大气污染浓度估算模式

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大气扩散数值模拟高斯模型环境工程

大气污染浓度估算模式

看清一缕烟的去向:掌握扩散预测的核心模式与适用边界

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大气扩散数值模拟高斯模型环境工程

大气污染浓度估算模式

看清一缕烟的去向:掌握扩散预测的核心模式与适用边界

1第 1 页 · 大气污染浓度估算模式

为什么要估算污染浓度

上一页介绍了模式是什么——现在要回答:为什么非算浓度不可?工厂烟囱吐烟是「排放」,小区门口的监测数字是「浓度」。排放是源头的账,浓度是受体的账,两者隔着大气传输。

排放≠浓度
排放是源头释放的速率(kg/h),浓度是受体处的瞬时含量(μg/m³),量纲完全不同
空间分离
排放源与受影响点常相距数公里到上千公里,污染需经大气传输才能到达受体
监测布点有限
一座城市国控站不过几十个,无法覆盖所有敏感点,必须用估算填补空间盲区
标准管的是浓度
GB 3095等空气质量标准给出的是受体处浓度限值,监管必须回答「这里浓度多少」
厨房炒菜,客厅闻味对应 →排放源到受体浓度

油烟经扩散衰减传到客厅,排放量与闻到浓度不是一回事

2第 2 页 · 为什么要估算污染浓度

浓度估算的基本思路

上一页搞清了为什么要估算浓度——但怎么估?就像预测餐厅明天会来多少顾客,有人翻历史客流找规律,有人从周边人流推算。这恰好对应浓度估算的两大基本思路。

统计方法
用历史监测数据找规律,建立回归或机器学习模型
物理模型
从污染源排放出发,用大气扩散和化学方程模拟生成
核心取舍
统计吃数据、物理吃参数,适用场景不同
融合趋势
物理生成样本 + 统计订正偏差,机理数据并用
预测餐厅明天来客数对应 →浓度估算两条路线

统计=翻历史客流找规律;物理=数周边人流推算来源

3第 3 页 · 浓度估算的基本思路

高斯模式的起源与核心思想

前页把估算拆成源、气象输送与稀释。高斯模式不先规定烟羽曲线,而是从湍流的随机运动出发:平均风负责整体前进,湍流让污染物在横向和垂向逐步散开。

湍流是随机过程
风向、风速的起伏使单个污染物的运动轨迹无法预先确定。
中心极限定理
理想化后,许多近似独立的小扰动叠加,横向与垂向位移的统计分布趋近正态。
浓度来自统计平均
空间某点的浓度,来自许多随机轨迹经过该点的总体平均。
高斯烟羽是近似
它依赖平稳均匀流场等条件;强非均匀湍流、有限样本或复杂地形会偏离。
风中行走的队伍对应 →湍流高斯扩散

平均风像队伍的行进方向;个体的左右、上下偏移对应湍流,偏移多次叠加后呈钟形分布。

ρ(η)=12πσexp(η22σ2)\rho(\eta)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}\exp\left(-\frac{\eta^2}{2\sigma^2}\right)
4第 4 页 · 高斯模式的起源与核心思想

高斯模式的三大假设条件

中心是模式整体,三大假设分支向外展开,每个假设下细分两个边界。沿箭头从内向外读。

图解渲染中…
B1平稳均匀湍流:湍流统计稳B2连续点源:排放恒且源够小B3风向稳定:主导向不偏转
5第 5 页 · 高斯模式的三大假设条件

高斯模式的坐标系建立

前面讲了烟流随风铺开、横向扩散、垂直抬升。要定量描述浓度随空间怎么变,第一步就是把坐标系搭起来。

原点 = 排放源
烟囱口中心放在 (0,0,0),所有下风、横风、垂直距离都从这里量起
x 轴:顺风方向
下风为正,烟流沿 x 方向扩散,越往下风越宽
y 轴:横风方向
水平面内垂直于风向,向左为正,描述污染物左右铺开
z 轴:竖直向上
地面取 z=0,向上为正,描述垂直方向扩散
关键参数 H、u、σ
H 有效源高、u 平均风速、σy/σz 横风与垂直扩散系数
河里漂流的树叶对应 →高斯模式坐标系

