（环境科学专业论文）山区复杂地形条件下大气扩散研究.pdf

化物进行了浓度预测，并对预测结果与实测值进行了对比统计分 析，结果表明本文建立的模式能够应用于山区复杂地形条件。 关键词：山区复杂地形大气扩散预测模拟 s t u d i e sa t m o s p h e r i cd i f f u s i o ni nm o u n t a i n c o m p l e x t e r r a i nc o n d i t i o n s e n v i r o n m e n t a ls c i e n c es p e c i a l t y g r a d u a t es t u d e n t c u iw e i c o u n s e l o r l o n gb i n g q i n g c h e np a n j i a n g a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a ii m p a c ta s s e s s m e n tg u i d e i s r e c o m m e n d e dg a u s sm o u n t a i nc o m p l e xt e r r a i nm o d e id i r e c t l yt o t h ef o r e c a s tr e s u l t sw i t ht h ea c t u a is i t u a t i o no b t a i n i n gt h e r ei sa l a r g ed i s c r e p a n c y f i r s t l y , s i n c e g a u s sm o d e le s t a b l i s h e d t h e o r e t i c a ib a s i sa n da s s u m p t i o n sc o n d i t i o n sa p p l i c a b l et of l a t t e r r a i nc o n d i t i o n s ，b u tm o u n t a i n o u st e r r a i nh a v em o r ec o m p l e x d i f f e r e n c e s s e c o n d l yb e c a u s eo fm o u n t a i nt e r r a i nf l u c l u a l e d c o n s i d e r a b l y ,u n d e r l y i n g s u r f a c e n o n h o m o g e n e o u s ， a t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e rt e m p e r a t u r ea n dw i n df a r mm a r k e t i sq u i t ed i f f e r e n tt h a nt h ep l a i na r e a s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo f a t m o s p h e r i cd i f l u s i o ni n m o u n t a i nc o m p l e xt e r r a i nc o n d i t i o n s s h o u l df i r s tm a s t e ra t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e rc h a r a c t e r i s t i c so f t h es t u d yr e g i o n ，e s p e c i a l l yw i n df a r mc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e n a p p l yt h ea p p r o p r i a t ea t m o s p h e r i cd i f f u s i o nm o d e it of o r e c a s t c o n c e n t r a t i o n so ft h ea t m o s p h e r i cp o i l u t a n t s i nt h i sp a p e r , c h o o s e dt h ex u a n k o ua r e ai ns i c h u a na b a w h e r et y p i c a im o u n t a i nt e r r a i nc h a r a c t e d s t i c sa sar e s e a r c ha r e a ， a c c o r d i n gt ot h ep o l l u t e dw e a t h e ri n f o r m a t i o no fa b aa l u m