小風(fēng)條件下丘陵河谷大氣擴(kuò)散的數(shù)值模擬

小風(fēng)條件下丘陵河谷大氣擴(kuò)散的數(shù)值模擬

1小風(fēng)條件下的大氣擴(kuò)散模式小風(fēng)是中國(guó)內(nèi)陸地區(qū)常見的氣候條件。在大陸的河流盆地，由于氣流封閉，小風(fēng)和靜風(fēng)的頻率通常很高，尤其是在穩(wěn)定條件下（高惠旺等人，1998）。低風(fēng)速和低風(fēng)速使污染物容易累積在排放源附近，并造成高污染風(fēng)險(xiǎn)（meietal.，2005；sharatopal，2003）。小風(fēng)條件被認(rèn)為是污染物近似傳播的最敏感條件之一，但在定義小風(fēng)方面沒有達(dá)成一致意見。在分散條件下，定義了u風(fēng)，平均風(fēng)速u為或等于水平流量速度的平均值s-1。波動(dòng)范圍從穩(wěn)定和中立條件s-1s-1s-1（anfossietal.，2005）。pasquill（196）指出，當(dāng)風(fēng)速小于2.0ms-1時(shí)，風(fēng)速因素的運(yùn)行軌跡是不確定的。當(dāng)風(fēng)吹小于2.0ms-1時(shí)，葉片在流動(dòng)條件下的運(yùn)行軌跡是不確定的。根據(jù)sharn等人（2003a.2003b）的研究，近層的小風(fēng)與高峰風(fēng)密切相關(guān)。考慮到近層10m高度的風(fēng)速，當(dāng)設(shè)計(jì)10m高度的風(fēng)速小于5ms-1時(shí)，塔層100m的風(fēng)速小于4ms-1，85km的地表風(fēng)速小于4ms-1。邊界層結(jié)構(gòu)及與之相關(guān)的大氣污染物擴(kuò)散性質(zhì)隨著風(fēng)速的減小和大氣穩(wěn)定度的增加而變得更加復(fù)雜(Sharanetal.,2003).Pasquill(1961)指出,小風(fēng)條件下,大氣邊界層內(nèi)污染物的擴(kuò)散變得非常不規(guī)則、不確定.由于煙流軸線的不確定和煙羽的水平慢擺,濃度場(chǎng)通常有較大的側(cè)向擴(kuò)散,并呈多峰值、非高斯分布特征.煙羽的這種不規(guī)則性是由小風(fēng)條件下擴(kuò)散過程的非均一性和非平穩(wěn)性造成的(Sharanetal.,1996b).基于經(jīng)典高斯煙流模式的常規(guī)空氣質(zhì)量模式在小風(fēng)條件下的局限性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.(1)忽略了順風(fēng)向擴(kuò)散;(2)濃度與風(fēng)速成反比,當(dāng)風(fēng)速接近零時(shí),濃度趨于無(wú)窮;(3)平均狀態(tài)為穩(wěn)態(tài);(4)小風(fēng)條件下擴(kuò)散參數(shù)的不可獲取(Sharanetal.,2003);(5)煙流模式每個(gè)時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果是獨(dú)立的,無(wú)法反映前一時(shí)刻排放的影響,而這對(duì)低風(fēng)速污染物累積非常重要.針對(duì)小風(fēng)特殊的氣象條件和大氣擴(kuò)散特征,基于不同的簡(jiǎn)化和假設(shè),研究人員建立了適用于平坦均一地形和理想條件下的大氣擴(kuò)散解析模式(Sharanetal.,1996a;1998;1995;1996b;1996c).而對(duì)于復(fù)雜地形,風(fēng)場(chǎng)時(shí)空變化顯著,污染物的擴(kuò)散主要受局地流動(dòng)的影響,需要采用其它數(shù)值模式來(lái)更準(zhǔn)確地反映邊界層、湍流參數(shù)化方案下墊面的非均一性和地形效應(yīng)等(Sharanetal.,2003c).歐拉模式和拉格朗日模式是兩種廣泛應(yīng)用的數(shù)值模式,原則框架上都可以模擬低風(fēng)速條件下的擴(kuò)散.研究小風(fēng)條件下近距離的濃度分布時(shí),通常需要很高(幾十米)的水平分辨率,歐拉模式在準(zhǔn)靜力的模式框架下一般達(dá)不到要求,而采用非靜力模式計(jì)算量又太大(Sharanetal.,2003).