浓度混合均匀，z分布函数为
3. xD x 2xD
x xD
x 2xD －>内插（假定变化为线性）
4
五、特殊气象条件下的扩散模式
2.熏烟型扩散模式
• 假设： D 换成hf（垂向均匀分布）；Q 只包括进入混合层 部分， 则
5
五、特殊气象条件下的扩散模式
UAM, RADM, REMSAD, ROM
/asmd
nerl/modeling.htm
31
八、空气质量模式的新进展
1.空气质量模式的发展
Photochemical Grid
Models UAM
32
八、空气质量模式的新进展
1.空气质量模式的发展
第三代模式(Models-3):One Atmosphere的概念
– 上部存在逆温层的气象条件 – 相当于两镜面之间无穷次全反射 – 实源在两个镜子里形成n个像 – n为在地面和逆面间反射次数 – 实源和无穷多个虚源贡献之和
3
五、特殊气象条件下的扩散模式
1.封闭型扩散模式
• 计算简化
1. 当 x xD （尚未到封闭阶段） z D2.15H（烟流半宽度）
9
六、城市及山区扩散模式
1.城市大气扩散模式
（1）线源扩散模式
计算：
① 确定单位线源源强QL作用下地面污染物浓度
( x,
y,0)
QL
πu y
z
exp
H2
2
2 z
exp
y2
2
2 y
② 确定无限长线源下风向的地面浓度模式
( x,
y,0)
面源单元
n
b x
Qi
i1 uH
13
六、城市及山区扩散模式
1.城市大气扩散模式
② 简化为点源的面源模式 网格划分：将面源按照 一定方式划分成面积相 等的小方格，每个小方 格称为一个单位面源， 源强等于方格内总源强 除以方格面积。
14
六、城市及山区扩散模式
1.城市大气扩散模式
② 简化为点源的面源模式 网格划分 虚拟等效：虚拟点源 排放的污染物扩散到 单位面源中心的时候， 烟流宽度等于面源宽 度，烟流厚度等于面 源高度。
解答：
(1)确定适用的扩散公式，公路可以当作一无限长线源
(x，0)
2QL
2π u
z
exp
H2
2
2 z
(2)源强为
QL
8000 210 2 64000
g/(s m)
2.510 3 g/(s m)
(3)确定当日大气稳定度，阴天为D级稳定度，由书中表4-4 查
Q
0
b
z y
26
七、烟囱高度的设计
1.烟囱高度的计算
⑶按一定保证率法计算 ⑷P值法
《制定地方大气污染物排放标准的技术方法》
Q PH 2 10 6
地区 一类 二类 三类 序号 功能区 功能区 功能区
1
Hs ≥
Q 106 H P
2 3
4
式中：Q——点源允许排放量，t/h;
第四章 大气污染物浓度估算模式
本章主要内容
湍流扩散的基本理论 箱子模式 高斯扩散模式 污染物浓度的估算 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区扩散模式 烟囱高度设计 空气质量模式的新进展
2
五、特殊气象条件下的扩散模式
主要指气象条件与高斯模式不一样（温度层结构均一，实际中难以 实现）
1.封闭型扩散模式
22
七、烟囱高度的设计
1.烟囱高度的计算
烟囱高度设计要求
① 地面浓度不超标 ② 造价最低， 造价正比于H
烟囱高度的计算方法
① 按地面最大浓度计算 ② 按地面绝对最大浓度计算 ③ 按一定保证率计算 ④ P值法
最大落地浓度与烟囱高度 之间的关系
23
七、烟囱高度的设计
1.烟囱高度的计算
⑴按地面最大浓度计算
( x,0,
hT )
Q
πu y
z
exp
(hT H )2
2
2 z
（3）ERT模式
有效源高：H>hT 时为(H hT / 2)
；
H<hT 时为H/2。
21
本章主要内容
湍流扩散的基本理论 箱子模式 高斯扩散模式 污染物浓度的估算 特殊气象条件下的扩散模式 城市及山区扩散模式 烟囱高度设计 空气质量模式的新进展
A Q0
u
A
2 π
1/
2
1
1
2
2
x x
2
0.8 x
12 z
式中：Q0——计算点所在面单元的源强，g/(m2•s)； x——计算点到上风向城市边缘的距离，m。
18
六、城市及山区扩散模式
2.山区扩散模式
山区大气污染特点
– 山区流场由于受到复杂地形的热力和动力因子影响，流 场均匀和定常的假定难以成立。
得在下风向300m处， z 12.1m
(4)CO浓度 (300,0) 0.0412 mg/m 3
12
六、城市及山区扩散模式
1.城市大气扩散模式
（2）面源扩散模式
–面源：烟囱高<40m；单个排放量<0.04t/h。
① 箱子模式： b QL
uH
考虑源强的不均匀性，
沿x方向划分为更小的
– 对风向稳定、研究尺度不大、地形较为开阔及起伏不大 的地区，浓度基本上遵循正态分布规律，只是扩散参数 比平原地区大很多。
19
六、城市及山区扩散模式
2.山区扩散模式
（1）封闭山谷扩散模式
主要假定：
山区地形起伏不大、地势较 为开阔；
风向基本稳定；
研究尺度比较小；
距离污染源一段距离处，横 向均匀分布。
保证污染物的地面最大浓度不超过国家标准规定
的浓度限值
max
2Q πuH 2e
z y
max 0 b
Hs ≥
2Q z H eπu (0 b ) y
式中： ρ0——标准规定的浓度限值;
ρb——本底浓度；
z y
——在0.5～1.0取值。
24
七、烟囱高度的设计
QL
πu y
z
exp
H2
2
2 z
exp
y2
2
2 y
dy
(x，0)
2QL
2π u
z
exp
H2
2
2 z
风向和线源不垂直时，交角>45o C(x,0)
2π
2QL
u z sin
exp
H2
2
2 z
10
六、城市及山区扩散模式
1.城市大气扩散模式
有限长线源：在街道上行驶的车辆只能在街道两 侧产生断续的稳定浓度场的线源。
主要假定：
① 风向与线源方向垂直；
② 接受点处平均风向为x方向；
③ 线源范围y1＜y ＜y2。
(x, y,0)
2QL
2πu z
exp
H2
2
2 z
p2 p1
7
六、城市及山区扩散模式
1.城市大气扩散模式
城市大气污染特点
污染源种类多：点源、线源、面源 下垫面粗糙度大 城市热岛效应
8
六、城市及山区扩散模式
1.城市大气扩散模式
（1）线源扩散模式
无限长线源：较长街道或公路上行驶的车辆密度 大，可在街道两侧形成连续稳定长度的线源。 主要假定： ① 污染物连续排放，形成无限长线源； ② 风向与线源垂直； ③ 在横风向上，污染物浓度处处相同。
5 6
P——点源排放控制系数，t/(h•m2)。 7
5 15~20 25~50
6 18~25 30~50
6 15~25 30~50
5 15~20 25~50