i n u m p l a n ti nt h ea r e ai n19 8 6a n d2 0 0 3w i n t e r , a n a l y z e dt h es t a t i s t i c a i o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fb o u n d a r yl a y e rt e m p e r a t u r em a r k e ta n d f l o wm a r k e ti nt h i sr e g i o n 1 - of lt h ei a c kl e s so fi n f o r m a t i o no ft h e r e g i o n a lw i n dm a r k e t u s e dt h et h r e e d i m e n s i o n a ib o u n d a r y i a y e rw i n dm a r k e ts t r u c t u r ed i a g n o s t i cm o d e lt on u m e r i c a l s i m u l a t et h ea t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e rf l o wm a r k e ti nt h i s r e g i o n a l u s e df e w e ro b s e r v a t i o n sa st h ej n t t i e ii n p u td a t e t h r o u g hs e e k i n gt h ev a l u ef o rt h e r m o d y n a m i ce q u a t i o no ft h e a t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e r , t og e t t h e c o m p l e t e d t h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r eo ft h ea t m o s p h e d cb o u n d a r yi a y e rf l o w m a r k e ti nt h i sr e g i o n i no r d e rt os t u d ye a c hp a r a m e t e r so ft h e g a u s sm o d e lf o rp r o j e c t i o n so ft h ei m p a c to fc o n c e n t r a t i o n 。a n d a n a l y z e dt h es e n s i t i v i t yo fg a u s sm o d e l 。s h o w e dt h a t i e v e l p r o l i f e r a t i o np a r a m e t e r a 。，v e r t i c a ip r o l i f e r a t i o np a r a m e t e r r ，a n d p r o j e c t i o n 口2a r ev e r ys e n s i t i v et ot h ef o r e c a s tc o n c e n t r a t i o n i n t h i sp a p e 5b a s e do ng a u s sm o d e l ，a n dc o n s i d e r e dt h em o u n t a i n t e r r a i n f e a t u r e s ，i n t r o d u c e dt h e t e r r a i na m e n d m e n t sf a c t o r , n a t u r a ix - ya x l ea n dc o o r d i n a r e sa l t e r n a t i v eza x l e ，t or e t i e c t t h es m o k ef l o wp a t h sw h i c hi n d u c e db yt o p o g r a p h yi nt h ea b o v e s t u d y , c h o o s e d0 2 a n d14w h e nm o u n t a i n - v a l l e yb r e e z e o b v i o u s l yt of o r e c a s tt h ef l u o r i d ec o n c e n t r a t i o no fa b aa l u m i n u m p l a n t c o m p a r e da n da n a l y z e ds t a t i s t i c a l l yt h er e a ia n df o r e c a s t r e s u l t 。