树叶当排放源,沿水流是 x,横跨河道是 y,从水面到河底是 z

C(x,y,z)=Q2πuσyσzey2/2σy2[e(zH)2/2σz2+e(z+H)2/2σz2]C(x,y,z) = \frac{Q}{2\pi u \sigma_y \sigma_z} e^{-y^2/2\sigma_y^2}\left[e^{-(z-H)^2/2\sigma_z^2} + e^{-(z+H)^2/2\sigma_z^2}\right]
6第 6 页 · 高斯模式的坐标系建立

点源高斯模式的完整公式

坐标系立好了,下一步就是写出无界条件下,任意一点浓度的精确表达式。这条公式每个符号都有物理含义,我们一个一个拆开看。

Q(源强)
单位时间排放的质量,决定整条烟流的浓度总预算
u(平均风速)
风把烟流沿 x 方向搬运的速度,u 越大浓度被稀释越快
σy、σz(扩散参数)
横向与垂直方向的标准差,随下风向距离 x 增大
横向高斯项
exp 项,y=0 即烟流中心轴处浓度最大
垂直高斯项
exp 项,无界条件下 z=0 处浓度最大
烟囱冒烟被风吹散对应 →高斯点源扩散

Q 对应出烟量,u 对应风速,σy/σz 对应烟柱宽度,远处浓度自然被摊薄

C=Q2πuσyσzexp(y22σy2)exp(z22σz2)C = \frac{Q}{2\pi u \sigma_y \sigma_z} \exp\left(-\frac{y^2}{2\sigma_y^2}\right) \exp\left(-\frac{z^2}{2\sigma_z^2}\right)
7第 7 页 · 点源高斯模式的完整公式

扩散参数的物理意义与取值方法

上一页完整公式里出现了 σ_y 和 σ_z 两个符号,却没说它们怎么取值。这一页就来拆开看——它们是烟羽横向和垂直膨胀的尺度,背后有 Briggs 经验公式。

σ_y 横向扩散参数
烟羽在垂直风向方向(横向)的扩散宽度,单位米
σ_z 垂直扩散参数
烟羽在垂直方向(上下)的扩散厚度,单位米
随下风向距离 x 增长
x 越大 σ 越大;幂律增长,越远扩张越慢
Briggs 经验公式
工程界最常用的 σ 取值,按稳定度 A~F 分段给系数
稳定度决定增长速率
A 最不稳定扩散最快,F 最稳定扩散最慢
烟囱冒烟飘向下游对应 →σ_y 与 σ_z 共同描述烟羽膨胀

近处细烟柱,远处膨成云团:σ_y 是横向宽度,σ_z 是上下厚度

σy=ax(1+bx)1/2, σz=cx(1+dx)f\sigma_y=\frac{ax}{(1+bx)^{1/2}},\ \sigma_z=\frac{cx}{(1+dx)^f}
8第 8 页 · 扩散参数的物理意义与取值方法

有界条件下的修正——反射层处理

实际大气有上下两个反射边界,需要用镜像源叠加来修正无界高斯模式。

1
识别两个边界
地面和混合层顶盖都会把污染物反弹回来,是两种不同性质的反射
2
地面镜像源
在地面下方对称位置放一个虚拟源,等价模拟地面一次反射
3
顶盖多次反射
顶盖反射会反复发生,需无穷多镜像源组成级数处理
4
叠加求浓度
真实源加所有镜像源的贡献之和,就是有界条件下的总浓度
9第 9 页 · 有界条件下的修正——反射层处理

有效源高的计算

先把烟囱的有效源高拆成物理高度、动量抬升和热力抬升,再叠加并检查适用边界。

1
整理源高参数
统一烟囱高度、直径、出口速度、风速、温差、排气流量和稳定度,确认条件。
2
计算动量抬升
由出口垂直动量、烟囱直径和横向风速,按适用经验式计算动量抬升量。
3
计算热力抬升
由浮力通量、排气流量和环境稳定度,按适用经验式计算热力抬升量。
4
叠加有效源高
按Hₑ=Hₛ+ΔHₘ+ΔHₜ相加,得到烟囱的有效源高。
5
核对适用边界
检查近地风、稳定度、建筑扰动和公式适用范围,必要时修正或改选方法。
10第 10 页 · 有效源高的计算

