（环境工程专业论文）长白山高压对辽宁中部城市群大气污染影响的数值模拟.pdf

l - n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo ft h ee f f e c to nc h a n g b a i m o u n t a i na n t i c y c l o n et oa t m o s p h e r i cp o l l u t i o no fm u l t i c i t i e s i nc e n t r a ll i a o n i n g b yw u m a n l i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh a ow - e n g e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y n o v e mb e r2 0 0 7 1 、 一 - p l ， f i ；j i 量 东北大学硕十学位论文 摘要 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 吴铀 日期：圳1 口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：戈受用 签字日期：勿硝 导师签名： 签字日期： 蕾| 灰l 萄 硼。| ，| o l l ；，t 0 - i 、 。) 0 崎l p - i - 萝 ， 东北大学硕上学位论文摘要 长白山高压对辽宁中部城市群大气污染影响的数值模拟 摘要 辽宁中部城市群( 沈阳、鞍山、抚顺、辽阳、本溪) 对辽宁及东北地区的 政治、经济、文化的发展起着十分重要的作用。但是，该区域的大气质量较差， 不仅影响着人民群众的身心健康，也严重地制约着该区域城市经济的可持续健 康发展。近年来，各级政府加大了对大气环境污染的治理力度，对五个城市的 大气污染物总量进行了严格的控制，但是大气环境质量还是不尽人意。其中重 要原因是由于某些天气系统和局地天气系统影响大气边界层对大气污染物的 扩散稀释能力所致，其中长白山高压就是影响该区域大气边界层的主要天气系 统。长白山高压作为地方性天气系统，有明显的日变化，总是跟某种具体的地 形相联系，它还受着更大尺度的大气过程的制约，所以每年出现的频率、伸展 的尺度和达到的强度是不同的。辽宁中部城市群由于受长白山高压等一些局地 天气系统的影响，常出现逆温、小风天气，“大锅盖”效应十分突出，大气的 扩散稀释能力较差，容易引起污染物的堆积，使得大气中的污染物浓度较高， 严重地影响城市环境大气质量。 课题以辽宁中部城市群为研究对象，利用地面、高空观测资料及各城市大 气污染的长期监测资料，基于中尺度气象模式( m m 5 ) 和大气扩散输送模式， 模拟长白山高压的出现频率，延伸尺度及达到的强度，揭示长白山高压对辽宁 中部城市群大气污染的影响。结果表明，长白山高压强度的变化对辽宁中部城 市群大气污染程度的变化有一定的指示意义。改变地形后，原来较强的长白山 高压有了明显的减弱，城市群五城市的水平气流辐合场消失，风速增大，逆温 强度也减弱，有利于污染物的传输扩散，模拟结果也表明污染物浓度有明显的 降低，试验较好地揭示了长白山高压对辽宁中部城市群大气污染的影响机制。 关键词：长白山高压；辽宁中部城市群；大气污染 ? ， 、 0 。，v 亡p n 0，1l n um e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ee f i e c to nc h a n g b a im o u n t a i n a n t i c y c l o n et oa t m o s p h e r i cp o l l u t i o no fm u l t i - c i t i e si nc e n t r a l l i a o n i n g a b s t r a c t m u l t i c i t i e si nc e n t m ll i a o n i n ga r ei m p o r t a n tt op o l i t y 、e c o n o m y 、 c u i t u r eo f l i a o n i n ga n dn o r t h e a s ta 舱a b u tt h ea i rq u a i i 锣o ft h i sa r e a i sb a da n di ta f r e c t s h e a l t hi nb o d