（环境工程专业论文）三维多箱模型预测大气环境质量的研究.pdf

摘要 本文采用三维多箱模型对石家庄市市区特征污染物s 0 2 的浓度进行丁计算。 三维多箱模型改进了常规的单箱模型，详细考虑了污染源的空间变化和气象条件 以及周围环境的影响。该模型也反映了s 0 2 的物理化学去除机理和风向的影响。 本文利用石家庄市飞机场的气象数据资料，计算了石家庄市区的混合层高度。本 文分别计算了四个风向组和1 6 个风向下的各子箱体的s 0 2 浓度，然后按其风向 频率加权取和得到平均浓度。把计算结果与1 9 9 4 年1 月份的地面监测值和中国 环境科学院的高空航测值进行比较分析后发现：多箱模型是预测市区和经济开发 区的大气质量的最佳方法之一。 关键词l 多箱模型，大气环境预测，气象特征，高空航测。 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，a t m o s p h e r i cs 0 2c o n c e n t r a t i o ni ns h i j i a z h u a n gc i t yh a sb e e n c a l c u l a t e db yu s i n gt h r e ed i m e n s i o nm u l t i - b o xm o d e l s t h em o d e li m p r o v e su p o n t h e c o n v e n t i o n a l s i n g l e b o xm o d e l st h r o u g hc o n s i d e r m i o no fm o r ed e t a i l si n s p a t i a l v a r i a t i o n so fs o u r c cd i s t r i b u t i o n sa n dm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n s a sw e l la st h e i r i m p a c t so na m b i e n te n v i r o n m e n t t h em o d e lc a nr e f l e c tp h y s i c a l a n dc h e m i c a l r e m o v a lm e c h a n i s m sw i n d - d i r e c t i o nv a r i m i o n s e s p e c i a l l y , d a t af r o ms h i j i a z h u a n g a i r p o r t sm e t e o r o l o g i c a ls t a t i o nw e r ec o l l e c t e da n da n a l y z e df o re s t i m a t i n gm i x i n g h e i g h t so ft h es t u d ya r e a t h ec o n c e n t r a t i o n so fe v e r yb o xi nf o u rw i n d d i r e c t i o n g r o u p sa n di ns i x t e e nw i n d - d i r e c t i o nh a v eb e e na l s oc a l c u l a t e d ，a n dt h e na v e r a g e c o n c e n t r a t i o ni ne v e r yb o xh a sb e e no b t a i n e d b yw e i g h t i n gm e t h o d o i lw i n dd i r e c t i o n f r e q u e n c i e s c o m p a r i n gc a l c u l a t i n gv a l u e s w i t l i m o n i t o r i n gc o n c e n t r a t i o n s o nt h e g r o u n d a n d h i g h a l t i t u d e p l a n em o n i t o r i n g v a l u e s b y e n v i r o n m