深圳地區(qū)海岸復(fù)雜地形下大氣輸送與擴(kuò)散模擬_secret

1、深圳地區(qū)海岸復(fù)雜地形下大氣輸送與擴(kuò)散模擬摘 要：利用邊界層預(yù)報(bào)模式提供的非定常的風(fēng)場(chǎng)和湍流場(chǎng)，采用實(shí)用的考慮風(fēng)切變的煙團(tuán)模式模擬了海岸復(fù)雜地形下(深圳地區(qū))高架點(diǎn)源(電廠)排放SO2的地面濃度變化特征.聯(lián)接模式細(xì)致地考慮了地面反射、混合層穿透和反射.結(jié)果反映了風(fēng)場(chǎng)湍流場(chǎng)的非均勻非定常對(duì)濃度分布有較大影響.在海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換期內(nèi)，地面濃度分布型式較亂，只有在海風(fēng)盛行時(shí)，濃度分布與簡(jiǎn)單的高斯模型結(jié)果接近.濃度變化呈現(xiàn)明顯的周期性，最大濃度出現(xiàn)在陸風(fēng)向海風(fēng)轉(zhuǎn)換期內(nèi)，日均最大濃度分布在陸上.這些特征在常用的高斯模式中是無(wú)法反映的。關(guān)鍵字：海岸復(fù)雜地形 聯(lián)接模式 煙團(tuán)模式 空氣污染 深圳地區(qū)1引言用邊界層預(yù)報(bào)

2、模式和擴(kuò)散模式聯(lián)接對(duì)沿海地區(qū)復(fù)雜地形條件下特殊氣流系統(tǒng)中的空氣質(zhì)量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，是近一二十年來(lái)才進(jìn)行的工作13.這些成功的工作說(shuō)明了中尺度大氣擴(kuò)散模擬系統(tǒng)在研究空氣質(zhì)量問(wèn)題中的潛力.對(duì)復(fù)雜地形地區(qū)的空氣質(zhì)量模擬需要考慮兩方面，一是要有較好地反映復(fù)雜地形特征的非均勻、非定場(chǎng)的風(fēng)場(chǎng)和湍流場(chǎng)，另一是適合于在復(fù)雜氣流中使用的擴(kuò)散模式.本文針對(duì)深圳地區(qū)特殊的地形，以及污染源(電廠)附近還有大城市(香港、深圳)和大亞灣核電站、建立了一個(gè)精細(xì)的中尺度大氣模擬系統(tǒng)來(lái)模擬該地區(qū)特殊氣流系統(tǒng)(海陸風(fēng))下SO2濃度分布特征.三維非靜力能量閉合的邊界層預(yù)報(bào)模式4提供具有時(shí)、空變化的風(fēng)場(chǎng)和湍流場(chǎng)，擴(kuò)散部分采用考慮風(fēng)切變

3、的7層煙團(tuán)軌跡模式5，6，該模式主要考慮了風(fēng)切變和湍流場(chǎng)的不均勻性.本文簡(jiǎn)單介紹了模式結(jié)構(gòu)，對(duì)深圳地區(qū)進(jìn)行了模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了討論. 2模式介紹2.1三維邊界層非靜力模式采用三維非靜力的邊界層數(shù)值模式，閉合方案用工程上實(shí)用的能量(E-)閉合，模式方程組由運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)方程(u,v,w)，位溫預(yù)報(bào)方程()，連續(xù)方程以及湍流動(dòng)能預(yù)報(bào)方程和湍能耗散率預(yù)報(bào)等組成.初始條件由模擬域內(nèi)的實(shí)測(cè)點(diǎn)資料輸入內(nèi)插模式輸出而得.此模式能較好地模擬海岸復(fù)雜地形下的流場(chǎng)和湍流場(chǎng)4.圖1是本文大氣擴(kuò)散模擬系統(tǒng)的框圖.2.2煙團(tuán)軌跡模式實(shí)際處理中將煙團(tuán)看成一個(gè)橢球體，水平半軸長(zhǎng)3y，垂直半軸長(zhǎng)1.5z，每個(gè)煙團(tuán)在垂直方向上