ya n dm i n d ，s e r i o u s l yr e s t r i c t i n gc o n t i 肌a ld e v e l o p m e n to fe c o n o m yi n t h i sa r e a r e c e m l y ，g o v e m m e n t sa d m i n i s t e rp o l l u t e d c i r c 啪s t a n c ea n ds t r i c t l y c o m r o lc o n t 锄i n a t i o ng r o s so fa i r ，t h ea i rq u a l i t yo fm u l t i c i t i e si sa l s og o o d i s h a n i m p o r t a n tc a u s ei st h a ts o m ew e a t h e rs y s t e m sa 日e c td i h u s ea b i l i t yo fa i rb o u n d a r yt o a i rc o n t a m i n a t i o n c h a n 加a im o u n t a i na n t i c y c l o n ei so n eo ft h u sw e a t h e rs y s t e m a s r e g i o n a l 、w a t h e rs y s t e m ，c h a n g b a i m o u n t a i na m i c y c l o n eo b v i o u s l yv a r i e si n d a y t i m ea n da l w a y sc o n t a c t st os o m em a t e r i a l l a n d f o r m b e i n gr e s t r i c t e db yb i g g e r w e a t h e rc o u r s e ，a n n u a l 丘e q u e n c y 、 p r o t r a c t e ds c a l e a n di n t e n s i o no fc h a n g b a i m o u n t a i na n t i c y c l o n ea r ed i f f e r e n t a f f e c t e db yc h a n g b a im o u n t a i na n t i c y c l o n e ， m u l t i c i t i e si nc e n t r a ll i a o n i n ga l w a y sh a v ec o n t m 巧t e m p e r a t u r e 、 t h i nw i n da n d o b v i o u s l ye 行e c to f “b i gc o v e r b e c a u s e a i rd i 觚s ea b i l i t yi sb a d ，c o n t a m i n a t i o n a c c u m u l a t e se a s i l ya n dt h i c k n e s so fa i rc o n t a m i n a t i o ni sh i g h ，s e r i o u s l ya f ! e - e c t i n ga i r q u a l i t yo fc i t ye n v i r 0 1 u 1 1 e m t h ep r o b l e mw o r k so v e rm u l t i - c i t i e si nc e n t m ll i a o n i n ga n dm a k e su s eo f o b s e n ，e dd a t ao fg r o u n d 、 u p p e r a i ra n dl o n g - t e n i l m o n i t o r i n gd a t a o fa i r c o n t a m i n a t i o n b a s i n go nm i ds c a l ew e a t h e rm o d ea n da i rd i f j u s e t r a n s p o r t a t i o n m o d e ，t h ep r o b l e ms i m u l a t e s 丘e q u e n c y 、p r