拉格朗日模式可以通過煙團(tuán)和粒子軌跡的方式處理小靜風(fēng)條件下的擴(kuò)散(Sharanetal.,2003c).不少學(xué)者采用拉格朗日粒子模式,在調(diào)整歐拉自相關(guān)函數(shù),考慮慢擺作用的基礎(chǔ)上,較好地模擬了小靜風(fēng)條件下污染物的輸送和擴(kuò)散(Anfossietal.,2006;2005;Carvalhoetal.,2005;Oettletal.,2001;Timmetal.,2009),但粒子模式系統(tǒng)較為復(fù)雜,計(jì)算量較大,不能滿足環(huán)境評(píng)價(jià)中快速計(jì)算大氣擴(kuò)散的需求.從應(yīng)用的角度,煙團(tuán)模式保留了煙流模式的許多優(yōu)點(diǎn),相對(duì)簡(jiǎn)單,可以反映氣象場(chǎng)的時(shí)空變化,更加客觀地反映污染物的擴(kuò)散過程.CALPUFF是美國(guó)EPA推薦的非穩(wěn)態(tài)拉格朗日高斯煙團(tuán)模式,模式的主體框架具有自然適應(yīng)低風(fēng)速條件擴(kuò)散過程的能力,通過對(duì)常規(guī)算法做若干調(diào)整,如改變拉伸煙團(tuán)的釋放方式、煙流抬升方式、近場(chǎng)效應(yīng)的模擬方案和擴(kuò)散參數(shù)的增長(zhǎng)方式等,可使其更適用于小靜風(fēng)條件(Scireetal.,2000).桃花江地區(qū)位于湖南中北部地區(qū),處于江漢平原、洞庭湖湖區(qū)和湖南中部丘陵的過渡地帶,小風(fēng)靜風(fēng)出現(xiàn)頻率高.根據(jù)桃花江氣象鐵塔實(shí)測(cè)資料,2008年全年平均風(fēng)速僅為1.4m·s-1,1~2m·s-1風(fēng)速的頻率達(dá)44.5%,靜風(fēng)頻率高達(dá)16.4%.本文針對(duì)桃花江地區(qū)小靜風(fēng)頻率高的特點(diǎn),采用CALPUFF模式開展低風(fēng)速條件下的大氣擴(kuò)散模擬.結(jié)合模擬期間在該地區(qū)進(jìn)行的邊界層氣象和湍流加強(qiáng)觀測(cè),將模擬結(jié)果與野外示蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析CALPUFF在該地區(qū)的適用性,給出模式的本地化修正方案.修正后的CALPUFF模式結(jié)合野外示蹤物實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于研究該地區(qū)的大氣擴(kuò)散特征,可為桃花江內(nèi)陸核電廠址的前期環(huán)境評(píng)估和預(yù)警提供模式和實(shí)驗(yàn)支持.2模式和數(shù)據(jù)模式和數(shù)據(jù)2.1calpunt的計(jì)算CALPUFF模式系統(tǒng)包括3個(gè)主要模塊:CALMET、CALPUFF與CALPOST,以及地理數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)的前處理接口程序.其中,氣象模式CALMET又包括診斷風(fēng)場(chǎng)模塊和水陸邊界層微氣象模塊.診斷風(fēng)場(chǎng)模塊通過地形調(diào)整、觀測(cè)資料的客觀分析,在滿足質(zhì)量守恒約束的基礎(chǔ)上建立模擬區(qū)域的三維格點(diǎn)逐時(shí)風(fēng)場(chǎng).微氣象學(xué)模塊在陸面應(yīng)用能量平衡方法、水面采用廓線方法計(jì)算二維混合層高度、地表特征及擴(kuò)散特征參數(shù).對(duì)于輸送和擴(kuò)散模式,CALPUFF是利用CALMET產(chǎn)生的時(shí)空變化的氣象場(chǎng),將從排放源釋放出的煙團(tuán)平流輸送,并模擬其在輸送路徑上的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化過程等.CALPOST是一個(gè)后處理模塊(Scireetal.,2000).CALPUFF根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的不同,提供3種不同層次的擴(kuò)散參數(shù)計(jì)算選項(xiàng).