（环境工程专业论文）乐山大气边界层特征模拟研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 于两要 随着城市和工业的发展，环境保护逐渐成为建设工作中必须优先考虑的 问题。不同的气象条件下，同一个污染源造成的地面污染浓度可相差几十倍 至几百倍，这是由于大气的扩散稀释能力因气象条件的变化而发生巨大改变 所造成的。空气污染物主要在大气边界层中扩散，大气边界层的相关特征就 决定了污染物在大气中的扩散能力，目前来说，边界层研究的方向已转向非 均匀或复杂下垫面( 如性质非均匀分布的下垫面边界层特征，现代城市大气 边界层特征) 。 城市是人类活动的中心，该地区人口和建筑物密集，下垫面特性最活跃， 及其复杂。工商业集中和交通运输繁忙，湍流消耗最大，还有大量人为热源、 人为水汽源，尘粒和各种微量气体以及空气污染物排放至大气中，因此，城 市地区上方的大气输送扩散是典型多维、多尺度的中尺度大气扩散问题。 对一个区域而言，空气中的污染物受气象因子的抬升、清洗、输送后其 分布规律不但与污染源的位置、规模有直接的关系，更与气象场之间有着必 然的联系。边界层受下垫面特性的强烈影响，在水平和铅直两个方向形成特 殊的风场和温度场，加上下层建筑物和水体的影响，污染物扩散规律非常复 杂。 本文选择下垫面参数较为复杂的城市群一乐山作为代表，采用目前流 行的模型m m 5 对其大气扩散因子进行模拟，由气象场的分布规律来分析污 染物扩散规律，为环境规划决策与空气污染控制提供参考和建议。 关键词：城市群；m m 5 ；边界层；数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第f i 页 a b s t r a c t a st h eu r b a n i z a t i o na n di n d u s t r yp r o g r e s s e s ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nh a s b e c o m et h ep r i o rc o n s i d e r a t i o ni nc o n s t r u c t i o n i nd i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n ， t h el a n dp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o nc a u s e db yt h es a m ep o l l u t i o ns o u r c ec a nr a n g e f r o mt e n so ft i m e st oh u n d r e d so ft i m e s ，t h er e a s o no fw h i c hi st h ed i s p e r s i n g a n dd i l u t i n g a b i l i t y o fa i rw o u l dc h a n g e g r e a t l ya s t od i f f e r e n tw e a t h e r c o n d i t i o n s t h ed i s p e r s i o no fa i rp o l l u t a n t sh a p p e n sm a i n l yi nt h eb o u n d a r y l a y e ro fa i r ，t h e r e f o r e ，t h er e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fa i rb o u n d a r yl a y e rh a s d e t e r m i n e dt h ed i s p e r s i o na b i l i t yo fa i rp o l l u t a n t s c u r r e n t l y ，t h es t u d yo fa i r b o u n d a r yh a st u r n e di n t ot h eu n e v e no rc o m p l e xu n d e r l a y i n gs u r f a c e ，l i k et h e u n d e r l a y i n gs u r f a c eb o u n d a r yl a y e rw i t hu n e v e n l yd i s t r i b u t e dc h a r a c t e r i s t i c s ， t h ea i rb o u n d a r yl a y e ro fm o d e r nu r b a n s t h ec i t yi st h ec e n t r eo fh u m a na c t i v i t i e s ，t h es t u d i e dr e g i o nh a sd e n s e p o p u l a t i o na n dc o n s t r u c t i o n ，w h e r et h eu n d e r l a y i n gs u r f a c eo fa i ri sv e r ya c t i v e a n dc o m p l e x w i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fi n d u s t r ya n db u s i n e s s ，a n db u s y t r a n s p o r t a t i o n ，t h ec o n s u m i n ga m o u n to fo n f l o wi st h eb i g g e s t b e s i d e s ，t h e r e a r eal o to fh e a ta n ds t e a mr e l e a s e db yh u m a n ，a n dal o to fd u s ta n dv a r i o u st r a c e g a s e sa n da i rp o l l u t a n t sa r er e l e a s e di n t ot h ea i r ，t h e r e f o r e ，t h et r a n s p o r t a t i o n a n d d i s p e r s i o n o fa i ra b o v et h e c i t y l a n di sat y p i c a lm u l t i d i m e n s i o n a l ， m u l t i s c a l ed i s p e r s i o np r o b l e m a st oac e r t a i nr e g i o n ，t h ed i s t r i b u t i o np a t t e r no fa i rp o l l u t a n t st h r o u