o t r a c t e ds c a l ea n di n t e n s i o no fc h a n g b a i m o u n t a i na n t i c y c l o n ea n do p e n so u tt h ea f f e c t i o nt oa i rc o n t a m i n a t i o no fm u l t i c i t i e s ： 1 i 0 * 0 j v i nc e n t r a l l i a o n i n g t h er e s u l t sd i s p l a y e dt h a ti n t e n t i o nc h a n g eo fc h a n g b a i m o u n t a i n 肌t i c y c l o n e h a ss o m ei n d i c a t i v e m e a n i n gt o a i rc o n t a m i n a t i o no f m u l t i c i t i e s a r e rc h a n g i n gt h el a n d f o n n ，m er e l a t i v e l yh e a v yc h a n 曲a im o u n t a i n a n t i c y c l o n ew a so b v i o u s l yw e a k e n e d ，l e v e la i r n o wc o n v e r g e n c ed i s a p p e a r i n g ，w i n d s p e e db e c o m i n gb i g g e ra n di n t e n s i t yo fi n v e r s i o nd e c r e a s i n gi nm u l t i c i t i e so fc e n t r a l l i a o n i n ga 舭rt h et e r r a i nh e i g h tc h a n g e d ，w h i c h 、a sa d v a n t a g e o u st ot r a n s p o i r ta n d d i f m s i o no ft h ep o l l u t a n t s t h es i m u l a t e dr e s u l ta l s oi n d i c a t e dt h a tt h ep o l l u t a n t s c o n c e n t r a t i o nh a do b v i o u s l yr e d u c e d ，a n ds ot h ee x p e r i m e n tb e t t e rr e v e a l e dt h e i n n u e n c em e c h a n i s mo nc h a n g b a im o u n t a i na n t i c y c l o n et oa t m o s p h e r i cp o l l u t i o no f m u l t i - c i t i e si nc e n t r a ll i a o n i n g k e yw o r d s ：c h a n 加a im o u n t a i na n t i c y c l o n e ，t h em u l t i c i t i e so fc e n t r a ll i a o n i n g ， a t m o s p h e r i cp o l l u t i o n 一 么 0 、f 00， ，；， 东北大学硕十学位论文目录 目录 声明i 中文摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章引言l 1 1 选题意义及背景”l 1 1 1 中国人气污染的基本特征l 1 1 2 中国人气污染现状”2 1 1 3 中国大气污染的发展过程分析4 1 1 4 中国大气污染发展趋势判断5 1 1 5 辽宁大气污染特征5 1 1 6 长白山高压与辽宁大气污染”7 1 2 辽宁中部城市群概况8 1 2 1 辽宁中部城市群地理位置8 1 2 2 辽宁中部城市群大气污染特征9 1 2 2 1t s p 污染现状l o 1 2 2 2s o z 污染现状1 0 1 2 2 3n o x 污染现状1 0 1 2 2 4 辽j 。