復雜地形條件下不同分辨率大氣擴散模擬方法的對比研究

復雜地形條件下不同分辨率大氣擴散模擬方法的對比研究

calduff（calduff模型）是美國國家環(huán)境管理局（uspa）推薦的用于長期分配和復雜流動（如復雜地形、海岸、小靜風、振動、環(huán)境質量等）的指導模式。它也是中國環(huán)境評估技術指南（環(huán)境）提出的三個額外預測模型之一，可以應用于復雜地形條件下的全球擴散模型。CALPUFF主要通過3種方式考慮地形對地面濃度的影響,從而響應大尺度和小尺度的地形特征:1)CALMET風場調整適應大尺度的地形特征;2)簡化處理煙團–地形相互作用;3)對次網格尺度復雜地形采用流線分層高度和煙羽路徑系數(shù)調整方法對地形引起的煙團高度變化、煙團碰撞山體過程、擴散參數(shù)增大效應進行參數(shù)調整。CALMET/CALPUFF模式系統(tǒng)在中尺度和區(qū)域尺度的輸送擴散模擬中應用廣泛,模擬結果較為可靠。然而,在近場復雜地形應用方面,一些學者發(fā)現(xiàn)CALMET/CALPUFF模式系統(tǒng)的默認模擬方案具有局限性。如Gilliam等指出,CALMET默認的參數(shù)值不能準確描述城市下墊面的復雜和非均一性。此外,模式的時間分辨率為1h,而復雜下墊面邊界層結構的重要變化發(fā)生的時間尺度常常遠小于1h,導致CALMET/CALPUFF模式系統(tǒng)在城市下墊面接近排放源附近不能夠準確模擬濃度分布。Ames等在研究沿岸城市下墊面土地利用發(fā)生突變的污染物擴散影響時指出,CALMET水平分辨率、混合層高度的計算方案和空間平滑尺度的選擇對模擬的最大落地濃度和距離都具有重要影響。Indumati等在研究陸地–水體–陸地交界處的污染物擴散時,指出CALPUFF默認的處理非均一下墊面的擴散方案沒有考慮到復雜下墊面不同的湍流特征,對于水陸交界處,采用符合實際的湍流特征模擬的地面濃度分布與默認方案有很大不同。復雜地形條件下的近場大氣擴散模擬在環(huán)境影響評價中具有重要意義,盡管USEPA推薦CAL-PUFF可用于涉及復雜流動的近場應用,但CAL-PUFF默認模擬方案和參數(shù)設置在實際應用中不能很好地模擬近場濃度分布,實際的湍流特征、邊界層結構等會影響模擬結果。由于缺乏高時空分辨率和高精度的大氣邊界層和大氣擴散實驗,目前有關復雜下墊面湍流作用對近場模擬結果的定量影響和評估研究較少。針對以上不足,本文利用2008年冬季在湖南省中部丘陵河谷復雜地形地區(qū)開展的大氣擴散綜合實驗資料,采用不同的CALPUFF模擬方案,對示蹤物近場擴散進行模擬,旨在揭示復雜地形條件下對近場擴散有重要影響的敏感因子,研究CALPUFF不同模擬方案在這種復雜地形條件下近場應用的適用性。1實驗數(shù)據(jù)和質量控制2008年12月20日至2009年1月3日,在湖南省中部的丘陵河谷地區(qū)開展了大氣邊界層和大氣擴散綜合加強實驗。圖1給出實驗區(qū)域20km×20km范圍內的地形特征,中心為100m高的氣象鐵塔。鐵塔周圍數(shù)十公里范圍內為淺山丘陵區(qū),其間沖溝、緩坡、丘陵交錯,地形較為復雜,海拔高度為30~320m。區(qū)域內的年均風速為1.5m/s,小風(10m高度風速小于2m/s)發(fā)生頻率高達50%。大氣邊界層加強實驗包括氣象鐵塔5層(10,30,50,70和100m)逐10min的風速、風向和溫度觀測,鐵塔周圍10km半徑范圍內8個地面測風站每10min的風向、風速測量,鐵塔附近2個低空探空站每天12次(0200,0500,0700,0830,1000,1130,1300,1500,1700,1900,2100,2300BST)的低空風、溫、濕度廓線探測,以及氣象鐵塔10,30,50,100m高度三維風速和溫度的湍流脈動觀測(圖1)。加強實驗期間,在鐵塔不同高度共進行了23次SF6示蹤物釋放,表1給出每次釋放的具體信息。除第1,17,18和21次釋放持續(xù)約100min外,其余每次釋放持續(xù)時間約為1h。