e n t a l s c i e n c e i n s t i t u t eo fc h i a n a i nj a n u a r y1 9 9 4 ，i tw a sf o u n dt h a tt h em e t h o do fp r e d i c t i n g a t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n t a lc o n c e n 仃a t i o ni nc i t i e sa n de c o n o m i c d e v e l o p m e n t d i s t r i c t sb yt h em u l t i b o xi so n eo f t h eb e s tm e t h o d s k e y w o r d s ：m u l t i b o xm o d e l ，a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tp r e d i c t i o n ，m e t e o r o l o g i c a l f e a t u r e ，h i g ha l t i t u d ep l a n em o n i t o r i n g 南京理工大学硕士学位论文 1 引言 随着人类社会不断的进步和经济的快速发展，大气的环境污染问题变得越来 越突出，城市大气环境污染问题愈来愈受到公众的关注。如何发展有效的空气质 量预测模型来预测区域未来环境质量的变化成为近年环境科学发展最快的研究 领域之一。研究开发新的有效的预测模型不仅为人们提供了一个评价和预测空气 质量的方法，而且对于城市的环境管理、污染控制、环境规划、城市建设等方面 有重要的实用价值。 空气质量预测模型是在大气扩散理论与实验的基础上，将各种污染源、气象 状况、下垫面条件下的污染过程模型化。通过求解描述污染物在大气中迁移转化 规律的数学方程式或公式来定量地模拟计算污染物的时空分布、计算或评价各种 条件下污染物浓度的时空变化，评价各污染源对污染物浓度贡献及随时间的变 化，预报可能导致空气污染的特殊天气形式，从而使人们在认识大气污染物排入 大气环境后的扩散、迁移和清除的规律基础上，利用科学的方法预测与评价未来 时问不同尺度上空气质量变化趋势。 空气质量预测模型的发展促进了大气科学中污染气象学的发展“1 。空气质量 预测模型是以人们所掌握的大气物理、大气化学及相关数学理论为基础。空气质 量预测模型预报结果的准确性、可靠性、不确定性等问题，是对人们现有理论结 构和层次的极大挑战，促进环境工作者在预测预报的实践过程中更加深入细致地 研究污染气象学的相关理论，进一步完善预报的方法同手段，促进空气质量预测 模型的发展。 空气质量预测模型为环境管理部门提供有效的决策支持系统“1 。有效的空气 质量预测模型可提供快速的结果分析与综合分析，使环境管理部门能够迅速作出 反应，并采取防治和削减措施；预测模式可以根据新的数据预报采取措施后的效 果，通过对采取措施前后效果的对比分析及经验积累，使环境管理部门对城市环 境规划要素( 功能区划、污染源布局、交通网络、能源消耗) 提出更科学、明确的 堕室型三查堂堡主兰堡垒苎 管理控制方案。由于预测模式包含各类污染源的排放信息，预报结果为保证污染 物排放达到大气污染综合排放标准提供削减防治依据，同时通过对区域大气 容量的分析，提出更加合理的污染源排放标准，从而为实现经济效益、环境效益、 社会效益三者统一发展起到重要作用。 空气质量预测模型可促进公众参与和提高城市居民环境意识。城市环境质量 预报会对居民生活文化产生影响，人们会更加关注生存环境的好坏，进一步对城 市发展和环境规划提出建议和批评，加大环境管理公众参与力度。人们环保意识 的增强是环境管理工作取得成功的主要标志之一。 本论文是关于采用三维多箱模型预测大气环境质量的研究论文。这项研究最 基本的目标包括：研究箱体底层的划分对校正模型方面的效果、研究引入1 6 个 风向在校正模型方面的效果、应用模型预测长期空气质量的研究、分析，解释预 测结果为空气质量管理决策者提供支持。全文分为七个章节，依次为引言、空气 质量预测模型综述、区域概况及气象特征、混合层高度、三维多箱模型、结果与 讨论、最后的结论与进一步的研究。