空气污染扩散模型

（PD）照片：美国环保局
工业空气污染源

空气污染扩散模型是数学的 模拟空气污染物如何在周围大气中扩散。它是用计算机程序执行的，称为弥散模型，用于求解数学方程和算法模拟污染物扩散。弥散模型用于估计或预测顺风向浓度of air pollutants emitted from排放源例如工业工厂和车辆交通。这些模型对于负责保护和管理环境的政府机构来说非常重要空气质量。模型通常用于确定现有或拟议的新工业设施是否符合国家环境空气质量标准（NAAQS）在美利坚合众国以及其他国家的类似标准。这些模型也有助于设计有效的控制战略，以减少有害空气污染物的排放。

分散模型需要输入数据，包括：

• 气象条件，如风速度和方向大气湍流（以所谓的稳定性等级、环境空气温度和任何温度下的最低高度反转可能存在于高空。
• 排放参数，如源位置和高度、源排气管直径和出口速度、出口温度和质量流量。
• 源位置和受体位置的地形高程。
• 道路上任何障碍物（如建筑物或其他结构）的位置、高度和宽度气态的 排放羽流.

许多现代、先进的扩散建模程序包括用于输入气象和其他数据的预处理器模块，许多还包括用于绘制输出数据和/或在地图上绘制受空气污染物影响的区域的后处理器模块。目前AERMOD空气污染扩散模型是首选的监管模式美国环境保护署.

空气污染扩散模型也称为大气扩散模型、大气扩散模型，空气扩散模型和空气质量模型。

高斯大气污染物扩散方程

关于空气污染扩散的技术文献相当广泛，可追溯到20世纪30年代及之前。Bosanquet和Pearson推导了一个早期的空气污染物羽流扩散方程。他们的方程式没有假设高斯分布也没有包括污染羽流地面反射的影响。

格雷厄姆·萨顿爵士于1947年推导出一个空气污染物羽流扩散方程其中包括羽流垂直和侧风扩散的高斯分布假设，也包括羽流地面反射的影响。

在严格的环境控制法规出台的刺激下，从20世纪60年代末到今天，空气污染物羽流扩散计算的使用量大幅增长。由于个人电脑也在这一时期出现，在同一时期开发了大量计算空气污染物排放扩散的计算机程序。大多数模型的基础是连续高斯色散模型的完整方程，浮力空气污染羽流如下所示：

${\显示样式C={\frac{\；Q}{u}}\cdot{\frac{\；f}{\sigma_{y}{\sqrt{2\pi}}}\；\cdot{\frac{\；g{1}+g{2}+g}3}{\sigma{z}{\sqrt{2\pi}}}}\cdot{\frac{\；g{1}+g{2}+g}3}{\sigma{z}{\sqrt{2\pi}}}}$

哪里：
${\显示样式f}$	=侧风弥散参数
	=${\显示样式\exp\；[-\，y^{2}/\，（2\；\sigma_{y}^{2{；）\；]}$
${\显示样式g}$	=垂直分散参数=${\显示样式\，g{1}+g{2}+g}3}$
${\显示样式g{1}}$	=无反射的垂直色散
	=${\显示样式\；\exp\；[-\，（z-H）^{2}/\，（2\；\sigma_{z}^{2{；）\；]}$
${\显示样式g{2}}$	=地面反射的垂直色散
	=${\显示样式\；\exp\；[-\，（z+H）^{2}/\，（2\；\sigma_{z}^{2{；）\；]}$
${\显示样式g{3}}$	=高空倒置反射的垂直色散
	=${\displaystyle\sum_{m=1}^{\infty}\；{\big\{}\exp\；[-\，（z-H-2mL）^{2}/\，（2\；\sigma_{z}^{2{；）\；]}{\big\{}\exp\；[-\，（z-H-2mL）^{2}/\，（2\；\sigma_{z}^{2{；）\；]}$
	${\显示样式+\，\exp\；[-\，（z+H+2mL）^{2}/\，（2\；\sigma_{z}^{2{\；）\；]}$
	${\显示样式+\，\exp\；[-\，（z+H-2mL）^{2}/\，（2\；\sigma_{z}^{2{\；）\；]}$
	${\显示样式+\，\exp\；[-\，（z-H+2mL）^{2}/\，（2\；\sigma_{z}^{2{；）\；]{big\}}}$
${\显示样式C}$	=位于任何接收器处的排放浓度，单位为g/m³：
	距排放源点下风x米
	排放羽流中心线的y米侧风
	地面以上z米
${\显示样式Q}$	=源污染物排放率，单位：g/s
${\显示样式u}$	=沿羽流中心线的水平风速，m/s
${\显示样式H}$	=排放羽流中心线高于地面的高度，单位：m
${\显示样式\西格玛{z}}$	=排放分布的垂直标准偏差，单位：m
${\显示样式\西格玛{y}}$	=排放分布的水平标准偏差，单位：m
$｛\displaystyle L｝$	=从地面到倒置高度底部的高度，单位：m
${\显示样式\exp}$	=指数函数${\显示样式e}$，约等于2.71828，也称为 欧拉数