中部城市群大气污染季节变化特征l o 1 2 2 5 辽r 中部城市群大气污染变化趋势1 0 1 2 3 辽宁中部城市群气候特征1l 1 2 3 1 平均气温l l 1 2 3 2 降水1 l 1 2 - 3 3 年平均风速及风向l l 1 2 3 4 污染气象条件分类ll 1 2 4 人气污染与气象因子之间的关系1 2 第二章大气污染的相关研究1 5 2 1 国内外对大气污染研究的现状和趋势1 5 2 2 天气系统对人气污染影响的研究1 6 2 3 天气系统对辽宁中部城市群大气污染的研究1 7 2 4 论文对大气污染的研究17 2 4 i 论文的研究内容18 2 4 2 论文的研究目标1 8 2 4 3 论文的技术路线l8 第三章长白山高压及对大气污染的影响2 0 3 1 长白山高压概况2 0 3 1 1 长自山高压的定性标准2 0 3 1 2 长向山高压的类型2 0 3 1 3 长白山高压的形成2 0 3 1 4 长白山小高压的气候21 3 1 4 1 长白山小高压的月季分布2 l 3 1 4 2 长白山高压的生消规律”2 1 3 2k 白山高压与大气污染2 2 第四章模式介绍与应用2 3 4 i 模式原理介绍2 3 4 1 - 1 中尺度气象模式( 删5 ) 2 4 4 1 2 排放源处理模式( s m o k e ) 2 5 4 1 3 空气质量模式( c m a q ) 2 5 4 2 模式物理方案的选取和试验设计2 6 4 2 1 模式物理方案的选取2 7 4 2 2 试验设计”2 7 4 2 2 1 排放源资料处理”2 7 4 2 2 2 下垫面地形高度设计“2 8 4 2 2 3 模拟时间选择”2 9 第五章模拟验证及分析”3 0 5 1m o d e 卜3 在沈阳地区模拟验证试验3 0 5 1 1 天气形势分析3 0 5 1 2s o 。模拟结果3 0 5 1 3n o ：和p m 模拟结果”3 2 5 1 4m o d e 卜3 在沈刚地区模拟验证试验结论3 5 5 2 长白山高压对城市群大气污染浓度影响的敏感模拟试验“3 6 5 2 1 长白山高压变化3 6 5 2 2 风场变化3 8 5 2 3 逆温强度变化3 9 5 2 4 地形高度变化对大气污染的影响4 1 5 2 5 长白山高压对城市群大气污染浓度影响的敏感模拟试验结论4 3 第六章结论4 4 6 1 结论”4 4 6 2 存在的主要问题“4 5 6 3 研究方法的创新性“4 5 6 4 研究成果的创新性“4 5 参考文献4 6 虱【谢”5 0 东北大学硕十学位论文引言 第一章引言 由沈阳、鞍山、抚顺、辽阳、本溪五个城市组成的以重工业为主体的辽宁中 部“城市群 ，对东北地区以及全国的发展起着十分重要的作用。但是，该区域 的大气环境质量不仅影响着人民群众的身心健康，也严重地制约着该区域城市经 济的可持续发展。近年来，各级政府加大了对大气环境污染的治理力度，但是大 气环境质量还是不尽人意。由于能源结构的限制，辽宁中部城市群的工业锅炉及 民用锅炉的主要燃料煤，尽管5 个城市全部是国家规定的s 0 2 控制区，且政府对 5 个城市都施行了严格的大气污染物总量控制，但是该区域的大气污染还是很严 重的。这主要是由某些天气系统和局地天气系统影响大气边界层对大气污染物的 扩散稀释能力所致，其中长白山高压就是影响该区域大气边界层的主要天气系 统。因此研究长白山高压对辽宁中部城市群大气污染的影响，对于振兴东北老工 业基地，如何防治辽宁中部城市群大气污染，避免污染事件的发生具有重要意义。 1 1 选题意义及背景 大气是人类赖以生存的最基本的环境要素之一，任何生物从它诞生之日起， 就需要通过呼吸维持生命，停止呼吸就意味着生命的终结。随着人类生产和生活 活动的发展，当它对大气产生的影响超过其自净能力时就会对大气造成污染。 中国的大气污染是典型的煤烟型污染，总悬浮颗粒物、二氧化硫、氮氧化物 是主要的污染物。近几年，区域性大气污染状况相对稳定，但城市，特别是大型 城市中以汽车尾气为主要来源的空气污染上升速度较快。中国的燃料结构决定了 中国的大气污染改善将是一个缓慢的过程，但改善管理，加快市场化进程依然有 较大的可操做空间。 1 1 1 中国大气污染的基本特征 中国的大气污染尤其是城市的大气污染现状是相当严重的n 。2 1 ，尽管污染物 的种类和分布呈现一定的时空变化，但加重的趋势依然是明显的。中国的大气污 染在空间的分布上呈现较强的区域特征，城市及其周边地区的污染强度明显高于 农村，其中以特大型和大型城市表现最为突出。同等规模城市的空气质量又因工 1 东北大学硕士学位论文引言 业结构、经济发展水平、城市基础设施完善程度以及所处地区气候特征等不同而 存在较大的差异。