4、以7個(gè)點(diǎn)作為7個(gè)子煙團(tuán)的中心，各點(diǎn)垂直方向間距為0.5z，則子煙團(tuán)中心點(diǎn)位置為z0+0.5(i-4)z,(i為子煙團(tuán)代號(hào)，i=1，2，7，z0為大煙團(tuán)中心點(diǎn)位置，7個(gè)子煙團(tuán)由橢球積分得到質(zhì)量分別為：Q1=Q7=0.02QT，Q2=Q6=0.136QT，Q3=Q5=0.220QT,Q4=0.248QT，QT為煙團(tuán)總物質(zhì)量.各子煙團(tuán)具有的性狀，包括移速、擴(kuò)散率等由它中心點(diǎn)處具有的量值決定.煙團(tuán)擴(kuò)散參數(shù)由它經(jīng)歷的行程和大氣湍流擴(kuò)散能力決定，軌跡由中心所在網(wǎng)格上的風(fēng)場(chǎng)確定.假設(shè)某個(gè)煙團(tuán)被分成7個(gè)子煙團(tuán)，以i表示(i=1,2，7)，設(shè)t時(shí)刻第i個(gè)子煙團(tuán)中心點(diǎn)坐標(biāo)(xi,yi,zi,t)，該點(diǎn)處氣流速度分

5、量為u(xi,yi,zi,t),v(xi,yi,zi,t),w(xi,yi,zi,t),則在t+t時(shí)刻該子煙團(tuán)位置為：xi(t+t)=xi(t)+u(xi,yi,zi,t)tyi(t+t)=yi(t)+v(xi,yi,zi,t)tzi(t+t)=z4(t)+w(x4,y4,z4,t)t+wp(x4,y4,z4,t)t+0.5(i-4)z+*w(xi,yi,zi,t)t式中wp為煙氣抬升引起的煙團(tuán)垂直運(yùn)動(dòng)速率7，一般在煙團(tuán)運(yùn)動(dòng)1015倍的源高后為零(即到達(dá)終極抬升).為系數(shù)，當(dāng)i=4時(shí)，=0，否則為1圖1大氣擴(kuò)散模擬系統(tǒng)流程框圖Fig.1 The flow chart of the system

6、 for atmospheric dispersion任一時(shí)刻t的水平和垂直擴(kuò)散參數(shù)y(t),z(t)由Taylor的擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論求得8，取指數(shù)形式的自相關(guān)系數(shù)，拉格朗日時(shí)間尺度TLV,TLw參照Hanna9給出的，水平和垂直方向上的速度脈動(dòng)方差2V(=+),2W( )，由邊界層預(yù)報(bào)模式輸出量提供脈動(dòng)速度方差.考慮到煙氣抬升對(duì)擴(kuò)散參數(shù)的貢獻(xiàn)，擴(kuò)散參數(shù)表達(dá)式加上(wp t/3.5)2.于洪彬等10對(duì)水陸交界地區(qū)的湍流特征進(jìn)行了觀測(cè)研究，得到了三維風(fēng)速脈動(dòng)方差在不同穩(wěn)定度下的比值，本文在這些觀測(cè)和邊界層理論推求得到的湍流脈動(dòng)速度之間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，作為嘗試將湍流動(dòng)能按下列比例分解(H為混合層高度)

7、：每個(gè)子煙團(tuán)對(duì)模擬域內(nèi)格點(diǎn)造成的濃度貢獻(xiàn)按高斯模型處理，計(jì)算中將地面作全反射處理，考慮到煙團(tuán)具有一定的大小和質(zhì)量，反射參考點(diǎn)不是取在煙團(tuán)中心，而取距中心0.5z(t0)處煙團(tuán)與地面的接觸點(diǎn).在混合層頂，煙團(tuán)從混合層頂面從上向下運(yùn)動(dòng)或擴(kuò)散接觸到頂面時(shí)，可以穿透混合層頂面繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)或擴(kuò)散，而煙團(tuán)從下往上接觸到混合層頂面時(shí)，則作全反射處理，若混合層高度的變化(如日變化)導(dǎo)致在混合層附近(包括上或下面)的煙團(tuán)出現(xiàn)在混合層之上，則作穿透處理，在其下則計(jì)算其濃度貢獻(xiàn).根據(jù)質(zhì)量守恒考慮污染物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生干沉積，化學(xué)轉(zhuǎn)化6.煙團(tuán)釋放基本時(shí)步為10min，同時(shí)又要滿足相鄰兩個(gè)煙團(tuán)距離sy，使得模擬的煙流具

8、有連續(xù)性，若不滿足，則對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行分割.將模擬域內(nèi)所有子煙團(tuán)對(duì)受點(diǎn)的貢獻(xiàn)求和，就可得到濃度分布.3模式應(yīng)用 *深圳東部電廠一期工程(4600MW)大氣環(huán)境影響報(bào)告，電力部蘇州熱工研究所，1994深圳東部電廠一期工程(4600MW)規(guī)劃廠址在西沖點(diǎn)(圖2)，用上述聯(lián)接模式對(duì)處在典型的海岸復(fù)雜地形下的電廠高架源排放在周圍地區(qū)的濃度分布進(jìn)行了計(jì)算.一期工程設(shè)計(jì)用煤SO2排放量7.5t/h，煙囪240m(兩根)*.聯(lián)接模式從1993-09-03-08:00開始運(yùn)行，到次日19：00.開始施放煙團(tuán)5h，從3日13：00始計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)上的濃度.圖2模擬域示意圖(等值線單位：m)Fig.2 The sche