引言说明了建立空气质量预测模型的作用和 意义；空气质量预测模型综述介绍了目前国内外空气质量预测模型的发展状况及 各类模型的特点；区域概况及气象特征描述了石家庄市的基本地理人文环境、污 染源分布情况、周围大气环境、大气稳定度、平均风速等；混合层高度采用干绝 热法、罗氏法( i ) 、罗氏法( i i ) 计算研究区域混合层高度，比较和分析三种方法 的差异；三维多箱模型讨论了子箱体的确定、模型的假设、$ 0 2 的物理和化学去除 机理、给出四个风向组和十六个风向下的质量平衡方程和计算矩阵，得到对应的 s o 。浓度预测值：结果与讨论对s 0 。浓度预测值进行误差分析，分析、解释造成误 差的原因，比较和分析了四个风向组和十六个风向下的s o 。浓度预测值；本论文 的结论表明三维多箱模型是预测空气质量的一种有效的模型，底层子箱体的划分 和风向的引入是影响多箱模型结果的因素。三维多箱模型在如何处理逆温、高架 点源等影响方面还需要进行进一步研究。 空气质量数学模式由于侧重描写的过程不同，描写对象不同，理论基础不同， 可以导出不同形式的空气质量预测模型。每种模型都是针对具体的目的与要求、 具体的对象和条件，在一定的理论前提下来模拟大气环境质量的动态规律。目前 还没有一个适用于所有情况的代表性模型。 2 1 灰色预测模型 灰色预测模型是对一类本征性灰色系统所建立的一种微分方程的动态模型， 即把大气环境做为一个灰色系统，建立g m ( 1 1 ) 模型对大气环境质量进行预测。1 。 运用灰色系统模型能找出影响环境质量的主导因子，而且可使环境质量预测与社 会经济因素相结合有助于提高预测结果的精确度和可信度“1 。但该模型所建立的 g m ( 1 1 ) 模型是指数形式，对数据的分布有一定的要求；模型精度与预测精度并 不完全一致，此外该模型只能进行宏观预测，受人为因素的影响很大；预测值是 单向量的，缺少模糊性，因此它的应用受到一定的限制“。 2 2 高斯模式 多年来在点源污染浓度估计方面一直采用高斯模式，这主要是因为与其他扩 散模式( k 模式、统计模式和相似模式) 相比，高斯模式物理意义比较直观，模式 的数学表达式简单，便于分析各种物理量之间的关系和数学推演，易于掌握和计 算“3 。高斯模式形成了美国环境保护局( e p a ) 系统u n a m a p 模式库中所有模式的支 柱”1 。作为法规模式它可以用最简捷的方式最大限度地将浓度场与气象条件之间 的物理联系及观测事实结合起来。 在平原地区，流场是比较接近于平稳和均匀的，三维空间除地表外可看成是 无边界的。在这样的条件下，物质在大气中的扩散首先是沿着盛行风向运动，然 后向各个方向扩散，扩散微粒位移的概率服从正态分布( 高斯分布) ，这就是高斯 南京理工大学硕士学位论文 模式的理论基础。 将三维空间的坐标系确定为：取通过排放点源且垂直于地面的轴为z 轴，z 轴与地面的交点为原点，主风向为x 轴，y 轴在水平面内垂直于x 轴。高斯模型 作出如下几点假定： ( 1 ) 污染物的平均浓度在y 、z 轴向是正态分布的。 ( 2 ) 在扩散的整个空间中风速是均匀、稳定的，即平均风速不随时间、地点 而变化。 ( 3 ) 污染物的源强为连续的，稳定的。 ( 4 ) 在扩散过程中，污染物的质量变化不变，即污染物不发生沉降、分解和 化合；地面对其起全反射作用，不发生吸收或吸附作用。 ( 5 ) 风速不能小于l m s 。 根据这五个假定条件可以推导出高斯模式。 ：l e - y l 2 0 r 2 p 巾矿忸2 + e 七+ 一) z 2c r ：1 ( 2 2 1 ) o2 ，r c r v 盯：u 。、7 式中q ( m g s ) 为源强，h ( m ) 为离地有效高度，假设风速u ( m s ) 均匀，c ( m g m 3 ) 为浓度。 它的扩散参数o ，和0 ：通常是采用统计理论的方法或其它经验方法确定。由 于0 ，和o ：是下风向距离和稳定度的函数，故大多数己发表的变化曲线都是根据 稳定度分类法得到的，其中“草原计划”是最著名的扩散试验，通过该项实验获 得t o i l 斯圭尔曲线，后由吉福德修改成新的曲线形式。目前国际著名的扩散参数 体系有：帕斯奎尔、特纳尔、斯韦德、美国原子能委员会、美国b n l 、美国t v a ， 步里格斯等。我国通常采用制定地方大气污染物排放标准的技术方法 g b t 1 3 2 0 1 9 l 中的方法，对于高原山区4 3 、城市交通隧道等特殊地形和冬雾1 等特殊天气形式下的扩散参数也进行了研究。 堕塞些三查兰堡主堂堡笙苎 线源模式、体源模式、面源模式、烟流模式、烟团模式、c r s t e r 模式、c t d m 模式、a t d l 窄烟云模式、熏烟模式、c r a d m 模式、g h 模式“7 3 等都来自对这个 基本模式的改造、修正和补充。