s h o w e dt h a tt h i sm o d e lw h i c hb u i l d e di nt h i sp a p e r ，c o u l d u s e dt om o u n t a i nc o m p l e xt e r r a i nc o n d i t i o n s k e y w o r d ：m o u n t a i nc o m p l e xt e r r a i na t m o s p h e r i cd i f f u s i o n f o r e c a s ts i m u l a t i o n 1 前言 四川省位于我国西部，地跨青藏高原、横断山脉、云贵高原、秦巴山地、 四川盆地几大地貌单元，地势西高东低，由西北向东南倾斜，地形复杂多样。 而我省西部地区有蕴含着大量的矿产资源，从而导致冶金等大气重污染型企业 集中在西部山区地区，存在较严重的大气污染。因此，对山区复杂地形条件下 大气扩散研究有着重要意义。 为了在这些地区进行空气质量预测与制定空气污染治理方案，需要用适当 的大气边界层模式和大气扩散模式进行定性描述和定量预测。然而目前国内外 对山区复杂地形上大气边界层和大气扩散的规律总的说来还缺乏足够深入的 了解，有关的数值模式的研究也很不充分。就目前取得的一些山区复杂地形条 件下的空气质量模拟模式而言，由于过于理论化与实际操作仍存在一定的距离 【”。对于目前在实际工作中广泛采用的环境影响评价技术导则大气环境 ( h j t 2 29 3 ) 推荐的高斯模式，在平原地区已取得了较好的效果，但直接应用于 山区复杂地形，则模式计算的预测值与实际情况相差甚大，不能客观准确地反 映大气污染型建设项目对所在区域空气质量的影响程度和范围。因此，研究如 何能准确地描述和计算在山区复杂地形条件下大气污染物的扩散具有重要意 义，这也正是本课题研究的主要内容。 通过对四川阿坝铝厂所在地污染气象条件的调查，基本掌握了漩口地区 冬季大气边界层温度场和风场特征。本文以高斯模式为基础，结合山区地形特 点，模式中引入了地形修正因子，并以x y 轴面自然坐标及地形随动坐标z ， 来反映因地形诱导产生的污染源烟流路径。在以上研究的基础上，本文选择研 究区域山、谷风明显的0 2 时和1 4 时对阿坝铝厂外排的特征污染物氟化物进行 了浓度预测，并对预测结果与实测值进行了对比统计分析，结果表明本文建立 的模式能够应用于山区复杂地形条件，且与目前实际工作中大气污染预测常用 的高斯模式相衔接，应用性强、操作简便。 在资料收集过程中，得到了四川省环境工程评估中心、四川省环境保护科 学研究院、贵阳铝镁设计研究院、四川省冶金行业环境保护监测研究所等单位 的大力支持，在此表示衷心感谢。 2国内外研究概况 、 2 1 山区复杂地形大气边界层研究 大气边界层是直接受地表影响最强烈的气层，它占有整个空气质量的 仉0 ，其厚度随天气条件、地表特征而变，一般在l 2 k m ，在这一层里，气 流受地面摩擦力和下垫面地形地物的影响，并受这一层里的动量、热量、水汽 和其它物质的输送及其通量的支配，空气污染物的散布与其密切相关。因此， 国内外对大气边界层的理论研究、应用等方面已有诸多文章及专著发表。 2 1 1 大气边界层理论研究及展望 在对大气边界层理论研究方面，k a i m a l 2 3 】等认为以速度为例，垂直风速 分量的谱遵从m o n i n o b u k h o v 相似理论，只是在低频部分可能受逆温层高度的 微弱影响。胡隐樵 4 1 等总结了大气线性热力学基本理论，讨论了大气边界层的能 量和物质输送交叉耦合效应，还讨论了大气系统动力过程和热力过程的交叉耦 合效应。谈哲敏【5 】等对目前最具代表性的几个中间边界层模型：地转动量近似边 界层模型、e k m a n 动量近似边界层模型以及弱非线性边界层模型进行了总结和 分析，阐述了e k m a n 层主要动力学特征。通过分析上述各模型的理论框架，揭示 了各模型的物理意义及其在描述e k m a n 边界层基本动力特征上的优点和局限 性，并指出尽管在细节定量描述上有差异，但各中间模型对e k m a n 层动力学特征 的定性描述具有很好的一致性。胡非【6 j 等介绍最近十多年来在大气边界层探 测、大气边界层结构特征、大气湍流理论、城市和区域大气污染预测预报模式 研究等方面取得的重要进展，并对大气边界层和大气环境研究的未来发展作了 展望。刘罡川等评述了非均匀下垫面大气边界层研究的现状和当前发展所面临 的一些问题，就近年来非均匀下垫面边界层这一大气边界层研究中的难点和热 点问题的由来，所使用的研究方法和手段的发展以及目前面临和亟待解决的问 题做了系统的归纳，并对未来非均匀边界层研究发展的趋势和研究方法做了展 望。张强【8 】等回顾了大气边界层气象学的发展历史，总结了目前大气边界层气 象学的主要进展，并指出国内外在未来大气边界层气象学研究方面面临的一些 主要科学问题，以及对未来大气边界层气象学的发展方向提出若干建议同时 还指出了大气边界层气象学在思想上和方法上应该注意的一些相关问题。 