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
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。
油烟经扩散衰减传到客厅,排放量与闻到浓度不是一回事
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=翻历史客流找规律;物理=数周边人流推算来源
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。
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。
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。
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。
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
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 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
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。
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
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。
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。
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。
- 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
- 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
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。
烟雾上升撞天花板折回,天花板越低烟雾越浓
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。
巨石后出现回水和乱流,河水入槽后沿槽走,侧向更难散开。
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。
典型算例:单烟囱排放计算
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。
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。
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。
点源模式自测
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?
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。
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
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。
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
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。
- 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
- 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
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。
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。
单源轨迹 → 全域网格同步演化
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
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。
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
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。
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
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。
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。
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。
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。