论文总字数：19923字

目 录

1引言 1

1.1研究背景和意义 1

1.2大气扩散理论的研究进展 1

1.3本论文的研究内容及意义 2

2 研究方法 3

3 结果与讨论 5

3.1. 无风情况地面排放特征 5

3.1.1数值求解方法 5

3.1.2 数值解的地面排放情况 5

3.1.3 解析解的地面排放情况 7

3.2 有风情况地面排放特征 9

3.2.1单点有风扩散 9

3.2.2多点有风扩散 11

3.3 二维扩散的初步探讨 15

3.3.1单点的二维无风扩散 15

3.3.2多点的二维有风扩散 16

4 结论 17

参考文献 19

致谢 21

关于不同气象条件下地面排放气态污染物扩散的模式研究

赵小芳

（)

Abstract: to understand the influence of the surface emissions, we investigated the numerical solutions to the one-dimensional and two-dimensional diffusion equation under the conditions of different wind speed and turbulent diffusivity. The results show that in the situation of no wind, the turbulent diffusivity of the gas-phase pollutant dominates the diffusion. When the value of the turbulent viscosity coefficient reaches the order of 10^-1m²/s, the gaseous pollutants with a strength of 100ml/m³ can be diffused to the distance 200m away from the center point source. In windy conditions, the horizontal transport by the wind is a major factor of the diffusion of the pollutant. The diffusion velocity and the distance to the center point are proportional to the wind speed. When the wind speed doubled, the diffusion distance of pollutants also doubled, while the total amount of pollutants in the corresponding distance is reduced to the half of the original value. With a larger wind speed, a smaller peak value of the pollutant concentration is found. Considering distribution of multiple point source in a row, when the interval of point source was kept the same, as time passes by, the pollutant is more easily influenced with the increase of the diffusion distance. It makes the concentration of pollutants in the space by other point sources stable level. When the diffusion time is the same, as the distance between the point sources decreases, the pollutant is influenced more easily by the surrounding point sources. Finally, a high concentration of the pollutant is maintained in a dynamic equilibrium.Under the two-dimensional situation, the concentration of gaseous pollutants decreases faster than that of one dimension. Diffusion rate is slower than one-dimensional diffusion.

Key words: atmospheric dispersion; turbulent diffusivity; numerical model; point source; gaseous pollutant

1引言

1.1研究背景和意义

大气扩散是指大气中的污染气体和物质在湍流的混合作用和分子扩散作用下逐渐分散稀释的现象^[1]。在给定污染物排放强度（单位时间排放量）和不同气象条件的情况下，大气扩散模式能够帮助预测某种污染物的时间和空间分布。例如通过工厂所在方位的气象条件，模拟计算出烟囱的污染物排放的扩散范围，从而了解其扩散物质对居民生活的影响或者选择出工厂的建设最佳位置。在核事故或放射性物质泄露发生之后，通过利用大气扩散模式来有效地判断放射物质扩散程度，实施环境影响评价和危险评估，确保人员安全^[2~5]。同样可以从相反的角度来模拟在给定源强的情况下，在不同的气象条件下，计算出污染物浓度的时间和空间分布。因此提高对于环境问题的预测水平，城市发展，防灾减灾等方面看，研究大气扩散有着非常重要的现实意义^[6]。就空气污染的这一特定的方面来说，工业区需要消耗大量燃料，燃料排放的废弃会使得空气质量变差，另外会使得城市成为一个巨大的热源，气温升高会容易形成热岛效应，从而使得污染物在城市上空难以扩散，造成环境污染^[7]。因为污染物的扩散受气象条件的影响，那么为了得出合适的排放方法，就必须定量的研究污染物在大气中的扩散过程，了解扩散主要受哪些因子的影响。

1.2大气扩散理论的研究进展

空气质量模型的发展分为三代。第一代是高斯扩散模型，它是污染物浓度分布的近似形式，目前仍然是我国环境评估的法定措施。20世纪80年代末期出现了第二代大气扩散模型，即欧拉数值模型，该模型考虑到了酸性污染物的输送转化和沉降。直至20世纪90年代后，第三代模型—区域多尺度空气质量模型，它结合了计算机技术的发展，考虑到大气物理和大气化学动力耦合的过程，得到了广泛的应用^[7-8]。空气质量模型包括：大气扩散模型，光化学模型和受体模型。其中最广泛和最常用的一种就是大气扩散模型。