2 1 2 大气边界层观测 在山区复杂地形条件下大气边界层的观测方面的研究亦较多，r o t h 9 l 等根 据v a n c o u v e r 的一次边界层实验，研究了山谷城市的风温谱。e n g e r 1 0 j 在美国 旧金山地区用1 3 部声雷达同时探测，得到了该地区不同时刻混合层厚度的等 值分布，为空气质量模式提供大气稳定度和混合层厚度等输入参数。靳建军【1 1 1 等根据1 9 9 6 年1 2 月在兰州市东峡口及东部山区多个观测点的地面风观测资料， 分析了各个观测点的风向频率、静风频率、平均风速、风向和风速的日变化特 征，以及地面流场特征。结果表明，冬季兰州东部地区的最多风向为东风或偏东 风，静风频率比较高，平均风速较小，不同地点的风向日变化规律不尽相同。王 海龙【1 2 】等分析了兰州市东部峡口附近地区低空风、温场垂直分布特征及随时间 的演变特征，分析表明：兰州市东部地区从地面到1 5 0 m 高度的低层风场在受 向市中心辐合的热岛环流和不同尺度地形的山谷风影响下，盛行偏东南风， 2 0 0 m 高度以上的层结受高空西风的影响盛行偏西北风，另外，通过比较发现： 下垫面条件、夜间人工热源、天气系统以及大气的稳定度状况等均对混合层的 发展有一定影响。左洪超【”】等综合分析了青藏高原安多地区的干、湿季的转换 及边界层特征。刘宇【1 4 i 等分析研究了珠峰地区近地层大气温度、湿度、风向风 速、地表温度和辐射等气象要素的日间平均分布规律，并探讨了它们之间的相 互关系。卓嘎【1 5 】等对青藏高原上大气边界层高度的作用进行了研究，分析了夏 季青藏高原地区与长江流域上空的环流状况。研究表明：青藏高原的边界层高 度特征对高原东南部地区以及长江流域出现强烈的垂直上升运动及其低层辐 合、高层辐散存在着显著的动力效应，深厚的高原边界层特征将使长江流域夏 季区域性的云量及降水明显增加，河套地区与黄河流域的夏季云量及降水有所 减少。陈陟【1 6 1 等利用1 9 9 8 年第2 次青藏高原野外试验中的多普勒声雷达探测、 低空探测观测以及卫星观测资料对高原大气边界层内的对流现象进行分析研 究。张强1 1 7 1 等分析了山谷城市边界层大气的风速、温度、湿度结构特征，揭示 了兰州市上空日夜维持的大气逆温的结构特征及其强度和分布特征的动态规 律。高志球【1 8 】等研究表明尽管下垫面明显不同，大气边界层湍流均为混沌运动。 刘建西【1 9 】等应用四川及部分周边地区边界层气象资料分析研究了四川翁地大 气边界层的风温场特征，结果表明，盆西各季以偏东北风为主，盆东则多以偏 东南风为主，使其边界层风场由盆东向盆西南北呈倒槽式的气旋流场，盆地边 界层内风速小，地面小风和静风频率较高，大气层结以中性为主，多辐射逆温， 逆温强度一般不大( 山谷地带除外) ，混合层高度较低。这些特征的季节性变 化不明显，主要与特殊的地形条件相联系。张国栋【2 0 】等根据在凤凰山机场和双 流机场所获得的观测资料，给出了成都地区大气边界层的风速廓线。分析了辐 射逆温的形成、发展和演变过程，及其精细结构，结果表明，辐射逆温完全受 地面长波辐射冷却和太阳辐射加热所控制。曹文俊【2 1 】等分别计算了重庆市冬季 有风、静风、有雾时的大气扩散参数，以及无雾有风条件下的湍流强度。郝为 峰等利用丘陵区边界层实测资料，分析了该地区8 9 月份低空急流的特征 及其演变规律。许丽人【2 3 】等利用统计和多尺度分析方法分析了几种复杂下垫面 情况下的风、温湍流脉动观测资料。王蓓蕾1 2 4 肄利用1 9 8 9 年1 2 月1 9 9 0 年1 月重庆地区的观测资料，计算了一般天气条件下和雾中的湍流谱。结果表明， 重庆地区在中性和不稳定的条件下，湍谱的峰值频率比平坦地形大，峰值区较 窄；在夜间静力稳定条件下，湍谱的低频部分能量突然增大。吴艳标【2 5 】等测定 了具有复杂下垫面的粤东梅州市地区拉格朗日系统和欧拉系统的湍流脉动量。 杨礼荣【冽等利用l o o m3 系留气艇携带超声风温仪在复杂的盆地地形上空对 1 0 0 0 m 以下大气进行观测所获得的资料，研究小风稳定条件下大气边界层湍流 结构特征。 可见，对于山区复杂地形而言，局地风场是由背景风和局地由热力不均和 地形强迫生产局地风迭加而成，结构较复杂，具有风速分布很不规则、风场日 变化较明显、垂直风场结构复杂等特征。山区的温度场与风场有密切联系，不 同方位坡地上，风速的差异会加强或削弱温度差异，一般，地形陡峭、相对高 差大的山区，全年逆温天数多，逆温层较厚，逆温强度较大，持续时间也较长 并会出现多层结构。同时，在山区，除温度层结不稳定可引起热力湍流外，各 种复杂地形受热不均也会引起小尺度的局部热对流，山区的粗糙地形会产生各 种不同尺度的机械湍流。 2 1 3 大气边界层模拟的研究 对复杂地形大气边界层的模拟研究，国内外学者大都采用数值模拟的方 4 法，来弥补实测大气边界层温度场、风场和湍流观测资料的欠缺。m a h r e r 等i z 2 8 】对有限区域的平流过程选用了一种较好的平流方程离散方案隐式立方 样条方法，所进行的一系列数值实验表明该格式具有较高的精确度，较好的稳 定性和较强的适应能力。