（环境科学专业论文）上海地区高污染条件下气象场及环境空气质量的数值模拟研究.pdf

n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nm e t e o r o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n da i r q u a l i t yi ns h a n g h a ia r e au n d e rh i g h p o l l u t e dc i r c u m s t a n c e s a b s t r a c t ： t h ec l i m a t i cf e a t u r e si nu r b a na r e a sa r eg r e a t l yi n f l u e n c e db yh u m a na c t i v i t i e s ，i n a d d i t i o nt ol a t i t u d e ，s o l a rr a d i a t i o n ，a t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n , g e o g r a p h i c a ll o c a t i o n ， a n dt e r r a i nc t c s i n c eu r b a na r e ai sa l la n t h r o p o g e n i cl a n dc o v e r , t h e r ea r et r e m e n d o u s c h a n g e so nt h ea t m o s p h 耐cr a d i a t i o n ，t h e r m o d y n a m i ce n e r g y , h u m i d i t y , a i rq u a l i t yi n t h es u r f a c el a y e r t h eu r b a na i rq u a l i t yh a sag r e a td i s s i m i l a r i t yw i t hr u r a la r e a s b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c e st h a tc o m ef r o mb o t hu r b a nc l i m a t ea n dh u m a na c t i v i t i e s t h ea i rp o l l u t i o ni nt h eu r b a ni sv e r ys e r i o u si no u rc o u n t r y a sf o rt h ec i t yo f s h a n g h a i t h et y p eo fa i rp o l l u t i o ni so fb o t l lc o a l - s m o k ep o l l u t i o na n da u t o m o b i l e e x h a u s tp o l l u t i o n m e a n w h i l e ，a l o n gw i t hr a p i di n c r e a s eo fm o t o rv e h i c l e s ，t h e e m i s s i o n sf r o mm o b i l e sa r et a k i n gu pm o r ea n dm o r ep r o p o r t i o ni nt h et o t a la m o u n t t h ep e t r o l e u mp o l l u t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u sd a yb yd a y m o r e o v e r , i n s o m ep a r to f s h a g n h a i ，p h o t o c h e m i c a ls m o gh a sa l r e a d yo c c u r r e d t h i sp a p e rm a k e sar e s e a r c ho l lt h em e t e o r o l o g i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c si n s h a n g h a ia r e au n d e rh i g h - p o l l u t e dc i r c u m s t a n c e s ，b ym e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n n o wt h a tt h ee m i s s i o nd a t aa r ev e r yi m p o r t a n tf o ra i rq u a l i t ys i m u l a t i o n , w es e tu p e m i