根據(jù)研究區(qū)域的主導風向,在釋放鐵塔偏南和偏東北的河谷地區(qū)布設了116個網格分布的采樣點。采樣點最遠距鐵塔約5km,最近約200m。采樣點的分布見圖2。每次釋放過程取4個樣品,每次采樣10min,兩次采樣間隔約為5min。參考Hanna等的方法,根據(jù)采樣點距離示蹤物釋放位置(氣象鐵塔)的距離,將采樣點劃分為5條弧線?；【€上的采樣點距離氣象鐵塔的距離分別為450~550m(500m弧線)、650~750m(700m弧線)、850~950m(900m弧線)、1050~1150m(1100m弧線)和1200~1400m(1300m弧線)。在這些距離范圍以外的采樣點由于零星分布,不能夠捕捉到地面濃度的整體分布,本文不予采用。此外,對示蹤物采樣濃度數(shù)據(jù)進行了嚴格的質量控制,質量控制的步驟包括:1)去掉缺測和濃度測量明顯有誤的數(shù)據(jù);2)檢查地面風場分布和弧線濃度分布,去掉有明顯不一致的數(shù)據(jù);3)根據(jù)風場和濃度分布,去掉采樣器位置設置不合理的數(shù)據(jù)。據(jù)此,對于500,700,900,1100和1300m弧線,分別有15,17,15,15和13組數(shù)據(jù)的質量滿足要求。圖3給出實驗期間地面氣象要素的時間變化。可見,示蹤實驗初期,由于天氣系統(tǒng)過境,溫度大幅下降,風速增大,風向轉為偏北風,2008年12月21日地面最大逐10min平均風速達8m/s以上。實驗中期的26,29和30日,凈輻射值一直維持在較小值,溫度日較差和最高值較系統(tǒng)過境前顯著減小,風向轉為偏西風,風速較低。實驗后期,氣溫較低,風速較小,風向在偏西風和偏北風之間有較大的轉變。2土地利用類型的模擬CALPUFF模式系統(tǒng)包括3個主要模塊:CAL-MET,CALPUFF和CALPOST,以及地理數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)的前處理接口程序。CALMET是一個氣象模式,建立模擬區(qū)域的三維格點風溫場,同時產生二維混合層高度、地表特征及其擴散特征等。CALPUFF是一個輸送和擴散模式,將從排放源釋放的煙團平流輸送,并模擬其在輸送路徑上的擴散和轉化過程等。CALPOST為處理CALPUFF輸出濃度場或沉降通量文件的后處理模塊。CALMET通過兩步方案來產生三維診斷風場:第一步,初始猜測場經過地形動力學效應、坡風、地形熱力學阻擋效應來產生第一步風場;第二步,第一步中風場和觀測資料通過客觀分析加權的方法產生第二步風場(最后風場)。兩個步驟均滿足質量守恒約束。此外,CALMET根據(jù)網格土地利用類型數(shù)據(jù)產生二維邊界層參數(shù)。模擬區(qū)域設置為以釋放鐵塔為投影中心的10km×10km區(qū)域(圖2)。CALMET氣象模式水平網格距為100m,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。地形輸入采用美國地質勘探局(USGS)約90m分辨率的地形高程資料SRTM3數(shù)據(jù)。受可用數(shù)據(jù)集的限制,將USGS約900m分辨率的全球土地利用數(shù)據(jù)內插至CALMET氣象網格,獲取格點地理信息參數(shù)。由于土地利用數(shù)據(jù)的分辨率較低,結合實地調查,對研究區(qū)域的土地利用類型進行了核實和修正,以便更好地反映模擬區(qū)域的實際情況。CALMET采用以釋放鐵塔為中心周圍200km范圍內12個格點的NCEP地面氣象資料和每日4次的垂直廓線資料,8個地面測風站的數(shù)據(jù),2個探空站每天12次的低空探空資料,以及鐵塔5層的風速、溫度和濕度觀測資料來產生模擬區(qū)域三維風速和溫度場。