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同学们好！从今天开始
我们一起学习第四章大气污染物浓度估算模式
在第一讲概述中
我们首先介绍什么是大气污染物浓度估算模式
大气污染物浓度估算模式是模拟大气污染物的输送
扩散、迁移、转化和清除过程
预测在不同污染源排放、气象条件及下垫面条件下
某污染物浓度时空分布的数学模型
它是一种对大气污染物行为规律的简化数学描述
目前，大气污染物浓度估算模式被广泛应用于城市
区域乃至全球尺度的气象、气候和大气污染的问题
它既是进行空气质量评估和制定大气污染控制规划的法规工具
也是识别大气污染物输送、扩散和转化机理的研究工具
比如，要实现北京空气质量达标
需要减少多少污染物的排放呢
这里的达标减排幅度，就可以用空气质量模式来进行计算
大气污染物浓度估算遵循的基本原理
是污染物在大气系统中的物质守恒
污染物排放进入到大气中
主要经历传输、转化和沉降三个过程
对于一个特定的大气系统而言
排放增加了系统内的大气污染物
输送会导致污染物在系统边界处的流入或流出
在系统内，污染物可能经过化学反应生成或者消除
也可能通过沉降被去除
最终，系统内大气污染物的积累量取决于这些过程的影响
因此，大气污染物浓度估算模式都可以用这个公式表示
即系统内污染物的积累量等于
所有流入量-所有流出量+产生量-消耗量
利用这一基本原理
我们可以建立最简单的浓度估算模式，即箱模式
箱模式将整个研究区域
比如城市从地面到混合层顶的空气，视为一个箱体
箱内污染物的平均浓度是由城市污染物总排放量
和流量之间的动态平衡决定的
我们这里看到的就是一个简化为箱体的城市
箱体长度为L、宽度为W，高度为混合层高度H
箱体的长边平行于风向,以风的方向为x轴
z轴垂直于水平面指向上建立坐标系
箱模式有六条假设：
一是污染物在城市上空均匀分布，箱内污染物浓度均一
且处于稳态，不随时间变化
二是风速为u，在水平、垂直方向上均是恒定的
三是城市的背景浓度为b
即在x=0处进入箱体的污染物浓度为b
四是城市污染物的排放速率为Q
Q可以用排放强度乘以箱底面积A得到
五是在箱体顶部和平行于风向的两个侧面上都没有污染物的进和出
最后一个假设是忽略化学反应和沉降
即污染物的清除速率为0
根据上述假设
箱体物料衡算方程等号左边的污染物积累量为0
污染物只在垂直于风向的两个面上流入和流出
因此流入量为流量乘以背景浓度
即风速、宽度、高度和背景浓度的乘积
假设箱内的污染物浓度为ρ
那么流出量就是风速、宽度、高度和ρ的乘积
污染物的产生只来自于排放
于是产生量为排放强度乘箱底面积；污染物的清除量为0
这样，我们就整理得到了城市大气污染物浓度的计算公式
可见，对于特定的城市
污染物的浓度是由背景浓度和城市排放导致的浓度增量构成的
而城市排放导致的浓度增量与排放强度成正比
与风速成反比
箱模式虽然简单，却对城市规划和污染控制具有重要意义
例如，新建城市应选择背景浓度低
风速大和扩散条件好的区域
城市在主导风向上的长度要尽可能地小
对于现有污染物浓度超标的城市，要实现空气质量达标
一种方式是降低背景浓度，但这通常比较困难
这就要求我们降低城市自身的排放强度
假设当前城市大气污染物的浓度为ρ1
排放强度是q1；我们希望污染物浓度降到ρ2
就可以用箱体模式求得其对应的排放强度q2
那么我们就可以计算出污染物浓度从ρ1降到ρ2所需的减排比例
即1-q2/q1
这样，我们就可以根据箱模式
很方便地确定某一污染物浓度下的减排比例和减排量
但箱模式是一个极为简化的模式
在实际大气中，污染物会经历复杂的稀释扩散过程
因此箱模式的计算误差较大
要更准确地计算大气污染物的浓度
就需要了解湍流扩散理论
在大气边界层内，大多数的空气运动是随机和不规则的
称为大气湍流。大气湍流表现为风速的脉动和风向的摆动
它是引起空气扰动、制约大气扩散的主要因子
我们之前看到的波浪型烟流就是大气湍流作用导致的
湍流按照成因分两种：
一是由于垂直方向上温度分布不均匀引起的热力湍流
其强度主要取决于大气稳定度
二是由于垂直方向风速分布不均及地面摩擦引起的机械湍流
其强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度
实际中的湍流是这两种湍流综合作用的结果
风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最本质最直接因素
湍流扩散速率远远大于分子扩散
因此大气中的分子扩散一般可以忽略不计
我们对大气湍流的研究已经有一百多年的历史
早在1895年
雷诺就把瞬时风速分解为平均风速和叠加在上面的湍流脉动速度
得到湍流运动方程组
但到目前为止
人们对湍流的认识仍停留在半经验理论和统计理论阶段
目前应用比较广泛的三种理论为：梯度输送理论
统计理论和相似理论
泰勒在德国科学家菲克提出的分子扩散理论基础上
将浓度梯度作为物质扩散的驱动力
应用欧拉法研究固定坐标系每一空间位置上运动质点的特征量
如速度、浓度等
把某瞬时通过流场各个固定点的质点运动状态综合起来
就得到了污染物输送与浓度梯度的关系，即梯度输送理论
这理论中关键参数是类比于分子扩散系数的湍流扩散系数K
它是时间和空间的函数
还依赖于湍流运动的性质和大尺度的气象条件
通常用实验的方法来确定
梯度输送理论在小尺度预测上缺陷突出
但在处理大尺度污染扩散问题上具有一定优越性
第二种理论是湍流统计理论。与梯度输送理论不同
湍流统计理论是在用拉格朗日方法研究
每一质点不同时刻运动状态的基础上得到的
拉格朗日法也称为质点系法
它是以运动着的质点为参照系
跟踪并研究每个流体质点的运动情况
湍流统计理论是1921年由泰勒首先提出的
它假定大气湍流场是一个均匀的定常流场
虽然单个质点运动是随机的
但无数个随机运动的质点作为一个整体时
具有稳定的概率分布
因此，这一理论的基本参数就是用于描述
这种概率分布的风速脉动速度均方差
萨顿首先应用泰勒公式,提出了污染物在大气中扩散的模型
之后，高斯在大量实测资料分析的基础上
基于湍流统计理论得到了正态分布假设下的扩散模式
就是目前仍被广泛应用的高斯模式
湍流统计理论是在均匀、定常的假设条件下导出的
因此只适用于下垫面平坦开阔、气流稳定的小尺度扩散问题
相似扩散理论是在拉格朗日相似性假设基础上发展起来的
其实质是假定流场的拉格朗日性质
仅取决于表征流场欧拉性质的已知参量
如摩擦速度等
质点的扩散特征与流场的拉格朗日性质相联系
在这一假定下，采用量纲分析的方法
可以将大气扩散与风速、温度的空间分布联系起来
从而解决湍流扩散问题
但该理论仅适用于几十米厚的近地层内
大气污染物浓度估算模式的概述我们就介绍到这儿
下一讲我们将介绍基于湍流统计理论的高斯扩散模式
欢迎大家继续学习