s s i o ni n v e n t o r yo u r s e l v e sb a s e do nt h eo t h e rr e s e a r c hr e s u l t s 砧ee m i s s i o n i n v e n t o r yc o n s i s t so ft h ep o i n ts o u r c e s ，t r a f f i cs o u r c e sa n dp l a n ts o u r c e si nt h eb a s e y e a r2 0 0 3 a f t e r w a r d s ，an u m e r i c a lm e s o s c a l em o d e lf o rs i m u l a t i n gp h o t o c h e m i c a l s m o gn a m e dm c t p h o m o d i sa p p l i e dt os h a n g h a ia r e ai nt h ey e a r2 0 0 4 ，w i t ht h ei n i t i a l a n db o u n d a r ym e t e o r o l o g i c a ld a t af r o mm m 5a n dl a n d n s ed a t af r o mr e m o t es e n s i n g i n2 0 0 3 f o u rh i g h p o l l u t e dc a s e sa r ep i c k e du ps e p a r a t e l yf o re a c hs e a s o n w h e nt h es i m u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e dt ot h eo b s e r v e dd a t aa tt h em e t e o r o l o g i c a l a n de n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs t a t i o n s ，i tt u r n so u tt h a tt h ev a l u e sa n dd i u r n a l v a r i a t i o no ft e m p e r a t u r e s w i n da n dc o n c e n t r a t i o n so fs i m u l a t e dd a t am a t c hw e l lw i t l l t h eo b s e r v e dd a t a , w h i l ep e a kv a l u e sh a v e n tb e e nc a u g h th o l do fi ns o m ei n s t a n c e s b e s i d e s ，t h e s i m u l a t e dr e s u l t sr e v e a lt h e m e t e o r o l o g i c a l a n da i r p o l l u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs h a n g h a i u r b a nh e a ti s l a n d ，s e a - l a n db r e e z e , t h e r m a li n v e r s ea n d t h ec h a r a c t e r i s t i cd i s t r i b u t i o no f c h e m i c a l $ p e e i e sc a nb ee a s i l yf o u n do u ti nt h i ss t u d y i nt h ee n d ，t h ef a c t o r sw h i c hh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nu r b a na i rq u a l i t ya n dt h e d e f i c i e n c i e si nt h i sp a p e ra l ed i s c u s s e d , w h i c hi sl o o k i n gf o r w a r dt of u r t h e rs t u d i e s k e yw o r d ：m e t p h o m o d ，s h a n g h a i ，u r b a na i rq u a l i t y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特 别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成 果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢 意。 