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1、第三节 大气扩散参数,q(x, y, z; H) Q, u, y , z , H, 扩散参数怎样给出？,3.3.1 早期的大气扩散参数处理,3.3.1.1 萨顿模式 给出RL ()的具体形式,根据Taylor公式求出扩散参数，再代入Gauss公式得到萨顿公式 萨顿扩散参数Cx,Cy,萨顿模式,RL (),3.3.1.2 直接测量湍流量的方法 1)、风向脉动标准差(H. E. Cramer,1957) 由Taylor公式，在近距离，运行时间不长，有 当水平风向脉动摆角不大（20o）,有,Cramer模式的基本表达式 表3.1, p67,采用水平风向摆动角的范围作为特征量，导出扩散参数，并以高架源
2、（108 m）扩散试验为依据，得出了相应的经验表达式和扩散曲线。 见 表3.2, p68,2) BNL (M. E. Smith,1951) 方法，或ASME方法,Taylor公式的谱函数形式 经过时间T后，在x轴向距离uT的位置上，y向扩散范围不仅与横向湍流强度有关，也与拉氏湍流谱有关。 粒子扩散是由不同频率的脉动速度引起的，高频脉动是小湍涡活动的结果，低频脉动是大湍涡活动的结果。扩散是各种不同尺度湍涡活动的结果。 拉格朗日参量 欧拉参量,3) J. S. Hay和F. Pasquill 方法,（1）T足够小，脉动速度的频率n不可能很高，T小到一定程度后，总有： 各种频率的速度分量都按其所具
3、有的权重作用于粒子扩散。 （2）任意T： 频率高于1/T的湍涡（小湍涡）对扩散几乎没有贡献，低于0.1/T的湍涡（大湍涡）不受影响，按其自身的权重作用于扩散。介于两者之间的频率分量虽有贡献，但受到一定程度的削弱。,(3) T很大时，1/T很小，在构成v的全部分量中，大都满足n1/T，它们对扩散都不起作用，只有那些频率非常低的湍涡才对扩散有贡献 上面的参量都是拉氏形式，按下列假定转化成欧拉形式的参量 假设1 只要观测v的时间（取样时间）大于粒子运行时间的5倍，就可以用定点观测得到脉动速度方差的代替跟踪观测得到的脉动速度方差。,假定2： 拉氏自相关系数与欧拉自相关系数形式完全相同，仅在时间尺度上差
4、了一个倍数。,欧拉变数表示的湍流时间尺度较小，它的频率就高。由图上可以看出：欧拉谱向高频端有一个位移。,将上式代入Taylor公式的谱形式：,下标表示取样时间，T/表示先对v取T/时间的平均以后在计算方差。利用Cramer公式可以写出,p、 v分别表示以角度（弧度）表示的横风向和垂直向浓度分布标准差。,当扩散物质的运行时间T足够小，有：,时间尺度是唯一的待定参量，起初=0.44/i，值改变时，扩散参数不灵敏。 给定值以后，就可以根据水平风向脉动记录计算各个距离的p，其步骤如下： 1）根据取样时间确定平均时间，最大平均时间sn =/5。 2）用不同的平均时间s1、s2, sn 等对原始的风向脉动
5、记录进行滑动平均，得到经过平滑的n个、风向变化序列s1、s2， sn 。 3）对上述风向变化序列，分别计算标准差，得到(A)s1、(A)s2, (A)sn 。 4）根据结果做(A)s -s曲线图。 5）根据图求出任意y。,的确定方法： 1）根据定义 2）由扩散参数的比求 原则上有 3）利用经验关系求值：值与大气稳定度有关，并与湍流强度成反比，值范围110。大气越稳定，湍流强度越小，值越大。中性层结取4。,2.1,C为实验常数，0.350.80，取0.60。,适用于开阔平坦地形上的小尺度扩散问题，利用A 和E 计算扩散参数，精确度高。但对观测要求较高，计算量大。,3.3.2 稳定度级别与扩散曲线
6、法,利用常规气象资料把大气的扩散能力划分为六个稳定度等级，从A到F（极不稳定稳定） 用实验曲线给出每个等级的y和z随距离的变化，这些实验曲线称为扩散曲线。 稳定度的划分方法多种，有差别。 3.3.2.1 P-G-T方法 Pasquill把风速和辐射状况作为划分稳定度等级的指标。 辐射状况由白天日照和夜间云量来估计。表3.3,表3.3 Pasquill稳定度分级方法,不论何种天空状况，夜晚头1及最后1h稳定度为中性。 （日落前1h至日出后1h为夜晚）。 仲夏晴天中午为强日照，寒冬晴天中午为弱日照。,Turner稳定度划分,首先，依据研究地域的纬度和赤纬、时角定出太阳高度角h sinh=sinsi
7、n+coscoscos 其中时角=(t-12)15o ，t为地方时。 其次，按太阳高度角和天空状况确定日射等级，见表3.5，3.6 最后，结合地面风速给出稳定度，表3.7。,表3.7 Turner的稳定度分类方法,夜间,表3.6 日射等级确定规则,Turner的稳定度划分方法较为确切。只要有地面风速、云量、云高常规观测资料，就可以客观地定出稳定度级别。所以这种方法是实际工作中最常应用的方法。此方法原为机场每小时的气象观测资料而设计的，机场多在城郊，下垫面比较平坦，在应用于城市下垫面时应做稳定度等级的订正。,上述Pasquill和Turner稳定度计算方法，都是用宏观的气象资料间接地给出微观湍流