总体来说北方城市重于南方城市，大城市重于中小城市，中西 部重于东部，部分沿海城市的空气质量保持了较好的水平。 中国目前的大气污染属典型的煤烟型污染，大气污染物主要以总悬浮颗粒 ： 物、二氧化硫为主，氮氧化物因近几年城市机动车的大幅度增加，其在某些大中 、 城市，尤其是在特大型城市中的污染分担率迅速攀升，在个别城市的一定时期内 已经上升为首要污染物。全国已经形成华中、西南、华东、华南等几大酸雨区， 。 而且，酸雨区的面积仍在缓慢扩大，有逐渐北上的趋势，其中以华中酸雨区最为 严重，已到了逢雨必酸的程度。在工业污染排放中能源重化工行业依然是大气污 染的主要贡献者。大城市中的民用燃煤污染随着集中供气、供暖比例的提高和燃 料结构的逐步改善有所缓慢的下降，机动车尾气排放所导致的空气污染增加迅 速，势头难以控制。 大气污染所导致的经济损失和居民健康支出已经达到相当的比例。据世界银 行的统计计算，按1 9 9 5 年的污染状况，中国每年因空气污染超标致病所造成的 工作损失相当于4 5 0 万人一年的工作付出，仅呼吸道疾病每年就增加门诊3 4 6 万例，有1 7 8 万人因空气污染导致非正常限度死亡。 1 1 2 中国大气污染现状 据1 9 9 8 年对全国3 2 2 个省控以上城市空气质量监测结果分析b 。1 ，在总悬浮 颗粒物、二氧化硫、氮氧化物三项常规项目中，均达到国家i i 级空气质量标准 的城市就有8 9 个，占统计城市数的2 7 6 ；至少有一项超过i i 级标准的城市达 瞎 2 3 3 个，占统计城市数的7 2 4 ；有1 4 0 个城市的空气质量超过国家i i i 级标准， 占统计城市数的4 3 5 。 ( 1 ) 二氧化硫 ， 1 9 9 8 年国家环境状况公报公布，本年度二氧化硫排放总量2 0 9 0 万吨，其中， 工业来源的排放量1 5 9 3 万吨，生活来源的排放量4 9 7 万吨，分别占7 6 2 和 。 2 3 8 9 6 ；全国3 2 2 个省控以上城市中，二氧化硫年日均值范围在o 0 0 2 0 3 8 5 毫克立方米之间，全国平均为o 0 5 6 毫克立方米。相对于1 9 9 7 年公布的数据， 二氧化硫排放总量下降了7 8 ，全国年平均浓度下降了0 0 1 毫克立方米。以 2 东北大学硕士学位论文引苦 重庆、贵阳、宜宾为代表的西南高硫煤地区的城市和北箔能源消耗量大的山西、 山东、河北、辽宁、内蒙古、河南、陕西部分地区的城市二氧化硫污染较为严重。 ( 2 ) 总悬浮颗粒 1 9 9 8 年，烟尘排放总量为1 4 5 2 万吨，其中工业来源烟尘1 1 7 5 万吨，生活 来源烟尘2 7 7 万吨，分别占8 0 9 和1 9 1 ，工业烟尘中县及县以上工业和乡镇 企业几乎各占一半。1 9 9 8 年工业粉尘排放量为1 3 2 2 万吨，乡镇企业的贡俗占绝 大多数。相对于1 9 9 7 年，烟尘和工业粉尘的排放量分别下降了7 7 和1 2 2 。 3 2 2 个城市监测结果表明，总悬浮颗粒年日均值范围在o 0 l l 1 1 9 9 毫克立方 米之间，全国平均o 2 8 9 毫克立方米，这一数值相对于1 9 9 7 年下降了o 0 0 2 毫克立方米。但在这3 2 2 个城市中，仍有超过7 0 的城市总悬浮颗粒物浓度达 不到国家i i 级空气质量标准。其中，北方城市总悬浮颗粒物的污染水平明显高 于南方城市。 ( 3 ) 氮氧化物 1 9 9 8 年全国氮氧化物年日均值在o 0 0 6 0 1 5 2 毫克立方米之间，平均为 o 0 3 7 毫克立方米，比1 9 9 7 年略有下降。根据1 9 9 7 年全国氮氧化物的统计资 料，有3 4 个城市年均值超过国家i i 级空气质量标准，占3 6 2 ，其中，北京、 广州、上海氮氧化物污染最为严重，年均值超过国家i i 级标准一倍多；济南、 武汉、乌鲁木齐、郑州、合肥、深圳等大城市污染也较为严重。 ( 4 ) 酸雨 当前，煤烟型大气污染导致的酸雨区面积已占国土面积的3 0 左右，并呈现 较强的区域特征。在进行统计的城市中，有5 2 8 的城市，其降水p h 值低于5 6 的酸雨临界值，南方城市所占比例更高，达7 3 0 3 ，其中有4 6 的城市降水p h 值只有5 o 。在全国几大酸雨区中，以长沙为中心的华中酸雨区，降水酸度为全 国最低，其酸雨出现频率也为全国最高，中心城市酸雨出现频率更是高达9 0 以 上。1 9 9 8 年全国降水年均p h 值范围在4 1 3 7 7 9 之间。