作者签名：j 查盔李生圣 日期：鲨2 ：- f 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：j 蕊盔座导师签名：继日期：型 上海地区高污染条件下气象场及环境宅气质量的数值模拟研究 第一章引言 1 城市及城市环境空气质量 1 1 城市及城市气候 城市是人口高密度聚居的区域，由于受到高强度的人类活动影响，城市下垫 面相比于原有的自然环境发生了巨大的变化，形成了有别于周边地区的城市气 候。在城市中，人工建筑物、水泥、柏油、沥青等建筑材料代替了自然植被，使 得反射率减小，吸收的太阳辐射增多，地面粗糙度变大；人类活动产生的大量人 为热、所排放的污染物也会对城市气温、湿度、能见度、降水等产生重要影响， 从而改变局部地区的气候特征。具体来看，人类活动对城市地区的气候影响主要 体现在三个方面。首先是城市下垫面性质的改变。下挚面是影响气候形成的重要 因素，它不仅是下层空气运动的边界面，而且它与大气之间还存在着复杂的物质、 能量交换。城市人为的立体下垫面，对太阳辐射的反射率和地面长波净辐射都比 郊区和农村小，但其导热率却比郊区大，蓄热能力比郊区强；同时，由于城市的 墙壁与墙壁、墙壁与地面间存在着多次的反射和吸收作用，造成了城市贮热较多。 另外，由于城市下垫面的粗糙度比郊区大，减小了地面风速，使得城市地面热量 的平流损失减小。此外，城市地区的植被面积较小，不透水面积大，贮藏水分能 力比郊区低，蒸发蒸腾量均比郊区小。因此，在能量平衡和水分平衡上，城市与 郊区都存在着明显的差异。1 1 9 其次，由于城市是人类生产、生活最集中的地方，“在工业生产、机动车行 驶和居民炉灶等消耗雒源的过程中会排放大量的废热，加上空调热量等人为热的 排放，使城市比郊区增加了许多额外的热量收入。这种人为热特别是在高纬度地 区的冬季可以胜过太阳辐射的热量收入。在化石燃料燃烧过程中还有人为水汽的 排放。这些也会造成城市的能量平衡和水分平衡与郊区不同。州2 j 再者，在消耗能源的过程中，如燃烧煤炭、石油、天然气等燃料时，不可避 免地会排放二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害气体和颗粒物，这样就改变了 大气组成，尤其是大气边界层的化学组成，造成城市大气污染，进而影响城市空 气的透明度，减弱能见度，为云、雾、降水提供丰富的凝结核。此外，温室气体 的排放，如二氧化碳、甲烷，也将对城市气候产生影响。基于上述种种原因，“城 市除了受当地纬度、太阳辐射、大气环流、海陆位置和地形地貌等区域气候因素 的作用外，还在人类活动的影响下，通过下垫面和近地层大气辐射、热力、水分、 空气质量和空气动力学性质的改变，形成有别于郊区的局地气候。”【2 】 第一章引言 城市“五岛”效应( 混浊岛、热岛、干岛、湿岛、雨岛) 是城市气候的主要 特征。城市混浊岛效应主要表现为城市大气中污染物比郊区多，因此凝结核、低 云量比郊区多，导致太阳直接辐射削弱，散射辐射增强，大气混浊度增大，能见 度降低。城市热岛效应主要是城市气温经常比四周郊区要高，尤其是在晴朗无风 的天气状况下，城郊温差( 即热岛强度) 更大。城市热岛的形成有多种因素，其 中下垫面因素、人为热和温室气体排放是人类活动影响的主要方面。而热岛强度 与城市的地理纬度、海陆位置、地形起伏、城市规模、人口密度、能源消耗量、 建筑物密度、天气形势、气象条件等有着密切的关系。城市干岛效应，是指城市 相对湿度明显小于郊区，它的形成与下垫面因素和天气条件有关。白天在太阳照 射下，由于城区绿地面积较小，通过下垫面蒸散过程进入低层空气中的水汽量要 小于郊区。此外，城区由于下垫面粗糙度大且伴有热岛效应，机械湍流和热力湍 流都比郊区强，通过湍流的垂直交换，城区低层水汽向上层空气的输送量比郊区 多，这就导致了城区近地面的水汽压小于郊区，形成“城市干岛”。到了夜晚， 风速减小，空气层结稳定，郊区降温快，饱和水汽压减小，大量水汽凝结成露水； 而城区因有热岛效应其凝露量远比郊区少，加之夜晚湍流弱与上层空气问的 水汽交换量变小，城区近地面的水汽压会高于郊区，出现“城市湿岛”。城市雨 岛效应是指在城市及其下风方向降水会有增多的趋势，当大气中的s 0 2 和n 0 2 较 多时，会经过一系列化学反应形成硫酸和硝酸，再通过成雨过程和冲刷过程形成 “酸雨”降落，危害非常大。 i o - i + 城市与郊区环流是城市大气流场的重要特征。在大范围气压梯度较小的天气 形势下，尤其是晴夜，由于城市热岛的存在，在城区会形成一个弱低压中心出 现上升气流；到一定高度上空气又流向郊区，在郊区下沉；郊区近地面的空气则 向热岛中心辐合，流入城市，最终形成一个热岛环流，又称城市风系。这种风系 的存在有利于城市本身排放的污染物集聚在城市上空形成尘盖，并造成城市污染 物的重复污染，也有利于城区低云和局部对流雨的形成。 i o l 城市地区由于下垫面粗糙度大，有降低平均风速的效应，城市小风频率明显 增加。“在城市覆盖层内部，因街道走向、宽度、两侧建筑物的高度、形式和朝 向不同，各地方所获得的太阳辐射能就有明显的差异，在盛行风微弱或无风时会 产生局地热力环流。州l o 】当盛行风吹过鳞次栉比、参差不齐的建筑物时，由于阻 障效应易引起气流的升降、涡动和绕流，增强湍流混合，在下风向出现气流下沉 的尾流区。