大气环境质量预测模型
空气质量监测与预测模型的建立与应用
空气质量监测与预测模型的建立与应用随着城市规模的扩大和经济的发展，空气质量日益成为人们关注的话题。
为了及早发现空气质量问题，为公众提供及时、准确的空气质量信息，各地纷纷建立起空气质量监测站，实时监测空气质量。
但是，仅依靠实时监测并不足以满足人们对空气质量的需求，需要建立空气质量预测模型，以实现全面、深入的空气质量管理。
一、空气质量监测与现状空气质量监测是指采集大气环境中有害物质的种类、浓度和颗粒物等物理性能变化的方法。
空气质量监测可分为定点监测和移动监测两种方式。
目前，我国的空气质量监测网络覆盖面积已经逐渐扩大，至2019年底，全国共有190个城市开展了PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3等5项主要污染物的监测，覆盖了3100余个监测站点。
监测结果表明，我国的空气质量总体处于不良或污染状态，特别是经济发达地区和重点城市，大气环境状况相对较差。
二、空气质量预测模型的建立空气质量预测模型是建立在大量观测数据基础之上的，它是一套系统工程，它以时间变化为特殊环境的试验结果为指导，研究气象场、污染物的时间/空间分布规律及其相互关系，并对未来时间和空间作出预测。
1. 建立气象预测模型气象因素对空气质量有着直接而复杂的影响。
比如，风速和风向的变化可以对空气质量的分布和传输产生较大的影响；温度变化也会导致大气混合程度的变化，进而影响PM2.5、O3等污染物的浓度。
因此，建立气象预测模型是空气质量预测的重要组成部分。
气象预测模型的建立需要依赖于大量的气象数据和高精度的气象分析模型，可以结合气象分析模型和时间序列分析模型等多种方法进行预测。
2. 建立污染物扩散模型大气污染物的传输和扩散是一个极其复杂的过程，与地表高度、地形、风速、大气稳定度等多种因素有关。
建立污染物扩散模型，可以对污染物的传输和扩散过程进行模拟，预测未来某一时刻某一区域的空气污染状况。
污染物扩散模型的建立需要依赖于各种动力学模型、经验模型以及基于统计学的预测方法，针对不同类型的污染源和不同的地形条件，建立相应的扩散模型。
大气环境污染模型构建与预测
大气环境污染模型构建与预测随着工业化与城市化的不断发展，大气环境污染问题日益突出。
为了有效应对大气环境污染，建立并预测大气环境污染模型成为重要任务。
本文将探讨大气环境污染模型构建的方法以及预测环境污染趋势的技术。
1. 大气环境污染模型构建大气环境污染模型是基于大气环境的物理、化学和气象学原理建立起来的数学模型。
下面将介绍两种常见的大气环境污染模型构建方法。
1.1 统计模型方法统计模型方法是通过分析历史数据中的相关因素和环境污染数据之间的关系，建立统计模型来预测大气环境污染。
常用的统计模型方法有线性回归模型、逻辑回归模型、支持向量机模型等。
线性回归模型是一种用来建立一个自变量与一个因变量之间线性关系的模型。
通过分析大气环境中的污染物浓度与一些因素（如温度、湿度、风向、风速等）之间的关系，构建线性回归模型可以判断这些因素对大气环境污染的影响程度。
逻辑回归模型是一种用来处理分类问题的模型。
逻辑回归模型可以从大气环境中的一系列数据变量中，预测一个二元输出变量，例如判断污染水平是高、中、低三种程度。
支持向量机模型是一种用来处理分类与回归问题的模型。
支持向量机模型通过找到一个最优超平面，将不同类别的数据样本分隔开，以实现对大气环境污染的分类和预测。
1.2 物理模型方法物理模型方法是基于大气环境的物理原理建立模型，通过模拟和模仿真实环境来预测大气环境污染。
常用的物理模型方法有数值模型、物理过程模型等。
数值模型是基于大气物理学、气象学、传热学和化学反应动力学等方面原理建立起来的数学模型。
它能够模拟大气中污染物的传输、扩散和化学反应过程，预测环境中的污染物浓度分布和变化趋势。
物理过程模型是通过描述大气环境的物理过程而构建的模型。
该模型模拟了大气中的各种物理过程（如辐射传输、湍流扩散、湍流混合等），以及大气与地表的相互作用，从而预测大气环境中的污染物浓度。
2. 大气环境污染预测大气环境污染预测是通过模型构建得到的模型，基于已有的环境数据和相关因素，预测未来污染物浓度变化趋势。
环境监测领域中的大气污染模型使用教程
环境监测领域中的大气污染模型使用教程大气污染是当前全球范围内面临的重要环境问题之一。
