污染气象学非扩散过程及特殊扩散
大气污染物气象扩散模型研究
大气污染物气象扩散模型研究引言:大气污染对人类健康和环境造成了严重的影响。
如何准确预测和评估大气污染物的扩散过程成为了环境科学领域的重要研究问题之一。
为了更好地理解和解决这一问题，科学家们开展了大量的研究工作，其中包括大气污染物气象扩散模型的研究。
本文将介绍大气污染物气象扩散模型的研究现状、主要的模型及其应用领域。
一、大气污染物气象扩散模型的研究现状大气污染物气象扩散模型是通过建立数学模型，模拟和预测大气污染物在大气中的传输、扩散和沉降过程。
这些模型基于大气环流、物理过程和化学反应等因素进行计算，以提供精确的大气污染物浓度和传播方向等信息。
目前，大气污染物气象扩散模型研究主要集中在以下几个方面：1.物理参量模型：物理参量模型通过对大气层的物理特性和过程进行建模，如大气环流、湍流扩散和大气边界层等，来描述大气污染物的传输和扩散行为。
常见的物理参量模型包括Gaussian模型、Box模型和Lagrangian模型等。
这些模型基于物理方程和统计学原理，能够较好地模拟大气污染物的传输和扩散过程。
2.数值模拟模型：数值模拟模型是通过将大气分为网格单元，利用数值方法求解运动方程和污染物浓度的方程，来模拟大气污染物的传输和扩散过程。
常见的数值模拟模型包括Eulerian模型、Lagrangian模型和Hybrid模型等。
这些模型基于数值计算方法，能够更加精细地模拟大气污染物的传输和扩散过程。
3.数据驱动模型：数据驱动模型是通过利用大量的观测数据和统计方法，来建立大气污染物的传输和扩散模型。
常见的数据驱动模型包括回归模型、神经网络模型和支持向量机模型等。
这些模型基于数据分析和统计学方法，能够从观测数据中发现污染物的扩散规律，对大气污染进行预测和评估。
二、主要的大气污染物气象扩散模型1. Gaussian模型：Gaussian模型是一种基于统计学原理的物理参量模型，常用于描述大气污染物的传输和扩散过程。
该模型假设污染物浓度服从高斯分布，并考虑大气环流、湍流扩散和大气边界层等因素，能够较好地模拟污染物的传输过程。
污染气象学大气扩散参数
污染气象学大气扩散参数大气扩散参数是指用于描述污染物在大气中传输和扩散的各种参数，包括平流、湍流和稳定度等。
这些参数主要通过气象观测和模拟来获得，并在大气扩散模型中应用，以预测和评估大气污染物的扩散范围和浓度分布。
首先，平流是指大气中水平风速和风向的变化情况。
平流对大气扩散起着主导作用，因为它决定了污染物在大气中的传输距离和速度。
平流可以通过气象观测和数值模拟来确定，常用的平流参数有水平风速、风向、风切变等。
其次，湍流是指大气中垂直风速和湍流强度的变化情况。
湍流对大气扩散起着重要作用，因为它决定了污染物在垂直方向上的混合和扩散效果。
湍流可以通过气象观测和湍流模型来确定，常用的湍流参数有垂直风速、湍流强度、湍流释放系数等。
最后，稳定度是指大气中温度垂直分布的变化情况。
稳定度对大气扩散也有重要影响，因为它决定了污染物在大气中的上升和下沉运动。
不同稳定度条件下的大气扩散情况差异很大，所以稳定度是影响空气质量的关键因素。
稳定度可以通过气象观测和数值模拟来计算，常用的稳定度参数有温度垂直梯度、温度倾角、位温等。
需要注意的是，大气扩散参数的确定和应用需要考虑多种因素的综合影响。
例如，在复杂地形和复杂气象条件下，大气扩散参数的计算和模拟更为困难，结果也更不准确。
此外，大气污染物的种类、浓度、释放方式等因素也会对大气扩散参数产生影响。
综上所述，大气扩散参数是研究大气污染传输和空气质量的关键指标，其包括平流、湍流和稳定度等参数。
这些参数通过气象观测和模拟来获得，并在大气扩散模型中应用，以预测和评估大气污染物的扩散范围和浓度分布。
了解和掌握这些参数对于污染物源治理和环境保护具有重要意义。
污染物扩散与各种气象的关系讲解学习
污染物扩散与各种气象的关系污染物从污染源排放到大气中，只是一系列复杂过程的开始，污染物在大气中的迁移、扩散是这些复杂过程的重要方面。
大气污染物在迁移、扩散过程中对生态环境产生影响和危害。
因此，大气污染物的迁移、扩散规律为人们所关注。
一、影响大气污染的气象因子大气污染物的行为都是发生在千变万化的大气中，大气的性状在很大程度上影响污染物的时空分布，世界上一些著名大气污染事件都是在特定气象条件下发生的。