此外，市区街道对气流存在着引导作用，造成街谷狭管风效应，使风 的局地变化变得极为复杂。1 3 1 1 2 城市环境空气质量 城市大气污染问题是i + i 前各国面临的普遍问题之一。城市大气污染最早始于 上海地区高污染条件下气象场及环境空气质量的数值模拟研究 1 8 世纪产业革命期间，伴随着煤的使用而产生。至2 0 世纪四五十年代，洛衫矾 烟雾事件和伦敦烟雾事件的发生标志着城市大气污染日趋严重。城市中的大气污 染物主要来源于工业生产、生活燃烧、采暖锅炉、废物焚化、交通运输等，主要 物种包括s 0 2 、n o x 、c o 、p m 、t s p 等。目前我国是世界上大气污染最严重的 国家之一。 1 4 - 1 6 1 我国的城市大气污染具有以下一些特征：我国城市大气污染以煤烟型为 主。 1 7 - 2 q 目前我国的能源结构仍然以煤为主，2 0 0 4 年煤炭消费占总能源消费的 7 1 3 l 。而排入大气的污染物中，7 0 的烟尘、8 7 的s 0 2 、6 7 的n 仉来源 于燃煤。【1 4 ，矧根据中国环境状况公报【2 3 1 ，2 0 0 5 年，全国二氧化硫排放量为 2 5 4 9 3 万吨( 其中，工业排放量为2 1 6 8 4 万吨，生活排放量为3 8 0 9 万吨) ；烟尘 排放量为1 1 8 2 5 万吨( 其中，工业排放量为9 4 8 9 万吨，生活排放量为2 3 3 6 万吨) 。 在我国，大气中总悬浮颗粒物和可吸入颗粒物浓度较高，是影响我国城市空气的 首要污染物。在可比城市中，4 0 5 的城市颗粒物超过二级标准，5 5 超过三级 标准。同时，s 0 2 的污染依然较为严重，二氧化硫污染控制区内的6 2 个城市中， 超过二级标准的城市占5 4 9 ，超过三级标准的占2 1 o 。此外，我国城市中的 硫酸型酸雨污染非常严重。2 0 0 5 年，全国6 9 6 个市县) 中，降水p h 年均值小于 5 6 的城市有2 6 7 个，占3 8 4 。全国酸雨区域主要分布在长江以南，四川、云 南以东，较重的酸雨区域主要分布在浙江、江西、湖南、广西西北部和广东珠江 三角洲地区。部分大中城市出现煤烟和机动车尾气混合型污染。2 0 0 5 年，在 所有统计城市中，广州、北京、宁波、上海、杭州、南京、成都、武汉等大城市 二氧化氮浓度相对较高。这主要是由于在这些城市中，机动车保有量持续快速增 长，自上世纪8 0 年代以来，北京、广州、上海等城市机动车保有量年均增长分 别保持在1 6 4 、1 6 5 、1 3 a ，由于我国机动车的单车排放因子较高，使得 机动车尾气排放在城市地区的分担率不断提高，已成为城区的主要污染源。 2 4 1 在首都北京，1 9 9 7 年机动车排放在市区的污染分担率，c o 为9 0 ，n o x 为7 4 ，监测结果显示在车辆拥挤路段，污染物浓度超标严重；在上海，1 9 9 6 年中 心城区机动车排放量在城区排放总量的分担率为c o 一8 6 ，n m h c - - 9 6 ，n o x 5 6 ，市区主要干道n o x 浓度几乎全部超过三级标准；在广州，n o ；浓度从 1 9 8 5 年起就超过s 0 2 ，成为首要大气污染物，并且还有逐年上升的趋势；在武汉， 机动车拥有量增长也非常迅速，1 0 年内增加了2 0 0 ，城区自有空气质量预报以 来，n o x 为主要污染物的频率达到5 7 。【2 5 】另外，从上海和广州等地的酸雨成 分监测结果来看，雨水中的酸性离子浓度s 0 4 2 。有所下降，n 0 3 唷所上升，这进 一步表明在这些大城市中，n o ；的污染正日益严重，大气环境正在由以s 0 2 为主 的煤烟型向以n o 。为主的机动车尾气型污染转变。 2 6 - 2 7 与此同时，监测结果还 第一章引言 显示，在我国的许多城市均已发生光化学烟雾污染，0 3 在北京、上海、广州等 地已发生严重超标的现象。f 2 4 l 由于我国光化学烟雾的特征是v o c s 浓度相对较 高，n o 。浓度较低，非甲烷烃n m h c n o 。比值非常高， 2 8 - 2 9 1 因此，随着n o x 浓 度的持续增加，光化学烟雾污染发生的潜在危险正在逐年增大，应引起足够的重 视。 2 城市环境空气质量的数值模拟研究 2 1 城市环境空气质量的研究方法 城市大气环境领域的研究方法可分为实验研究和理论研究两种，其中实验研 究又包括实验室模拟和外场观测。 3 0 - 3 1 】 实验室模拟主要是在风洞中模拟实际的大气状况，测量了解物质的变化和运 动规律，为理论和模式研究提供基本、可信的参数。目前风洞实验可用来研究复 杂地形上的气流，对流边界层的发展，不同下挚面上大气边界层的发展，污染浓 度的扩散等。但是由于实际大气的变化非常复杂，风洞实验不可能把实际的气象 背景和天气变化完全模拟出来，因此外场观测也是主要的实验方法。t 3 0 - 3 1 1 外场观测可以直接获得城市大气环境的相关参数，包括风、温、湿、湍流脉 动量、污染物浓度等，从而揭示大气的运动规律，为理论研究提供基本的参数和 对比依据。监测的主要手段有地面监测、铁塔观测、飞机观测、低空探空、雷达 探测和遥感遥测等。这些手段的不同之处在于监测所达到的高度不同。地面监测 站主要用于监测地表附近的环境要素，铁塔观测根据其高度可以观测到大气边界 层中下层的各种环境要素，这两种手段都可以进行长期连续的监测。