为了保护人类健康和环境可持续发展，科学家们开发了各种大气污染模型来预测和评估不同因素对空气质量的影响。
本文将介绍环境监测领域中常用的大气污染模型以及如何使用它们进行预测和分析。
1. 模型介绍在环境监测领域中，常用的大气污染模型包括：CMAQ模型、WRF-Chem模型、AERMOD模型等。
这些模型基于物理、化学和数学原理，通过模拟大气过程、污染物传输和变化，提供了对大气污染的准确预测和评估。
- CMAQ模型（Community Multiscale Air Quality Model）是一种广泛应用于大气环境模拟和预测的模型。
它可以模拟大尺度到细尺度的空气流动和污染物传输，包括气溶胶、氧化物、二氧化氮等。
- WRF-Chem模型（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）是一种将大气动力学模拟和化学传输过程相结合的模型。
它可以模拟气象过程和污染物分布，有助于理解不同气象条件下的空气污染形成和传播机理。
- AERMOD模型是一种广泛用于工业源排放和城市环境中污染物传输建模的模型。
它基于高斯模型原理，能够预测工业源的排放对周围地区空气质量的影响。
2. 模型使用教程为了能够准确有效地使用这些大气污染模型，以下是一些基本的使用教程和注意事项：2.1 数据准备在使用大气污染模型之前，首先需要准备好相关的输入数据。
这些数据包括气象数据、地理信息、土地利用数据、废气排放数据等。
可以从气象台、环境保护部门等机构获取这些数据，也可以使用开源数据集和模型提供的默认数据。
2.2 模型配置配置大气污染模型是一个重要的步骤，决定了模型的运行方式和输出结果的准确性。
在配置模型时，需要设置模型的运行时间、空间范围、污染物的初始浓度和排放源信息等。
每个模型都有相应的配置文件和参数，使用者需要根据应用需求进行相应的设置。
大气污染监测与预警模型研究
大气污染监测与预警模型研究随着工业化和城市化的不断发展，大气污染成为了一个全球性的问题。
大气污染对人类健康、生态环境和气候变化等方面都产生了严重影响。
因此，建立有效的大气污染监测与预警模型显得尤为重要。
大气污染监测是指通过各种手段和技术，对大气环境中的污染物进行定量测量和分析。
监测过程中需要采集大量的环境数据，例如气象数据、污染物浓度数据等。
监测的目的是为了了解大气污染的程度、分布和演化趋势，为制定相应的环保措施提供科学依据。
大气污染预警模型是指利用历史监测数据、气象数据等先验信息，通过建立数学模型来进行预测和预警的工具。
预警模型可以根据当前和预测未来的环境条件，对可能出现的大气污染程度进行评估，并提前发出预警信号，以便采取相应的措施来减少污染物的排放和扩散。
在大气污染监测与预警模型的研究中，越来越多的技术被应用于数据采集和模型构建。
传感器技术的发展使得数据的采集更加精准和实时化。
同时，遥感技术的应用能够对大范围的地区进行空间监测，获取全面的污染信息。
这些技术的进步为构建准确的监测与预警模型提供了有力支持。
在监测方面，常见的方法包括了通过空气质量监测站点采集的实时数据，例如测量空气中的PM2.5、PM10、二氧化硫和氮氧化物等污染物的浓度。
此外，还可以利用卫星遥感数据来获取地表污染物的分布情况。
同时，气象数据也是大气污染监测中的重要数据源，包括风速、风向、温度和湿度等参数。
这些监测数据将帮助我们更好地了解污染物的来源和传输规律。
在预警模型的构建方面，常用的方法包括统计学模型、数学模型和人工智能模型等。
统计学模型常常利用历史数据和气象条件来建立数学函数，通过拟合已知数据来预测未来的污染情况。
数学模型则利用空气质量方程、风场模拟等方法来模拟和预测大气污染的传输过程。
人工智能模型如人工神经网络、支持向量机等，通过模式识别和机器学习的方法，能够更好地建立大气污染的监测与预警模型。
监测与预警模型的建立不仅需要准确的数据和合适的模型，还需要有效的数据管理和信息传播。
基于时间序列模型的大气污染预测
基于时间序列模型的大气污染预测大气污染是当前全球面临的重大环境问题之一。
针对这个问题，许多科学家进行了大量的研究，发展出了许多预测模型，其中基于时间序列模型的大气污染预测尤为重要。
本文将着重讲述这个模型。
一、时间序列模型时间序列模型是一种用来预测未来某个变量的数值的模型。