影响大气污染的气象因素最重要的是流场和温度层结。
（一）风和大气湍流的影响污染物在大气中的扩散取决于三个因素。
风可使污染物向下风向扩散，湍流可使污染物向各方向扩散，浓度梯度可使污染物发生质量扩散，其中风和湍流起主导作用。
湍流具有极强的扩散能力，它比分子扩散快 105～ 106倍，风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物浓度就越低。
在自由大气中的乱流及其效应通常极微弱，污染物很少到达这里。
根据湍流形成的原因可分为两种湍流，一种是动力湍流，它起因于有规律水平运动的气流遇到起伏不平的地形扰动所产生，它们主要取决于风速梯度和地面粗糙等；另一种是热力湍流，它起因于地表面温度与地表面附近的温度不均一，近地面空气受热膨胀而上升，随之上面的冷空气下降，从而形成垂直运动。
它们有时以动力湍流为主，有时动力湍流与热力湍流共存，且主次难分。
这些都是使大气中污染物迁移的主要原因。
（二）温度层结和大气稳定度1. 大气温度层结由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层次大气对太阳辐射吸收程度上的差异，使得描述大气状态的温度、密度等气象要素在垂直方向上呈不均匀的分布。
人们通常把静大气的温度和密度在垂直方向上的分布，称为大气温度层结。
气温随高度的变化用气温垂直递减率γ来表示，γ = 其单位常用℃ / 100m 。
气温垂直递减率γ和另一个在空气污染气象学中经常用到的概念——干绝热垂直递减率γd是不同的。
γd表示干空气在绝热升降过程中每变化单位高度时干空气自身温度的变化，它表示干空气的热力学性质，是一个气象常数，γd= 0.98 ℃ / 100m 。
污染气象学 大气扩散参数
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。
➢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
2 不同稳定度分类方法
（1）风向脉动标准差（EPA，1990）
• 以风速做细致调整，观测数据在粗糙度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
由 和 H
z
x xm
H 2
由 z ~ x 曲线（图
z
反查出 xcmax
由
y
~
x
曲线（图
y
由式（3.10 求出 Cmax
三 扩散曲线法的完善
1.国家标准中的修改应用（GB/T13201-91）
➢修正太阳高度角的计算方法 ➢适应我国大量地面观测无云高观测 的情况
中国国家标准规定的方法
➢平原地区和城市远郊区，D、E、F向不稳 定方向提半级
f为普适函数，扩散参数，函数形式随源高和
稳定度变化
(2) 特点
✓方法原理与湍流统计理论基础一致 ✓舍弃分离的稳定度级别，采用连续性稳定
度，接近实际 ✓考虑源高影响，认为f是稳定度状况函数 ✓使用方便，可用于多种情况
(3) 扩散函数f 的确定
由泰勒公式积分可得
污染物扩散与各种气象的关系
污染物扩散与各种⽓象的关系污染物扩散与各种⽓象的关系污染物从污染源排放到⼤⽓中，只是⼀系列复杂过程的开始，污染物在⼤⽓中的迁移、扩散是这些复杂过程的重要⽅⾯。
⼤⽓污染物在迁移、扩散过程中对⽣态环境产⽣影响和危害。
因此，⼤⽓污染物的迁移、扩散规律为⼈们所关注。
⼀、影响⼤⽓污染的⽓象因⼦⼤⽓污染物的⾏为都是发⽣在千变万化的⼤⽓中，⼤⽓的性状在很⼤程度上影响污染物的时空分布，世界上⼀些著名⼤⽓污染事件都是在特定⽓象条件下发⽣的。
影响⼤⽓污染的⽓象因素最重要的是流场和温度层结。
（⼀）风和⼤⽓湍流的影响污染物在⼤⽓中的扩散取决于三个因素。
风可使污染物向下风向扩散，湍流可使污染物向各⽅向扩散，浓度梯度可使污染物发⽣质量扩散，其中风和湍流起主导作⽤。
湍流具有极强的扩散能⼒，它⽐分⼦扩散快 105～ 106倍，风速越⼤，湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物浓度就越低。
在⾃由⼤⽓中的乱流及其效应通常极微弱，污染物很少到达这⾥。