(1)湍流法:利用直接測(cè)量的湍流水平、垂直速度標(biāo)準(zhǔn)差σv、σw(m·s-1),計(jì)算擴(kuò)散參數(shù);(2)微氣象學(xué)法:利用CALMET或其它氣象模式輸出的微氣象學(xué)尺度參數(shù),包括摩擦速度u*(m·s-1)、對(duì)流速度尺度w*(m·s-1)、Obukhov長(zhǎng)度L(m)和邊界層高度h(m),根據(jù)相似性理論計(jì)算σv和σw,再計(jì)算擴(kuò)散參數(shù);(3)PG法:利用PGT穩(wěn)定度分類和擴(kuò)散參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,計(jì)算擴(kuò)散參數(shù).最理想的方案是利用直接測(cè)量的湍流速度方差或湍流強(qiáng)度計(jì)算擴(kuò)散參數(shù).考慮到直接獲取湍流結(jié)果較為困難,CALPUFF推薦的默認(rèn)擴(kuò)散選項(xiàng)為第2種方案,即利用相似性理論及由常規(guī)氣象觀測(cè)和地表特征導(dǎo)出的微氣象學(xué)參數(shù)計(jì)算擴(kuò)散參數(shù).本文中采用2008年8月更新的最新版本的CALPUFFV6,與之前的版本相比,新版本的CALPUFF可以使用更細(xì)時(shí)間分辨率(小于1h)的氣象和釋放資料來(lái)計(jì)算濃度場(chǎng).當(dāng)使用逐時(shí)氣象資料時(shí),V6版本與之前的V5版本計(jì)算結(jié)果相同.此外,新版本CALPUFF在水面邊界層和對(duì)流邊界層參數(shù)化方案等方面做了改進(jìn),并加強(qiáng)了圖形用戶界面和圖形顯示效果.2.2calmet氣象參數(shù)的前處理和資料說(shuō)明CALMET的運(yùn)行需要提供地理信息資料,輸入數(shù)據(jù)包括地形高度、地表類型、地表參數(shù)(包括地表粗糙度、反射率、Bowen比、土壤熱通量參數(shù)和植被葉面積指數(shù)).本文采用美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)提供的90m分辨率的地形高程資料——SRTM3數(shù)據(jù)和1km分辨率的全球土地覆蓋數(shù)據(jù),分別利用地形前處理模塊TERREL和地表類型前處理模塊CTGPROC,計(jì)算模擬區(qū)域內(nèi)每個(gè)格點(diǎn)的海拔高度和地表類型百分率,最后利用前處理模塊MAKEGEO讀取格點(diǎn)土地利用百分率,計(jì)算相應(yīng)格點(diǎn)的地表參數(shù).將這些地表參數(shù)輸入CALMET邊界層模塊,可得到感熱通量、混合層高度、摩擦速度、Obukhov長(zhǎng)度等微氣象學(xué)參數(shù).CALMET氣象模塊還需要地面觀測(cè)和探空觀測(cè)資料.本文使用的氣象觀測(cè)資料包括:(1)以示蹤物釋放鐵塔為中心,周圍200km范圍內(nèi)12個(gè)格點(diǎn)的美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)地面氣象資料和每日4次的垂直廓線資料;(2)鐵塔周圍桃源、漢壽、桃花江、安化、阮江、湘陰、益陽(yáng)、寧鄉(xiāng)、長(zhǎng)沙、望城、新化、婁底和韶山13個(gè)常規(guī)地面觀測(cè)站資料;(3)鐵塔附近10km范圍內(nèi)8個(gè)加密測(cè)風(fēng)站數(shù)據(jù);(4)鐵塔附近2個(gè)加強(qiáng)探空站1天12次的低空探空資料;(5)鐵塔5層(10、30、50、70和100m)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度觀測(cè)資料;(6)鐵塔4層(10、30、50和100m)湍流探測(cè)資料.2.3calmet氣象模式本文選取的研究范圍是以鐵塔(28.56240°N,111.97383°E)為中心的10km×10km區(qū)域.CALMET氣象模式網(wǎng)格距為100m,模式垂直方向自地面至3000m不等距分為10層,各層的高度分別為20、40、80、160、300、600、1000、1500、2200和3000m.3calpuff釋放期間的模擬為了解這一地區(qū)的大氣擴(kuò)散性質(zhì),2008年12月至2009年1月期間,開展了27次大氣擴(kuò)散示蹤實(shí)驗(yàn),總觀測(cè)天數(shù)累計(jì)為9d,每天示蹤實(shí)驗(yàn)頻次平均達(dá)2~3次.