稳定度分级体系

A 与 F 是稳定度光谱的两极:扩散行为完全相反,估算浓度时选错场景,结论可能差一个量级。

A 极不稳定
  • 判定条件:晴朗午后,太阳高度角高、风速微弱
  • 物理状态:地面强烈受热,热力湍流旺盛
  • 烟羽形态:剧烈上下翻卷,垂直扩散充分
  • 地面峰值低,但污染范围可远至下风向数十公里
F 极稳定
  • 判定条件:夜间晴空、微风,地表辐射冷却强烈
  • 物理状态:近地层出现强逆温,湍流被抑制
  • 烟羽形态:平直细长、贴地水平输送,几乎不上下混合
  • 地面峰值高且落地点集中,最大浓度出现在近距离
评估长期大范围平均浓度时常用 A 类;但评估短时污染峰值与突发感官污染事件时,F 才是环境应急真正要防的稳定度。
11第 11 页 · 稳定度分级体系

逆温层对扩散的抑制作用

稳定度分级回答的是「扩散有多快」,但再快也撞不过一道硬墙——逆温层。它像房间的天花板,硬把污染物挡回去。

贴地逆温
晴朗无风的夜晚,地面辐射冷却,近地层温度反向上升
抬升逆温
高压下沉气流在几百米高空形成的暖盖,多见于晴朗白天
混合层高度H
逆温底到地面的距离H,即大气能上下混合的极限高度
盖子效应
垂直扩散到H处被强制反射,污染物被压缩在H以下
浓度放大
H越低,单位体积空气分到的污染份额越高,雾霾越重
低天花板房间对应 →逆温层盖子效应

烟雾上升撞天花板折回,天花板越低烟雾越浓

n=[exp((z2nH)22σz2)+exp((z+2nH)22σz2)]\sum_{n=-\infty}^{\infty} \left[\exp\left(-\frac{(z-2nH)^2}{2\sigma_z^2}\right) + \exp\left(-\frac{(z+2nH)^2}{2\sigma_z^2}\right)\right]
12第 12 页 · 逆温层对扩散的抑制作用

复杂地形的修正方法

前页讲到,逆温像被子一样压住烟羽;复杂地形还会改变“被子里的风”。山后可能卷起下洗烟流,峡谷则把污染沿街送出,所以修正必须从流场入手。

先改风场
不能只放大σ_y、σ_z;应先求局地风、湍流和分离区,再计算烟羽轨迹与浓度。
山体尾流
山后因绕流分离形成低速回流和强剪切,烟羽可下洗、起伏并短暂滞留。
峡谷管道效应
侧壁限制横向扩散,风沿谷向输运;街谷内常有顶部来流、路面回流的环流。
分区与边界
两类地形不能共用参数;经验修正只适用于相似条件,关键点宜用观测、风洞或CFD验证。
河水绕巨石与入水槽对应 →山体尾流与峡谷管道效应

巨石后出现回水和乱流,河水入槽后沿槽走,侧向更难散开。

13第 13 页 · 复杂地形的修正方法

点源浓度估算的标准流程

面对一个具体的点源,按气象输入→稳定度判断→查表取值→公式代入→浓度输出的五步顺序走下来,得到任意位置的下风向浓度。

1
输入气象条件
收集风速、风向、太阳辐射、云量等现场观测数据
2
判断大气稳定度
按风速与日照强度查帕斯奎尔分级表,确定 A-F 等级
3
查取扩散参数
由稳定度等级与下风向距离 x,在 P-G 曲线中查 σy、σz
4
代入高斯公式
把 σy、σz 与有效源高 H 一起代入点源公式计算
5
输出浓度结果
得到任意 (x,y,z) 处的浓度值,与环保标准对比
14第 14 页 · 点源浓度估算的标准流程