根据湍流形成的原因可分为两种湍流，⼀种是动⼒湍流，它起因于有规律⽔平运动的⽓流遇到起伏不平的地形扰动所产⽣，它们主要取决于风速梯度和地⾯粗糙等；另⼀种是热⼒湍流，它起因于地表⾯温度与地表⾯附近的温度不均⼀，近地⾯空⽓受热膨胀⽽上升，随之上⾯的冷空⽓下降，从⽽形成垂直运动。
它们有时以动⼒湍流为主，有时动⼒湍流与热⼒湍流共存，且主次难分。
这些都是使⼤⽓中污染物迁移的主要原因。
（⼆）温度层结和⼤⽓稳定度1. ⼤⽓温度层结由于地球旋转作⽤以及距地⾯不同⾼度的各层次⼤⽓对太阳辐射吸收程度上的差异，使得描述⼤⽓状态的温度、密度等⽓象要素在垂直⽅向上呈不均匀的分布。
⼈们通常把静⼤⽓的温度和密度在垂直⽅向上的分布，称为⼤⽓温度层结。
⽓温随⾼度的变化⽤⽓温垂直递减率γ来表⽰，γ = 其单位常⽤℃ / 100m 。
⽓温垂直递减率γ和另⼀个在空⽓污染⽓象学中经常⽤到的概念——⼲绝热垂直递减率γd是不同的。
γd表⽰⼲空⽓在绝热升降过程中每变化单位⾼度时⼲空⽓⾃⾝温度的变化，它表⽰⼲空⽓的热⼒学性质，是⼀个⽓象常数，γd= 0.98 ℃ / 100m 。
污染气象学课件：4_1 城市大气扩散
印痕与源区域
--footprint and source area(Schmid 1994)
“印痕”的本质：-- 时间反向的扩散过现城市污 染物浓度的峰值，这与逆温破坏和抬升的 时间有关系。
广州2003年严重灰霾事件
广州 2003年 11月2日
广州 2003年 11月3日
人为活动日变化
例：北京市so2地面浓度日变化图： 两个峰值： 08时：日出后，人们的生产与生活活动加剧，污染物排放
量大增。 18～20时：近日落时，湍流活动逐渐减弱，而生活燃烧
第四章
城市、山区和水域附近扩散
第四章 城市、山区和水域附近扩散
§4.1 城市大气扩散 §4.2 城市多源高斯模式 §4.3 山区大气扩散 §4.4 水域附近大气扩散
第三章 大气扩散估算 -----平坦,均匀地形,某一平均风的下风向浓度
非均匀和复杂下垫面
§4.1 城市大气扩散
城市大气边界层
城市面积不断扩大,使得城市边界层影响日益重要,并且随着城 市向高空发展,城市边界层更加复杂,城市冠层的输送,建筑物阻力 和尾流湍流,多重反射,粗糙度的确定以及日益普及的空调和汽车 的热源效应的影响等,都是当今的难点问题。
3. 城市风场和湍流 (1)风场
在晴朗平稳的天气下可形成从周围农村吹向城市的局地风， 称为“城市风”。这种风可将郊区工厂的污染物带到市中心，使 污染浓度升高。
出现地区性静风时，城市风非常明显。有和风时，只在城市背 风部分出现城市风。
城市下垫面较大的粗糙度：
减小平均风速，(市区比郊区小30%-40%) 降低风速梯度（下图） 使风向摆动增大（一般在±300左右摆动）
污染气象学非扩散过程及特殊扩散.pptx
2 vd
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Q(x) Q exp
1 H 2 dx
源项随距离x的变化
e 0
2 z2
z
干沉积主要是优先清除近地面处的污染， 而并非在整个烟流厚度层范围均匀起作用 的。
故此，源损耗模式尚有必要进一步改善。
重力沉降、湍流运动、布朗运动、惯性作 用和静电作用等，是形成干沉积的主要物理过 程。
(2)湿沉积——由云、雾和降水(雨，雪等形式) 等通过污染物质被吸收进入水滴或随水滴被清 除。
此外。化学转化亦是一种清除机制，但 它是由一种物质转换成另一种物质，因 此．它只是对原生污染物的清除，同时却又 滋生新的次生污染物。
湿沉积：令气体污染物在(x,y,z)位置，t时 刻的平均浓度为q(x,y,z;t)，而平均的气溶 胶尺度分布函数为F(Dp；x,y,z,t)。
w y, 0;t)
如果正被清除的物质在厚度为H的一层里垂 直分布是均匀的
vw (z,t)dz H
定义冲洗比(washout ratio)wr
q(水相) wr q(x, y, 0;t)
湿沉积速度与冲洗比之间有关系
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❖ 发一度电差不多是耗煤300克，华能南京电厂 年发电量64万千瓦，除尘效率95%，假若75% 在周围9平方公里范围内沉降，每月每平方公 里范围的尘量是多少？
❖ 假如H=100m，u=5m/s,粒子密度=2.5g/cm3,空 气密度=1.29kg/m3，粒径20um，求烟流轴线 触地的水平距离.