高丽【2 9 】等采用地形追随坐标系下具有1 5 阶精度的三 维准静力模式，模拟兰州东部地区的风场和温度场，模式以地转风资料和系留 资料为初始输入，根据简化的湍流能量闭合方案进行参数化处理，运用地表能 量平衡方程预报地表温度，考虑了地形影响和人工热源作用。模拟结果与实际 观测资料进行对比，位温廓线和风速廓线与实际的变化趋势基本一致，模拟的 地面流场和垂直温度场基本反映出本地区冬季的流场及温度场特征。胡小明【加j 等将模式n p8 9 的陆面过程参数化方法应用到北京大学的三维复杂地形中尺度 数值模式中，得到了一个较理想的三维陆面过程及边界层模式，利用这个改进 的三维模式对2 0 k m x 2 0 k m 范围的山丘地形的陆面过程及边界层特征进行了数 值模拟。模拟结果表明，由于地形阻挡所造成山后的湍流较山前强，进而造成近 地面温度梯度和感热支出小，最终造成山后的温度比山前的温度明显偏高；而 且随着山高的增加，这种现象更加明显，即该模式对山丘地形条件下的陆面过 程和大气边界层特征具有较强的模拟能力；模拟结果合理，对研究过山气流形 成机制、起伏地形大气边界层物理特征和污染物的扩散具有理论和应用价值。 林文樊3 1 1 等建立一个采用地形跟随坐标系，能适用于复杂地形的边界层数值模 拟的二维静力平衡大气模式。刘罡【3 2 】等建立了一个模拟小尺度复杂地形边界层 平均流场和湍流场结构分布特征的三维非静力细网格高阶矩湍流闭合模式，并 将此模式与一个拉格朗日粒子随机游动大气扩散数值模式相联结，以边界层气 象模式的输出作为扩散模式的输入，构成了一个大气扩和模拟系统，成功地模 拟了某地实际深凹露天矿区和理想凹坑地形两种情况下的平均流场、雷诺应力 和湍流通量场。王允宽【3 3 】等用二维数值模式模拟了谷地白天边界层的发展过 程，通过求解大气动力、热力学方程组，模拟出了谷地上空的温度场、流场以 及在两种不同层结条件下的湍流动能的分布特征。桑建国采用二维数值模 式模拟了一个坡地上夜间边界层的发展过程。王浩1 3 5 】等建立了一个采用地形坐 标的、包含大气边界层湍流参数化方案，大气辐射过程的参数化方案、陆- 气 水相互作用的地面温湿度预报方案等物理过程的非静力近似中小尺度数值模 5 式，用这个模式试验研究了在气候平均值的背景下谷底水体的有无对山地气候 影响的一般情况。王浩1 3 6 疆过研制一个包含水温和地温预报方案的中小尺度数 值模式来模拟没有大气尺度风时河谷风的空间结构和演变过程。吴涧1 37 j 等运用 三维非静力大气动力学数值模式，模拟了稳定、中性和不稳定3 种层结下山区 盆地的大气湍流和污染扩散特征。陈明1 3 8 】等建立了一个三维原始方程数值模 式，模拟在光滑下边界和无滑脱下边界两种情况下，山区中尺度环流的演变过 程。肖庆农【3 9 i 等建立了二维、非静力平衡的数值模式，研究地形对上游气流的 阻挡以及大振幅背风波谷与下坡风的形成。张广普等利用低空探空资料和地 面气象资料，模拟三维流场时空变化规律，采用烟团轨迹模型对污染物分布情 况进行了模拟。 2 2 山区复杂地形条件大气扩散模型及其影响参数的研究 2 2 1 山区复杂地形条件大气扩散模型的研究 对于山区复杂地形大气污染物预测模型的建立，国内外均投入了大量的人 力物力，进行了多次试验并取得了一定的成果。美国国家大气海洋局( n o a a ) 4 t l 对位于山区的多个发电厂作扩散计算，在此基础上，分析高架源烟流受起伏 的影响，并在高斯公式基础上建立n o a a 模式，但该模式未考虑烟流随地形 起伏的变化，亦未引入山区扩散速率比平原地区高的因素。美国国家环保局 ( e a p ) 1 4 2 1 提出两个引进地形修正的模式，可用来计算起伏地形空气污染物浓 度，即c r s t e r ( 单源) 模式和v a l l e y ( 山谷) 模式，但据实际证明这样的 处理会导致对地面浓度的过低估计。s c h m i d t 【4 3 】于1 9 7 5 年以绕过障碍物流动的 位势流理论作为规则气流的近似模拟，其定量结果亦不能简单地用于过山气流 问题，尤其是背风坡的情况更不符合实际，但至少给出了一些有意义的启示。 美国国家环保局的c t m d 研究计划1 ，主要研究大源烟流在稳定层结条件下， 与地形相互作用形成的地面浓度分布，建立的c t m d 山区扩散模式是一个点 源高斯扩散模式，用于估算孤立山体附近或一列山体附近，排放源造成的逐时 平均浓度。从理论上，目前现有的大气扩散模型可归结为三大理论体系即统计 理论、梯度输送理论( k 理论) 和相似理论，如高斯模型即从统计理论出发而 推导的。 6 在国内，姜平【4 5 】等利用数值积分方法求解复杂地形上三维大气热力动力 学方程组以及扩散方程，模拟复杂地形上的流场和污染物浓度场情况，并与现 场污染物和污染气象测试结果比较分析，模式计算结果与观测结果基本相符。 景银兰等通过不同模式比较和风洞模型实验验证，筛选出c t d m 模式是一 个比较先进的复杂地形扩散模式，可以在重大建设项目中对大气扩散的计算结 果进行验证。张镭【4 7 】等建立了适合山复杂地形、中尺度范围的空气质量模式 烟团轨迹模式。在模式中考虑了地形、沉积、化学衰减和混合层顶多次反 射等影响因素的作用。经过实测资料检验，表明模式具有较高的模拟能力。马 雁军【4 8 】等用差分方法解三维大气扩散方程，模拟了本溪地区s 0 2 浓度的时空分 布。