这个模型不仅可以用来预测自然事件，比如天气预测，也可以用来预测社会事件，比如股市预测。
时间序列模型的核心思想是：以过去的数据为基础，对未来进行预测。
这个模型的预测精度取决于模型中所包含的数据样本和算法的复杂度。
在大气污染预测中，时间序列模型的核心思想也适用。
基于时间序列模型的大气污染预测，可以分为三个步骤。
二、数据处理时间序列模型的首要步骤是数据处理。
在大气污染预测中，需要收集各个站点的空气污染数据，包括污染物浓度数据、气象数据以及其他重要的环境数据。
这些数据会被传送到分析中心进行汇总和处理。
处理过程中需要检查数据的准确性和完整性，清除异常值和缺失值。
三、模型建立数据处理完成后，需要建立时间序列的预测模型。
基于时间序列预测模型，主要可以分为平稳和非平稳两类。
通常情况下，用来预测大气污染的模型更偏向于平稳模型。
平稳时间序列是指数据的方差、均值和自协方差不会随时间发生变化。
基于ARIMA模型，布朗运动等，可以构建平稳时间序列模型。
时间序列预测模型的特点是可以预测未来值，同时还提供用于评估预测值精度的置信区间。
四、模型测试模型建立完成后需要对其进行测试。
在测试阶段，需要确定模型的合理性和预测精度。
通常情况下，模型建立过程中采用的样本数据是已知的历史数据，因此需要另行收集新的数据进行测试。
测试过程中需要对模型的预测结果进行比对，确定模型的可靠程度，同时对数据进行适当的调整。
在大气污染预测中，模型测试的成功率直接影响了模型的应用效果。
五、模型应用完成意味着模型可以正式投入使用。
在实际应用过程中，需要不断地调整模型，以提高其预测精度并保持模型的稳定性。
cmaq空气质量模型
cmaq空气质量模型
CMAQ空气质量模型是一种描述大气污染物空气质量的复杂数值模型，它对大气环境细节（如化学反应、湍流以及源/物种特殊反应）具有良好的描述性能。
CMAQ模型拥有一个用来模拟源至去除处的CO、NOX、挥发性有机物（VOC）以及
S01的特性，它可以预测各种大气污染物的持续暴露水平与趋势，用来评估空气污染扩散、颗粒物沉降、污染对细节的影响等。
CMAQ模型的主要用途在于对大气气象过程及其与污染物相关的观测数据进行多重分析，其用于空气污染物模型数值模拟以及辅助决策和规划研究。
此外，CMAQ 模型还可以用于评估空气质量管理策略，以及实施空气污染控制的有效性。
CMAQ 模型的实施一般分为三个阶段：数据前处理、模拟和分析。
CMAQ空气质量模型的众多优点使它成为空气污染控制、污染定量风险评估和污染防控最常见且最佳的数值模型。
首先，它可以准确地模拟空气污染物扩散，用于研究空气污染暴露水平；其次，CMAQ可以模拟特定条件下单个颗粒物细胞中物种浓度的发展趋势；最后，该模型克服了历史上许多模型的科学瓶颈，给了研究者一个更健壮的用于减少污染的支持。
CMAQ空气质量模型在减少污染排放，改善空气质量方面发挥着极大作用。
CMAQ模型能较为准确地模拟空气污染物扩散，可以作为空气污染防治政策的指导性模型，帮助相关部门制定出更有效的治霾政策，以扭转大气污染的态势，得到最佳的防治成效。
大气环境质量评价与预测模型(ppt 52页)
22
3.2 大气环境影响预测模型
E、熏烟模型
假定发生熏烟后，污染物浓度在垂直方向为均匀分布，则熏烟条件下的地面浓度：
Cf
Q
2 uh f yf
exp
y2
2
2 yf
( p)
t
( p) -
1
2
exp
t2 2
dt
p hf He
z
yf
y
He 8
式中：hf——逐渐增厚的混合层高度，m； yf——熏烟条件下的侧向扩散参数，它们是下风距离x的函数，m； （p）——正态分布函数，它用来反映原稳定状态下的烟羽进入混合层中
8
3.1 大气环境质量现状评价
（5）美国橡树岭大气质量指数
I 橡
5 5.7 i1
Ci Si
1.37
式中：Ci ——第i种污染物24小时平均浓度； Si——第i种污染物的大气质量标准。
质量分级 I橡
优良 ＜20
I橡与大气环境质量分级
好
尚可
差
20～39 40～59 60～79
坏 80～100
危险 ＞100
不同大气稳定度下的m值
大气稳定度级别
A
B
C
D
E
F
城市
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.30
m
乡村
0.07