在解析模式中，假定忽略垂直平流和水平平流项、无清除项、风速和湍流扩散系数为常数，边界层是稳态均匀的，连续点源位于x=0处，便能求出运用最普遍的稳态高斯烟流模式^[9]。若保留纵向扩散，将垂直湍流扩散系数表示为扩散参数，就能得到高斯烟团模式。高斯模式的适用条件是风速必须大于1~2m/s的情况下。小风条件下的特殊大气边界层构造、湍流和扩散特征使得惯例的高斯烟流模式并不适用，因而又发展了常数K模式。Sharan等^[9]考虑沿平均风方向的平流以及一切方向上的扩散，建立了稳态数学模型来模拟小风条件下的污染物扩散。Arya^[10]指出变化K理论可以模拟稳定边界层的大气模拟。后来又发展了烟段烟团耦合解析模式来模拟非均一、非平稳条件下的大气扩散。

数值模式分为欧拉模式和拉格朗日模式，对于复杂地形特别是风速随时间和空间显著变化的情况下，普遍使用的是数值模式来计算。欧拉模式是基于流体力学方程构建的，是对流动和污染扩散过程的数值求解。目前应用较多的在于城市和区域空气质量模拟，有城市空气质量模型（UAM）、综合空气质量模式（CAMx）以及多尺度空间质量模型集合（CMAQ）等。拉格朗日方法是一种描述污染物分布的自然方式，由跟随流体移动的粒子来描述污染物的浓度及其变化，在常规大气环境领域使用广泛的拉格朗日高斯烟团模式是美国EPA推荐的导则模式CALPUFF。朱好^[8]等采用CALPUFF烟团模式模拟了内陆丘陵河谷地区小风条件下的大气扩散特征，指出采用实测湍流资料或经地表参数和近地层湍流速度参数化方案修正后的扩散参数计算方案，能够较好地模拟小风条件下地面浓度场的分布特征^[9-13]。

1.3本论文的研究内容及意义

在检测大气环境状况的时候，检测某一污染源随时间的变化，有时的浓度会很高，有时却很低。在同一时刻的不同地点污染物浓度同样会有很大差异。这些与源头排放的条件以及采样的地点有关，但是主要原因还是由于气象条件的变化所导致的。大气扩散的实际研究和实验表明，在不同的气象条件下，同一污染源形成的污染物浓度分布可相差甚至两到三个量级。这是由于不同的气象条件影响着大气对污染物的扩散稀释能力。影响大气扩散的气象因子主要有：大气边界层结构、风和湍流、气温与大气稳定度、辐射和云、天气形势以及下垫面的条件^[1]。（1）大气边界层与人类关系最为密切，人类活动大多发生在边界层，边界层最明显的特征就是湍流，湍流的混合作用对污染源的扩散和稀释有相当大的影响。风能对大气中的物质进行水平搬运和稀释冲淡。（2）大气的稳定度由温度的垂直分布决定，不同的大气稳定度对污染物的扩散有不同的影响，稳定度高会抑制污染物的扩散，不稳定的状态能产生对流从而有利于污染物的扩散。此外，太阳辐射的收支影响着地面温度的分布和变化，从而改变大气稳定度。（3）云对太阳辐射有反射作用，它会减少抵达地面的太阳直接辐射。同时云层加强大气的逆辐射，减小地面有效辐射，因而云层能够减小气温随高度的变动，影响着大气层结的性质。（4）不同下垫面对源排放扩散的影响主要表现在两个方面：一是下垫面对温度垂直分布的影响。由于地面辐射是大气边界层的主要直接热源，因此不同下垫面会影响大气边界层的稳定性，从而改变污染物在垂直方向上的扩散稀释。此外，不同下垫面还以潜热输送、湍流输送等方式影响大气边界层的稳定度以及边界层中污染物的扩散传播。二是由于不同下垫面的粗糙度不同，从而改变边界层中的速度垂直廓线进而影响边界层中的湍流混合。因此，这两种下垫面类型的区别主要在于下垫面的粗糙度，反照率，温度、潜热和显热通量以及物质通量等等。

因此气象条件对于大气扩散的影响是巨大的，本文将讨论在理想状态下的不同气象条件对地面所排放的气态污染物扩散的影响，并利用数值模式进行计算，通过控制在不同气象条件下，模拟出气态污染物浓度在时间和空间上的分布^[14]。污染物在大气边界层内（500至1000米高度内）的扩散过程可由图1来进行描述。在水平方向上，风会携带下垫面排放的气态污染物，使之往下游输送；在垂直方向上，由于风剪切和浮力作用产生的湍流促进污染物在边界层内产生垂直方向上的扩散稀释。从而使气态污染物在边界层中的垂直分布趋向于均匀化。因此，污染物在边界层内的扩散过程主要由水平方向上的平流输送和垂直方向上的扩散稀释过程所决定，其中平流输送过程是由局地的水平风速所决定的，水平风速越大，污染物向下游输送越快，从局地大气中被清除的速度也越快；而在垂直方向上的扩散过程则主要是由边界层中的分子扩散和湍流混合所控制的，其中湍流混合的强度由当地的风速以及温度的垂直梯度所决定^[15]。

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