北京大学在评价西郊环境质量时，研究得出北京 城市近郊大气的气质模型，同时可以根据污染调查资料和能源结构与成分获得污 染源的年、日变化系数，模式可以给出不同时间的平均浓度分布“。密保秀、李 金龙等吸收烟团模式风场变化的特点，对高斯模式进行了修正和改进，形成轨迹 烟云模式，采用青岛、贵阳两个地形复杂城市的实测数据对模式进行了验证，并 且预测了青岛、贵阳两地的空气质量，结果表明该模式可用于地形和流场复杂的 地区1 。 高斯模式在大气质量预测时容易实施，尤其是对于模拟高架点源，但高斯模 式难以配合风场的变化以及无法处理因地形引起的局部环流。没有考虑化学氧化 和干沉积对污染物的去除作用。在用高斯模型来预测城市大气质量时，由于城市 污染源的分布和地形复杂，应用该模式困难较大，往往带来较大的误差。 2 3 质点随机行走模式 质点随机行走模式( m o n t e - - c a r l o ) 是通过跟踪大量遵循n o n t e - - c a r l o 路径 的质点轨迹，来模拟物质湍流扩散特征，是最具代表性统计模式之一”1 。统计模 式是7 0 年代末为了估计大工业排放源对下风向几百公里影响而发展起来的。基 于大气扩散运动本身是随机或杂乱的，人们建立了连续点源扩散的统计模式。统 计模式是以统计理论为基础，研究方法为追踪个别空气微团的运动，是属于拉格 朗日方法”。 莱德( r e i d ) 曾以该模式估算地面源的垂直扩散，能满意地模拟美国“草原计 划”中的实测分布，在海风或复杂地形情况下，高斯模式不再适用，而m o n t e c a r l o 模式更能发挥其应优越性。俎铁林曾利用m o n t e - - - c a r l o 模式预测了山区城 市( 贵阳市) 的s o 。地面浓度分布。为了实现城市面源的数值模拟，他对该模式的 浓度计量和水平扩散等方面做了改进。李宗恺基于两种不同尺度的湍流模拟大气 查室望盔兰婴主堂竺丝苎 边界层的铅直扩散，发展了一个m o n t e - - c a r l o 模式，成功模拟了大气边界层中 的铅直扩散和大气边界层中的高浓度中心“。田瑞明运用m o n t e - - - c a r l o 模式模 拟了复杂地形对扩散的影响，结果表明：地形的影响主要是迎风坡抬升和背风坡 下沉，在陡峭地形和大的平缓地形的背风坡能出现闭合的浓度中心“。蒋维楣、 于洪彬建立了一个模拟熏烟扩散的m o n t e - - - c a r l o 模式，应用于处理楠蒂科克沿 岸熏烟问题。姚仁太、张茂栓根据秦山核电三期工程厂址风洞模拟结果，应用 m o n t e - - c a r l o 模式模拟了复杂地形机械湍流，并对其在大气扩散计算中的应用及 有关参数的确定作了有益的探索”“。 该模式的优点是扩散计算与基本湍流性质相联系，对计算容量要求少，具有 程序简单、计算效率高等优点，同时可以避免数值计算不稳定和负值浓度等问题。 这种模式可以用于离源很近，乃至粒子行程时间远小于拉格朗日时间尺度范围内 的计算”。可以处理干沉积、湿沉积、化学转化、烟云抬升问等问题。这种模式 能较好地反映扩散本身的随机性，不需要特殊的假设，可能是计算起伏的复杂环 境地形和海陆交界面这样非均匀、非定常和非高斯湍流场扩散的一种很有效的方 法。但是由于复杂地形风场和温度场的预报问题尚未解决好，大大限制了该方法 的应用o “。 2 4 烟团积分模式 统计模式另一类为烟团积分模式。烟团模式是使用一系列离散的烟团近似模 拟连续的烟流表示扩散，其中每个烟团的增长速率由大气的湍流扩散能力决定 2 2 jo 模式中任何一点的空气污染物浓度的高低等于在该点有作用的烟团对该点浓 度贡献的加和，作用的大小取决于烟团的大小、距该点的距离、所含污染物的多 少。该模式适用于处理非均匀、非定常场。它对中尺度( 2 5 - - 1 0 0 k m ) 的区域污染 和长时间扩散过程以及复杂地形条件下扩散的模拟比较合理。较烟流扩散模式它 的计算量大、参数较多、对地形与气象条件的适应性好、分辨率好、可考虑污染 物于湿沉积和化学转化的影响。 一 亘室型三查兰堡圭兰焦堡兰 - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - ，_ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 宝山钢铁厂的评价时，为适应非均匀流场的特点，选用中尺度烟团模式不仅考虑 了烟羽的运动方向、速度、扩散参数随时间空间的改变，而且考虑了s q 因转化为硫 酸盐和因地面沉积所造成的源强衰减以及混合层项的反射作用3 。 