示蹤釋放皆在鐵塔上進(jìn)行.前23次實(shí)驗(yàn)的釋放高度為30m,第24和25次實(shí)驗(yàn)的釋放高度為70m,第26和27次實(shí)驗(yàn)釋放高度為10m,小靜風(fēng)條件下的釋放達(dá)13次.每次釋放時(shí)間約1h,每次釋放采樣4次,每次采樣10min,兩次采樣間隔約5min.本文選擇2008年12月20日第1~2次釋放實(shí)驗(yàn)(R01-02)和2008年12月26日第9~11次釋放實(shí)驗(yàn)(R09-11)來(lái)研究CALPUFF在該地區(qū)中等風(fēng)速和小風(fēng)條件下擴(kuò)散模擬的適用性.圖1給出了CALMET診斷風(fēng)場(chǎng)獲得的這2天釋放期間的地面風(fēng)場(chǎng)分布,底圖為模擬區(qū)域地形等高線填充圖,其中,橫坐標(biāo)正值表示正東方向,負(fù)值表示正西方向,縱坐標(biāo)正值表示正北方向,負(fù)值表示正南方向,箭頭長(zhǎng)度表示風(fēng)速大小為5m·s-1.圖2給出了釋放期間鐵塔30m高度處的風(fēng)速、風(fēng)向時(shí)間變化特征.由圖2可見,12月20日釋放期間,風(fēng)速較大,風(fēng)向穩(wěn)定為偏北風(fēng).12月26日釋放期間風(fēng)速較小,其漲落較大,風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng).4模擬與分析simulationandnathnalys4.1敏感性實(shí)驗(yàn)設(shè)置地形均一平坦的條件下,不考慮風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空變化,假設(shè)釋放率恒定,采用PG法計(jì)算擴(kuò)散參數(shù),在大風(fēng)和小風(fēng)條件下,CALPUFF與高斯煙流模式計(jì)算的不同下風(fēng)距離處的地面軸線濃度一致性很好(Scireetal.,2000).CALPUFF煙團(tuán)擴(kuò)散模式中設(shè)置3套網(wǎng)格,分別為氣象網(wǎng)格、計(jì)算網(wǎng)格和采樣網(wǎng)格.通常,氣象網(wǎng)格和計(jì)算網(wǎng)格的格點(diǎn)距相同,采樣網(wǎng)格可以根據(jù)需要,在計(jì)算網(wǎng)格的基礎(chǔ)上加密.采樣網(wǎng)格越疏,模擬耗時(shí)越短.但采樣網(wǎng)格的疏密對(duì)格點(diǎn)濃度,尤其是近場(chǎng)濃度具有較大的影響.為了解模擬濃度對(duì)采樣格點(diǎn)距的敏感性,在相同的氣象場(chǎng)下(此處將風(fēng)場(chǎng)設(shè)定為1.5m·s-1的北風(fēng),在模擬區(qū)域內(nèi)均一且不隨時(shí)間變化;E類穩(wěn)定度),設(shè)置如下敏感性實(shí)驗(yàn):氣象網(wǎng)格和計(jì)算網(wǎng)格距均為100m,采樣網(wǎng)格距分別為100、50和25m;模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為1h;釋放物質(zhì)為惰性氣體,不考慮化學(xué)反應(yīng),釋放率為1×105g·s-1,釋放高度為10m,出口溫度為環(huán)境溫度,出口速度為0.1m·s-1;采用PG法計(jì)算擴(kuò)散參數(shù).圖3給出了2km范圍內(nèi)模擬的濃度場(chǎng)分布,圖中“十”字表示16個(gè)方位每隔100m設(shè)置的離散受體.可見,當(dāng)采樣網(wǎng)格分辨率為100m時(shí),不能準(zhǔn)確反映近場(chǎng)的高濃度值.采樣網(wǎng)格距為50m和25m所對(duì)應(yīng)的近場(chǎng)濃度分布基本一致,說(shuō)明CALPUFF的近場(chǎng)應(yīng)用對(duì)采樣網(wǎng)格分辨率敏感.對(duì)于100m的計(jì)算網(wǎng)格,在近場(chǎng)模擬中,可采用分辨率為50m的采樣網(wǎng)格.