飞机观测可 以通过固定高度飞行来得知某一高度的大气环境特征，但由于其成本较高，目前 使用还不多。低空探空通常采用释放装有监测仪器的气球或系留汽艇进行环境监 测，可以得到地面至6 0 0 8 0 0 m 高度的资料。气象雷达和卫星遥感因资料的同 步性、点位的密集性以及均匀性较好，在大气环境监测中发挥着重要的作用。 3 0 - 3 1 1 理论研究是在观测研究的基础上，把大气层内在的规律性上升到理论，运用 物理学和力学的基本规律，尤其是流体力学的规律来建立数学模式、构造相应的 理论，解释观测到的现象，进而做定量预报，为解决实际问题提供理论依据。模 式研究是理论研究的重要部分。由于模式方程非常复杂，一般难以求得其解析解， 因此只能用计算机进行数值模拟。数值模拟能够较全面地描述大气边界层的结构 和运动变化规律，了解各过程、因子的相对重要性，进而为制定污染控制方案提 供有效的依据，因此，它是大气环境研究中一种十分重要的方法。 3 0 - 3 1 】 2 2 城市环境空气质量数值模式概述 城市空气质量的数值模式是研究城市大气环境的重要方法，它一般包括两大 4 上海地区高污染条件下气象场及环境守气质量的数值模拟研究 部分：气象模式和大气化学模式。其中，气象模式是非常重要的基础部分，它为 进一步进行大气化学模拟提供了基本的湍流扩散条件以及边界层特征、局地环流 等信息。城市尺度的大气边界层数值模拟属于中尺度研究的范畴，常用的中尺度 气象模式主要有m m 5 ( f i f l h g e n e r a t i o np e n n s y l v a n i as t a t eu n i v e r s i t y - n a t i o n a l c e n t e rf o ra t m o s p h e r i cr e s e a r c hm e s o s c a l em o d d ) 、r a m s ( r e g i o n a la t m o s p h e r i c m o d e l i n gs y s t e m ) 、a r p s ( a d v a n c e dr e g i o n a lp r e d i c t i o ns y s t e m ) 等。m m 5 是在7 0 年代宾州大学a n t h e s 和w a r n e r 开发的中尺度模式基础上发展起来的，它具有多 重嵌套和资料四维同化能力，包含积云对流、大气辐射、行星边界层物理过程， 是目前应用非常广泛、效果被普遍接受的中尺度气象模式之一。r a m s 是由 c o l o r a d os t a t eu n i v e r s i t y 和a s t e rd i v i s i o no fm i s s i o nr e s e a r c hc o r p o r a t i o n 的科 学家研制发展的，可用于模拟多种尺度( 从半球尺度到大、中、小和微尺度) 的 大气运动、能量热量交换、地气交换、物质输送、云和微物理等过程。a r p s 是 由俄克拉荷马大学的风暴分析预报中心基于研究中尺度气象系统而开发建立起 来的，可用于研究城市大气边界层气象和污染物输送扩散特征。1 3 1 上述这些中尺 度模式最适用于分辨率为几到十几公里的中尺度模拟，虽然也可以采用分辨率为 i k m 或2 k m 的网格来模拟城市气象环境，但由于城市下垫面的复杂性以及城市 气候的特殊性，在上述中尺度模式中考虑得并不详细，这样就难以准确地模拟出 城市局地小气候的特征。为此，人们在不断地改进和发展适用于城市地区的数值 模式。北京大学开发了复杂地形下的三维中尺度城市边界层模式，它能详细地反 映城市地表特征，充分考虑城市地区的人为热源排放。1 3 2 1 南京大学建立了大气边 界层p b l 模式，适用于复杂下垫面区域的高分辨率模拟，它改进了下垫面资料 和气象资料的预处理，改进了对太阳辐射项的处理，引进位势流概念；也改进复 杂地域的初始风场和四维同化场的处理；在陆面过程处理方面，对下垫面进行网 络化分类，用强迫恢复法或两层土壤植被模式处理陆面过程。例 大气化学模式的研究从高斯扩散模式到欧拉模式，至今已发展到第三代空气 质量模式。高斯模式主要考虑一次污染物的扩散输送，代表模型有i s c 3 、 c a l p u f f 、a e r o m o d 。欧拉模式主要包括城市空气质量模式u a m 、区域酸沉 降模式r a d m 及区域氧化模式r o m 。美国环保局开发的m o d e l 3 c m a q 是目前 应用非常广泛的第三代空气质量模式，它可以实现多种污染物、多尺度的大气污 染模拟，用于研究对流层臭氧、酸沉降、能见度、颗粒物等一系列空气污染问题。 在其他国家，也发展了很多大气化学模式，但研究的物种、化学机制一般都比 c m a q 简单。例如，加拿大国家研究委员会开发的m c 2 c a l g r i d 污染预报模 式，是由一个非静力平衡的半显式半拉格朗日中尺度气象模式和一个光化学模式 结合而成的模式系统，它综合了大气污染物的传输、沉降和化学转化，共包括 第一章引言 5 4 个有机和无机物种、1 2 9 个化学反应方程式。