尽管烟团模式能够配合风场等气象条件的时空变化及静风状态的浓度预测， 但它存在只有烟团之间间隔较大时才能应用，不易考虑垂直风场的影响等缺陷。 并且计算量大，特别是在污染源较多的地区，需要较高的计算机时，较难实现实 时模拟。 2 5 湍流闭合模式 湍流是大气边界层内污染物扩散的主要因素之一，要模拟好污染物在边界层 内的运动情况，就必须将湍流对污染物扩散起的作用表示出来。梯度输送理论研 究在空间固定点上由于大气湍流运动而引起的污染物浓度通量，属于欧拉方法“3 。 湍流闭合模式以梯度输送理论为研究基础。基于污染物的湍流扩散方程组，寻求 方程组中特征物理量的脉动量二阶相关矩( 一阶闭合) 或三阶相关矩( 二阶闭合) 与相关变量的独立关系，从而使方程组闭合，再以各种方法求解方程组。在此 p r a n d t l 的垂直输送理论和湍动能( t k e ) 方程组得到广泛应用。 一阶闭合模式如：用于模拟空气污染控制区和空气质量影响的标准模式 i m p a c t ：用于模拟复地形大气扩散的i n t e r a 模式；用于模拟排放源随时间变化 的城市污染物扩散的p d m 模式等：二阶闭合模式有详细考虑烟气热浮力的a r a p 模式和模拟水汽输运及有湿度和凝结过程的湍流作用对一个大冷湖的环境影响 的a r g i n n e 模式等“1 。桑建国和刘丽杰采用二阶闭合模式的湍流边界层模式进行 一系列数值实验以模拟边界层中连续线源的扩散情况”3 。刘红年等人采用一个三 维非静力区域大气化学输送模式和中尺度气象模式删。相连接构成一个数值模拟 系统，模拟了中国地区对流层臭氧和其前体物的分布以及s 0 。转化为硫酸盐的过 程，模式包括了地面源排放、大气输送和扩散、干沉积、气相化学反应过程和云 雨过程”。周洪昌等基于三维湍流扩散，建立了街道峡谷湍流数值模型，用于描 述街道峡谷内污染气体的污染，并用风洞实验数据修正了模型。唐有华采用二 南京理工大学硕士学位论文 阶闭合的方法对三维中尺度钟形山地形的过山气流进行模拟，给出了湍流动能的 分布m 】。王卫国、蒋维楣等用三维边界层非静力能量闭合模式成功地模拟了深圳 海岸复杂地形下的海风气流系统中污染物浓度分布的演变过程。该模式细致地考 虑了地面反射、混合层穿透和反射，结果反映了风场湍流场的非均匀非定常对浓 度分布有较大的影响，高污染出现在层结变化的过渡期“。 湍流动能闭合模式的根据是梯度输送理论，扩散方程仅仅对烟流尺度大于占 优势的湍涡尺度时才正确，因此只有当污染物散布范围超过几百公尺以后才能应 用“1 。一阶闭合模式比较简单，但是不够精确，不能很好地模拟湍流作用；在数 值模式求解的有限差分方法中经常出现人为耗散和负值浓度，这些都是难以处理 的问题。在三维情况下，这种方法受到计算机存储量的限制。空间分辨率是有 限的，提高分辨率，就要减少时间步长，加大计算时间。 2 6 空气流域模型( u a m ) u a m 是一个用于城市尺度的三维欧拉网格光化学数值模式，通过模拟大气物 理、化学过程，该模型既可以计算惰性物质的浓度分布也可以模拟和计算具有化 学反应性物质的浓度分布。u a m 提供了诸如先体物的释放、污染物传输、湍流扩 散、化学反应、清除过程、初边界条件等大气物理和大气化学的数学表达式，u a m 的一个重要特点是可以将如何在数学上表达市区或者城市下风向0 。形成的物理 化学过程最新研究成果引入到u a m ”。 u a m 在它持续2 0 多年的发展中，不断得到进一步的开发和完善。1 9 9 5 年 l a s h m a r 和c o p e 发展了一个u a m 模型模拟n o ；和具有化学反应性质的有机物转化 为光化学烟雾的过程，应用于模拟悉尼空气质量，结果表明最大烟雾浓度的预测 值和实际观测值具有可比性。“。1 9 9 6 年z i o m a s 等人应用u a m 模拟了雅典地区的 空气污染物扩散，并用同一时期的监测数据进行了比较，结果表明在时间和空间 上预测值与监测值具有较好的一致性。1 9 9 5 年a i - w a l i 和s a m s o n 分析了u a m 对空间和时间上的气象数据的灵敏性，采用1 9 9 2 年亚特兰大地区对0 3 等氧化剂 研究所提供的数据做验证。