對(duì)中等風(fēng)速和大風(fēng)條件下同樣進(jìn)行采樣網(wǎng)格距的敏感性實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)25m和50m分辨率的采樣網(wǎng)格距所對(duì)應(yīng)的濃度場(chǎng)分布基本一致,說(shuō)明近場(chǎng)應(yīng)用中,50m分辨率的采樣網(wǎng)格可滿足需要.因此,以下的模擬中均采用50m的采樣網(wǎng)格.此外,模擬濃度對(duì)空間變化的風(fēng)場(chǎng)和擴(kuò)散參數(shù)計(jì)算方案的敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,采用時(shí)空變化的風(fēng)場(chǎng)、微氣象學(xué)法和湍流實(shí)測(cè)資料計(jì)算擴(kuò)散參數(shù),均會(huì)導(dǎo)致煙流的增寬和地面軸線濃度的降低.采用時(shí)空變化的實(shí)際風(fēng)場(chǎng)和湍流實(shí)測(cè)σv、σw計(jì)算擴(kuò)散參數(shù),得到的近場(chǎng)軸線濃度比高斯煙流模式在穩(wěn)態(tài)、空間均一風(fēng)場(chǎng)條件下的模擬結(jié)果偏低1個(gè)量級(jí)左右.研究表明(Hanna,1983),復(fù)雜地形條件下,氣流越過或繞流過山地時(shí)產(chǎn)生的湍渦確實(shí)可增大水平風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差σθ(以及σv),從而降低地面濃度.小風(fēng)條件下,地形作用對(duì)σθ的增大更顯著.穩(wěn)定小風(fēng)條件下的慢擺作用,可導(dǎo)致擴(kuò)散參數(shù)增大,煙流變寬,地面濃度下降.4.2改進(jìn)的微社會(huì)學(xué)法模擬的地面濃度值分別采用湍流法和CALPUFF默認(rèn)的微氣象學(xué)法計(jì)算擴(kuò)散參數(shù),模擬第1~2組釋放的地面濃度場(chǎng)形態(tài)和示蹤物實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)采樣點(diǎn)分布對(duì)比,底圖為模擬區(qū)域的地形等高線填充圖,高程表示同圖1.可見,第1~2次釋放期間風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)速較大,煙云表現(xiàn)比較規(guī)則,有明確的煙流軸線.采用湍流法模擬的煙羽基本上都覆蓋到了實(shí)際的采樣點(diǎn)(圖4a),而采用CALPUFF默認(rèn)微氣象學(xué)法模擬的煙羽在近場(chǎng)1km范圍內(nèi)寬度明顯偏窄(圖4b).對(duì)于高架源,污染氣象學(xué)中尤其關(guān)注其造成的地面軸線濃度及其分布,圖5a和圖5b給出了兩種方案模擬的不同下風(fēng)距離的地面軸線濃度與實(shí)測(cè)值對(duì)比.實(shí)測(cè)地面軸線濃度峰值出現(xiàn)在距離釋放源500m處,湍流法模擬的地面軸線濃度峰值出現(xiàn)在500~700m處,且地面軸線濃度的模擬值與實(shí)測(cè)值之比在0.5~2.0之間.表明在中等風(fēng)速時(shí),利用實(shí)測(cè)湍流速度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算擴(kuò)散參數(shù),CALPUFF能夠較好地模擬桃花江地區(qū)復(fù)雜地形條件下的擴(kuò)散特征,捕捉近場(chǎng)的峰值濃度,以及地面軸線濃度出現(xiàn)的距離.而采用CALPUFF默認(rèn)的微氣象學(xué)法計(jì)算擴(kuò)散參數(shù),近場(chǎng)處模擬濃度值很小,900m之外,模擬的地面濃度值迅速增大,與實(shí)測(cè)不符.對(duì)其它釋放的模擬,亦出現(xiàn)類似的結(jié)果,即近場(chǎng)濃度偏低,而遠(yuǎn)場(chǎng)濃度偏高(圖略).為了分析默認(rèn)微氣象學(xué)法模擬近場(chǎng)濃度偏低、遠(yuǎn)場(chǎng)濃度偏高的原因,以第1~2次釋放為例,跟蹤第一個(gè)釋放的煙團(tuán)10min,研究在其移動(dòng)過程中擴(kuò)散參數(shù)隨距離的變化關(guān)系.