挪威气象研究所的污染预报模式， 是由e m e p m s c w n o x 预报模式和n o r w e g i a n 轨迹模式组成的，考虑了污染物 的扩散传输、干湿沉降，包括4 5 个物种，1 0 0 个化学反应方程式。在国内，对 大气化学模式的开发研究也进行了一定的工作，成功开发了几种城市大气污染模 式，如中国科学院大气物理所的h r c m 模式、m o n t e - c a r l o 模式、中国气象科学 研究院开发的c a p p s 模式等。【3 4 - 3 6 j 此外，气象模式与化学模式完全耦合的在线模式也是目前空气质量模式的发 展方向。相比于离线模式，在线模式不需要对气象数据进行空间、时间上的插值， 而且也不会因为气象数据输出的时间间隔而导致短时大气过程信息的丢失，因此 它对于空气质量的预报非常有利。w r f - c h e m ( w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t i n g c h e m i s t r y ) 就是基于w r f 模式的框架，再结合化学模式而发展起来的耦合在线 模式。w r f 是1 9 9 7 年由美国国家大气研究中心( n c a r ) 、国家海洋大气局 c n o h a ) 、国家环境预报中心( n c e p ) 、预报系统实验室( f s l ) 、奥克拉荷马大学 的风暴分析预报中心等单位联合发起建立的中尺度欧拉非静力模型，它重点考虑 从云尺度到天气尺度等重要天气的预报，水平分辨率重点考虑1 1 0 k m 。 w r f c h e m 模式中的大气化学模式是在线完全耦合的，包括传输、干沉降、气 相化学、生物排放、气溶胶参数化和光解频率等。 3 7 4 q 2 3 城市环境空气质量数值模拟的研究现状 城市环境空气质量数值模拟已成为目前研究城市空气质量的重要手段之一。 当前，对环境空气质量数值模式的应用主要表现在如下几个方面。 用于城市环境空气质量预报。随着数值模式的不断发展与完善，数值预报 已成为城市环境空气质量预报的方法之一。我国气象科学研究院建立的非静力稳 态多箱大气污染浓度预报和潜势预报系统c a p p s ，可以用于预报城市空气污染 潜势指数( p p i ) 和空气污染指数( a p t ) 。从北京、上海等地区的预报效果来看，它 与国际上其他模式的预报水平相当，预报准确率平均可达6 0 。【3 5 ，4 2 l 中国科学 院大气物理所开发的城市空气污染数值预报模式系统，包括了中吨尺度气象模 式、中b 尺度气象模式和浓度预报模式3 部分，成功地应用于济南空气质量预报， 日均预报准确率可达8 0 以上。【4 3 喇】南京大学城市空气质量数值预报系统 ( n j uc a q p s ) f l qm m 5 、城市大气边界层模式c b l m 等气象模式和大气污染物输 送扩散化学模式组成，在预报南京市空气质量的时段内准确率达到8 0 。【4 5 l 中 国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套网格空气质量预报模式系统( n a q p m s ， n e s t e da i rq u a l i t yp r e d i c t i o nm o d e l i n gs y s t e m ) 集气象与城市大气污染输送模式 于一体，水平分辨率能达到5 0 0 m ，可用于大型城市( 如北京、上海、广州、深圳、 台北) 的区域氮氧化物( n o x ) 和0 3 的污染预报，并还曾用于台北地区高浓度0 3 和 6 上海地区高污染条件下气象场及环境守气质量的数值模拟研究 p m l o 污染情况的模拟。1 4 6 j 在国外，数值模式用于空气质量预报的实例也相当多。 r s s o k h i 等人用m m 5 一c m a q 模式系统研究了伦敦地区的0 3 预报，并对模式 结果进行了比较分析。1 m p a g o w s k i 等人用a u r a m s ( au n i f i e dr e g i o n a l a i r - q u a l i t ym o d e l i n gs y s t e m ) ，b a m s ( b a r o na d v a n c e dm e t e o r o l o g i c a ls y s t e m ) ， m a q s l p ( m u l t i s c a l e a i r q u a l i t y s i m u l a t i o n p l a t f o r m ) ，c h r o n o s ( c a n a d i a n h e m i s p h e r i c a n dr e g i o n a lo z o n ea n dn o xs y s t e m ) ，c m a q e t a ( c o m m u n i t y m u l f i s e a l ea i rq u a l i t ym o d e l e t a ) ，s t e m - 2 k 3 ( s u l p h u rt r a n s p o r ta n de m i s s i o n s m o d e l - 2 0 0 3 ) 和w r f c h e m ( w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s tm o d e l c h e m i s t r yv e r s i o n l 等数值模式，结合地面臭氧观测值进行0 3 浓度的逐时预报。