华东、西南酸雨区总 体污染程度基本不变；华南酸雨区中的部分南部沿海城市酸雨的出现频率有所上 升，酸度下降；华中酸雨区的污染略有减轻，但中心区域的年平均p h 值仍低于 5 0 ；北方的青岛和图们己发展成为稳定的酸雨区，其他几个城市也有变为酸雨 东北大学硕士学位论文 引言 区的潜在可能。 1 1 3 中国大气污染的发展过程分析 从1 9 9 1 1 9 9 8 年，中国城市二氧化硫的年均值经历了先上升后下降的两个 阶段。1 9 9 4 年的年均值达到最高，为0 0 9 8 毫克立方米，而1 9 9 8 年的年均值 最低，为0 0 5 6 毫克立方米。从近几年全国各主要城市的污染统计看，那些污 染严重的城市，尽管其污染程度的相对位置基本上没有发生多大变化，但绝对值 有明显的下降，说明这些城市的污染控制措施起到了重要的作用。但同时，超过 国家二级标准的城市数量又有了一定程度的上升，总体污染水平仍然不容乐观。 从近1 0 年的统计资料来看，二氧化硫年均值的年度变化情况与国内的经济状况， 特别是国有经济的景气状况存在一定的相关性，这也可能从另一个方面说明，二 氧化硫污染状况的改善，既有污染治理的功效，但同时也不能否认，伴随着国有 经济状况的好转和经济总量的攀升，二氧化硫的污染存在进一步恶化的可能。 ( 1 ) 总悬浮颗粒物及降尘 总悬浮颗粒物近1 0 年来呈现稳中略降的趋势，但总体污染状况依然十分严 重。超过国家二级质量标准的城市数目占统计城市数的7 0 以上，北方城市的污 染状况尤其严重，平均总悬浮颗粒物浓度超过南方城市一倍左右。全国降尘的基 本趋势与总悬浮颗粒物相似，全国平均状况正在逐步好转，但污染程度依然严峻， 南北差距较大，北方平均高出南方两倍以上。 ( 2 ) 氮氧化合物 氮氧化物从全国的平均状况来看，变化基本不大，但在大型和特大型城市中， 氮氧化物上升趋势十分明显，北京、广州、上海等城市尤为突出，其增长速度远 远超过其他城市，在某些季节和时段已经成为大气污染的最大贡献者，而且这种 势头短期内不会有所改变。 ( 3 ) 酸雨 近1 0 年来，中国的酸雨区正由南向北缓慢推进，面积逐渐扩大，已经覆盖 了长江以北、青藏高原以东的大部分地区和四川盆地，遍及十几个省、自治区。 年降水值低于5 6 的城市约占统计城市数的5 0 ，秦岭、淮河以南城市降水年均 东北大学硕士学位论文引言 p h 值低于5 6 的占8 5 以上，高酸雨频率的城市约占2 5 。其中华中酸雨区目前 的降水酸度和酸雨出现频率最为严重，是国内强度最高、面积最大的酸雨区：西 南酸雨区近年来污染状况有所缓和，特别是部分中心城市的年均降水值有所回 升、酸雨出现频率有所下降，但这种变化尚不稳定，起伏波动较大，中心区域仍 是国内最严重的酸雨污染区；华南酸雨表现较为稳定，变化不大，污染程度依然 较重：北方的青岛和图们的降水酸度和酸雨频率维持在较高的水平，其他部分城 市也有酸雨出现，但频率低于3 0 ，变化幅度较大，尚不能确定其受酸雨污染的 程度。 1 1 4 中国大气污染发展趋势判断 在今后2 3 年内，中国大气仍以降尘和总悬浮颗粒物为首要污染物，其污 染趋势保持平稳或略有下降，北方依然重于南方，超过国家i i 级标准的城市数 不变或略有增加，大城市的污染负荷有所下降。近期内中国的燃煤结构和燃烧效 率难以有较大幅度的改善，城市生活中供气和集中供暖的比例上升速度不会太 快，尤其在中小城市中更是如此。所以全国二氧化硫的污染依然会维持一个较高 的水平，变化幅度不大。重点污染城市和大型城市的污染状况预期会有所改善， 但总体超标的城市数目仍会有缓慢的上升。随着居民收入水平的提高，城市中以 居民私人购买为主的机动车保有量依然会保持快速增长的势头，这一趋势在大型 和特大型城市中表现尤为突出。以机动车尾气污染为主要特征的城市大气污染在 中国日现端倪。氮氧化物的排放总量和其污染负荷贡献率会保持较快的增长速 度，如果不采取综合的城市管理措施，氮氧化物的污染在中国省会以上的主要城 市中会迅速达到极其严重的水平。在某些城市，如遇合适的气象条件很可能会酿 成公害型的污染事故。同时，机动车尾气排放所带来的其他污染，如一氧化碳、 铅等污染也会呈现较高的增长趋势。 1 1 5 辽宁大气污染特征 辽宁是我国的老工业和重工业大省，对东北地区以及全国的发展起着十分重 要的作用。辽宁省的城市空气质量差，t s p 和s o ：浓度高，属于典型的煤烟型污 染。根据国家环境网资料，辽宁省2 0 0 0 年的废气排放量位居全国第三，成为全 国的排污大户。辽宁是中国的燃煤大省，全省年耗煤约8 千万吨，其中有一半的 东北大学硕士学位论文引言 燃煤用于辽宁中部城市群。以沈阳、鞍山、抚顺、辽阳、本溪五个城市组成的以 重工业为主体的辽宁中部“城市群”历史悠久，特别是近年来随着辽宁经济的不 断发展，工业规模的不断扩大，交通运输、机动车辆的不断增加，使得“城市群” 一 的污染越来越严重。