由于相似性理論反映了微氣象學領域最新的研究進展,據(jù)此計算擴散參數(shù)對實測濃度的估算通常要優(yōu)于基于PG穩(wěn)定度分類的經驗擴散曲線估算結果,且復雜地形和流動條件下,推薦的擴散參數(shù)與PG穩(wěn)定度分類之間的經驗關系有可能失效,因此,本文中CALPUFF采用以下兩種輸入數(shù)據(jù)計算擴散參數(shù):1)直接測量的湍流水平、垂直速度標準差σv,σw;2)根據(jù)CALMET或其他氣象模式輸出的微氣象學尺度參數(shù)(摩擦速度u*,對流速度尺度w*,Obukhov長度L,邊界層高度h),基于相似性理論得到σv和σw。本文采用2008年8月發(fā)布的CALPUFFV6版本,該版本可以模擬次小時分辨率的氣象場和濃度場。CALPUFF的計算網格與氣象網格設置相同。根據(jù)近場模擬濃度對采樣網格距的敏感性實驗結果,采樣網格采用50m水平分辨率,滿足《環(huán)境影響評價技術導則:大氣環(huán)境》中“區(qū)域最大地面濃度點的預測網格設置,在高濃度分布區(qū),計算點間距應不大于50m”的要求。3結果與分析3.1復雜地形下湍流特征分析計算擴散參數(shù)最理想的方案是采用直接測量的湍流速度標準差或湍流強度,稱之為實測湍流方案。當缺乏湍流實測資料時,CALPUFF推薦的默認擴散選項為根據(jù)相似性理論計算擴散參數(shù),稱之為相似性理論方案。地表參數(shù)是相似性理論方案計算擴散參數(shù)的重要輸入,CALMET根據(jù)格點土地利用類型確定每個格點的地表參數(shù)值。在氣象鐵塔周圍5km范圍內,土地利用類型以灌溉的農田為主。利用氣象鐵塔5層風速廓線計算得到當?shù)氐牡乇泶植诙葹?.24m,湍流觀測給出示蹤物實驗期間的平均波文比為0.5。CALPUFF采用的近地面層湍流脈動速度標準差參數(shù)化方案為Panofsky等在平坦均一下墊面得到的結果,與研究區(qū)域復雜地形實際的湍流特征存在差異。圖4給出實驗期間30m高度湍流脈動速度歸一化標準差σu,v,w/u*隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化特征,較大的離散反映了復雜下墊面的影響。式(1)給出30m高度無量綱湍流速度標準差與穩(wěn)定度參數(shù)z/L的擬合公式。為了研究復雜地形實際的湍流特征對近場擴散的影響,設計3組對比實驗,即:CALPUFF默認的相似性理論方案,根據(jù)式(1)修改近地層湍流參數(shù)化方案的相似性理論方案,以及實測湍流方案分別模擬12月20日系統(tǒng)過境前第1次示蹤物實驗的近場濃度分布,結果見圖5?？梢?實測湍流方案與修正后的相似性理論方案對所有下風距離的濃度均模擬得很好,且二者對峰值濃度的模擬較CALPUFF默認方案偏大,并更接近實測值。為了驗證修正后的相似性理論方案的有效性,分別采用上述3種方案模擬示蹤物實驗第9次小風條件下的釋放,模擬結果與實測值的對比見圖6。可見,除1100m弧線由于采樣點稀疏未捕捉到實際峰值濃度外,其他距離實測湍流方案模擬的弧線峰值濃度與實測值吻合最好,修正后的相似性理論方案模擬結果優(yōu)于默認方案。但3種方案模擬的峰值濃度出現(xiàn)方位角均與實測值有較大的偏差,主要由CALMET逐時診斷風場風向的模擬誤差導致,逐時風場不能很好地描述小風條件下的風向多變性。以上模擬結果表明,實測湍流方案能夠很好地模擬復雜地形近場不同下風距離的峰值濃度和煙流寬度,這是因為實測湍流廓線資料能夠最直接地反映局地湍流特征的實時變化及其對擴散的影響。采用式(1)代替CALPUFF默認的近地層湍流參數(shù)化方案,能夠改進模擬結果,但式(1)只是對實際湍流特征的一種近似,且采用相似性理論方案時,CAL-MET計算的微氣象學參數(shù)的準確度也會對模擬結果產生較大的影響。因而就個例來看,修正后的相似性理論方案模擬結果并不會優(yōu)于實測湍流方案的結果。3.2模擬結果及分析復雜下墊面,邊界層結構發(fā)生重要變化的時間尺度常常遠小于1h,且小風條件下風向多變,導致CALMET逐時診斷風場不能準確模擬近場的大氣擴散。