阎宇平【4 9 】等采用目前应用尚少的复杂地形上的三维边界层模式作为大气扩 散模式所需的三维边界层要素场，采用复杂地形上的三维平流扩散模式和高斯 扩散模式分别模拟低架源( 包括面源) 和高架源所造成的s 0 2 地面浓度，然后 将两者的模拟浓度在相应网格上叠加，验证结果表明，该混合模式可以较好地 模拟山区复杂地形上的大气污染物浓度。刘思湄【5 0 】等介绍了一套适合沿海丘陵 地形条件的区域大气环境质量预测体系，它主要由局地扩散模式( h p d m 模式、 m i s r a 模式) 、中尺度气象场模式和区域扩散模式( 分段烟流模式) 组成，该系统 具有较快的计算速度。金朝晖【5 l 】指出丘陵地区工业大气污染源在大气扩散模式 中最大地面浓度c m 及其距排气筒的距离x m 的烟轴h e 需修正。李宗恺1 5 2 】等 根据渡口市空气污染监测资料首次鉴别出一种特殊形式的空气污染过程 山谷风转换期的漫烟过程。这种类型的空气污染在春、秋、冬季都经常发生， 尤以冬季较严重。为此，发展了山谷风转换期的漫烟扩散模式，可以满意地解 释上述观测事实。俎铁林【5 3 】利用m o n t e c a r l o 模式预测了山区城市( 贵阳市) 的 s 0 2 地面浓度分布，为实现城市面源的数值模拟，对m o n t e c a r l o 模式的浓度 计量和水平扩散等方面做了改进。邱崇践【5 4 】等以兰州地区的实际地形为背景， 建立了一个二维小尺度数值模式，并用它对山谷之间热力差异造成的山谷风环 流及其控制下山谷中高架源排放的污染物输送和扩散过程进行了模拟研究。程 麟生1 5 5 】论述了一原始方程中尺度模式的设计和发展，该模式是三维的，这个模 式采用的是高分辨行星边界层参数化，为了改进高分辨行星边界层物理的描 述，还导出了一个湍流动能方程，并采用了i o _ e 闭合。 2 2 2 大气污染预测模型影响参数的研究 在大气扩散计算中，大气扩散参数是一个重要的基本参数，国内外对扩散 参数实际测定和规律进行过大量理论探讨和实验研究。d o u g l a s 5 6 】报告的美国 h u n t i n g t o n 深谷扩散试验的结果表明，以1 0 k m 范围平均值论，按照p g 扩散 参数计算的平原地区烟流轴线浓度，在b 类稳定度条件下，与狭谷内的实测值 差别不大，但中性类和稳定类可差到5 倍和1 0 1 5 倍。d r u i l h e t 5 7 1 给出了不同 地面粗糙度下，1 l 参数与大气扩散中常用的p a s q u i l l t u r n e r 稳定度等级的相 应关系。顾永瑞1 5 8 】等采用b r i g g s 大气扩散参数的一般式，将国内一些实测大 气扩散参数组织拟合，求出高架源大气扩散参数。付培建【5 9 j 利用兰州市西固区 域发展环境评价试验资料求取大气低层平均风速与垂直扩散系数的分布，从而 计算出垂直扩散参数仃，：并与p a a s q u i l g i f o r d t u r n e r ( p g t ) 扩散曲线方法 和s u r f a c es i m i l a r i t y t h e o r y ( s s t ) 方法的计算结果进行比较分析。姜平l 删等 通过贵州省近年来在高、中山地区及丘陵、河谷、盆地( 坝子) 地区进行的2 1 次平衡气球扩散试验结果的初步总结，给出贵州省三类典型地形上不同稳定度 的扩散参数。结果能较好反映山区复杂地形对扩散的影响，山区复杂地形上地 面粗糙度对扩散参数的影响尤为明显，山区复杂地形上的大气扩散参数比平原 地区明显增大。蒋维楣【6 1 】等采用平衡汽球探测法在山区工业基地研究大气边界 层流场特征和大气扩散规律，分析发现明显的山谷风环流、河谷渠道效应以及 漫烟现象和局地工业热源影响等流场特征，实测得到三维大气扩散参数。毛恒 青【6 2 】等利用在山东各地进行的多次建设项目大气环境影响评价中的大气扩散 试验结果，对不同下垫面的大气扩散参数做对比分析，讨论下垫面的变化对大 气扩散参数的影响以及大气扩散能力与大气污染物浓度分布的关系，结果表 明：不同地形下的大气扩散参数有明显差异。张镭【叫等利用若干次低山丘陵地 区的g i l l 双向风标风速仪资料，按h a y p a s s q u i l l 方法计算了此类地区的大气扩 散参数，讨论了其特征及其与p 。g 扩散参数的差别，发现低山丘陵地区的各级 别扩散曲线间截距差比p g 曲线的小很多，曲线的斜率也比p g 曲线的小。 综上可述，国内外对山区复杂地形条件下大气边界层的研究较多，但各个 山区都有其自身的地形和微气象学特点，对已有的经验规律必须慎用。因此 本文结合对具有典型山区特征的四川阿坝漩口地区实测的污染气象资料，分析 其边界层温度场、风场特征，从中觅出其特征或规律。对复杂地形大气扩散模 型及其影响参数的研究而言，国内外亦进行了大量的试验，但取得的诸多成果 或由于过于理论化，并未被广泛应用于实际工作之中，尤其在建设项目环境影 响评价中大气污染物预测分析中鲜有采用。可见建立一种简便实用，并能较准 确地描述山区复杂地形条件下大气污染物浓度分布情况的预测模型十分重要。 