-1-1 大气污染的定义和分类
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-第一章 绪论--1-1 大气污染的定义和分类
-1-2 大气污染物和排放源
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-第一章 绪论--1-2 大气污染物和排放源
-1-3 大气污染的影响
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-第一章 绪论--1-3 大气污染的影响
-1-4 大气污染防治法规及标准体系
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-第一章 绪论--1-4 大气污染防治法规及标准体系
-第一章 绪论--第一章 作业习题
-2-1 燃料的性质与分类
-第二章 燃烧与大气污染--2-1 燃料的性质与分类
-2-2 燃烧过程和计算
--燃烧过程和计算
-第二章 燃烧与大气污染--2-2 燃烧过程和计算
-2-3 硫氧化物的生成
--硫氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-3 硫氧化物的生成
-2-4 氮氧化物的生成
--氮氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-4 氮氧化物的生成
-2-5 颗粒物的生成
-2-5 颗粒物的生成--作业
-2-6 其他污染物的生成
--其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-6 其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--第二章 作业习题
-3-1 概述
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-第三章 大气污染气象学--3-1 概述
-3-2 大气的垂直结构
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-第三章 大气污染气象学--3-2 大气的垂直结构
-3-3 大气的热力过程
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-第三章 大气污染气象学--3-3 大气的热力过程
-3-4 大气稳定度与逆温
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-3-4 大气稳定度与逆温--作业
-3-5 大气的运动和风
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-第三章 大气污染气象学--3-5 大气的运动和风
-第三章 大气污染气象学--第三章 作业习题
-4-1 概述
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-1 概述
-4-2 点源扩散的高斯模式
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-2 点源扩散的高斯模式
-4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
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-第四章--4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
-4-4 点源扩散浓度的估算
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-4 点源扩散浓度的估算
-4-5 线源和面源扩散模式（选修）
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-第四章--4-5 线源和面源扩散模式（选修）
-4-6 空气质量模型的研究进展
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-4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
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-第四章--4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
-第四章 大气污染浓度估算模式--第四章 作业习题
-5-1 粒径与粒径分布
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-1 粒径与粒径分布
-5-2 颗粒物的形貌特征
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-2 颗粒物的形貌特征
-5-3 化学组成和光学性质
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-5-3 化学组成和光学性质--作业
-5-4 粉尘的物理性质
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-4 粉尘的物理性质
-5-5 净化装置的性能
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-5 净化装置的性能
-5-6 流体阻力和颗粒的沉降
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-第五章--5-6 流体阻力和颗粒的沉降
-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）
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-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）--作业
-第五章 颗粒污染物控制技术基础--第5章 作业习题
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-第六章 除尘装置--6-1 重力沉降室
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-6-2 旋风除尘器--作业