圖6a和圖6b分別給出了湍流法和CALPUFF默認(rèn)微氣象學(xué)法計(jì)算的擴(kuò)散參數(shù)隨煙團(tuán)移動(dòng)路徑的變化關(guān)系.與湍流法結(jié)果相比,在近場(chǎng)1km內(nèi),默認(rèn)微氣象學(xué)法計(jì)算的垂直擴(kuò)散參數(shù)(σz)一直維持在很小值,水平橫向擴(kuò)散參數(shù)(σy)參照?qǐng)D6.隨下風(fēng)向距離的增加,其變化亦緩慢得多.根據(jù)煙團(tuán)的移動(dòng)軌跡考察沿途地表類型情況發(fā)現(xiàn),CALPUFF采用的USGS地表類型給出釋放鐵塔偏南1km范圍內(nèi)為水體,默認(rèn)的水面地表粗糙度和Bowen比分別為0.001m和0.Bowen比為0和很小的水面粗糙度,導(dǎo)致模擬的水面邊界層高度為120m左右,而釋放期間鐵塔偏南探空站實(shí)測(cè)溫度廓線給出實(shí)際的混合層高度應(yīng)為500~650m.根據(jù)CALMET默認(rèn)的湍流脈動(dòng)速度參數(shù)化方案(Scireetal.,2000),邊界層高度的低估會(huì)導(dǎo)致湍流速度標(biāo)準(zhǔn)差σv和σw的低估,從而導(dǎo)致水平和垂直擴(kuò)散參數(shù)的偏低.因此,從鐵塔30m高度釋放的示蹤物,在輸送-擴(kuò)散的初始階段不能被充分混合到達(dá)地面,導(dǎo)致近場(chǎng)模擬濃度值偏低,而1000m之外地表狀態(tài)改變,擴(kuò)散參數(shù)迅速增大,污染物很快被混合至地面,導(dǎo)致模擬的地面濃度增大.在CALPUFF默認(rèn)的微氣象學(xué)法計(jì)算湍流脈動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)差的參數(shù)化方案中,Bowen比的取值決定了感熱通量,感熱通量又對(duì)混合層高度、地表摩擦速度和對(duì)流速度尺度的計(jì)算產(chǎn)生影響,地表粗糙度亦是計(jì)算摩擦速度的重要參數(shù).這些參數(shù)對(duì)計(jì)算σv和σw非常重要,決定了擴(kuò)散參數(shù),從而影響模擬的地面濃度值.理論分析和敏感性實(shí)驗(yàn)均表明,Bowen比和地表粗糙度是模擬地面濃度的兩大敏感參數(shù).研究區(qū)域中,示蹤實(shí)驗(yàn)鐵塔周圍數(shù)十公里范圍內(nèi)為丘陵河谷地形,海拔為30~320m左右,鐵塔偏南和東北方向河谷內(nèi)地表類型以灌溉的農(nóng)田為主,其它地區(qū)為未灌溉的農(nóng)田.利用鐵塔5層風(fēng)速廓線測(cè)量計(jì)算得到地表粗糙度為0.24m,湍流觀測(cè)給出示蹤物釋放期間的平均Bowen比為0.05.采用實(shí)測(cè)地表類型、地表粗糙度和Bowen比來(lái)代替USGS地表類型和CALPUFF中默認(rèn)的地表參數(shù),表1給出了修改后的地表參數(shù)值.根據(jù)桃花江冬夏兩季加強(qiáng)觀測(cè)期間的湍流實(shí)測(cè)資料,結(jié)合Roth(1993)給出的近地層不穩(wěn)定條件下水平橫向和垂直歸一化湍流脈動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系,給出桃花江地區(qū)近地層不穩(wěn)定條件下湍流速度歸一化標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)化方案為:式中,z為觀測(cè)高度(m),其它參數(shù)含義見2.1節(jié).利用以上改進(jìn)后的微氣象學(xué)法模擬第1~2次釋放,得到模擬的地面濃度場(chǎng)形態(tài)和示蹤物實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)采樣點(diǎn)分布對(duì)比,以及不同下風(fēng)距離的地面軸線濃度分別如圖4c和圖5c所示.可見,定性上,改進(jìn)后的微氣象學(xué)法模擬的煙流寬度、形態(tài)和走向都與湍流法的模擬結(jié)果基本相同,在近場(chǎng)處的模擬煙流明顯增寬,基本能覆蓋實(shí)測(cè)的采樣點(diǎn);定量上,改進(jìn)后的方案模擬的不同下風(fēng)距離的軸線濃度及其最大落地濃度出現(xiàn)的距離均與實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)較好,且與湍流法給出的結(jié)果相當(dāng),較默認(rèn)方案在近場(chǎng)處有明顯改善.