9、matic of the simulated domain圖3給出了海風(fēng)階段(15：00)、海風(fēng)向陸風(fēng)轉(zhuǎn)換階段(01：00)、陸風(fēng)階段(04：00)、陸風(fēng)向海風(fēng)轉(zhuǎn)換階段(11：00)的地面SO2濃度模擬預(yù)測(cè)結(jié)果.圖3a是白天海風(fēng)盛行期形成的濃度分布(15：00)的狀況，此階段氣流由海上吹向陸地，SO2散布在陸地上，地面濃度極大值為72g/m3，出現(xiàn)在源北陸上10km,由于海風(fēng)風(fēng)速較大，一部分煙團(tuán)移出模擬域，日間對(duì)流混合劇烈，地面濃度出現(xiàn)大于25g/m3的范圍較大(遠(yuǎn))，地面濃度極值不大，且出現(xiàn)距離較遠(yuǎn).在離源下風(fēng)向約30km的陸上，還出現(xiàn)次大值37g/m3，這可能是下沉氣流和煙團(tuán)從TIBL以上

10、進(jìn)入內(nèi)陸混合層造成的.圖3b是海風(fēng)向陸風(fēng)轉(zhuǎn)換期間造成的地面濃度(01：00)分布，此階段氣流走向復(fù)雜，且風(fēng)速較小.從圖上看到，濃度等值線分布比較亂，高值分布已由白天的陸上移到海上，最大值出現(xiàn)在離源6km的海面上，為231g/m3，極值比海風(fēng)階段大，出現(xiàn)距離也近，這是因?yàn)榇穗A段風(fēng)速小和層結(jié)較穩(wěn)定造成的.陸上還有一些殘留的煙團(tuán)影響，但受氣流的影響，也逐漸向海上移動(dòng)，陸上極值僅為9.7g/m3.圖3c是夜間陸風(fēng)階段造成的濃度(04：00)分布.此階段氣流從陸上吹向海面，風(fēng)速比過(guò)渡階段要大些，且層結(jié)穩(wěn)定，與過(guò)渡期間比，濃度極值減少，為162g/m3，出現(xiàn)的距離增大，為源下風(fēng)向10km的海面上，這時(shí)陸上

11、煙團(tuán)已基本移到海面上，陸上濃度很小.圖3d是白天早上陸風(fēng)向海風(fēng)過(guò)渡階段(或海風(fēng)初始發(fā)展階段)造成的地面濃度(11：00)分布.氣流已經(jīng)開始轉(zhuǎn)為由海上向陸上吹，但此時(shí)速度還不大，陸上層結(jié)基本上處于中性或弱不穩(wěn)定.SO2濃度大值等值線已逐漸移到陸上，海面上還有由于夜間陸風(fēng)輸送的煙團(tuán)的影響，海面上濃度還有較大的分布，不過(guò)這些煙團(tuán)已開始向陸上移動(dòng)，隨后的時(shí)間里，海面上的SO2分布范圍減小，而陸上增大.此過(guò)渡階段極大值為635g/m3，出現(xiàn)在離源6km的陸上.屬于高污染期.圖4是日平均濃度分布的等值線.最大為59.8g/m3，出現(xiàn)在源西北向約8km的陸上，海面上濃度比陸上要小.高值濃度分布在大鵬半島的源

12、附近.從深圳東部電廠排放造成的地面SO2濃度極值的日變化看，一日中極大值的最大值出現(xiàn)在晨間陸風(fēng)向海風(fēng)轉(zhuǎn)換期內(nèi)，且極值出現(xiàn)在離源約56km的陸上.這是由早上的氣流狀況和穩(wěn)定度變化造成的.從不同時(shí)間的模擬結(jié)果看，海岸附近的固定接受點(diǎn)的濃度呈現(xiàn)明顯的日變化周期性.圖3不同時(shí)間地面SO2濃度等值線(g/m3)(為極中心位置+為源位置)Fig.3 The contours of the SO2 ground level concentration at the different times圖4地面日平均濃度等值線(g/m3)(為極中心位置，+為源位置，虛線表示海岸線)Fig.4 The contour

