第七章--复杂地形上空气污染数学模拟优秀PPT.ppt
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1、第七章第七章 困难地形上的空气污染数学模拟困难地形上的空气污染数学模拟第一节第一节 水域旁边的大气扩散水域旁边的大气扩散 在大的水域和陆地的交界处,如海洋和湖泊沿在大的水域和陆地的交界处,如海洋和湖泊沿岸地区,由于水面和陆地的热力和动力作用迥然不岸地区,由于水面和陆地的热力和动力作用迥然不同,会变更局地的气象条件。同,会变更局地的气象条件。一、水域对气象条件一、水域对气象条件(一)水面上扩散速率小。气流在开阔而平滑的水(一)水面上扩散速率小。气流在开阔而平滑的水面上流淌比陆地上光滑得多,因此机械湍流较弱,面上流淌比陆地上光滑得多,因此机械湍流较弱,扩散速率较陆地低,水面上扩散速率比陆地上平坦扩
2、散速率较陆地低,水面上扩散速率比陆地上平坦地区低地区低1-21-2级。但水面上风速较大,确定程度上改善级。但水面上风速较大,确定程度上改善了污染物在水面上的扩散稀释条件。了污染物在水面上的扩散稀释条件。当风从水面吹向陆地或由陆地吹向水面时,由于当风从水面吹向陆地或由陆地吹向水面时,由于下垫面温度隧然变更,将引起下层空气的变性,形成下垫面温度隧然变更,将引起下层空气的变性,形成热边界层。在这种条件下,沿海和大湖沿岸常常形成热边界层。在这种条件下,沿海和大湖沿岸常常形成特殊的漫烟型空气污染过程。特殊的漫烟型空气污染过程。(二)水域引起的最明显的局地气流是海陆风(二)水域引起的最明显的局地气流是海陆
3、风 由于海陆温差大,来自光滑海面上的海风减速由于海陆温差大,来自光滑海面上的海风减速小,海风吹到粗糙而热不稳定的陆面上,空气的铅小,海风吹到粗糙而热不稳定的陆面上,空气的铅直混合增加,这些都使海风在伸及高度、风速、深直混合增加,这些都使海风在伸及高度、风速、深化大陆深度等方面大于陆风。化大陆深度等方面大于陆风。水域旁边的局地气象条件会形成特殊的空气污染水域旁边的局地气象条件会形成特殊的空气污染过程,主要有两种类型:一种是海陆风环流引起的过程,主要有两种类型:一种是海陆风环流引起的污染,另一种是局地气团变性引起的污染。污染,另一种是局地气团变性引起的污染。(一)海陆风对空气污染的影响(一)海陆风
4、对空气污染的影响 1.1.循环作用。白天,处于局地环流之中的污染源排循环作用。白天,处于局地环流之中的污染源排放的污染物随气流热抬升后,在上层流向海洋并下放的污染物随气流热抬升后,在上层流向海洋并下沉,又可能部分地被海风带回地表。这种循环积累沉,又可能部分地被海风带回地表。这种循环积累可能达到较高的浓度。可能达到较高的浓度。二、水域旁边空气污染过程二、水域旁边空气污染过程(2 2)来回作用。海陆风是日夜转换的,一般是:海风)来回作用。海陆风是日夜转换的,一般是:海风起先于上午起先于上午9-119-11时,时,13-1513-15时最强,此后渐渐减弱,时最强,此后渐渐减弱,17-2017-20时
