大氣擴散

大氣擴散（atmospheric diffusion）是指氣體在高空中借大氣湍流和分子運動，重力沉降幾乎可以忽略，在大氣中進行區域遷移的過程。在這過程中可能會把有害物質稀釋到容許濃度以下。

基本介紹

• 中文名：大氣擴散
• 外文名：Atmospheric diffusion
• 影響：污染環境
• 定義：定量含有有害物質的氣體排入高空

概念

大氣擴散（atmospheric diffusion）是大氣中的污染物在湍流的混合作用下逐漸分散稀釋的過程。主要受風向、風速、氣流溫度分布、大氣穩定度等氣象條件和地形條件的影響。

大氣擴散

影響因子

影響大氣擴散的氣象因子有：風向、風速、氣溫、大氣溫定、逆溫層等；

（1）風向：大氣污染物是往下風向擴散的，因此盛行風向決定了大氣污染物影響的區域；

（2）風速：風速的大小主要影響污染物在下風向的輸送以及大氣的湍流強度；顯然，風速越大，則污染物的輸送速度越快，大氣湍流越強，越有利於大氣污染的擴散。

（3）氣溫：環境氣溫直接影響高架點源煙流的抬升高度，影響有效源高。

（4）大氣穩定：大氣穩定程度決定了大氣的垂直運動，直接影響著大氣污染物在垂直方向的擴散。當大氣穩定度屬於不穩定類時，空氣容易發生垂直運動，有利於大氣污染物在垂直的擴散。

（5）逆溫層：逆溫層的存在將阻礙大氣的垂直運動，對大氣污染物擴散不利，特別是對低矮面源的擴散影響更大。

天氣背景

大氣污染擴散與大範圍的天氣背景有關。當某地區為低壓中心控制時，空氣作上升運動，雲天較多，通常大氣呈中性狀態或不穩定狀態，有利於污染物擴散稀釋；當某地區為高壓中心控制時，空氣作下沉運動，並常形成下沉逆溫，不利於污染物向上擴散。如果高壓移動緩慢，長期停留在某一地區，那么，污染物就會長期得不到擴散。尤其是天氣晴朗時，夜間容易形成輻射逆溫，對污染物的擴散更不利，此時易出現污染危害。如果再加上不利的地形條件，往往形成嚴重的污染事件。

大氣擴散模式

大氣擴散模式是一種用以處理大氣污染物在大氣中（主要是邊界層內）輸送和擴散問題的物理和數學模型。由於影響擴散過程的氣象條件、地形、下墊面狀況及污染本身的複雜性，到目前為止，基於現有的理論，還不能
找到一個適用於各種條件的大氣擴散模式來描述所有這些複雜條件下的大氣擴散問題。

因此，近幾十年來，氣象學家們建立和發展了許多大氣擴散模式，形成了種類繁多、能夠處理不同條件下大氣擴散問題的大氣擴散模式，如針對特殊氣象條件和地形的擴散模式：封閉型擴散模式、熏煙型擴散模式、山區大氣擴散模式和沿海大氣擴散模式等。

根據這些模式處理問題所採用的理論和數學方法，基本上可分為高斯模式及其變形模式、統計模式、大氣壓擴散相似模式和K模式。

高斯模式及其變形模式

根據污染和氣象場的不同，斯擴散模式有多種形式，如：①有界、高架連續點源擴散模式；②界瞬時點源模式（也稱煙團模式）。高斯模式的前提假設是比較符合實際的。高斯模式的一個重要假設就是污染物的濃度分布符合常態分配模型，大量小尺度擴散試驗證明，常態分配的假設至少是實際分布的一種粗略近似（尤其是對小範圍擴散）。

統計模型

這類模式以大氣擴散統計理論為基礎，其中心問題是尋求擴散粒子關於時間和空間的機率分布，進一步求出擴散物質濃度的空間分布和時間變化。在均勻、平穩湍流場中，上述機率分布遵從高斯分布，可以導出高斯模式。

近年來，廣泛套用於物理學等領域的蒙特卡洛粒子軌跡統計方法也被引入到大氣擴散問題的研究中，並有了一定的發展。這種方法對非均勻!非定常和有較強切變的複雜流場（如海陸風，山谷風等）條件下污染物擴散的計算很有效。但對於很複雜的情形，為了達到滿意精度，其計算是令人吃驚的。