13、s of daily average ground level concentration (g*m-3)4模式結(jié)果討論由于缺乏實(shí)測(cè)資料，本文對(duì)結(jié)果作一些討論.湍流狀況、混合層厚度(逆溫層厚度)以及氣流方向、速度大小被認(rèn)為是決定濃度分布狀況的重要因素，但本文模擬結(jié)果表明這些特征量的變化過(guò)程(即非定常性)對(duì)濃度的影響也是很大的.如，在海陸風(fēng)轉(zhuǎn)換期，地面出現(xiàn)濃度極值較大，這除了此期間風(fēng)速較小，對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)上有影響的煙團(tuán)數(shù)目增多外，層結(jié)和湍流狀況的非定常變化也是很重要的原因.在由海風(fēng)轉(zhuǎn)向陸風(fēng)期間，層結(jié)向穩(wěn)定方向轉(zhuǎn)變，雖然擴(kuò)散能力降低，但逆溫層頂高度較低，一些煙團(tuán)在逆溫層頂之上運(yùn)行，只能向下作部分穿透，所

14、以此階段濃度比白天海風(fēng)時(shí)略大.在由陸風(fēng)向海風(fēng)轉(zhuǎn)換期間，地面附近逆溫層逐漸消失，白天混合層頂高度升高，使得原在逆溫層頂上運(yùn)行的煙團(tuán)變成在混合層內(nèi)輸送擴(kuò)散，對(duì)濃度值影響較大，從而造成地面高污染.圖5是各時(shí)間有效源高(即煙團(tuán)釋放高度)和逆溫層厚度(混合層)的典型變化比較.圖5有效源高和逆溫層厚度日變化比較Fig.5 Comparison between the daily cycles of the depth ofthe boundary layer and the effective release height直線煙流高斯模型一般不可能模擬出復(fù)雜氣流系統(tǒng)中濃度分布的變化過(guò)程和非定常、非均勻的影

15、響.不過(guò)，在海風(fēng)盛行期，采用高斯模式估算結(jié)果與聯(lián)接模式結(jié)果相差不大，如15：00，前者估算地面濃度(擴(kuò)散參數(shù)為y=0.32x0.83；z=0.39x0.80，引自前面腳注)極大值90g/m3，出現(xiàn)距離為下風(fēng)向8km,與后者接近，且聯(lián)接模式濃度等值線與高斯模式分布類似.這是因?yàn)楹ｏL(fēng)盛行期，陸上氣流基本一致，近似符合高斯模式的條件.但在氣流復(fù)雜、物理量隨時(shí)間變化較大時(shí)，高斯模式就不適用了.一些清除過(guò)程如云、干濕沉降等在本文中沒(méi)有能夠仔細(xì)考慮，所以模擬所得的濃度是保守的(偏大)，邊界層參數(shù)特別是湍流量對(duì)濃度結(jié)果影響較大，根據(jù)本文的結(jié)果分析看，與一般的實(shí)測(cè)結(jié)果的量級(jí)相比，估計(jì)誤差在兩倍以內(nèi).5結(jié)語(yǔ)本文

16、所建大氣擴(kuò)散模擬系統(tǒng)成功地模擬預(yù)測(cè)了海風(fēng)氣流系統(tǒng)中污染物濃度分布的演變過(guò)程.結(jié)果分析表明，一日中固定接受點(diǎn)濃度分布呈現(xiàn)明顯的周期變化.氣流方向一日中順時(shí)針向變化，使得地面濃度等值線分布隨時(shí)間也順時(shí)針偏轉(zhuǎn).一日中最大濃度出現(xiàn)在由穩(wěn)定層結(jié)向不穩(wěn)定層結(jié)的過(guò)渡階段，一般是在海風(fēng)初始發(fā)展階段.白天、海風(fēng)使得污染物散布在陸地上，但海風(fēng)風(fēng)速大，湍流擴(kuò)散劇烈，地面濃度并不高.濃度極值出現(xiàn)距離在離源10km以內(nèi)，除了在海風(fēng)發(fā)展初始階段，其余時(shí)段內(nèi)，地面濃度極值均不超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn).日平均極大值出現(xiàn)在陸上，也不超標(biāo).在海陸風(fēng)的轉(zhuǎn)換期內(nèi)，地面濃度分布型式較亂；只有在海風(fēng)發(fā)展盛期，濃度分布與簡(jiǎn)單的高斯模型結(jié)果接近.結(jié)

17、果分析還表明，風(fēng)場(chǎng)和湍流場(chǎng)的非均勻、非定常性對(duì)地面濃度的分布有較大影響，高污染出現(xiàn)在層結(jié)變化的過(guò)渡期內(nèi)，這是在定常的高斯模式中體現(xiàn)不出來(lái)的.參考文獻(xiàn)1Bornstein R,Klotz S et al.Application of linked three-dimensional PBL and dispersion models to New York city.NATO proc 15th meeting on air pollution modeling and its application,1986:5432Segal M et al.Application of a mescosc

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