1 9 9 6 年w i n k l e v 和c h o c k 通过研究，发展一种固 堕室堡士查兰堡主堂焦堡苎 有相关混合解决算法，对早期f f u l e rt a y l o rg a l e r k i n 方案提出了改进的平流反 射化学反应算法的u a m 。0 1 。 u a m 的发展是基于对影响空气质量的许多因素之间复杂关系的细致分析，通 过数值模拟，u a m 能够详细的描述污染物的空间分布以及瞬时浓度和长期浓度， 该模型也能够有效的反映出污染源与周围环境的复杂性3 。然而，模型受到资料 有效性，气象学测量的高费用及复杂的计算等限制。“。 2 7 箱式模式 另一个用于空气质量预测的方法是用箱式模式。箱式模式常用于城市下垫面 和封闭地形条件下的大气污染物浓度预测，主要考虑了热力因子与动力因子的影 响，在质量输入一输出简单模式的基础上建立起来的。 单箱大气质量模型是计算一个区域或城市的大气质量的最简单的模型。常用 于大气环境容量的研究。模型假定所研究的区域或城市被一个箱子所笼罩，这个 箱子的平面尺寸就是所研究的区域或城市的平面，箱子的高度是由气象资料计算 的混合层高度，箱体内污染物浓度均匀分布。单箱大气质量模型由于没有考虑污 染物在垂直方向的扩散系数及风场随高度变化的影响，也没有考虑到研究区域内 大气污染物的分布不均匀性，因此单箱大气质量模型预测大气中污染物浓度会有 较大误差3 2 删。 二维多箱模型是在单箱模型基础上改进的一种模型。它在纵向和高度上将单 箱分成若干部分，构成一个二维箱式模型。程水源采用二维多箱模型对石家庄市 环境质量进行预测，结果表明二维多箱模型可以弥补单箱模型的缺陷，其计算结 果与实测值之间不存在显著性差异。“。在宽度方向上离散二维多箱模型，则可以 构成一个三维的多箱模型。三维多箱模型结合了二维多箱模型和单箱模型的优点 ”，它既考虑到污染源的不均匀、市区可分为不同功能区这一特点，又考虑到在 铅垂方向上风场随高度的变化，还考虑了物理干沉积和化学变化对污染物浓度的 影响。多箱模型可以弥补单箱模型的缺陷和不足，可使大气预测方法更完善，也 会使预测结果更接近实际。多维多箱模型除了具有直规、计算简单，比较适宜于 南京理工大学硕士学位论文 大气环境容量的研究等特点。还综合考虑了地形、气象等因子的影响以及非线性 的反应，可谓较完善的扩散模式。预计随着计算机技术的日益发展和数值解法的 日趋完善，该模式将愈来愈得到人们的重视。 1 9 9 0 年o l s e n 开发了拉格朗日箱式模型用来研究空气污染物质的远程扩散 。1 9 9 6 年m c d o n a l d 比较了拉格朗日箱式模型和高斯模型，研究了加拿大 a l b e r t a 地区的硫沉积。“。史惠祥以箱体模式为指导思想，提出了一个大气s o 。 网格箱体扩散模式，较好地应用于上海市区s 0 ：浓度的计算，但是由于缺乏足够 的气象、高空s 0 ：浓度的实测值等资料，因此没有进行模式的深入探讨。1 9 9 7 年程水源在多维多箱模型中引入4 个风向组，成功地预测了石家庄市大气环境质 量，预测结果通过地面和高空的s o 。浓度监测值来验证。他在建立的二维多箱模 型的基础上，研究了物理化学去除机理对校正模型方面的效果，结果表明：考虑 物理化学去除机理可以使模型准确度提高3 0 2 ；在建立三维多箱模型的基础上， 研究了污染物横向扩散系数对校正模型方面的效果，结果表明：三维多箱模型的 预测准确度较二维多箱模型提高2 9 9 。在他建立的三维多箱模型中，根据石家 庄市区特征，在n e s w 方向上的单箱长度分成三个相等的部分，在宽度上分成两 个相等的部分，在高度上分成三个相等的部分，将石家庄市区划分为等面积的六 个区域”“3 ”。 本次研究根据风向、风频、污染源分布和城市功能区划分等因素，在n e s w 方向上的单箱长度分成三个不相等的部分，在宽度上分成两个不相等的部分，在 高度上分成三个相等的部分，将石家庄市区划分为六个面积不等的区域，同时本 次研究将1 6 个风向引入三维多箱模型，建立了1 6 个风向下的三维多箱模型。这 次研究最基本的目标包括：研究箱体底层的划分对校正模型方面的效果、研究引 入1 6 个风向在校正模型方面的效果、应用模型预测长期空气质量的研究、分析， 解释预测结果为空气质量管理决策者提供支持。该模型考虑了s o 。物理化学反应 的去除机理，建立质量平衡方程，这个模型可以反映污染物在横向、水平方向和 竖直方向三维上的传输与扩散。预测结果通过地面和高空的s 0 2 浓度监测值来验 证。将一定时空的污染源分布和气象资料等信息，输入到预测模型的公式中。