5 个城市的t s p 年均浓度全部超标，其中本溪的t s p 污染最 为严重，达o 3 9m g m 3 ，位居全省第一，鞍山位居第二，抚顺第五。s o 。浓度年 均值本溪最重，其次是鞍山和沈阳，这3 个城市的s o ：浓度年均值全部超标，而 一 沈阳的污染在全国4 7 个重点城市中又是较重的，可见辽宁中部城市群的污染已 经相当严重。这不仅严重地影响着该地区的大气环境质量，也制约着该地区经济 的可持续发展。 近年来，辽宁省各级政府加大了对全省尤其是辽宁中部城市群大气污染的治 理力度，削减了大量的低矮面源，使得该地区的大气环境质量有了明显的改善。 但还是没有从根本上得到解决，尤其是在漫长的冬季，辽宁中部城市群由于受长 白山高压等一些局地天气系统的影响，使得该地区经常出现逆温、小风天气，大 气边界层扩散稀释能力弱，导致大气中的污染物堆积，浓度很高，空气质量很差。 由于影响城市大气环境质量的主要因素有两个：一是污染源排放进空气中的污染 物；二是城市上空边界层大气对污染物的扩散稀释能力。在一定时期，当大气污 染物排放量一定时，大气环境质量的好坏主要取决于大气边界层对污染物的扩散 稀释能力。当大气处于小风、逆温状态时，大气的扩散稀释能力差，排放在空气 中的污染物很难向上和向远处输送，从而引起污染物的堆积，使得大气中的污染 物浓度很高。如：1 9 5 2 年1 2 月5 日一9 日的伦敦烟雾事件，就是一个很好的例子。 当时伦敦连续三天出现了逆温、小风天气，伦敦上空连续烟雾弥漫，空气中的s 0 2 和t s p 等污染物大量堆积，造成很高的污染物浓度，对人们的身心健康造成了严 重的危害，夺去了4 0 0 0 余人的生命，造成了震惊世界的烟雾事件。 辽宁中部城市群中心位于东北地形槽的南端，人口密集，工业集中。该城 市群处于东亚季风区内，其主要气候特征为大陆性季风气候。组成辽宁中部城市 群的这5 个城市都是国家确定的辽宁省s o ：控制区。该区域的大气污染具有以下 特点阳刮：( 1 ) 根据对辽宁中部城市群能源结构及多年大气环境监测结果分析表 明，辽宁中部城市群的大气污染属于煤烟、汽车尾气和自然扬尘混合型污染，其 中以煤烟型污染为主，大气中的主要污染物为t s p 和s 0 2 ( 这与酸雨控制区“长 东北大学硕士学位论文引言 江三角洲”和“珠江三角洲地区的酸雨污染不同) 。( 2 ) 特殊的地形和气象条 件，不利于大气污染物的稀释和扩散。该城市群既有平原地区的沈阳、鞍山、辽 阳；也有地形较复杂、四面被群山包围的山城本溪；以及东西长、南北窄，处在 低山丘陵地带的带状城市抚顺，从而使得该城市群大气污染物扩散与输送的主要 控制因子十分复杂；该区域受长白山高压的影响，容易出现逆温、小风的天气。 且该区域冬季取暖期长，昼夜温差大，通过对辽宁中部城市群多年来的探空资料 统计分析可知，5 个城市冬季逆温出现的频率平均为7 5 ，可见该区域逆温层类 似“大锅盖 效应十分突出，严重地抑制和影响了大气污染物的扩散与输送；由 于受季风的影响，该区域冬季、春季频繁出现的大风天气，使得空气中含有大量 的沙尘，从而加重了该城市群的大气污染。 1 1 6 长白山高压与辽宁大气污染 辽宁省地理条件复杂，影响辽宁的地方性天气系统也很多，其中长白山高压 就是影响辽宁的一个典型的局地天气系统n 训。长白山高压受整个东亚天气形势制 约，依据环流背景和天气影响，长白山高压通常被分为两类：( 1 ) 明显锋区下的 长白山高压。此时它与各种影响系统有联系，因而系统性强于地方性，要素影响 系统变化明显，而日变化被掩盖着。( 2 ) 弱环流下的长白山高压，其中冬季最常 见的是大陆气团内的长白山高压，夏季最常见的是副高内部的长白山高压。这两 种都是典型的长白山高压，这种情况出现时，系统性弱，地方性强，比较稳定， 长白山高压维持时间也长，风微弱，天气晴好，气象要素有明显的日变化。高压 的强度以0 8 时最强，1 4 时最弱。上述两种类型中，第2 种情况对大气污染物的 扩散非常不利。 根据国家“六五”攻关项目“沈阳市大气环境容量研究”的研究结果可知， 当沈阳市的大气环境质量出现重度污染时，受长白山高压影响出现的个例占 7 1 4 ；出现中度污染时，受长白山高压影响出现的个例占5 6 0 。由此可知， 长白山高压对沈阳的大气污染的影响是非常严重的。在沈阳、鞍山、抚顺、辽阳、 本溪这五个城市组成的辽宁中部城市群中，沈阳的地形比较平坦，空气环境质量 受长白山高压的影响都是如此严重，而抚顺、本溪等地形复杂的城市，在长白山 高压系统的影响下，加上特殊复杂地形的局地效应，使得这些城市的逆温层类似 “大锅盖 效应更加严重，大气环境质量更加恶劣。 