【4 8 】 模式模拟的性能研究。y a n gz h a n g 等用m m 5 c m a q 模式系统以8 k m 和 3 2 k m 分辨率分别模拟1 9 9 9 年7 月1 日至1 0r ，美国东南部地区的0 3 、n o 。、 h n 0 3 、n o 。、p m l 0 和p m 25 的浓度以及p m 25 的成分构成，通过与c a s t n e t 、 i m p r o v e 、a i r s a q s 、s o $ 9 9 s o s 9 9 n a s h 、s e a r c h 和a r i e s 等来源的观 测值进行比较，分析评价了c m a q 模型再现污染物实际情况的性能，并且还对 误差来源作了详细的分析探讨。 4 9 一l j e n i s el s w a l l 等用贝叶斯统计方法评价了 m m 5 c m a q 在模拟2 0 0 1 年1 月2 日至3 0 日、7 月1 7 日至8 月1 4 日美国东部 地区硫酸盐气溶胶方面的性能。 5 1 d a e w o nw b y u n 等用c m a q 和c a m x 模式 分别模拟了2 0 0 0 年休斯顿地区高臭氧污染个例，结果表明化学机制和源排放对 模拟结果的影响很大。 5 2 s a r a v a n a na m n a c h a l a m 等用m m s - s m o k e - m a q s i p 研究北卡罗莱纳州地区不同空间分辨率对臭氧模拟结果的影响。印】 城市空气污染的特征研究。数值模拟可以用来研究城市中大气的各种物理 化学过程以及不同污染源排放对空气质量的影响，进而可以通过不同控制方案的 模拟效果对比，为制定提高环境空气质量的决策提供依据。赵春生等人利用m m 5 耦合自行开发的大气化学模式模拟长江三角洲地区对流层臭氧，再现了大气中各 种物理化学过程对臭氧浓度的影响作用。i s 4 邓雪娇等利用w r f 和h y s p l i t 轨 迹模式，模拟了深圳地区2 0 0 3 至2 0 0 4 年发生的6 个典型污染过程，研究分析影 响深圳城市空气质量的各种因素。 5 5 d a v i dgs t r e e t s 等人用m o d e l 3 c m a q 模拟 了北京地区的颗粒物和臭氧污染情况，分析了奥运场馆地区外来源的贡献，为实 现2 0 0 8 年的环境质量目标制定控制对策提供依据。【5 6 l d s c h e r t 等人用 m m 5 c m a q 模拟了北京地区p m l o 的污染现况，并就五种不同的排放幕景进行 了对比研究，为2 0 0 8 年奥运期间的空气质量控制提供指导性策略。瞪1s h u i y u a n c h e n g 等用m m 5 a r p s c m a q 研究2 0 0 2 年1 、4 、8 、1 0 四个典型月份北京地 区不同污染源对p m l o 浓度的贡献率，从而帮助制定削减控制p m 的措施。 s s g b m l f e r t 等用m m 5 一s m o k e c m a q 区域数值模式研究了南安大略省2 0 0 1 夏季高 7 第一章引言 臭氧污染生成的物理化学特征，为制定控制0 3 污染的策略提供帮助。 s g l c h e j e n l i n 等用c m h q 研究了休斯顿力口尔维斯顿、博蒙特港两个地区0 3 生成与污染物 排放之间的关系。 6 0 1 3 本文的研究意义、目标及主要内容 上海作为国际化都市，是我国机动车保有量最多的城市之一。1 9 4 9 年全市机 动车保有量只有1 万辆，7 0 年代后，机动车保有量开始缓慢增长。1 9 7 0 1 9 8 0 年 期间，机动车数量增长了约5 万辆。近十几年来，随着国民经济的持续发展和人 民生活水平的稳步提高，上海市的机动车保有量快速增加，到2 0 0 4 年底已发展 到近2 0 3 万辆。伴随着机动车和道路交通量的快速增长，上海城市空气污染也在 日趋加剧，尤其是在中心城区，机动车排放己成为n o 。污染的主要来源，1 9 9 8 年上海市内环线内的机动车n o x 排放分担率已达到7 4 ， 6 1 】环境空气质量受机 动车污染的影响非常严重。从上海地区近几年的环境空气质量监测结果来看， n 0 2 污染的区域分布层次分明，2 0 0 1 2 0 0 3 年n 0 2 年均值表现为城区 郊区 郊 县。 6 2 1 在一些重要的交通路段，机动车排放的n o x 、c o 和有机物等污染物可能 导致道路环境空气污染高出标准几倍甚至几十倍。 2 5 , 6 3 另外，根据钱群等的监测 结果，上海市大气中具有n m h c 强源和n o x 源，n m h c n o x 比例高，大气活性 较强，在适当的天气条件下，极有利于光化学烟雾的形成。1 2 川由此可见，机动车 尾气型污染在上海地区正日渐突出。 目前，对于上海市环境空气质量的研究也开展了不少工作。