為了研究復雜下墊面近場的擴散特征,采用加強氣象觀測的逐10min地面風觀測資料和加密低空探空資料,分別計算逐10min和逐時診斷風場以及時空變化的二維微氣象學參數(shù),并結合實測湍流和修正后的相似性理論兩種擴散參數(shù)計算方案,設計以下4種模擬方案。方案1(S1):采用逐時診斷風場來驅動擴散模式,擴散參數(shù)采用修正后的相似性理論方案計算。方案2(S2):采用逐時診斷風場和實測湍流方案模擬示蹤物的輸送和擴散。方案3(S3):采用逐10min診斷風場和修正后的相似性理論方案計算輸送和擴散。方案4(S4):采用逐10min診斷風場結合實測湍流方案模擬示蹤物的擴散。其中,方案4包含最詳細的氣象和湍流資料。以系統(tǒng)過境時風速較大的12月21日第2次釋放、風速小于2m/s的12月26日第9次釋放以及2009年1月3日第21次釋放為例,分別采用上述4種方案模擬不同氣象條件下示蹤物的近場擴散特征。第2次釋放期間,地面平均風速為3.2m/s,風向為NNE。4種方案模擬的不同下風距離濃度分布與實測值的對比見圖7?？梢?4種方案均能較好地模擬弧線峰值濃度及其出現(xiàn)的方位角,方案1模擬的峰值濃度最為保守,方案3和方案4模擬的煙流寬度與實測值吻合最好。第9次釋放期間,近地層風速小于2m/s,風向由NNW轉為WNW。圖8給出不同距離模擬濃度與實測濃度分布對比?？梢?方案2和方案4模擬的峰值濃度與實測值的一致性較好,大于方案1和方案3的模擬值。采用逐10min診斷風場的方案3和方案4模擬的峰值濃度出現(xiàn)方位角與實測值相同修正了逐時風場對煙流軸線位置模擬的偏差。整體來看,方案4對該個例的模擬效果最好。第21次釋放期間,模擬區(qū)域內風速很小,鐵塔10m高度風速小于1.5m/s,風向由西風迅速轉為西北風。圖9給出近場500和700m弧線模擬濃度分布與實測值對比。風向擺動導致實測濃度呈雙峰分布。方案1僅給出100°附近的一個峰值。包含實測湍流信息的方案2能夠模擬100°和150°附近的雙峰值,但對100°的峰值有顯著高估。采用逐10min風場的方案3和方案4均能夠模擬近場濃度的雙峰值分布特征,方案4模擬的雙峰現(xiàn)象更為顯著。3.3典型近場模擬結果地面峰值濃度是環(huán)境影響評價中備受關注的一個因子,本文以近場不同下風距離的峰值濃度為評估變量,采用部分偏差(FB)、歸一化均方根誤差(NMSE)、相關系數(shù)(R),以及模擬值在觀測值兩倍范圍內的百分比(FAC2)為統(tǒng)計評估指標,研究CALPUFF不同模擬方案對復雜地形近場峰值濃度模擬的準確性。上述統(tǒng)計指標的計算公式如下:表2給出4種方案模擬的所有弧線峰值濃度的統(tǒng)計指標。方案1和方案3整體低估,而方案2和方案4整體高估。增加風場的時間分辨率,可以改進相似性理論方案(方案1和方案3)的模擬結果,而對于實測湍流方案(方案2和方案4),其改進并不顯著。整體來看,方案2應用于研究區(qū)域復雜地形條件,能夠更好地模擬近場的峰值濃度。式(2)也可表達為根據(jù)表2,方案1~4模擬的平均偏差分別為平均值的-17.7%,26.5%,-19.6%和35.8%。Chang等總結了前人研究成果指出:對于非空間對應數(shù)據(jù)的比較,好的模式模擬值在實測值兩倍范圍內的百分率應約為50%,平均偏差應在平均值的±30%以內。因而,對于研究區(qū)域,CALPUFF煙團擴散模式結合逐時風場和湍流實測資料,或逐10min風場和修正后的相似性理論方案均能夠較好地模擬近場不同下風距離處的峰值濃度。4湍流參數(shù)化擬合方案的改進本文采用在湖南省內陸丘陵河谷復雜地形地區(qū)開展的高時空分辨率的大氣擴散綜合實驗資料,定量研究了CALPUFF模式不同模擬方案在該復雜地形條件下的適用性,得到以下結論。1)實測湍流方案能較好地模擬近場峰值濃度和煙流形態(tài)。將基于實測湍流資料的無量綱湍流速度標準差與穩(wěn)定度參數(shù)z/L的擬合關系替代CALPUFF默認的湍流參數(shù)化方案,能夠有效改進模擬結果模擬峰值濃度較默認方案偏大且更接近實測值。2)風速較大、風向穩(wěn)定時,近場濃度分布對風場的時間