[理学]污染气象学 第三章 空气污染散布的基本理论处理.pptVIP

主要内容 梯度输送理论 湍流统计理论 相似理论 §3.1 空气污染物散布的一般性描述 1 描述的基本途径 空气污染物扩散过程由湍流运动和气流平均速度差决定 常用两种方法描述： 欧拉方法 拉格朗日方法 欧拉方法：相对固定坐标系描述污染物的输送和扩散。采用雷诺平均的扩散方程，存在不闭合问题（技术难点） 拉格朗日方法：跟随流体移动粒子来描述污染浓度变化。采用粒子运动统计方法，适用于平稳和均匀湍流，存在局限 拉格朗日方法 欧拉方法和拉格朗日方法比较 欧拉容易测量，但有闭合问题，能够解决化学反应等问题 拉格朗日方法数学处理容易，但使用范围有限，不能处理化学反应问题 2 污染物散步的一些基本特性 云宽：沿横风向，污染物浓度下降到等于轴线浓度1/10处的两点间距离。 标准差 为在某下风距离，污染物在y向位移的方差，表征与平均值的偏离程度。 当浓度在y轴分布为正态（高斯）分布时，可得 利用烟流半宽定义有 Z轴也有相似的 ， 。 和 称为扩散参数。具有如下性质： 1 随着距离x加长，扩散参数变大 2 随着大气稳定度变化 3 相同气象条件，地表粗糙度大，扩散参数大 大量实验及观测事实表明： 轴线浓度 采样时间对平均浓度影响（书上P23图） 湍流运动尺度广 瞬时：烟道窄，不规则，随方向摆动，浓度高 长时间：烟道宽，规则，趋于平均，浓度低 注：采样时间不同，污染物浓度不同，要说明采样时间 §3.2 梯度输送理论的基本处理 梯度输送理论－欧拉途径 由湍流运动引起的局地质量通量与该地被扩散物质的平均浓度梯度成正比，方向相反，称为梯度输送理论,又称K理论 一 湍流扩散方程 二 方程的简化与求解 1 无风瞬时点源 假定大气的静止的，湍流扩散系数为常数，各向同性，则 2 无风连续点源 连续点源，可认为浓度处于定常状态， 对瞬时点源的情况下t从0? 积分可得 3 有风瞬时点源 4 有风连续点源－贴近实际 重点掌握 4 有风连续点源－贴近实际 三 方程的数值求解 解析解：采取各种近似简化条件 数值解：考虑风场、湍流场、源强的时 空分布，考虑干湿沉积过程及 化学反应 水平方向离散化 垂直方向离散化 时间离散 中心差分 蛙跳 半显式 非中心差分 显式 隐式 动力过程 动量守恒 静力平衡方程（非静力平衡） 连续方程（质量守恒） 热力学方程（能量守恒） 水汽守恒 气体定律 动力学保守变量守恒 四 湍流扩散系数K 小结 对于梯度输送理论本身： 通量与梯度之间的线性关系只是一种假定 K不是流体的物理属性而是运动属性 当前，中小尺度数值模式大多采用高阶闭合，大尺度区域的扩散输送问题仍然采用K闭合。 对于不同的求解计算途径： 解析解：简单实用，广泛应用于环评工作领域，适用于均匀定常大气状况，有一定局限 数值解：考虑风场、湍流场、源强的时空分布，考虑干湿沉积过程及化学反应，物理过程全面，计算复杂，通常在大气科学相关研究领域进行研究 湍流统计理论－拉格朗日途径 从研究个别微团（粒子）的运动途径入手，通过研究湍流脉动场的统计性质（如相关，湍强，湍谱）来描述流场中扩散物质的散布规律。 个别粒子的随机运动无法描述，大量 粒子的集合趋向一个稳定的统计分布。 解决问题关键：确定粒子游走随机函数y（t）的概率分布。 对于概率相同的无规则行走问题，当步数充分大时，有： 1 所走距离的概率分布接近正态分布 2 其位移均方根（标准差）与行走时间 的平方根成正比 若统计量 不随时间变化，则湍流场是平稳场 协方差 反映湍流空间大小和寿命长短 根据相关系数概念 若为平稳湍流，则统计量与湍流起始时刻无关，只取决于时间间隔，并有： R( )偶函数，相对于纵坐标对称。 原点R=1,足够大 时，R?0. 二 泰勒公式及其讨论 1. Taylor（1921）用统计理论处理扩散，将浓度分布标准差与湍流脉动统计量联系。即描述拉格朗日相关系数 和 的定量关系 2.泰勒公式的另一种形式（自学） 小结 扩散问题统计处理的根本目标是找出描述粒子位移的概率分布，即上述扩散粒子散布方差，再找出概率分布函数的具体形式。其难点在于湍流场的非定常，非均一性。 泰勒公式是理想状况下导出的，在下垫面平坦，气流稳定的小尺度扩散适用，超出这样的范围需作一定的修订。 Monin(1959),B