0.07
0.10
0.15
0.25
0.25
15
3.2 大气环境影响预测模型
3.2.2 大气环境影响评价预测模型
（1）点源扩散的高斯模型
A、 连续点源高斯模型的推出
C
t
空气质量预测模型的构建方法与预测精度分析
空气质量预测模型的构建方法与预测精度分析摘要：空气质量预测是保护公众健康、减少环境污染的重要任务。
本文介绍了空气质量预测模型的构建方法，并分析了不同方法对预测精度的影响。
引言：随着经济的快速发展和城市化进程的加速，大气污染成为了严重的环境问题。
空气质量预测可以提前预警，采取合适的控制策略，减少人们患病和环境污染的风险。
因此，构建准确高效的空气质量预测模型非常重要。
一、空气质量预测模型的构建方法1. 数据采集与预处理空气质量预测需要大量的气象和环境数据作为输入。
常见的数据包括温度、湿度、风向、风速等气象数据，以及PM2.5、PM10、NO2等环境数据。
数据的采集可以通过气象站和环保监测站等手段获得，然后对数据进行预处理，如去除异常值、缺失值补全等，确保数据的准确性和完整性。
2. 特征提取与选择在构建预测模型之前，需要从大量的数据中提取有意义的特征，以更好地描述空气质量的变化规律。
常用的特征提取方法包括统计特征、频谱特征、小波变换等。
此外，为了避免维度灾难和提高模型的拟合能力，还需要进行特征选择，选取与目标变量相关性高的特征。
3. 模型选择与构建目前常用的空气质量预测模型包括回归模型、时间序列模型和机器学习模型等。
回归模型适用于具有线性关系的数据，如线性回归、岭回归等。
时间序列模型适用于具有一定时序关系的数据，如ARIMA、SARIMA等。
机器学习模型适用于非线性关系的数据，如神经网络、支持向量机、随机森林等。
在选择模型时，需要考虑数据的特点、模型的复杂度和计算效率等因素。
4. 模型训练与优化模型的训练是指通过已有的数据样本，调整模型的参数，使其能够拟合数据的特征，并能够准确地预测未来的空气质量。
训练过程中可以使用各种优化算法如梯度下降、遗传算法等，以提高模型的性能和收敛速度。
二、预测精度分析预测模型的精度是衡量其优劣的重要指标。
常用的评价指标包括均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）、决定系数（R2）等。
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1 y2 C ( x, y,0,0) exp( ) 2 u y z 2y Q
地面连续点源在地面轴线上任何一点产生的浓度：
C ( x, 0, 0, 0)
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Q
u y z
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Logo 辐射逆温
因地面强烈辐射而形成的逆温。在晴朗无 风或微风的夜晚，地面因辐射冷却而降温， 与地面接近的气层冷却降温最强烈，而上 层的空气冷却降温缓慢，因此使低层大气 产生逆温现象。一般日出后，辐射逆温就 消失了。 辐射逆温厚度从数十到数百米，在大陆上 常年都可出现。
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Logo 最大地面浓度及其位置
某城市远郊区（丘陵）有一火力发电厂， 排烟高度H＝120m，烟囱排放口的直径D ＝1.5m，排放SO2的源强Q＝800kg/h，排 气温度Ts＝413k，烟气出口Vs＝18m/s。 在8月份某日17点（北京时间），当时大气 稳定度为C类，气温303k，邻近气象站测 得地面风速为2.8m/s。试求：（1）地面轴 线最大浓度及其出现距离；（2）地面轴线 1500m处的浓度。
2Q z Cm ( xm ) e uH e 2 y
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Logo 最大地面浓度及其位置
[课堂练习] 位于平原农村某工厂锅炉烟囱的几何 高度为80m，SO2的单位时间排放量为 0.19t/h,已知当地地面风速为2.2m/s, 大气 稳定度为B类，P1=1，抬升高度为120m， 求最大落地浓度（小时平均值）。
常用的点源扩散模型（高架连续点源）