大氣壓擴散相似模式

這類模式的理論基礎是湍流相似理論，其基本原理是拉格朗日相似性假設，即流場的拉格朗日性質取決於表征流場歐拉性質的已知參量，該理論的基本方法是量綱分析法。

大氣擴散相似理論原則上沒有更多的理論限制，但是這類模式要求表征流場歐拉性質的已知參量是完備的，這一點在實際套用中很難滿足。因此這類模式目前也只是套用於小尺度鉛直擴散問題和擴散層厚度限制在近地層內的大氣擴散問題。

K模式

KŽ模式是建立在大氣梯度——輸送理論基礎上的，其中心問題是求解輸送-擴散方程。這個方程只有在嚴格的假定條件下才能求得解析解，隨著計算技術的發展，近年來數值KŽ模式有了很大發展，基本上可分為如下幾類：

（1）拉格朗日型模式

這類模式也稱作軌跡模式，模式所採用的坐標固定在氣流微團上隨氣流一起移動，因此輸送-擴散方程中不再出現平流項。由於方程中不出現平流項，因此這類模式中也不會出現”數值偽擴散“現象。但是對於三維流場，由於局地風矢量的切變，會使拉格朗日坐標系發生扭曲，導致計算過程變得十分複雜。

（2）歐拉型模式

這類模式中，坐標系固定在三維空間中，氣流流經固定的坐標系，污染物濃度定義在該固定坐標系中。為了減小數值偽擴散誤差，歐拉型模式有多種計算方案：差方法、假譜法、有限元方法。其中差方法是目前使用最多的一種。

雖然歐拉型模式在近年來有巨大發展，但無論那種模式，都擺脫不了計算過程中差分方案的數值穩定性問題。

（3）混合型模式

這類模式同時具有歐拉型模式和拉格朗日型模式的長處，例如粒子-格線模式（PIC模式），矩方法等。

從以上可以看出，K模式的約束條件很少，可以廣泛套用於城市、複雜地形、遠距離輸送等問題。但是，模式的一個基本缺陷在於把湍流擴散比擬為分子擴散，這一基本假設缺乏嚴格的物理依據和可靠的實驗基礎，因此模式的空間解析度較差，不適合模擬局地擴散問題。

大氣擴散

很多大城市和工業區都會遇到靜風條件下的嚴重空氣污染，正確地估算靜風條件下的擴散是評價空氣品質和進行空氣污染控制的一個重要環節。七十年代初，通過擴散試驗發現，在靜風條件下的擴散顯著高於通常使用的P-G法中規定的數值，並且其數值變化很大。

靜風條作下仍然存在明顯的平均運動，特徵是路徑曲折，低頻擺動大，混合層內的垂直速度脈動在0.46~ 0.63m/s之間，垂直運動範圍與混合層深度相接近，通常在500m左右。

危害

①對人體健康的危害。人體受害有三條途徑，即吸入污染空氣、表麵皮膚接觸污染空氣和食入含大氣污染物的食物，除可引起呼吸道和肺部疾病外，還可對心血管系統、 肝等產生危害，嚴重的可奪去人的生命。

②對生物的危害。動物因吸入污染空氣或吃含污染物食物而發病或死亡，大氣污染 物可使植物抗病力下降、影響生長發育、葉面產生傷斑或枯萎死亡。

③對物品的危害。如對紡織衣物、皮革、金屬製品、建築材料、文化藝術品等，造 成化學性損害和玷污損害。

④造成酸性降雨，對農業、林業、淡水養殖業等產生不利影響。

⑤破壞高空臭氧層，形成臭氧空洞，對人類和生物的生存環境產生危害。

⑥對全球氣候產生影響，如二氧化碳等溫室氣體的增多會導致地球大氣增曖，導致全球天氣災害增多，又如煙塵等氣溶膠粒子增多，使大氣混濁度增加，減弱太陽輻射， 影響地球長波輻射，可能導致天氣氣候異常。如何防治大氣污染，減輕大氣擴散污染的危害與影響，構成了當今重大而緊迫的研究課題。