用 堕室型三查兰堡主兰堡堡塞 - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ ， 飞机场气象站的数据来分析估计石家庄市的混合层高度。这个模型可以用来预测 石家庄市不同地区的s 0 2 月平均浓度。 3 区域概况及气象特征 3 1 区域概况 石家庄市位于河北省中南部太行山前滹沱河冲积的平原上。地处东经1 1 3 3 0 1 1 5 2 97 ，北纬3 7 2 7 3 8 4 5 之间。距北京南3 0 0 l ( m ，距太行山东南2 0 k m 。 市区总面积为3 0 8 平方公里，均为平原地带，市区人口约2 1 8 万。市区主要的工 业企业为纺织、冶金、化工、制药、机械等。 石家庄属半温润型季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，春秋温和。全 年主导风向为东北风和东南风，冬季盛行东北风，其他季节盛行东南风。由于西 部太行山的屏障作用，一般天气形势下风速较小，年平均风速1 4 米秒，冬季 平均风速1 3 米秒。年静风频率1 8 4 ，其中冬季静风频率为2 1 “。年平均 气温1 2 9 ，年平均降水量5 6 9 8 毫米。 石家庄为燃煤型城市，燃煤量占能源总耗的9 0 ，由于处理设施的不健全， 燃烧过程没有有效地脱硫，产生排放大量的s 0 2 ，尤其在冬季，采暖燃煤量增大， 使大气受到s o 。的严重污染。成为该市大气中主要的污染物。 本文收集了石家庄市飞机场1 9 8 9 1 9 9 4 年的探空资料和地面常规气象资料， 探空采用探空仪。表3 1 列出了1 9 9 4 年逆温的调查结果。 1 9 9 4 年的四个代表月中，1 月份出现的逆温频率最高。在1 5 0 个样品中，出 现逆温1 4 1 次，逆温频率高达9 4 0 ，其中贴地逆温频率达7 7 3 。贴地逆温约 在1 9 时形成，厚度5 0 米左右，次日晨5 7 时厚度可达2 0 0 米，强度达2 o l o o m 。根据逆温层出现的高度、频率及市区污染源高度分析，影响本市大气污染 物扩散主要是第一、二逆温层，其中又以底高小于3 0 0 米的逆温层为主。 南京理工大学硕士学位论文 3 2 污染源 石家庄市环境监测中心在1 9 9 4 年调查了空气中s o 。污染的来源。在这次调查 中把整个城市分为1 3 4 个l k m x k m 网格。通过现场审计和监测获得了这些网格 中s o 。的污染源排放的详细资料，表3 2 列出了每个网格的调查结果。 s o 。的污染源被分为四类：工商业污染源、居民区污染源、服务业污染源和运 输业污染源。其中，居民区污染源是s o ：污染物的主要贡献者，这是由于人口密 度高，冬季取暖耗煤量高决定的。石家庄市许多工业，它们大多数使用煤和含硫 都很高的重油作能源。这也导致s 0 。大量排放，相比较服务业和运输业排放较少 的s 0 ：m 1 。 考虑网格所在功能区的不同以及主导风向的影响，将石家庄市区划分为六个 部分( 图5 1 1 ) ，每个子箱体都包含多个网格。这样划分构成的模型符合三维多 箱模型在空间上的设计。第一层j 子箱体中，s o ：的平均排放速率可由式3 2 1 计算。 q 尸m 。x1 0 9 ( s x t )( 3 2 1 ) 式中： o j = 第一层j 子箱体中，s o 。的平均排放速率( m g m 2 s ) ，j = l ，4 ，7 ，1 0 ，1 3 ，1 6 ： 留氓掣瓣蛹艇枯。蜊 删辎端。o瓣匿臻稞蛉悟趟搽博踩螫米廿葛oh n 憾 似袋掣扑书匿扑kh剧慢证 南京理工大学硕士学位论文 m i = 第i 个网格中，s o ：的采暖期排放量( 吨) ： s ：第一层j 子箱体的面积( m 2 ) ( 图5 i 1 ) ： t = 采暖期的持续时间( s ) ，t = 7 7 7 6 1 0 6 s 。 表3 3 列出了基于1 9 9 4 年1 月污染源调查的地面第一层六个子箱体中s o 。 的平均排放速率。 表3 3地面层各子箱体s 0 。排放速率 注：排放速率的单位为m g m 2 s 3 3 大气稳定度 大气稳定度是指整层空气的稳定程度，是由垂直方向的温度梯度决定的。它与 大气污染状况有密切关系，大气处于不稳定状态，湍流和对流充分发展，扩散稀 释能力强；大气处于稳定状态，出现逆温层，湍流和对流不容易发展，污染物不 容易扩散，易形成大气污染。受到大气稳定度直接影响的参数是扩散系数、混合 层高度、平均风速等。 