空氣污染預(yù)報實習(xí)論文

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1、平流擴(kuò)散及隨機(jī)游動方法預(yù)報污染物濃度的比較分析學(xué)生姓名：葉丹大氣物理20061320005指導(dǎo)教師：王詠薇摘要本文應(yīng)用平流擴(kuò)散及隨機(jī)游動這兩種方法分別預(yù)報北京方莊小區(qū)污染物濃度分布，并用Grads繪制各自預(yù)報所得的污染物濃度分布圖，以此對這兩種方法做簡單的對比分析。關(guān)鍵詞平流擴(kuò)散隨即游動污染物濃度預(yù)報一、引言如今，大型工廠越來越多，環(huán)境污染也越發(fā)嚴(yán)重，當(dāng)工廠、機(jī)車等排放的污染物進(jìn)入大氣層后，通過擴(kuò)散稀釋、轉(zhuǎn)化、遷移和清除在大氣層內(nèi)散布開來，如何了解污染物的擴(kuò)散規(guī)律對我們控制和預(yù)報污染物的變化是非常有用的。目前采用的預(yù)報方法分為統(tǒng)計預(yù)報和數(shù)值預(yù)報兩種。而平流擴(kuò)散是一種

2、數(shù)值預(yù)報方式，是以梯度輸送理論為基礎(chǔ)求解湍流擴(kuò)散方程的方法，在大氣擴(kuò)散理論處理和應(yīng)用中起著重要作用，當(dāng)前，中小尺度數(shù)值模式大多采用高階閉合，而大尺度區(qū)域的擴(kuò)散輸送問題仍然采用K閉合。而隨機(jī)游動是一種新的擴(kuò)散模擬方法，又稱蒙特卡洛模擬或馬爾科夫鏈模擬。隨機(jī)游動擴(kuò)散模擬使統(tǒng)計理論的發(fā)展不必受平穩(wěn)和均勻假設(shè)的限制，隨著高速、大容量電子計算機(jī)的發(fā)展，這種基于大量粒子軌跡統(tǒng)計的數(shù)值處理的擴(kuò)散模擬，有可能較為經(jīng)濟(jì)地實施運(yùn)行，因而開始得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。二、方法介紹1、平流擴(kuò)散基本原理：將雷諾平均方程中的湍流粘性應(yīng)力項采用湍流半經(jīng)驗理論進(jìn)行閉合，按照歐拉方法處理擴(kuò)散問題。主要方

3、法：采用梯度輸送理論，即由湍流運(yùn)動引起的局地質(zhì)量通量與該地被擴(kuò)散的平均濃度梯度成正比，方向相反。，，①，，為x,y,z三個方向的湍流擴(kuò)散系數(shù)。再由連續(xù)方程，，將速度和濃度寫成平均值和脈動值之和，取雷諾平均后將①式代入，得普遍形式的湍流擴(kuò)散方程再寫成三維顯式差分格式：【1】再由初始條件得到預(yù)報時間的污染物濃度狀況。（1）初始條件背景濃度取0.002mg/m3/s（2）邊界條件無梯度邊界條件（3）擴(kuò)散系數(shù)的計算Kx＝Ky＝Kz=0.09×tke2/ep/0.772、隨機(jī)游動基本原理：湍流具有高度的隨機(jī)性，將隨機(jī)函數(shù)和隨機(jī)場理論引入湍流擴(kuò)散研究，發(fā)展形成統(tǒng)計理論處理途徑。