5、左右转为陆风。夜晚被陆风吹响海洋的污染物,时左右转为陆风。夜晚被陆风吹响海洋的污染物,白天有可能部分地带回陆面,形成重复污染。白天有可能部分地带回陆面,形成重复污染。(3 3)大范围的盛行风和海风方向相反)大范围的盛行风和海风方向相反 下层海风的温度低,上层陆上气流的温度高,在下层海风的温度低,上层陆上气流的温度高,在冷暖空气的交界面上,形成一层倾斜的逆温顶盖,冷暖空气的交界面上,形成一层倾斜的逆温顶盖,冷空气的前缘为辐合上升气流带,上层气流的方向冷空气的前缘为辐合上升气流带,上层气流的方向与下层相反。与下层相反。海风入侵的距离和厚度视它和盛行风的相对强弱海风入侵的距离和厚度视它和盛行风的相对
6、强弱而定,通常近岸处的厚度可达数百米,入侵距离约而定,通常近岸处的厚度可达数百米,入侵距离约几公里。此时沿岸低矮的烟流随下层海风吹向内陆,几公里。此时沿岸低矮的烟流随下层海风吹向内陆,它的上部受逆温顶盖的限制,属封闭型扩散,可形它的上部受逆温顶盖的限制,属封闭型扩散,可形成地面高浓度。在海风前缘,污染物随辐合气流上成地面高浓度。在海风前缘,污染物随辐合气流上升,然后随上层盛行风吹向海洋。在海洋上扩散到升,然后随上层盛行风吹向海洋。在海洋上扩散到下层的部分污染物会被海风吹向内陆。下层的部分污染物会被海风吹向内陆。(4 4)持续的漫烟型及封闭型污染,发生在气团变)持续的漫烟型及封闭型污染,发生在气
7、团变性形成的热边界层内性形成的热边界层内 春末夏初,白天陆地温度比水温高得多,当气春末夏初,白天陆地温度比水温高得多,当气流从水面吹向陆地的时候,低层的空气很快增温,流从水面吹向陆地的时候,低层的空气很快增温,温度层结转向不稳定,形成热边界层。温度层结转向不稳定,形成热边界层。热边界层在海岸旁边起先形成,在空气向内陆运动的过程中,受地面加温变性的气层渐渐增厚。因此,热边界层顶向内陆渐渐增高。热边界层内的空气受地面加热变性,它的温度层结和未受地面影响的上层空气不同。假如原先水面气层是稳定的,热边界层以上的气流仍维持稳定状态,并保持水面气层的低湍流特性。热边界层内的层结则是不稳定的,加上陆地比水面
8、粗糙,故这一层内的湍流交换大为加强。此时,热边界层内外气层的特性迥然不同。美国密执安湖岸热边界层实例 观测期间,在高压系统限制下吹稳定的东风,湖上的空气是稳定的,上部还有一大范围下沉逆温层。空气登陆以后被地面加热变性,近地面气温快速增高,至内陆50千米处,气温已比岸边增高10左右,使低层变为不稳定层结。当沿岸地区出现上述热边界层时,假如岸边有一高架源,就会在陆地上形成漫烟污染。如图:高架源的烟流起先处在稳定的气层中,继而与高架源的烟流起先处在稳定的气层中,继而与热边界层相截,进入经过变性的不稳定气层中,此热边界层相截,进入经过变性的不稳定气层中,此后,向上的扩散受到热边界层顶的逆温层限制,但后
9、,向上的扩散受到热边界层顶的逆温层限制,但层内湍流交换活跃,污染物很快向下扩散,形成漫层内湍流交换活跃,污染物很快向下扩散,形成漫烟,地面出现高浓度。发生漫烟的位置取决于烟源烟,地面出现高浓度。发生漫烟的位置取决于烟源的有效高度和热边界层的厚度。的有效高度和热边界层的厚度。一次观测实例:发电厂烟源的有效高度是一次观测实例:发电厂烟源的有效高度是320320米,米,在离源在离源5 5千米处和热边界层相交,千米处和热边界层相交,8 8千米处可闻到二氧千米处可闻到二氧化硫的气味;计算的地面最大浓度出现在化硫的气味;计算的地面最大浓度出现在6.86.8米处。米处。这种类型的污染一般出现在晴朗的白天,并