（1）高架连续点源的地面浓度
令z＝0，可用于计算地面任何一点的 污染物浓度。这是实际大气环境影响评价 关心的问题。
1 y C ( x, y, 0, H ) exp[ ( 2 2 )] 2 y z u y z
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Logo
常用的点源扩散模型（高架连续点源） （3）高架连续点源最大落地浓度和落地点距离
最大落地浓度发生在x轴线上。 2Q Cm ( xm ) e uH e 2 P 1
xmax (
地面浓度最大值
2
H
)
2
1
1 (1 ) 2
1 2 2
Logo 地面轴线浓度计算
[课堂计算] 位于平原农村某工厂锅炉烟囱的几何 高度为100米，SO2的单位时间排放量为 0.54t/h，已知当地地面风速为3.0m/s,大气 稳定定为D类，抬升高度为150米。求下风 向2500m处的SO2地面轴线浓度（小时平 均值，单位以mg/m3表示，精确度保证小 数点后两位）。
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Logo 什么是“熏烟”？
当前一天是无云或少云的晴天，风速又比较小时， 夜间将产生贴地逆温；次日日出后，这一贴地逆 温将逐渐自下而上的消失，形成一个不断增厚的 混合层。原来在逆温层中处于稳定状态的烟羽进 入混合层之后，由于其本身的下沉和垂直方向的 强扩散作用，污染物浓度在这一方向将接近于均 匀分布，出现所谓熏烟现象。 熏烟属于常见的不利气象条件之一，虽然其持续 时间约在0.5至1小时之间，但其最大浓度可高达 一般最大地面浓度的几倍。可以在距污染源几公 里甚至于几十公里的下风向造成严重污染。
Logo
点源特殊扩散模式（ 熏烟型扩散模式）
在环评中，通常需要对熏烟条件的地面浓度和最近距离 进行估算。一般做最大熏烟浓度和最近距离的计算。
Q CF ( xF ,0,0) 2 u yF h f
xF utm u(t2 t1 )
hf He 2.15 z
式中，tm: hf自hs升至 hs H 2.15 z的时间差。
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Logo 熏烟随时间变化过程示意图
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Logo 点源特殊扩散模式（ 熏烟型扩散模式）
熏烟扩散时的计算公式为： Q y2 CF exp( )（P） 2 2 yF 2 u yF h f 1 P t2 （P）＝ exp( )dp 2 2
最大值点的下风距离
P 1
1 (1 ) 2
1 (1 1 ) 2 2
2 1 2
1 2
H
(1
1 ) 2
e
1 (1 1 ) 2 2
y 1x
z 2x
1
2
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常用的点源扩散模型（高架连续点源）
（3）高架连续点源最大落地浓度和落地点距离
式中：C(x,y,z) 表示坐标为x，y，z处污染物浓度； He：烟囱的有效高度，m； Q：烟囱排放源强（污染物单位时间排放量，mg/s）； σ y ：垂直于主导风向的横向扩散参数，m； σ z ：铅直扩散参数，m； u：排气筒高度处的风速，/s
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Logo 点源特殊扩散模式（ 小风和静风模式）
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颗粒物扩散模式
粒径小于15μm的颗粒物可按气体扩散计算 大于15μm的颗粒物：倾斜烟流模式
(1 a )q y2 ( H vt x / u ) 2 c( x, y ,0, H ) exp( 2 ) exp[ ] 2 2 2 2πu y z y z
Q
2
He2
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常用的点源扩散模型（高架连续点源）
（2）高架连续点源的地面轴线浓度
地面轴线是从烟囱原点向下风向延伸的 方向，即x方向。令z＝0，y＝0。
He Q C ( x,0,0) exp( 2 ) 2 z u y z