4、主要方法：對隨機(jī)的大氣擴(kuò)散行為，用大量粒子的隨機(jī)游動方式來模擬，即用大量標(biāo)記粒子的施放來表征污染物的連續(xù)排放，讓他們在流場中按平均風(fēng)輸送，同時又用一系列隨機(jī)位移來模擬大氣擴(kuò)散，這樣就表達(dá)了平流輸送和湍流擴(kuò)散兩種作用。這些質(zhì)點(diǎn)在空間和時間上的總體分布，構(gòu)成空氣污染物的散布圖。標(biāo)記粒子的輸運(yùn)速度由平均速度和脈動速度組成,即⑴式中　.為粒子的平均速度;為粒子的脈動速度。脈動速度分量為相關(guān)分量和隨機(jī)分量(又稱蒙特卡洛分量)之和,即⑵式中為時間步長;為拉格朗日自相關(guān)系數(shù);是隨機(jī)分量,它可以表達(dá)為⑶式中為速度脈動標(biāo)準(zhǔn)差;為具有零平均值和單位標(biāo)準(zhǔn)差的隨機(jī)數(shù)。對于拉格朗日自相關(guān)系數(shù)

5、,一般取為指數(shù)形式,即⑷式中　為拉格朗日積分時間尺度。式(2)～(4)的物理意義是:把脈動擴(kuò)散看成是一個連續(xù)過程,它遵從馬爾可夫假設(shè),即粒子與周圍連續(xù)交換動量。在確定馬爾可夫擴(kuò)散過程以后,即可通過計算施放粒子的軌跡來求得某區(qū)域的污染物濃度。在模擬計算時,可將模擬區(qū)域劃分為網(wǎng)格,則網(wǎng)格內(nèi)污染物的瞬時濃度分布為(5)式中　i,j,k表示網(wǎng)格的編號;Q為污染物排放總量,Bq;N為釋放的標(biāo)記粒子總數(shù);n為t時刻統(tǒng)計每個網(wǎng)格單元的粒子數(shù);ΔV為網(wǎng)格的體積。在瞬時濃度的基礎(chǔ)上還可以計算時間積分濃度。此時不但要考慮網(wǎng)格中的粒子數(shù)量,同時也要考慮粒子在網(wǎng)格中的停留時間。計算式如下⑹

6、N式中　Tp,(i,j,k)為第p個粒子在網(wǎng)格(i,j,k)中的停留時間。利用隨機(jī)游動模型計算污染物在大氣中的擴(kuò)散傳輸過程是非常清晰的。其中最核心的是通過式(2)～(4)求得不同時刻的粒子脈動速度,而在脈動速度的求取中,拉格朗日自相關(guān)系數(shù)RL(Δt)、速度脈動標(biāo)準(zhǔn)差σ以及隨機(jī)數(shù)γ是3大要素,在下一部分的模型應(yīng)用過程中會有具體描述。在獲得脈動速度后就可以跟蹤粒子的運(yùn)動軌跡,記錄它們的隨機(jī)位移,最后通過式(5)和(6)統(tǒng)計這些粒子在時間和空間上的總體分布,從而得出污染物的擴(kuò)散規(guī)律?！?】三、研究區(qū)域以北京城區(qū)東南部的位于南二環(huán)附近的方莊小區(qū)(其中含道路、樓房、綠化帶及其

7、它公共設(shè)施)為主要研究對象，預(yù)報x方向約1340m，y方向約1300m，z方向1550m的區(qū)域內(nèi)一小時后的污染狀況。以下為2002年1月1日8點(diǎn)時(初始時刻)方莊小區(qū)的流場和污染情況。圖1：方莊小區(qū)建筑物高度分布（單位：m）圖2：方莊小區(qū)風(fēng)速分布圖3：風(fēng)速矢量圖圖4：風(fēng)速流場圖圖5：水平風(fēng)速圖圖6：下墊面分布圖圖7：初始時刻污染源的分布四、結(jié)果分析通過所得數(shù)據(jù)，用grads畫圖如下：圖8：平流擴(kuò)散計算近地層污染物濃度分布圖9：隨機(jī)游動計算近地層污染物濃度分布平流擴(kuò)散圖：x=35m處沿，這與初始狀態(tài)的污染源分布圖一致，另外y方向80—120m范圍內(nèi)沿x方向有較明顯