典型算例:单烟囱排放计算

python

用 Python 实现单烟囱落地浓度估算:给定源强、风速、稳定度、有效源高,沿下风向扫描计算浓度。

代码高亮加载中…

L3 是函数四输入;L14 中「2Q」是地面反射修正,「H²」指数项体现源高对落地浓度的衰减;L18 是典型燃煤电厂参数。

15第 15 页 · 典型算例:单烟囱排放计算

下风向浓度随距离的变化规律

沿下风向看落地浓度的四阶段:源点抬升、近场低浓度、峰值最大落地浓度、远场衰减。黄节点为峰值位置。

图解渲染中…
A点源排放,烟气抬升至H_eff后向下风向扩散C峰值位置x_max,此处dC/dx=0,落地浓度达Cmaxnotex_max由H与稳定度共同决定;H越高越稳定则越远D远场扩散充分,σ_z充分大,C按~1/x规律衰减
16第 16 页 · 下风向浓度随距离的变化规律

点源模式自测

点击作答

高斯烟羽模式中,扩散参数 σy 和 σz 描述的究竟是什么物理量?

17第 17 页 · 点源模式自测

线源的积分处理方法

上一节我们算出了一个烟囱的浓度。但如果污染物不是从单一烟囱,而是从一条繁忙的公路上源源不断冒出来呢?这就要把线源拆成无数个点源再积分求和。

线源的场景与定义
公路、铁路、连续生产线等可视为沿垂直风向(y方向)无限延伸的排放源,单位长度排放强度 Q_L,单位 g/(m·s)
微元点源切分
在 y 方向取微元 dy,其排放量 dQ = Q_L·dy,相当于一个独立的点源
积分方向的选择
对 y 从 -∞ 到 +∞ 积分叠加;x 方向保留为变量,z 方向保留为高度信息
关键积分公式
高斯函数全空间积分等于 √(2π)·σ_y,σ_y 因此被积分"消掉"
线源浓度公式
地面线源(z=0)时 C(x)=Q_L/(√(2π)·u·σ_z),比点源简洁,只剩一个扩散参数
消防水龙带的水幕对应 →线源扩散

水龙带每个喷口喷出的水雾扩散为小烟团,沿喷口方向连续叠加形成一片带状水幕

C(x,z)=QL2πuσzexp(z22σz2)C(x,z) = \frac{Q_L}{\sqrt{2\pi}\, u\, \sigma_z}\exp\left(-\frac{z^2}{2\sigma_z^2}\right)
18第 18 页 · 线源的积分处理方法

面源的模式化处理

前面我们把一根高烟囱当点源算得清楚,可工业园区里几十上百根矮排气口同时排烟,逐根算既不现实也没必要。工程师通常用两类办法把面源"捏"成一个可计算的等效体。

面源本质
由大量分散、低矮的排放单元组成的区域,如工业园区、城市炊事、车队停车场
窄线源近似
将面源沿风向切成窄条,每条视为线源积分;各窄条结果叠加即得整面源浓度
虚拟点源等效
接收点距面源足够远时,整个面源可压缩为位于中心的等效点源,直接套用高斯公式
箱式模型
假定污染物在混合层内瞬时均匀混合,浓度=单位面积排放率/(风速×混合层高度)
一片停车场里上百辆怠速车对应 →面源等效为虚拟点源

每辆车的尾气逐辆算太烦;从远处看整个停车场就像"一辆巨型车",用点源公式即可估下风向浓度

C=QAuHC=\frac{Q_A}{u\cdot H}
19第 19 页 · 面源的模式化处理

点、线、面三种模式的对比

点源公式人人会算,遇到城市面源却无从下手——根本原因是面源不是点源的简单堆叠,几何描述方式截然不同。

点源模式
  • 公式:高斯解析式直接计算浓度
  • 适用:孤立高架源(单根烟囱)
  • 复杂度:低,一次代入即可
面源模式
  • 公式:网格离散为虚拟点源后叠加
  • 适用:低架密集排放(街区、厂区)
  • 复杂度:高,需大量虚拟源求和
线源是点源沿线的积分,面源是点源在面积上的推广。线源仍可解析积分,面源必须离散化——记住'面源=虚拟点源阵列'。
20第 20 页 · 点、线、面三种模式的对比

空气质量模型的发展脉络

沿时间轴从左向右看,分支处体现两大流派的并行发展,最终汇入耦合模式。

图解渲染中…
a1靠风速等参数做线性回归估算a2基于正态分布的烟羽假设a3追踪气团粒子的运动轨迹a4在固定网格上求解浓度场
21第 21 页 · 空气质量模型的发展脉络

