[科普中国]-大气扩散

概念

大气扩散（atmospheric diffusion）是大气中的污染物在湍流的混合作用下逐渐分散稀释的过程。主要受风向、风速、气流温度分布、大气稳定度等气象条件和地形条件的影响。

影响因子影响大气扩散的气象因子有：风向、风速、气温、大气温定、逆温层等；

（1）风向：大气污染物是往下风向扩散的，因此盛行风向决定了大气污染物影响的区域；

（2）风速：风速的大小主要影响污染物在下风向的输送以及大气的湍流强度；显然，风速越大，则污染物的输送速度越快，大气湍流越强，越有利于大气污染的扩散。

（3）气温：环境气温直接影响高架点源烟流的抬升高度，影响有效源高。

（4）大气稳定：大气稳定程度决定了大气的垂直运动，直接影响着大气污染物在垂直方向的扩散。当大气稳定度属于不稳定类时，空气容易发生垂直运动，有利于大气污染物在垂直的扩散。

（5）逆温层：逆温层的存在将阻碍大气的垂直运动，对大气污染物扩散不利，特别是对低矮面源的扩散影响更大。1

天气背景大气污染扩散与大范围的天气背景有关。当某地区为低压中心控制时，空气作上升运动，云天较多，通常大气呈中性状态或不稳定状态，有利于污染物扩散稀释；当某地区为高压中心控制时，空气作下沉运动，并常形成下沉逆温，不利于污染物向上扩散。如果高压移动缓慢，长期停留在某一地区，那么，污染物就会长期得不到扩散。尤其是天气晴朗时，夜间容易形成辐射逆温，对污染物的扩散更不利，此时易出现污染危害。如果再加上不利的地形条件，往往形成严重的污染事件。

大气扩散模式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）输送和扩散问题的物理和数学模型。由于影响扩散过程的气象条件、地形、下垫面状况及污染本身的复杂性，到目前为止，基于现有的理论，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这些复杂条件下的大气扩散问题。

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，如针对特殊气象条件和地形的扩散模式：封闭型扩散模式、熏烟型扩散模式、山区大气扩散模式和沿海大气扩散模式等。

根据这些模式处理问题所采用的理论和数学方法，基本上可分为高斯模式及其变形模式、统计模式、大气压扩散相似模式和K模式。2

高斯模式及其变形模式根据污染和气象场的不同，斯扩散模式有多种形式，如：①有界、高架连续点源扩散模式；②界瞬时点源模式（也称烟团模式）。高斯模式的前提假设是比较符合实际的。高斯模式的一个重要假设就是污染物的浓度分布符合正态分布模型，大量小尺度扩散试验证明，正态分布的假设至少是实际分布的一种粗略近似（尤其是对小范围扩散）。

统计模型这类模式以大气扩散统计理论为基础，其中心问题是寻求扩散粒子关于时间和空间的概率分布，进一步求出扩散物质浓度的空间分布和时间变化。在均匀、平稳湍流场中，上述概率分布遵从高斯分布，可以导出高斯模式。

近年来，广泛应用于物理学等领域的蒙特卡洛粒子轨迹统计方法也被引入到大气扩散问题的研究中，并有了一定的发展。这种方法对非均匀!非定常和有较强切变的复杂流场（如海陆风，山谷风等）条件下污染物扩散的计算很有效。但对于很复杂的情形，为了达到满意精度，其计算是令人吃惊的。

大气压扩散相似模式这类模式的理论基础是湍流相似理论，其基本原理是拉格朗日相似性假设，即流场的拉格朗日性质取决于表征流场欧拉性质的已知参量，该理论的基本方法是量纲分析法。

大气扩散相似理论原则上没有更多的理论限制，但是这类模式要求表征流场欧拉性质的已知参量是完备的，这一点在实际应用中很难满足。因此这类模式目前也只是应用于小尺度铅直扩散问题和扩散层厚度限制在近地层内的大气扩散问题。

K模式KŽ模式是建立在大气梯度——输送理论基础上的，其中心问题是求解输送-扩散方程。这个方程只有在严格的假定条件下才能求得解析解，随着计算技术的发展，近年来数值KŽ模式有了很大发展，基本上可分为如下几类：

（1）拉格朗日型模式

这类模式也称作轨迹模式，模式所采用的坐标固定在气流微团上随气流一起移动，因此输送-扩散方程中不再出现平流项。由于方程中不出现平流项，因此这类模式中也不会出现”数值伪扩散“现象。但是对于三维流场，由于局地风矢量的切变，会使拉格朗日坐标系发生扭曲，导致计算过程变得十分复杂。

（2）欧拉型模式

这类模式中，坐标系固定在三维空间中，气流流经固定的坐标系，污染物浓度定义在该固定坐标系中。为了减小数值伪扩散误差，欧拉型模式有多种计算方案：差方法、假谱法、有限元方法。其中差方法是目前使用最多的一种。

虽然欧拉型模式在近年来有巨大发展，但无论那种模式，都摆脱不了计算过程中差分方案的数值稳定性问题。

（3）混合型模式

这类模式同时具有欧拉型模式和拉格朗日型模式的长处，例如粒子-网格模式（PIC模式），矩方法等。

从以上可以看出，K模式的约束条件很少，可以广泛应用于城市、复杂地形、远距离输送等问题。但是，模式的一个基本缺陷在于把湍流扩散比拟为分子扩散，这一基本假设缺乏严格的物理依据和可靠的实验基础，因此模式的空间分辨率较差，不适合模拟局地扩散问题。2

静风条件下的大气扩散很多大城市和工业区都会遇到静风条件下的严重空气污染，正确地估算静风条件下的扩散是评价空气质量和进行空气污染控制的一个重要环节。七十年代初，通过扩散试验发现，在静风条件下的扩散显著高于通常使用的P-G法中规定的数值，并且其数值变化很大。

静风条作下仍然存在明显的平均运动，特征是路径曲折，低频摆动大，混合层内的垂直速度脉动在0.46~ 0.63m/s之间，垂直运动范围与混合层深度相接近，通常在500m左右。3

危害①对人体健康的危害。人体受害有三条途径，即吸入污染空气、表面皮肤接触污染空气和食入含大气污染物的食物，除可引起呼吸道和肺部疾病外，还可对心血管系统、 肝等产生危害，严重的可夺去人的生命。

②对生物的危害。动物因吸入污染空气或吃含污染物食物而发病或死亡，大气污染 物可使植物抗病力下降、影响生长发育、叶面产生伤斑或枯萎死亡。

③对物品的危害。如对纺织衣物、皮革、金属制品、建筑材料、文化艺术品等，造 成化学性损害和玷污损害。

④造成酸性降雨，对农业、林业、淡水养殖业等产生不利影响。

⑤破坏高空臭氧层，形成臭氧空洞，对人类和生物的生存环境产生危害。

⑥对全球气候产生影响，如二氧化碳等温室气体的增多会导致地球大气增暧，导致全球天气灾害增多，又如烟尘等气溶胶粒子增多，使大气混浊度增加，减弱太阳辐射， 影响地球长波辐射，可能导致天气气候异常。如何防治大气污染，减轻大气扩散污染的危害与影响，构成了当今重大而紧迫的研究课题。