10、且气流恒定地吹向内陆的时候。它与辐射逆温瓦解时形成的漫烟不同,后者只维持半小时左右,逆温破坏后很快消逝;气团变性形成的漫烟可以稳定地维持几个小时,是沿岸地区的一种重要的空气污染现象。假如初始烟流高度处在热边界层内的低矮的烟流,其扩散和封闭型扩散类似,但上部是倾斜的逆温顶盖,和混合层厚度不变的情形略有不同。在密执安湖西岸观测到这样的实例:混合层厚度仅为135米,低矮烟流的扩散被限制在这一层内,呈典型的封闭型扩散,污染物的铅直分布因湍流混合渐渐趋向匀整。发电厂高烟囱的烟流高度约350米,处在逆温层内,始终向内陆飘行数十千米而未见明显的铅直扩散。莱昂斯和柯尔(1973)提出了一个计算沿岸地带持续漫烟
11、污染浓度的模式。这个模式仍以定常高斯模式为基础,它的主要特点是把污染物的输送和扩散过程划分成三个阶段,然后分段考虑应选取的扩散参数和计算公式。下图是模式计算的集合模型。图中的烟流轮廓是依据等于轴浓度1/10为界来定义的。三、漫烟污染模式三、漫烟污染模式其次节其次节 山区空气污染及数学模拟山区空气污染及数学模拟一、山区气象特征一、山区气象特征(一)山区的温度场及逆温特征(一)山区的温度场及逆温特征1 1气温的水平分布很不匀整。在起伏地形中,由于各气温的水平分布很不匀整。在起伏地形中,由于各处的地形和斜坡的方位、坡度不同,它们受到的日照处的地形和斜坡的方位、坡度不同,它们受到的日照时间、强度和热量
12、收支的条件就不一样,因此气温的时间、强度和热量收支的条件就不一样,因此气温的水平分布很不匀整。水平分布很不匀整。2 2山区低层夜间常出现很强的逆温。地形的阻挡,山区低层夜间常出现很强的逆温。地形的阻挡,河谷和凹地的风速很小,有利于逆温的形成。夜间山河谷和凹地的风速很小,有利于逆温的形成。夜间山坡冷却很快,冷空气沿山坡下滑,在谷地积聚,逆温坡冷却很快,冷空气沿山坡下滑,在谷地积聚,逆温发展的速度比平原快,逆温层更厚,强度更大。利于发展的速度比平原快,逆温层更厚,强度更大。利于逆温的形成。逆温的形成。全年的逆温天数、每次逆温层的持续时间以及全年的逆温天数、每次逆温层的持续时间以及逆温强度和厚度都是
13、山区空气污染分析中应当留意逆温强度和厚度都是山区空气污染分析中应当留意的因素。由于地形对日照的遮挡,山区中起先形成的因素。由于地形对日照的遮挡,山区中起先形成逆温的时间比较早,消散的时间比平原迟,一般在逆温的时间比较早,消散的时间比平原迟,一般在黄昏前后起先生成,随着入夜的时间向上发展加厚,黄昏前后起先生成,随着入夜的时间向上发展加厚,日出后自下向上渐渐消散。山区逆温的特点和句地日出后自下向上渐渐消散。山区逆温的特点和句地地形有亲密关系。一般状况下,地形陡峭、相对高地形有亲密关系。一般状况下,地形陡峭、相对高差大的山区,全年逆温天数多,逆温层较深厚。差大的山区,全年逆温天数多,逆温层较深厚。渡
14、口市渡口市0707时逆温状况时逆温状况(金沙江河谷两岸,地形陡峭,山高谷高,海拨金沙江河谷两岸,地形陡峭,山高谷高,海拨500500600600米米)微风、逆温顺地形堵塞是造成山区空气污染的重要缘微风、逆温顺地形堵塞是造成山区空气污染的重要缘由。由。(二)山区风场特征(二)山区风场特征1.1.坡风与山谷风坡风与山谷风山谷风的平均厚度与平均谷深接近,最大风速一山谷风的平均厚度与平均谷深接近,最大风速一般出现在相当于平均谷深般出现在相当于平均谷深1/41/4的高度上。的高度上。山谷风的强弱还与地形、日较差、季节等有关。山谷风的强弱还与地形、日较差、季节等有关。地形相对高度越大,山谷风就越明显;一般
