4第三章3大气扩散参数

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1、问题1：扩散参数如何给出？问题2：有效源高如何给出？3.3.1 早期的大气扩散参数处理模式3.3.1.1 萨顿模式 萨顿于1953年在泰勒公式基础上，建立了第一个实用的大气扩散模式：萨顿模式 基本步骤：u 找出泰勒公式中拉格朗日相关系数的具体形式，亦即寻找它与某些可测气象参量间的联系，然后代入泰勒公式积分求算扩散参数；u 将扩散参数代入基本高斯扩散公式，得到萨顿扩散公式，得到著名的萨顿模式。萨顿公式萨顿扩散参数Cx,Cy萨顿模式萨顿模式基本思想：RL ()量纲分析萨顿扩散参数：3.3.1.2 直接测量湍流特征量的方法 风向脉动标准差（H. E. Cramer, 1957）10m风向脉动资料 由

2、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（1/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u上面的参量都是拉氏变量，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 ；欧拉谱向高频端有位移。得到Taylor公式的欧拉谱形式：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。当扩散物质的运行时间T足

3、够小，有：式（2.76 ）利用Cramer公式可得：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。Hay和Pasquill模式扩散参数当已知平均风速 和给定 值的情况下，只要有风向脉动观测资料便可计算得到扩散参数。 根据取样时间确定平均时间用不同的平均时间s1、s2, sn 等对原始的风向脉动记 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；对上述风向变化序列，分别计算标准 差，得到(A)s1、(A)s2, (A)sn 根据结果做(A)s -s曲线图 根据图求出任意yn 的确定方法：1）根据定义2）由扩散参数的比求原则上有n 的确定方法：3）利

4、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。C为实验常数，0.350.80，早期常取0.44，近期则常取0.60。u在大气扩散试验中，欧拉方式比较易于实现u扩散分析中需要用到拉格朗日参量时，通过的联系实现两种参量的转换很有意义，这也是PG模式的重要贡献之一u值的改变对扩散参数的响应并不十分明显u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。u局限性：扩散物质运行时间足够小3.3.2 稳定度扩散级别与扩散曲线法 利用常规气象资料，对大气的扩散稀释能力判别出稳定度扩散级

5、别（A到F：极不稳定稳定） 由大量扩散试验资料和理论分析给出6条扩散曲线，即扩散参数离源下风距离的变化曲线 根据扩散曲线，可得到不同稳定度状况下，离源不同下风距离的扩散参数的量值扩散曲线法，亦简称P-G法或P-G-T法P-G-T方法的要点首先根据云况、日射和地面风速，将大气扩散稀释能力划分为A-F的6个等级，然后根据扩散曲线读出不同 下风向距离处的扩散参数。P-G-T方法的应用步骤1.根据气象观测资料划分稳定度扩散级别6个稳定度级别：A：极不稳定；B：中等不稳定 ；C：弱不稳定；D：中性；E：弱稳定；F：中 等稳定；有时加G：极稳定AB；B C；C D；D E；E F（取内插）表3.3 Pas

6、quill稳定度分级方法地面 风速（ m/s）日间日射强度夜间天空状况强中等弱薄云遮天 或云量 4/8云量 3/86CDDDDu 日间或夜间的阴天条件为中性；夜间前后1小时，不 论何种天空状况，也为中性。 u 仲夏晴天中午为强日照，寒冬晴天中午为弱日照。Turner稳定度划分的基本步骤 依据纬度和赤纬、时角定出太阳高度角hsinh=sinsin+coscoscos 其中时角=(t-12)15o ，t为地方时 按太阳高度角确定日射强度和等级，见表3.5 结合天空状况确定日射等级，见表3.6 结合地面风速给出稳定度扩散级别，见表3.7表3.5 由太阳高度角去等日射强度与等级太阳高度角6035601

7、5354/10-1日间 h60o4 云高为60o1 h60o0 云高9，不论h0夜间表3.6 日射等级确定规则地面 风速 日射等级 43210-1-26CDDDDDD表3.7 Turner的稳定度分类方法P-G-T方法的应用步骤2.根据稳定度扩散级别和扩散曲线给出大气扩散参数 ，利用图3.10和表3.8n Pasquill方法利用英国开阔平坦乡村地区气象观测资料，未考虑特殊的下垫面条件，也未能比较确切给出辐射状况，过于粗糙。在应用于城市下垫面时应做稳定度等级的订正。n 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

8、作中最常应用的方法。n 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

9、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3.3.3 扩散参数法的修改完善3.3.3.1 国家标准中的修改与应用国家标准GB/T13201-91u对P-G-T方法的主要修改：适应我国大量地面气象观测站无云高观测资料的情况，而仅以总云量和低云量来确定太阳辐射等级u总云量和低云

10、量 + 太阳高度角 太阳辐射等级u太阳辐射等级 + 地面风速 大气稳定度（表3.10）u将P-G-T方法中的图标曲线方式，修改为幂函数形式（表3.11） 注意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。u采样时间订正y2、y1分别为取样时间为2、1时的横风向扩散参数；q为时间稀释指数。u采样时间订正1h65o4/4-2-1+1+2+357/4-10+1+2+38

11、/4-100+1+15/570000+18/800000表3.10-b 大气稳定度等级地面 风速 m/s太阳辐射等级+3+2+10-1-21.9AABBDEF22.9ABBCDEF34.9BBCCDDE55.9CCDDDDD6DDDDDD表3.11-a 横向扩散参数 幂函数表达式数据扩散参数稳定度等级11下风距离y=1x1A0.901074 0.8509340.425809 0.60205201000 1000B0.914370 0.8650140.281846 0.39635301000 1000BC0.919325 0.8750860.229500 0.31423801000 1000C0

12、.924279 0.8851570.177154 0.23212301000 1000CD0.926849 0.8869400.143940 0.18939601000 1000D0.929418 0.8887230.110726 0.1466901000 1000DE0.925118 0.8927940.0985631 0.12430801000 1000E0.920818 0.8968640.0864001 0.10194701000 1000F0.929418 0.8887230.0553634 0.073334801000 1000表3.11-c 小风和静风时扩散参数的系数稳定度010

13、2U100.5m/s1.5m/sU100.5 m/sU100.5m/s 1.5m/sU100.5m/s A0.930.761.57B0.760.560.47C0.550.350.21D0.470.270.12E0.440.240.07F0.440.240.05 注意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。u采样时间订正w 上述Pasquill和Tur

14、ner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。等级A（度）A22.5B17.522.5C12.517.5D7.512.5E3.87.5F3.8(2)温度梯度法 p81 (3)PBL湍流参量法823.3.3.3 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3.253.3.3.2 其它稳定度分

15、类方法 (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) (a) 开阔乡间条件稳定度级别yz A0.22x(1+0.0001x)-1/20.20xB0.16x(1+0.0001x)-1/20.12xC0.11x(1+0.0001x)-1/20.08x(1+0.0002x)-1/2D0.08x(1+0.0001x)-1/20.06x(1+0.0015x)-1/2E0.06x(1+0.0001x)-1/20.03x(1+0.0003x)-1F0.04x(1+0.0001x)-1/20.016x(1+0.0003x)-1(b)城市条件yz A-B0.32x(1+0.0004x)-1/20.24x(1+0.001x)-1/2C0.22x(1+0.0004x)-1/20.20xD0.16x(1+0.0004x)-1/20.14x(1+0.0003x)-1/2E-F0.11x(1+0.0004x)-1/20.08x(1+0.0015x)-1/23.3.4 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