东北大学硕士学位论文引言 课题试图以辽宁中部城市群沈阳、抚顺、鞍山、本溪和辽阳五城市为研究对 象，利用地面、高空气象观测资料及各城市大气污染的监测资料，基于中尺度气 象模式姗5 和新一代空气质量模式m o d e l 3 ，通过数值模拟来研究长白山高压的 变化规律，揭示长白山高压对辽宁中部城市群大气污染的影响机制，为进一步探 讨城市群大气污染的治理对策、城市群大气污染的数值预测及调控机理奠定基 础。 1 2 辽宁中部城市群概况 辽宁中部城市群由以沈阳为中心，位于辽宁省中部地区的鞍山、抚顺、本溪、 辽阳等五座城市所构成。区域面积5 9 万k m 2 ，人口1 8 5 0 6 万，人口密度3 1 3 6 6 人 k m 2 ，城市间最近距离仅有3 6 公里。辽宁中部城市群是一个以煤炭、钢铁、建材、 化工、矿产等资源性产品供应和初级产品加工为主的重工业基地。目前该地区的 土地利用率已达9 5 ，人均占有土地3 0 0 5 0 0 m 2 亩，水资源利用率已达7 4 ，人均 水资源量5 2 5 m 3 。 1 2 1 辽宁中部城市群地理位置 辽宁中部城市群位于辽宁省中部。沈阳、辽阳地处辽河平原中部，鞍山地处 辽河平原和千山山脉的接壤处，抚顺地处由吉林的长白山支脉的尾部，本溪地处 辽东半岛脊梁一千山山脉的北端，形成辽中地区的城市群所特由的以平原为主， 丘陵山地为辅的地貌特征( 如图1 1 ) 。 图1 1 辽宁中部城市群五城市地理位置( 图中阴影表示地形高度) f i g 1 1t h ed i s t r i b u t i o n0 f5c i t i e si nc e n t r a ll i a o n i n g t h es h a d o wi st e n i a i nh e i g h t - 8 东北大学硕士学位论文 引言 1 2 2 辽宁中部城市群大气污染特征 根据辽宁中部城市群能源结构及多年大气环境监测结果分析表明，辽宁中部 城市群的大气污染属于煤烟、汽车尾气和自然扬尘混合型污染，其中以煤烟型污 染为主，大气中的主要污染物为tsp 和so2 。大气环境质量按gb3 0 9 5 1 9 9 6 环境空气质量标准中的二级标准来要求，5 个城市的tsp 浓度全年均超标： so2 浓度存在明显的季节变化，冬季浓度值很高，除辽阳外，其它城市浓度全超 标，夏季浓度值较低：nox 浓度近年来一直没有大的改观，且5 个城市中有4 个城 市存在超标的现象。 表l - 12 0 0 0 年辽宁5 个城市四季的大气污染物现状监测值m g ，m 3 1 a b l e1 1t h em o n i t o r i n go fa i rc o n 伽n i n a n t si nf o u rs e 嬲0 1 1 si nf i v ec i t i e so fl i a o n i n go n2 0 0 0 m m 3 表1 1 给出了每个城市代表不同季节的4 个月份的不同污染物的浓度平均值 及年均值。 东北大学硕士学位论文引言 1 2 2 1 tsp 污染现状 辽宁中部城市群这5 个城市tsp 污染是很严重的。5 个城市tsp 监测值的 年均值全部超过国家二级标准o 2m g m 3 ，其中，本溪的年均值为o 4 4 2m g m 3 ，是国 p 家二级标准的2 2 1 倍，鞍山的年均值为0 4 lm g m 3 ，是国家二级标准的2 0 5 倍，这5 个城市中，沈阳的年均值最小为0 2 5 6m g m 3 ，也是国家二级标准的1 2 8 倍。 1 2 2 2 so 2 污染现状 一 辽宁中部城市群的5 个城市so2 监测值的年均值本溪、鞍山的监测值超过国 h 家二级标准0 0 6m g m 3 。本溪的年均值为o 0 9 3m g m 3 ，是国家二级标准的1 5 5 倍： 鞍山的年均值为0 0 7 8m g m 3 ，是国家二级标准的1 3 倍，其它城市的年均值均没有 超过国家二级标准。辽宁中部城市群5 个城市中，本溪so2 污染最重，鞍山第2 。 1 2 2 。3nox 污染现状 辽宁中部城市群5 个城市中，nox 的污染还是很重的。nox 的年均值国家 二级标准0 0 5m g m 3 ，鞍山的监测值为o 0 6 6m g m 3 ，超过国家二级标准，是国家二 级标准的1 5 3 倍：本溪的年均值为0 0 5 6m g m 3 ，超过国家二级标准，是国家二级标 准的1 1 2 倍：沈阳的年均值为o 0 5 4m g m 3 ，也超过国家二级标准。辽阳、抚顺的 一 年均值没有超过国家二级标准。 1