为此，本文将根据山区复杂地形污染气象特征，并结合我国现行环境影响评价 工作中广泛采用的高斯模式为基础，对其进行必要的修正，使其适用于山区复 杂地形。 9 3 山区复杂地形条件空气污染物扩散研究 3 1 山区复杂地形大气边界层特征 对于山区复杂地形条件，由于山地地形地物的存在，一方面作为障碍物由 机械强迫作用而改变边界层气流分布，另一方面由于下垫面热力性质的变异而 诱生一些热力环流，从而改变了气流输运的规律，使得山区气象要素及其分布 规律与平原地区有着明显不同的特征。为准确地反映山区复杂地形条件下空气 污染物的扩散，需掌握充分的污染气象观测资料。 本文选取具有典型山区地形特征的四川阿坝漩口地区作为研究区域，通过 阿坝铝厂实测的污染气象资料，分析山区复杂地形大气边界层温度场和风场特 征。阿坝铝厂位于阿坝自治州东南与都江堰市接壤的汶川县漩口镇以北3 k m 的圣音寺村岷江西岸级阶地，地理座标为东经1 3 0 。1 5 5 4 ”，北纬3 1 。3 5 3 5 ”， 海拔在8 9 0 9 1 0 5 m 之间。岷江至北向南流过，沿江河谷地海拔约8 2 0 m 左右， 厂区西靠1 8 8 4 m 的王家山，东岸是1 3 9 2 m 的鸦鹊巢山，与河谷高差在1 0 0 0 m 以上，沿江河谷相对比较开阔，9 0 0 m 等高线东西宽度超过1 0 0 0 m ，南北长度 在3 0 0 0 m 以上，属典型的深山河谷地形。研究区域地形地貌图见图1 。 3 1 1 污染气象观测 3 1 1 1 观测时段及点位布置 本文将采用阿坝铝厂1 9 8 6 年1 1 月9 1 8 日和2 0 0 3 年1 1 月1 6 日1 2 月 4 日两次实测的污染气象数据，两次观测时间年份间隔虽较大，但均处于冬季， 年份内时间接近，具有较好的重现性和可信度。 在阿坝铝厂厂址附近，设置了一个中心气象观测站，在映秀镇和瓦窑坪 设立同步气象观测点，观测站点分布见图2 。 3 1 1 2 观测资料处理方法及成果 用低空探空仪观测低空温度随高度的变化规律，计算( 分析) 出研究区域逆 温的变化规律( 包括逆温出现的频率、各层的顶高和底高、逆温层平均厚度、 强度变化及生消规律) 。 用测风经纬仪观测低空风场，为弥补气象资料观测点单一的缺陷，本文采 1 0 匦嚣嚣醴掣凶君七摄一匝 圈2 气象观测点、氟化物监测布点及坐标系示意圈 用适合于山区复杂地形条件的三维边界层流场结构诊断模式，模拟研究区域漩 口地区风场特征。 3 1 1 3 观测项目 表1 气象观测项目 3 1 2 边界层温度场特征 本文对1 9 8 6 年观测期间共取得的9 1 组大气边界层温度场探测资料进行了 统计分析，得出了逆温出现频率、层底高度、逆温层厚度、强度，以及逆温层 生消规律。 3 1 2 1 逆温出现频率 袭2 观测期间逆温出现频率统计 从统计结果可以看出研究区域出现逆温的频率较高，近5 0 ，有时会出 现二层逆温，甚至出现三层及三层以上逆温。 3 1 2 2 逆温层底高度变化 表3 逆温层底高度变化统计 从统计结果可看出，由于该区域特定的自然环境条件，贴地逆温出现频率 十分低，仅3 。阿坝铝厂大气污染物排污口标高在海拔1 0 0 0 m 处，距观测点 高差为1 8 0 m ，逆温层底高在2 0 0 m 内逆温出现频率总计为1 8 ：层底高在 2 0 0 m 3 0 0 m 范围内逆温出现频率为8 ；3 0 0 m 上空出现逆温频率较高，特别 是5 0 0 m 以上出现逆温层频率最高，这将会对污染物向上扩散有一定的抑制作 用。 3 1 2 3 逆温层厚度及强度变化 表4 逆温层厚度变化统计 探测次 3 0 m3 0 5 0 m5 0 8 0 m8 0 l o o m 次次 次 次 次 9 17 83 1 3 41 6 1 8 11 22 表5 逆温层强度变化统计 从统计结果可看出，研究区域出现逆温的频率虽然较高，但逆温层的厚度 都比较薄，一般都在5 0 m 内；逆温层的强度也不强，一般都在1 0 l o o m 之 内。 3 1 2 4 不同高度逆温层随时间的变化趋势 从图3 中可以看出底高在2 0 0 m 以下的逆温层主要出现在下午1 7 时至凌 晨0 5 时这段时间里；底高在2 0 0 m 3 0 0 m 的逆温分布时段比较乱，观测期间 出现在早晨0 5 时至0 9 时和夜晚2 0 时以后比较多一些；底高在3 0 0 m 以上的 逆温层则主要出现在0 6 时至1 4 时这段时间。 从图4 中可以看出，午间逆温出现次数虽然比较多，但逆温层厚度相对较 薄；夜间至凌晨出现较厚逆温层，而这段时间又为 2 0 0 3 0 0 m 024 68 1 01 21 4 1 61 82 0 2 2 时间( h ) 图4 不同厚度逆温层随时间变化趋势 一( 5 0 m 5 0 m 综上可见。由于研究区域地形陡峭、相对高差大，地势和坡谷的方位、坡 度不同而受到的日射时间、日射强度以至热量收支状况迥异，使得气温的水平 分布不均匀，夜间山坡冷却很快，冷空气沿坡下滑至谷底聚积，逆温发生频率 较高；由于地形对日照的遮挡，山区开始形成逆温的时间比平原早，消散时间 则比平原迟；同时由于该区域沿江河谷相对比较开阔，致使逆温频率虽较高， 但厚度及强度均不强。