8、特征。大气扩散速率最终取决于流场的湍流特性，用上述宏观的气象条件划分稳定度等级是一种间接方法。有时，大气宏观条件大致相同，但流场湍流特性会差别很大。因此用湍流场的特征量表征大气稳定度更为有效。,a.常规气象资料表征稳定度太粗糙，没有考虑各种大、中尺度过程的影响，也没有考虑下垫面的影响。与其它稳定度分类法相比，差别较大。 b.稳定度等级代表不同扩散速率的等级，扩散试验表明，使用定量的稳定度指标有时不能说明扩散速率的快慢。如风向发生缓慢偏转，显示有大尺度湍涡的作用，即使是逆温的情况也不例外。,稳定度分类,扩散曲线,a.没有考虑地面粗糙度的影响，扩散曲线是依据十分平坦的观测资料得出的，对城市和其它粗
9、糙地形的扩散速率估计过低。需进行订正。 b.扩散曲线的取样时间为3分钟，一般短时间平均浓度需要的取样时间为3060分钟，必须订正到相同的时间才可以应用。 c.垂直扩散参数的曲线适用于地面源，不一定适用于高架源。,P-G适用性 p75 p76,3.3.3. 扩散参数法的修改完善3.3.3.1 国家标准,20世纪70年代以来，在我国环保研究实践中积累了很多经验，对扩散曲线不断修改和完善，并结合实际情况制定了国家标准GB/T13201-91。 稳定度、扩散参数确定： 云量 + 太阳高度角 太阳辐射等级 太阳辐射等级 + 地面风速 大气稳定度 由稳定度等级查算扩散参数 有风时（风速u 1.5m/s）扩
10、散参数 小风(0.5 u 1.5m/s)和静风(u 0.5m/s)扩散参数 注意：根据下垫面条件调整确定稳定度等级；取样时间订正 。p79,表3.10-a 太阳辐射等级,表3.10-b 大气稳定度等级,表3.11-a 横向扩散参数 幂函数表达式数据,表3.11-c 小风和静风时扩散参数的系数,取样时间的订正,取样时间指连续取得观测数据并用以计算平均值的时间长度。对污染物浓度计算，即指大气采样的时间。假设大气湍流场是均匀、平稳的，这是Gauss公式的前提，所以在Guass公式中没有指明平均风速和扩散参数的采样时间及观测高度。但在应用中，为了使各种观测资料和计算结果具有可比性，必须考虑这些因素。,
11、污染物扩散在铅直方向受地面限制，风向倾角变化范围较小，当取样时间超过几分钟后，铅直风向脉动范围变化不大，所以对铅直向扩散参数可以不做取样时间的订正。水平风向可在360o范围内改变，而表3.11中的扩散参数适用于采样时间为0.5小时的情形，如果采样时间大于或小于这个时段需进行订正。,y2、y1分别为取样时间为2、1时的横风向扩散参数。,(2)温度梯度法 p81 (3)PBL湍流参量法82,3.3.3.3 不同源高、不同下垫面 稳定度的高度变化 扩散曲线依据的源高、源特性 不同 z0的影响，p87 表3.23 3.3.3.4 扩散曲线的内插完善 综合，表3.25,3.3.3.2 其它稳定度分类方法
12、 (1)风向脉动标准差美国环保局(EPA, 1990)，推荐了用表征湍流强度的风向标准差A， E 划分稳定度的方法。p79,表3.25 Briggs扩散参数 (单位：m),3.3.4 风向脉动与扩散函数法,将扩散参数y和z与风向脉动标准差A和E联系起来,由此形成了一种由风向脉动与扩散函数确定扩散系数的方法，这是扩散参数研究的主要进展之一。 由Taylor公式： tL拉格朗日时间尺度，fy、fz扩散函数 当T 很小时，有Taylor公式可得：,A、E可以从风向脉动资料算出，只要知道扩散函数fy、fz和估计tL的方法，就可算出扩散参数。许多外场扩散试验都有扩散参数和A、E的同步观测资料，据此可以反
13、推得出扩散函数fy、fz的形式。 P. R. Draxler汇总了11次试验资料，将扩散资料按源高、稳定度及铅直向或水平向进行分类，分别求出扩散函数。 其中T为扩散时间，Ti为fy或fz等于0.5所需的时间。这种方法对于不稳定时地面源的铅直扩散和稳定时高架源的铅直扩散是不适合的。 Pasquill,汇总扩散函数表达式，表3.27 p95,3.3.5 扩散参数研究状况,(1) 实用体系 (2) 观测试验 (3) 施放高度对扩散参数的影响 (4) PBL结构及湍流参量与扩散,实用体系 a. 稳定度扩散级别与扩散曲线法 b. 风向脉动与扩散函数法 c. 对上述两种确定扩散参数的实用体系有如下实施意见
14、 y 1）10km以内，研究透彻，资料多，数据可靠，不同扩散参数结果彼此接近。 2）最佳公式： 3）y可用P-G曲线做粗略估计，但应根据粗糙度和取样时间进行订正,z 1) 研究少，测量数据少，可靠性差，与y比，更多地依赖于温度层结。 2) P-G曲线的z根据近地面源1km以内的扩散试验资料得出，其它都是外推的结果，故P-G曲线适用于近地面源的近距离扩散。,z 3)一般情况下应考虑z0的影响，只有在不稳定层结时，对流湍流对铅直扩散的影响才超过机械湍流。 4) 高架源的z推荐采用BNL数据。 5) 热烟源，烟气抬升引起烟流与周围空气速度切变，由此生成的自生湍流会增强扩散。,一个污染源在稳定度为A、D、F时的地面浓度分布图,