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2
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示意图：高斯模型的坐标系
Z轴
Y轴 X轴
O
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大气扩散模型：点源扩散的高斯模型 P69
高斯模式的四点假设为：
（1）假定大气流动是稳定的、有主导方向的； （2）假定污染物在大气中只有物理运动、没有化学 和生物变化； （3）假定在所要预测的范围内没有其他同类污染源 和汇，也就是说源强是连续均匀的； （4）在有主导风的情况下，主导风对污染物的输送 应远远大于湍流运动引起的污染物在主导风向上的扩 散，即在 x方向只考虑迁移，不考虑扩散.
p
式中，hf：熏烟时的混合层高度； ơyF：熏烟条件下的横向扩散参数； hf －H：混合层和烟云轴线的高差。
Байду номын сангаас
hf He
z
yF
He y 8
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Logo 点源特殊扩散模式（ 熏烟型扩散模式）
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对后述的模式只要没有特殊指明，以上四点 假设条件都是遵守的。
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点源扩散的高斯模型（高架连续点源）
高架连续点源的高斯模式[熟记]：
2 2 2 ( z H ) ( z H ) Q 1 y 1 y e e C ( x, y, z) {exp[ ( 2 )] exp[ ( )]} 2 2 2 2 y z 2 y z 2 u y z 2
vt
d p2 p g 18
地面反射系数
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熏烟扩散计算的关键在于混合层高度及其抬升速度的确定。
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Logo 熏烟模型
[课堂练习] 某电厂烟囱有效高度150m，SO2排放 量151g/s。夜间和上午有效烟囱高度风速 为4m/s，夜间大气稳定度E级。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SO2浓度。
化学与环境科学系 《环境质量评价EQA》
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常用的点源扩散模型（地面连续点源）
（4）地面连续排放点源模型（令H＝0） 2 2 Q 1 y z C ( x, y, z,0) exp[ ( 2 2 )] u y z 2 y z
地面连续点源在地面上任何一点产生的浓度：
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环境质量及评价
第四章 大气环境质量评价
第三节 大气质量预测模型（点源模型）
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大气扩散模型：点源扩散的高斯模型
高斯模型是大气扩散模型中用的最多的。 高斯模型的坐标系：
原点：以排放点在地面的投影点为原点； x 轴：平均风向为 x 轴； y 轴：在水平面内垂直于x 轴的为y 轴， y 轴的正向在 x 轴的左侧； z 轴垂直于水平面，向上为正方向。
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Logo 最大地面浓度及其位置
[课堂练习] 利用正态烟羽扩散模式，预测某污染源排 放的某污染物的小时平均最大落地浓度为 0.8mg/m3，考虑到现在的背景值及该地区 未来的发展规划，要求其小时平均落地浓 度不能超过0.2mg/m3，试问：如果其它条 件不变，采取的措施是减少污染物的单位 时间排放量（源强），减少后的源强应不 大于原来源强的百分之多少？
2Q Cm ( xm ) e uH e 2 P 1