例如钱群、孙东 晓、夏德祥、张元茂等【2 9 6 4 - 6 6 对上海地区的n m h c 、n o 。、0 3 、s 0 2 等污染物进 行了现场监测，探讨各污染物的浓度时间变化、浓度分布等特征；刘昶、修光利、 陈长虹、伏晴艳等 6 1 , 6 7 期1 对污染物排放源，尤其是机动车排放进行了深入的研究； 余瑶等【7 0 】建立了城市大气质量数值预报模式，对上海市的气象场和s 0 2 浓度分 布进行了数值模拟研究。数值模拟方法具有独特的优点，是城市环境空气质量研 究的重要技术手段。采用较为先进的具有模拟光化学反应能力的数值模式，开展 上海地区环境空气质量的数值模拟，将为研究上海市高污染条件下的污染物浓度 时空分布规律，研究上海地区的大气污染特征，为制定相应的控制对策提供重要 的技术支持。但是，总的来说，用数值模拟的方法来研究上海地区的环境空气质 量，尤其是光化学烟雾污染状况目前还并不多见。 本文拟采用数值模拟的方法来研究上海地区在出现高污染的情况下，城市气 象场和污染物浓度场的时空分布特征。所采用的数值模式为中尺度区域气象光 化学模式m e t p h o m o d ，并结合m m 5 提供的初始、边界条件，在2 0 0 4 年春、夏、 秋、冬四季中各选取一个污染较严重的个例进行研究，以获得上海地区在出现严 上海地区高污染条件下气象场及环境窄气质量的数值模拟研究 重污染情况下的气象场( 主要包括流场、温度场) 特征和污染物浓度场( 这里主 要指气态污染物) 时空分布规律，研究气象条件对上海城市大气污染的影响，探 讨上海地区城市空气污染的特征，对上海市环境空气质量的数值模拟进行有益的 探索，积累一定的经验。 9 第二章数值模式( m e t p h o m o d ) 简介 第二章数值模式( m e t p h o m o d ) 简介 数值模式m e t p h o m o d ( m e t e o r o l o g yp h o t o c h e m i s t r ym o d e l ) 是由瑞士联邦技术 研究所空气土壤实验室开发的适用于复杂地形中尺度光化学模拟的数值计算模 式。它采用三维欧拉预报模型，运用笛卡尔坐标系统，通过使用“普通网格 ( r e g u l a r 鲥d ) ”和“地下网格( u n d e r g r o u n d 鲥d ) ”来模拟复杂的下挚面地形。该模 式的软件系统可以在u n i x 或是w i n d o w s 平台上运行。本文使用的版本是v 2 2 版，在w i n d o w s 系统上运行。 1m e t p h o m o d 模式简介1 7 1 】 m e t p h o m o d 模型包括气象模式和化学模式两大部分，由7 个模块组成：流 体动力学( n u i dd y n a m i c s ) 、土壤一大气交互作用( s o i l a t m o s p h e r ei n t e r c h a n g e s ) 、太 i 俐( s o l a rr a d i a t i o n ) 、红外辐射( i rr a d i a t i o n ) 、( g a sp h a s ec h e m i s t r y ) 、 排放( e m i s s i o n s ) 、沉降( d e p o s i t i o n ) 。 1 1 流体动力学 1 1 1 基本控制方程 动力学模块以简化的n a v i e r - s t o k e s 控制方程为基本框架，包括： 动量守恒方程： t r a n s p o r t t u r b u l e n c ep r e s s g r a dc o r i o l i sf o r c e b u o y a n c y = ，_ ：亨 j 亨厂_ 三 亭竺号= 拿广亡= ，一 、一_ 、 巡o t 一警一挈一等勘即。玩：酬丢一罢务锄锄 孰。、口o c 口口o ” 位温方程： a u u u w j 一，_oh 粤里：一vu p 。0 一一v 矿石矿+ p 。s ， a t 。 水汽平衡方程： 百o po q = 一v 西。孑一v 巧孑+ p 。s ， 物质守恒方程： 鲁柚矿百一v 弼峨。 i o ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 上海地区高污染条件下气象场及环境窄气质量的数值模拟研究 连续性方程： v ( 学) = o 理想气体状态方程： p2 击 ( 5 ) ( 6 ) 式( 1 ) 一( 6 ) 中：p 一空气密度；u 一风速；p 一压强；q 一地球自转角速度；o 位温； c 厂定压比热；c v - 一定容比热；s a _ a 的源强( a 代表某一物理量) ；( 卜- 比湿； c 。化学物种m 的浓度：r a 一理想气体常数；t _ 一绝对气温： 若以a 来表示任意一个物理变量，则爿矿一基本状念量；j 一平均量；彳一 扰动量，即a = i 一爿o ；脉动量，即a 一：a j ； j0i - j 驹= k 或i = k 独= 1 毛2 3 或占2 3 l 或占m l 1 占i ，2 或s 2 1 3 或3 2 i 1 1 2 坐标系统 m e t p h o m o d 采用的是