-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）
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-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）--作业
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-第六章 除尘装置--6-4 荷电颗粒的运动和捕集
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-第六章 除尘装置--6-5 电除尘器的结构和设计
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-6-6 袋式除尘器的工作原理--作业
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-第六章--6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
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-6-8 袋式除尘器的设计和应用--作业
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-第六章 除尘装置--6-9 湿式除尘器的工作原理
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-第六章 除尘装置--6-10 文丘里洗涤器（选修）
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-6-11 除尘器的选择与发展--作业
-第六章 除尘装置--第六章 作业习题
-期中测试--期中测试
-7-1 物理吸收传质计算
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-第七章 --7-1 物理吸收传质计算
-7-2 化学吸收传质计算
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-7-2 化学吸收传质计算--作业
-7-3 吸收设备和工艺
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-7-3 吸收设备和工艺--作业
-7-4 气体吸附原理与速率
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-7-4 气体吸附原理与速率--作业
-7-5 吸附设备与工艺
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-7-5 吸附设备与工艺--作业
-7-6 吸附器的设计计算
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-第七章 --7-6 吸附器的设计计算
-7-7 催化原理
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-7-7 催化原理--作业
-7-8 气固催化反应动力学
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-7-8 气固催化反应动力学--作业
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-7-9 气固相催化反应器的设计--作业
-第七章 气态污染物控制技术基础（选修）--第七章 作业习题
-8-1 概述
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-8-1 概述--作业
-8-2 燃烧前燃料脱硫
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-第八章 硫氧化物控制技术--8-2 燃烧前燃料脱硫
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-8-3 流化床燃烧脱硫--作业
-8-4 高浓度二氧化硫回收
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-8-4 高浓度二氧化硫回收--作业
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-第八章 --8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-8-6 氧化镁湿法烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-7 海水烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-10 循环流化床干法烟气脱硫--作业
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-8-11 烟气脱硫技术的综合比较--作业
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-第八章 硫氧化物控制技术--第八章 作业习题
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-第九章 固定源氮氧化物控制技术--9-2 低氮氧化物燃烧技术
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-第九章--9-4 选择性非催化还原技术
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-12-4 臭氧层破坏的应对措施
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-第十二章 全球性大气环境问题--第十二章作业习题
-Lecture 01
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-Lecture 02
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-Conversation
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