改進(jìn)后的微氣象學(xué)法給出的擴(kuò)散參數(shù)在近場(chǎng)明顯增大,與湍流法給出的結(jié)果相當(dāng)(見圖6c).4.3煙流軸線濃度為了驗(yàn)證改進(jìn)后的微氣象學(xué)法在小風(fēng)情況下的適用性,分別利用湍流法、默認(rèn)微氣象學(xué)法和改進(jìn)后的微氣象學(xué)法模擬第9~11次釋放.圖7給出了3種方案模擬的地面濃度場(chǎng)分布與實(shí)測(cè)采樣點(diǎn)的對(duì)比.由于小風(fēng)條件下風(fēng)向的轉(zhuǎn)變,以及擴(kuò)散受東南方向山體的擾動(dòng),煙羽彌散范圍較大.定性上,3種方案模擬的煙流在近場(chǎng)處均能有效地覆蓋實(shí)際的采樣點(diǎn).圖8給出了第9~11次釋放不同下風(fēng)距離的煙流軸線濃度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況.除了第9次釋放CALPUFF默認(rèn)的微氣象學(xué)法模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)較好,且與其它兩種方案模擬結(jié)果的一致性較好之外,第10~11次釋放默認(rèn)方案在近場(chǎng)所有距離處的模擬結(jié)果較實(shí)測(cè)值均顯著偏低.這主要由于第9次釋放期間,風(fēng)向偏西,在近場(chǎng)處煙流主體的擴(kuò)散不受下墊面水體的影響,而其它兩次釋放,風(fēng)向轉(zhuǎn)為西北風(fēng),水體對(duì)擴(kuò)散的影響非常顯著,默認(rèn)方案計(jì)算的擴(kuò)散參數(shù)很小,污染物在所有下風(fēng)距離均不能被混合至地面,導(dǎo)致了地面濃度嚴(yán)重偏低.改進(jìn)后的方案對(duì)第9~10次釋放的煙流軸線濃度和最大落地濃度出現(xiàn)的距離模擬結(jié)果均與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比較好,并與湍流法的模擬結(jié)果相當(dāng).第11次釋放改進(jìn)后的微氣象學(xué)法和湍流法模擬的最大落地濃度出現(xiàn)的距離為200m,實(shí)測(cè)最大落地濃度出現(xiàn)在500m處,而且濃度數(shù)值也較低.這可能與實(shí)驗(yàn)和模擬兩方面都有關(guān).近處觀測(cè)布點(diǎn)稀疏,不利于捕捉到近處的最大濃度;而小風(fēng)條件下風(fēng)向的擺動(dòng)使煙流軸線很容易形成對(duì)預(yù)設(shè)采樣點(diǎn)的偏離,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不能捕獲到實(shí)際的煙流軸線(蔡旭暉等,2005).當(dāng)然對(duì)這種復(fù)雜條件模式結(jié)果的不確定性也是不可避免的.5參數(shù)化方案及驗(yàn)證1)敏感性實(shí)驗(yàn)表明,CALPUFF高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模式的近場(chǎng)應(yīng)用需要采用細(xì)分辨率的采樣網(wǎng)格來(lái)捕捉近場(chǎng)的高濃度值.2)使用不同高度的湍流實(shí)測(cè)廓線資料計(jì)算擴(kuò)散參數(shù),可反映真實(shí)的湍流特征,對(duì)中等風(fēng)速和小風(fēng)條件下的模擬結(jié)果與示蹤物實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合較好.3)采用USGS的地表類型資料和模式默認(rèn)地表參數(shù),利用CALPUFF默認(rèn)的微氣象學(xué)參數(shù)化方案計(jì)算擴(kuò)散參數(shù),得到近場(chǎng)的擴(kuò)散參數(shù)和模擬濃度較實(shí)測(cè)值顯著偏低.針對(duì)這一情況,在考察研究區(qū)域?qū)嶋H的地表類型的基礎(chǔ)上,結(jié)合塔層實(shí)測(cè)風(fēng)