大气污染物气象扩散条件研究
大气污染物气象扩散条件研究大气污染是当今社会面临的重要环境问题之一，而气象扩散条件作为影响大气污染物传输和扩散的重要因素，受到了广泛的关注和研究。
在这篇文章中，我们将探讨大气污染物气象扩散条件的研究及其对环境保护的意义。
首先，什么是大气污染物气象扩散条件？简单来说，它是指影响污染物在大气中传输和扩散的气象条件。
一般来说，气象扩散条件由风速、风向、大气稳定度等多个因素共同决定。
风速和风向直接影响着污染物的传输方向和速度，而大气的稳定度则决定了污染物在大气中的扩散能力。
那么，为什么大气污染物气象扩散条件的研究十分重要呢？首先，它有助于我们了解大气污染物的来源和传输路径。
通过分析气象扩散条件，可以确定大气中的污染物是从何处来的，这对环境管理和污染防治具有重要意义。
其次，研究气象扩散条件可以帮助我们预测和预防大气污染事件的发生。
通过对气象条件的准确把握，有助于我们提前采取相应的措施，避免或减轻污染物的扩散和影响。
最后，研究气象扩散条件对于制定环境保护政策和控制大气污染物的排放量也具有一定的指导意义。
通过科学分析和研究，可以找出影响污染物扩散的关键因素，从而有针对性地制定相应的环保政策和排放限制。
接下来，我们将详细探讨一下影响大气污染物扩散的气象因素。
首先是风速和风向。
风向决定了污染物的传输路径，当风向一直保持不变时，污染物容易积聚在某一区域，造成严重的大气污染。
而风速的变化则决定了污染物的传输速度，当风速较低时，污染物容易停留在一定区域内，导致污染物浓度升高。
其次是大气稳定度。
大气稳定度越高，污染物的扩散能力越差，容易导致污染物积聚和累积，从而增加了大气污染的风险。
相反，大气稳定度越低，有利于污染物的扩散和稀释，减少了大气污染的可能。
同时，除了风速、风向和大气稳定度外，温度、湿度等气象因素也会对大气污染物的传输和扩散产生一定的影响。
例如，温度的升高会使空气分子更加活跃，加速了污染物的扩散。
而湿度的增加则可以促进大气污染物的溶解和沉降，减少污染物对环境的影响。
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2 气体和小粒子的干沉降
气体和很小的粒子(粒径小于10-20um)上述 沉降作用可忽略不考虑。但由于湍流扩散和布 朗运动沉积到各种表面。吸收、碰撞、光合作 用和其它生物学、化学和物理学过程会使物质 沉积到地面。
一般都假定下垫面对这类小粒子的清除作 用不影响大气中污染物的浓度分布形式，而只 影响大气中污染物的总量，或者说影响有效源 强。
(z, t)q(x, y, z;t) 污染气体清除率
(Dp , z,t)F (Dp , x, y, z;t) 气溶胶清除率
函数: 冲洗系数,与离地高度和时间有关
干沉积
定义为那些使污染物质在地面被消除的 过程。物质垂直向下的通量可用一个称之为
沉积速度的经验参数 vd乘上某高度 z1的物质
浓度。
沉积速度 vd 与以下诸因素有关：
§4.5 其他非扩散过程
非扩散过程:
1.烟流抬升作用，增加烟源有效高度
2.污染物干沉积、湿沉积和由化学变化 形成的迁移转化
3.固体下垫面的作用
一 大气清除过程的一般表述
1. 基本机制： (1)干沉积——由地面的土壤、水、植物、建 筑物等通过污染物质的重力沉降、碰撞与捕获、 吸收与吸附、光合作用或其它生物、化学、物 理过程实现；
化学反应、溶解、解吸等则是形成干沉积 的主要化学过程。
对于植被那样的生物沉积表面，植被子生 长的形态特征、生命过程以及静电性质等则是 影响干沉积的主要生物学特征。
这几方面过程都会受气象条件、污染物性 质和沉积表面的特性的影响。
3 干沉积速度的理论计算
干沉积过程可视为三步： ①由湍流扩散支配物质向贴地层输送； ②物质通过紧贴地面的片流子层向吸收体扩散， 称为地面输送； ③由在地面的物质可溶性或吸收率确定通过片 流子层扩散的物质实际上有多少被消除，这个 最后的过程称为转移过程。
根据干沉积速度的定义，它是垂直通量 与实测浓度之间的比例常数。整个沉积的三 个步骤可类同于电流或热量传送的情形。
气体 vd (ra rs rt )1
粒子 vd (ra rs rt rsvs )1 vs
四 湿沉积