第三代空气质量模型的核心特征

前面的高斯模式只能算单源稳态,碰上城市群、多污染源、化学反应就失灵。第三代模型怎么解决?两把钥匙:把天空切成3D网格、把气象和化学揉在一起算。

三维网格架构
把计算域切成3D网格小盒,每盒存一个浓度值
气象场驱动输送
气象模型提供风场与湍流,决定污染物怎么搬
化学机制并行计算
每格内同步模拟几十种物质的反应与转化
气象-化学双向耦合
气溶胶等成分反过来影响辐射、云和气象场
高斯:追踪一发炮弹弹道对应 →CTM:三维棋盘每格自算收支

单源轨迹 → 全域网格同步演化

Cit=(uCi)+(KCi)+Ri(C)+Ei\frac{\partial C_i}{\partial t} = -\nabla\cdot(\vec{u}C_i) + \nabla\cdot(K\nabla C_i) + R_i(C) + E_i
22第 22 页 · 第三代空气质量模型的核心特征

高斯模式的历史地位与局限性

简单高效但无法处理化学转化、长距离传输与复杂地形

高斯模式的历史地位与局限
简单高效但无法处理化学转化、长距离传输与复杂地形
23第 23 页 · 高斯模式的历史地位与局限性

城市尺度应用:SMOKE-CMAQ案例

前页说到第三代模型能算出三维浓度场,那一座城市的PM2.5到底怎么算出来?下面以业内最常用的SMOKE-CMAQ组合为例,拆开看完整流程。

排放清单
原料库:点源(烟囱)、面源(居民/工业)、移动源(车辆)按污染物分类汇总
SMOKE预处理
预处理车间:化学物种映射、空间网格化、时间分配三步,把清单变成模型能吃的格式
CMAQ模拟
主反应器:排放 + 气象(WRF) + 边界条件 → 三维浓度场
后处理校验
质检环节:画等值线图、看时间序列、与监测站对比验证模型准确度
中央厨房做一桌菜对应 →SMOKE-CMAQ工作流

清单=买菜备料,SMOKE=洗切配菜,CMAQ=开火烹饪,后处理=摆盘核对口味

24第 24 页 · 城市尺度应用:SMOKE-CMAQ案例

区域传输案例:京津冀O₃污染过程

图分上下两路:上为实际臭氧跨界传输路径,下为高斯模式假设,对比看出高斯模式的局限。

图解渲染中…
a1河北典型VOCs排放源d1输送途中持续发生光化学反应h3区域累积超出高斯模式能力h4网格化空气质量模型如CMAQ
25第 25 页 · 区域传输案例:京津冀O₃污染过程

本专题知识结构回顾

  • 高斯模式以解析公式取胜,前提是均匀、定常、湍流平稳
  • 源型决定算法:点源叠加、线源积分、面源网格化
  • 稳定度分级与有效源高,是高斯模式修正的两大抓手
  • 第三代模型从解析走向数值网格,代价是计算量陡增
  • 选用模型先看尺度与目标,不存在普适最优解
延伸主题:光化学烟雾的数值模拟CALPUFF与AERMOD对比污染溯源与源反演
26第 26 页 · 本专题知识结构回顾

课后思考与延伸

先独立思考再看参考答案。三个问题分别对应回顾、应用、迁移。

1高斯模式的三大假设在哪些现实条件下会明显失效?估算结果会偏高还是偏低?

参考答案回看假设页:均匀流场、稳定湍流、水平均匀。静小风或建筑密集时假设崩溃,估算往往严重偏低,因为没考虑回流与污染物积聚。

2估算工业园区多条道路尾气浓度叠加,你会选点源、线源还是面源模式?

参考答案线源对道路直接积分;面源把街区网格化为虚拟面源再叠加。工程上常先用面源做整体估算,再对重点道路用线源细化。

3高斯模式和 CMAQ 在物理描述粒度与计算成本上各有何取舍?

参考答案高斯用经验参数描述湍流,计算快但物理粗糙;CMAQ 求解大气动力学与化学方程,计算昂贵但能处理复杂反应和地形。两者并非替代关系。

27第 27 页 · 课后思考与延伸