该区域温度场特征基本表征了山区复杂地形条件下大气 边界层温度场特征。 5 4 3 2 l 0 蛙) 巅蛞 3 1 3 边界层风场特征 山区风场是由背景风和局地由热力不均和地形强迫生成局地风迭加而 成，结构较复杂。在复杂地形上风场一般是靠野外边界层观测来获取，但是在 复杂地形上这种边界层大气探测如要取得完整资料，则观测点密度大，耗费大 量的人力、物力【删，由于对阿坝铝厂所在的漩口地区只设置了一个中心气象观 测站，用于观测厂址附近风场特征，取得的观测资料不足以表征出该区域完整 的边界层风场资料。因此，本文利用适合于山区复杂地形的三维边界层风场结 构诊断模式，以较少的观测资料作为模式初始输入资料，通过求边界层动力热 力学方程的数值解，从而得到研究区域漩口地区比较完整的三维边界层流场结 构。 3 1 3 1 阿坝铝厂厂址附近观测资料统计分析 3 1 3 1 1 风向随高度的变化 表6 列出了观测期间地面到1 0 0 0 m 高度不同高度层风向频率的变化状况， 图5 画出了观测期间观测站地面、3 0 0 m 、7 0 0 m 和1 0 0 0 m 的风向玫瑰图。 表6 观测期间不同高度层风向频率分布单位： 从统计结果表6 和图5 可看出，阿坝铝厂厂址附近地面静风频率较高，但 静风频率随着高度增加呈逐渐减少的趋势；在地面静风频率高达5 1 ，吹风 时多以偏南风即谷风和偏北风即山风为主 至3 0 0 m 高度静风频率减少到1 7 ，7 0 0 m 上空静风频率减至1 4 ，风向变化较复杂，到1 0 0 0 m 上空以偏南、 1 4 北两方位风向变换为主，但偏南风仍占优势基本无静风状态出现，其出现抗率 仅为6 。 篾豁 ”坯裂 地面，静风5 1 篾盔 ”留淑 熙酗， ”字。 3 0 0 m ，静风1 7 篾搽， ”妨裂 7 0 0 m 静风1 4 1 0 0 0 m ，静风6 图5 观测期间不同高度层风向玫瑰图 为反映阿坝铝厂厂址附近在观测期间不同时段不同高度层风向变化情况， 本文将全天分为四个时段分别为0 2 0 6 时、0 8 1 2 时、1 4 1 8 时、1 9 2 4 时，即分别为凌晨、上午、下午和夜间，各时段地面、3 0 0 m 、7 0 0 m 和1 0 0 0 m 高度层风向玫瑰图见图6 图9 。 从图中可看出，每天0 8 1 8 时特别是下午1 4 1 8 时这段时间，5 0 0 m 内 都呈现比较明显的谷风：每天0 2 0 7 时这段时间5 0 0 m 内都呈现比较明显的 山风；在每天1 9 时至2 4 时和0 8 1 2 时这段时间，静风频率比较高，特别是 1 9 时2 0 时和0 9 1 0 时地面基本呈静风状态，因为该时段为山谷风转换期 主要表征为静风。综上可见，阿坝铝厂厂址附近风向具有明显的日转换规律 尤其是在5 0 0 m 低空层内。 7 0 0 m ，静风1 9 1 0 0 0 m ，静风2 5 图60 2 0 6 时不同高度层风向玫瑰图 3 1 3 1 2 风速随高度的变化 本文统计了阿坝铝厂厂址观测期间不同高度层不同风向平均风速变化情 况，见表7 。 表7 观测期间各高度层不同风向平均风速统计结果单位：t a s 从表中可看出，偏南风( 谷风) 的风速较偏北风( 山风) 高，特别是3 0 0 m 。一髓。髓? 黯 内，这种现象更为明显，到了1 0 0 0 m 以上高空，南、北方向风速相差不多。 砌一蕊豁 瓣一”谨义。 f 一3 0 0 m 静风2 7 。渤态蹈一 j 弼j娶 掣。 图70 8 1 2 时不同高度层风向玫瑰图 蕊路一。彻一 迈义。 蹲。 。地面，静k4 0 一 熙玖。融= 鬣移耀。 v s 7 0 0 m ，静风o 1 0 0 0 m ，静风0 图81 4 1 8 时不同高度层风向玫瑰图 1 7 3 0 0 m ，静风3 3 一 篾瘩， ”婚裂 7 0 0 m 静风2 3 nl o o o m ，静风o t 图91 9 2 4 时不同高度层风向玫瑰图 3 1 3 1 3 风速的时空变化 本文统计了阿坝铝厂厂址不同高度层各时段平均风速，见下表8 。并绘制 出具有明显风向特征的0 2 时和1 4 时的风速廓线，见图1 0 。 可以看出，该地区平均风速的日变化幅度较大，下午时段的平均风速较大， 而夜间至次日上午的平均风速相对较小。 表8 观测期间不同高度层各时次平均风速统计表单位：m s 0 20 40 60 81 01 21 41 61 82 02 22 4 髓。一般 日 蓬 0l 2 3 4 5 6 风速m s 图1 0 阿坝铝厂厂址0 2 时和1 4 时风速廓线 一代表1 4 时 代表0 2 时 3 1 4 漩口地区边界层流场三维数值模拟【6 5 】 3 1 4 1 模式方程组 为了模式便于处理复杂地形，本文采用地形随动坐标i ，忽略大气的辐射 加热和凝结过程，在不可压假设下得到模式的基本方程组： 警啪1 m 罢+ 簪g a z e i k 【_ 0 2 u + _ j 2 u ， + 吉 ( 芝) 等叫少c a 詈+ 譬专m 。e 等， ：， + 吉去c 尝， 1 9 警= k 。譬+ 争告专c 叫口刮 盟。一量旦 o z 。口 a ( o u ) + 巫型+ 幽：o 缸 砂 a z