大气中的雨、雷等降水形式和其它水汽凝结物， 如云、雾、霜等都能对空气污染物，包括气体 和粒子起到清除作用，称为降水清除或湿沉积。
(1)被清除的粒子种类或物质； (2)表征近地面层状态的特性的气象参数； (3)地面本身的性质。
对地面的湿通量是自空中所有体积单元湿 清除之和。
w气 (z,t)q(x, y, z;t)dz w粒 (Dp , z,t)F (Dp , x, y, z;t)dz
根据此定义湿沉积速度 vw
vw
q(x,
(2)湿沉积——由云、雾和降水(雨，雪等形式) 等通过污染物质被吸收进入水滴或随水滴被清 除。
此外。化学转化亦是一种清除机制，但 它是由一种物质转换成另一种物质，因 此．它只是对原生污染物的清除，同时却又 滋生新的次生污染物。
湿沉积：令气体污染物在(x,y,z)位置，t时 刻的平均浓度为q(x,y,z;t)，而平均的气溶 胶尺度分布函数为F(Dp；x,y,z,t)。
最普遍采用的一种方法是所谓“源损耗” 模式或称有效源强法。
2 vd
zu
x
Q(x) Q exp
1 H 2 dx
源项随距离x的变化
e 0
2 z2
z
干沉积主要是优先清除近地面处的污染， 而并非在整个烟流厚度层范围均匀起作用 的。
故此，源损耗模式尚有必要进一步改善。
重力沉降、湍流运动、布朗运动、惯性作 用和静电作用等，是形成干沉积的主要物理过 程。
当考虑以下斜烟流轴线为基准的扩散时，有
q(x,
y,
z;
H
)
Q(x)
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y
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•
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]
(z H vs x )2
2 z2
]
地面反射系数
半衰期
vs x 大粒子重力沉降的影响。
u
下垫面反射系数。 污染物半衰期时间。
源项随距离x的变化
三 干沉积-下垫面清除
1.大粒子的重力沉降
大气中各种处于气溶胶状态的粒子污染物 有一定的尺度分布，对于粒径大于10um的大 粒子在大气中运动时会产生重力沉降。
对于粒径20—60um范围的粒子，粘滞性不
w y, 0;t)
如果正被清除的物质在厚度为H的一层里垂 直分布是均匀的
vw (z,t)dz H
定义冲洗比(washout ratio)wr
q(水相) wr q(x, y, 0;t)Βιβλιοθήκη 湿沉积速度与冲洗比之间有关系
vw
wa q(x, y, 0;t)
q(水相)P0 q(x, y, 0;t)
wr P0
exp[
u
2 z2
]
❖ 发一度电差不多是耗煤300克，华能南京电厂 年发电量64万千瓦，除尘效率95%，假若75% 在周围9平方公里范围内沉降，每月每平方公 里范围的尘量是多少？
❖ 假如H=100m，u=5m/s,粒子密度=2.5g/cm3,空 气密度=1.29kg/m3，粒径20um，求烟流轴线 触地的水平距离.
通常，把由降水造成的污染物清除过程称为雨 洗(或雪洗)，这种过程将空气污染带到地面。 按照降水清除过程发生所在高度分成云下清洗 (washout)和云中清洗(rainout)。
大的情况下，可采用斯托克斯公式计算它们的
末速度 vs ，其大小与粒子的密度 有关，即
有 粒子半径
vs
2 9
r2
g(
a )
2 r2 g 9
空气动力 粘滞系数
空气 密度
对于粒径更大的粒子，须对斯托克斯公式修正
对粒径>200um的粒子，其沉降速度>100cm/s， 可按弹道计算。
对粒子沉降速度在<100cm/s，粒径<200um，可 采用边偏斜烟流模式处理，修改高斯扩散公式， 考虑重力沉降的影响。
？
二 高斯烟流扩散公式的修正形式
经修正的高架连续点源高斯烟流扩散公式:
随距离变化
大粒子重 力沉降
q(x,
y,
z;
H)
Q(x)
2 u z
y
exp(
y2
2 y2
)
•
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(z
H vs x )2 u]
2 z2
(z H vs x )2
•
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