上述方程不仅包括地面污染羽流的向上反射，还包括大气中任何逆温盖底部的向下反射。

中四个指数项的总和${\显示样式g{3}}$很快收敛到最终值。在大多数情况下米= 1,米=2和米=3将提供足够的解决方案。

应该注意的是${\显示样式\西格玛{z}}$和${\显示样式\西格玛{y}}$是大气稳定度等级（即环境大气中湍流的测量值）和到接收器的下风距离的函数。影响污染物排放扩散程度的两个最重要的变量是排放源点的高度和大气湍流程度。湍流越多，分散程度越高。

空气污染物浓度的计算结果通常表示为空气污染物浓度等值线图，以显示在研究的大范围内污染物水平的空间变化。通过这种方式，等高线可以覆盖敏感的受体位置，并揭示空气污染物与感兴趣区域的空间关系。

布里格斯羽流上升方程

高斯大气污染物扩散方程（如上所述）需要输入H（H）（也称为有效羽流高度，H（H）_{e（电子）})这是污染物羽流在地面以上的中心线高度。H（H）_{e（电子）}在距污染羽流源的任何距离处，其总和为H（H）_秒（污染羽流源点的实际物理高度）加上ΔH（H）（由于羽流的浮力，羽流上升）。

（GNU）图片：Milton Beychok
浮力高斯大气污染物扩散羽流的可视化

确定ΔH（H）20世纪60年代末至21世纪初开发的许多（如果不是大多数的话）空气扩散模型都使用了所谓的“布里格斯方程”。1965年，G.A.布里格斯首次发表了他的羽流上升观测和比较。1968年，在一次由CONCAWE（荷兰组织）赞助的研讨会上，他比较了当时文献中可用的许多羽流上升模型。同年，布里格斯还撰写了斯莱德编辑的出版物的一部分处理羽流上升模型的比较分析。随后在1969年，他对整个羽流上升文学进行了经典的批判性评论，其中，他提出了一组羽流上升方程，被广泛称为“布里格斯方程”。随后，布里格斯在1971年和1972年修改了1969年的羽流上升方程。

布里格斯将空气污染羽流分为以下四类：

• 平静环境空气条件下的冷喷流羽流
• 多风环境空气条件下的冷喷流羽流
• 平静环境空气条件下的热浮力羽流
• 多风环境空气条件下的热浮力羽流

布里格斯认为，冷喷流羽流的轨迹主要由其初始速度动量决定，而热浮力羽流的轨道主要由其浮力动量决定，因此其初始速度动能相对来说并不重要。尽管布里格斯提出了上述每种羽流类型的羽流上升方程，需要强调的是，广泛使用的“布里格斯方程”是他针对弯曲、热浮力羽流提出的方程（如羽流相邻图所示）.

一般来说，布里格斯关于弯曲、热浮力羽流的方程是基于对典型燃烧源羽流的观测和数据，例如烟气烟囱从蒸汽发电锅炉燃烧化石燃料大体上发电厂因此，烟囱出口速度可能在20至100英尺/秒（6至30米/秒）的范围内，出口温度在250至500°F（120至260°C）的范围内。

使用布里格斯方程的逻辑图为了获得弯曲浮力羽流的羽流上升轨迹，如下所示：

哪里：
Δh	=羽流上升，单位：m
F类	=浮力，浮力系数，单位：m4/秒三
x个	=与羽流源的下风距离，单位：m
x个（f）	=从羽流源到最大羽流上升点的下风距离，单位：m
u个	=实际烟囱高度时的风速，单位：m/s
秒	=稳定性参数，单位：s-2

Beychok更详细地讨论了Briggs方程中使用的上述参数。

当前使用的主要空气污染扩散模型

这些是目前正在使用的一些主要空气污染扩散模型。实际上还有几十种其他型号。

• ADMS 3：开发于大不列颠联合王国
• AERMOD：在美国开发
• 澳大利亚：于年开发澳大利亚
• CALPUFF：美国开发
• 分散2：开发于瑞典
• ISC3：在美国开发
• LADM：开发于澳大利亚
• 名称：在英国开发
• MERCURE：开发于法国
• RIMPUFF：开发于丹麦

欧洲空气和气候变化主题中心，是欧洲环境署（EEA）维护着一个在线模型文档系统（MDS），其中包括欧洲国家开发的几乎所有分散模型的描述和其他信息。MDS目前包含大约140个在欧洲（不包括英国）。

进一步阅读

对于那些想更多了解这个主题的人，建议阅读以下书籍之一：

• Turner，D.B.（1994）。大气扩散估算手册，第2版。CRC出版社。国际标准书号1-56670-023-X.  网址：www.crcpress.com

• Beychok，Milton R.（2005年）。烟道气扩散基础，第4版。作者发布。国际标准图书编号0-9644588-0-2. 

• Schnelle，Jr.，Karl B.和Dey，Partha R.（2000年）。大气扩散建模符合性指南麦格劳-希尔。国际标准书号0-07-058059-6.