[科普中国]-大气扩散模型

简介

大气扩散模型(atmospheric difrusion model)通过描述污染物在大气中迁移转化规律的方程或公式，定量地模拟计算污染物浓度时空分布的数学模型。

大气污染物在空间中的散布是在大气边界层的湍流流场中进行的，或者说其散布过程就是大气输送与扩散的结果。因此，大气扩散模式是一种用以处理大气污染物在大气中(主要是边界层内)输送、扩散和转化问题的物理和数学模型。大气扩散理论研究一直沿着三个理论体系发展起来的，即梯度输送理论，湍流统计理论和相似理论。它们分别考虑不同的物理机制，采用不同的参数，利用不同的气象资料，在不同的假定条件下建立起来的。因此，它们具有不同的优缺点，只能在一定的范围内适用。 由于影响扩散过程的气象条件、地形、下垫面状况及污染源本身的复杂性，到目前为止，基于现有的扩散理论，还不能找到一个适用于各种条件的大气扩散模式来描述所有复杂条件下的大气扩散问题。1

因此，近几十年来 ，气象学家们建立和发展了许多大气扩散模型，形成了种类繁多、能够处理不同条件下大气扩散问题的大气扩散模 型。如针对特殊气象条件和地形的扩散模型、封闭型扩散模型、熏烟型扩散模型、山区大气扩散模型和沿海大气扩散模式型。2

分类近几十年来，气象学家和大气环境学家建立和发展了许多的大气扩散模式，形成了种类繁多、能够处理不同条件下大气扩散问题的大气扩散模式体系。例如封闭型扩散模式、熏烟扩散模式、山区扩散模式和沿海大气扩散模式等。

依据这些模式处理问题所采用的理论和数学方法，基本上可分为统计模式(包括高斯扩散模式及其变形模式)、大气扩散相似模式和K模式。 UNAMAP是EPA向全国推荐的大气质量模式汇编，其中绝大多数的模式是以高斯扩散模式为基础推导出来的。依据其应用尺度和范围的不同可分为5组。

① 用于平坦或略有起伏的乡村地形、连续排放的高架点源。这些模式主要有PT—MAX、PTDIS、PTMTP、PTPLU、MPTER、MPTDS、PAL、PALDS和CRSTER等。这些模式都从稳态高斯烟流扩散方程出发，采用适合地面粗糙度较小的Pasquill—Gifford扩散参数。模式采用Briggs方法计算烟气抬升，用指数公式外推排放高度的平流风速。

② 适用于地形较平坦或略有起伏的工业复合源和城市地区的模式。这些模式主要有CDM、CDMQC、RAM、APRAC、APRAC3、BLP、ISCST、ISCLT等。这些模式也都是以稳态高斯模式为基础，根据环境条件的不同，加入了一些较为复杂的物理过程模拟。

③ 适用于地形复杂地区的模式。这些模式主要有：VALLEY、COMPLEX/PFM、SHORTz、LONGZ、MESOPUFF、MESOPLUME、FUMIGATlON和CTDM等。这些模式仍然采用高斯分布的假设，并以某种方式处理地形对烟流轨迹或烟气的水平扩散分布变化的影响，以便应用于山区、矿区和城市的不同环境状况下。

④ 适用于处理流动源污染的模式。主要模式有：HIWAY、HIWAY2、ROAD—WAY、PRADCHEM等。HIWAY(公路模式)可用来计算公路下风向非活性污染物的小时平均浓度，适用于均匀和平坦地形条件(也可用于质量较低、路面起伏的公路段)。

⑤ 适合于城市大气质量模式。城市下垫面和各种生产生活活动改变了城市边界层的气象条件，污染物的扩散规律与平原和乡村明显不同。仅采用单纯的高斯模式难于模拟出城市污染状况，大城市一般尺度均在数十千米，空气污染物在这种距离的输送过程中将出现比较明显的化学转化、干沉积和湿沉积清除，因此城市大气模式应综合考虑这些因素影响。对于城市中出现的光化学污染，美国的主要研究模式有PBM(光化学箱模式)、EK—MA(光化学实验动力模式)、OZIPM(臭氧模式)等。1

我国大气扩散模型我国大气扩散模型在我国大气环境影响、环境规划、总量控制中，一般均以高斯正态烟云模式为基础。高斯模型为第一代大气扩散模型。法规模式主要包括有风点源扩散模式、小风和静风点源扩散模式、长期平均浓度求算模式、熏烟模式、海岸熏烟模式、多源排放模式、面源模式、体源模式、尘模式和非正常排放模式等。1