15、夏季山地形相对高度越大,山谷风就越明显;一般夏季山谷风比冬季强。谷风比冬季强。(3)(3)山谷风有明显的日变更规律。夜晚吹闪风,白山谷风有明显的日变更规律。夜晚吹闪风,白天吹谷风。日出天吹谷风。日出 、日落前后是山谷风转换期。此、日落前后是山谷风转换期。此时山沟中污染源解除的污染物由于风始终回摇摆,时山沟中污染源解除的污染物由于风始终回摇摆,产生循环积累作用,以致达到平衡浓度,造成严峻产生循环积累作用,以致达到平衡浓度,造成严峻污染。污染。(4)(4)夜间,冷空气流向谷地,在谷地形成逆温层。夜间,冷空气流向谷地,在谷地形成逆温层。逆温中心象一块:固体壁与山谷形成一个逆温中心象一块:固体壁与山谷
16、形成一个“管道管道”。当污染物扩散在这个管道壁时,基本上保持。当污染物扩散在这个管道壁时,基本上保持匀整浓度在匀整浓度在“管道管道”内流淌,大气扩散几乎消逝,内流淌,大气扩散几乎消逝,使得污染源以下地区受污染程度加重。使得污染源以下地区受污染程度加重。(5)(5)对于南北走向的山沟,除中午外,山沟的一壁受对于南北走向的山沟,除中午外,山沟的一壁受日晒,另一壁背阴,因而沟内产生局部热力环流,日晒,另一壁背阴,因而沟内产生局部热力环流,造成漫烟,沿整个山沟可能出现高浓度污染。造成漫烟,沿整个山沟可能出现高浓度污染。(6)(6)当污染源有效高度不能突破下坡风厚度时,所排当污染源有效高度不能突破下坡风
17、厚度时,所排污染物将被下坡风带到谷地,造成高浓度污染。污染物将被下坡风带到谷地,造成高浓度污染。2.2.过山气流与谷风下沉过山气流与谷风下沉(1)(1)气流过山会引起整场的变更,在背风坡会出现明气流过山会引起整场的变更,在背风坡会出现明显的下沉气流。当气流与山脉走向的交角近于垂直而显的下沉气流。当气流与山脉走向的交角近于垂直而风速较大时,背风坡能形成空腔区,产生回流,湍流风速较大时,背风坡能形成空腔区,产生回流,湍流活动猛烈,风向多变。活动猛烈,风向多变。(2)(2)若污染源在山前,烟流被过山气流带向地面。若污染源在山前,烟流被过山气流带向地面。烟柳绕过建筑物时也会出现类似的情形。若污染源烟柳
18、绕过建筑物时也会出现类似的情形。若污染源在山坡上,并且高度较低时,污染物将被过山的下在山坡上,并且高度较低时,污染物将被过山的下沉气流带向地面,造成高浓度污染。沉气流带向地面,造成高浓度污染。(3)(3)处于山谷回流中的低矮污染物,烟流会被回流区处于山谷回流中的低矮污染物,烟流会被回流区的下沉气流带向地面,部分污染物还可能在回流区的下沉气流带向地面,部分污染物还可能在回流区内来回积累,造成高浓度。内来回积累,造成高浓度。(4)(4)过山气流流线表明,在山顶过山气流流线表明,在山顶50m50m以上的烟幕对旁边以上的烟幕对旁边地区影响较小,过山气流的影响也不显著。因此,在地区影响较小,过山气流的影
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