目前大气稳定度的确定方法体系主要有吕查得松数法( r ic h a r d s o n ) 、帕斯 奎尔( p a s q u i l ) 法、特纳尔法( t u r n e r ) 、斯莱得分级法、布鲁克海汶法 ( b r o o k h a v e n ) 、田纳西法( t e n n e s s e e ) 、森佩西法( s e n p a s s e y ) 等。目前普遍使用 的是帕斯奎尔( p a s q u i l ) 法。另一种是由湍流量测量风速脉动量及其相关时间的 湍流量确定法，它主要用于复杂天气形式下的大气稳定度分类的研究“。 本文采用中国现有法规中推荐的修订帕斯奎尔稳定度分类法计算。将大气分 为强不稳定( a ) 、不稳定( b ) 、弱不稳定( c ) 、中性( d ) 、较稳定( e ) 、稳定( f ) 六个 级别。由太阳高度角、云量、云高确定辐射等级，再由辐射等级和地面风速确定 1 4 宴室堡三查兰堡主堂壁堡苎 稳定度级别。由于风速稳定度联合频率不仅是分析地区气象特征的重要依据，也 是计算长期平均浓度必须的数据。 表3 4 歹l j t t l 了研究区域1 9 8 9 1 9 9 4 年风速、大气稳定度联合频率月变化情况。 表3 4风速大气稳定度联合频率 旦笪墨鎏! 二! 二! ! 二! 1 002 6 900 09 0 l1 1 6 91 7 3 4 1 0 1 905 5 600 06 7 29 0 11 0 3 5 广 2 o 一2 90000 2 7 04 1 74 0 45 7 8 3 0 4 900 08 8 101 8 81 7 40 5 0 5 9o0oo o0 4 000 鱼! qqqqqq 坠：墨垒qq 1 oo 7 06 6 6o005 1 86 1 11 0 1 4 1 0 - 1 90 9 74 7 20004 8 66 9 55 9 7 2 0 - 2 902 7 8 06 1 104 5 83 9 35 2 8 3 0 4 9006 8 14 7 204 4 53 7 5 0 5 0 - 5 90001 3 901 5 30 0 鱼：qqqqqq ! ! 垒星：曼鱼qq 6 0000000 2 700 6 o9oo000 5 400 表3 4 列出了研究区域内一年中的稳定度以稳定类( e 、f 类) 居多，其次为中 1 5 南京理工大学硕士学位论文 3 4 竖向平均风速和风向频率 本文采用石家庄市机场1 9 8 9 1 9 9 4 年1 月距地面1 0 米的风频和风速数据，计 算竖向平均风速和风向频率。平均风速是大气环境质量中常用的参数。根据混合 长理论，风速与高度之间服从幂指数关系，任意垂直高度处风速按照式( 3 4 1 ) 求解，竖向平均风速按照式( 3 4 2 ) 求解。 u ：= u 。( ) 0 u z o ( 2 ，o o ) ” z - c 4 8 ) w , l 2 h e ( c ( e ) - c 。) w , l 。h 一2 e ( c 。嘞一c 。) w 。h ( l ，+ l ：) 一2 e ( c 。旧一c 。蚴) l 。h ( w 。+ w ：) 一w t l ：v 。( c 。“ 一c 。) 一( w l h u 2 “c o s o c 5 0 + l 2 u 2 “h s i n o c 。“) ( 1 一e “”) = 0( 5 5 1 5 ) l 2 h u 3 6 s i n o c l 2 ( e ) + w l h u 3 6 c 3 。c o s o w l h u 3 6 c o s 0 c 6 。一l 2 u a ( e ) h s i n o c ( e ) - e ( c 6 ”一c 6 6 ) w , l 2 h 一2 e ( c 。”一c 。6 ) w t h ( l 。+ l 2 ) - 2 e ( c 6 。一c 。2 5 ) l 2 h ( w + w 2 ) 一( w 。h u 。6 c o s o c 。( e ) + l 2 u a ( e ) h s i n o c 。“) ( 1 一e “”) = o( 5 5 1 6 ) l i h u l 5 s i n o c t a ( e ) + w 2 l l q 7 + w 2 h u i ( e ) c o l c o s o w 2 h u i ”c o s o c 7 ( e ) - 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