g h l i f t i n g ，c l e a n i n ga n dt r a n s p o r t a t i o nb yw e a t h e rf a c t o r sn o to n l yh a sad i r e c t r e l a t i o n s h i pw i t ht h ep o l l u t i o n s o u r c ea n ds c a l e ，b u ta l s oh a sac e r t a i n r e l a t i o n s h i pw i t ht h ew e a t h e rf i e l d a st h eb o u n d a r yl a y e ri ss t r o n g l ya f f e c t e db y u n d e r l a y i n gs u r f a c e ，as p e c i a lw i n d f i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l da r ec a u s e d h o r i z o n t a l l ya n dv e r t i c a l l y ，p l u s ，t h eb o u n d a r yl a y e ri sa f f e c t e db yb o t t o m a r c h i t e c t u r e sa n dw a t e rb o d y ，t h ep o l l u t a n td i s p e r s i o np a t t e r ni sv e r yc o m p l e x t h i st h e s i sc h o s el es h a nc i t yg r o u pw h i c hh a sa nu n d e r l a y i n gs u r f a c ew i t h c o m p l e xp a r a m e t e r sa sar e p r e s e n t ，a n dt h em m 5m o d e li sa d a p t e dt os i m u l a t e t h ea i rd i s p e r s i o nf a c t o r s t h r o u g ht h ed i s t r i b u t i o np a t t e r no fw e a t h e rf i e l d ，t h e d i s p e r s i o np a t t e r no fp o l l u t a n t sw a sa n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e dar e f e r e n c ea n d s u g g e s t i o n f o re n v i r o n m e n t p l a n n i n gd e c i s i o n m a k i n g a n da i r p o l l u t i o n c o n t r o l l i n g k e yw o r d s ：c i t yg r o u p ；m m 5 ；b o u n d a r yl a y e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论事| ：作者签名槲 日期：乙眸s a 爿日 指导老师签名 日期：姊又对 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、近年来，随着空气污染的加剧，空气污染问题已经受到各方面的重视。 从最小范围的污染到全球性的污染都时刻影响着人类的生存和发展。在多数 情况下，排放进入大气层的污染物质总是被不断的输送、稀释、清除，正是 由于大气的输送和稀释作用，使得污染物浓度逐渐降低，直至被完全清除。 但大气稀释扩散与输送率随时空变化很大，受多种因素支配，这是一个复杂 的问题。有时大气自然通风与输送很有限，环境空气质量会受很大损害，有 时甚至会使相当大的范围受到污染并造成危害，污染物排放到大气当中，是 否会造成比较严重的污染与气象条件关系非常密切，也就是说大气对污染物 的输送、扩散能力强烈地依赖与气象条件。从这个意义上说，要研究和解决 空气污染问题，首先要从研究气象条件对污染的影响入手。 2 、因为中尺度大气扩散的复杂性和技术处理的困难，由中尺度支配的中 尺度扩散问题尤显复杂，中尺度运动难以用气象观测结果来分析，因为时空 分辨率明显不够；中尺度运动涉及下垫面地形和热力结构特征，难以精取定 量模拟；属于中尺度运动的城市环流、地形环流和封面系统均有十分复杂的 结构和变化特征，虽然是当今大气模拟研究的前沿和热门领域，但尚不成熟。 本文对乐山的边界层进行数值模拟研究分析，旨在通过边界层流场模拟来分 析空气污染的扩散规律。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责 任将由本人承担。 学位论文作者签名：删 日期：琳； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 宣萱宣i i i i i i i i i i i i _ i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 第1 章绪论 近年来，随着空气污染的加剧，空气污染问题已经受到各方面的重视。从 最小范围的污染到全球性的污染都时刻影响着人类的生存和发展。在多数情况 下，排放进入大气层的污染物质总是被不断的输送、稀释、清除，正是由于大 气的输送和稀释作用，使得污染物浓度逐渐降低，直至被完全清除。但大气稀 释扩散与输送率随时空变化很大，受多种因素支配，这是一个复杂的问题。有 时大气自然通风与输送很有限，环境空气质量会受很大损害，有时甚至会使相 当大的范围受到污染并造成危害，污染物排放到大气当中，是否会造成比较严 重的污染与气象条件关系非常密切，也就是说大气对污染物的输送、扩散能力 强烈地依赖与气象条件。从这个意义上说，要研究和解决空气污染问题，首先 要从研究气象条件对污染的影响入手。 1 1 大气边界层的概述 地球大气在垂直方向上分成五个层次，即对流层、平流层、中间层、暖层 和逃逸层。对流层处于地球大气圈的最低层，其下界与地面相接，上界高度随 地理纬度和季节而变化。在低纬度地区平均高度为l7 18 k m ，在中纬度地区 平均为1 0 l2 k m ，极地平均为8 9 k m ，夏季高于冬季【2 】。在对流层中，气温 随高度升高而降低，平均每上升1 0 0 m ，气温约降低0 6 5 。由于受地表影响 较大，气象要素( 气温、湿度等) 的水平分布不均匀，空气有规则的垂直运动 和无规则的乱流混合都相当强烈，上下层水气、尘埃、热量发生交换混合，由 于9 0 以上的水气集中在对流层中，所以云、雾、雨、雪等众多天气现象都发 生在对流层。 根据温度、湿度以及气流的运动特点，对流层又可以分为三层，即对流上 层、对流中层和对流下层。对流下层是从地面到1 2k m 的一层受地面起伏、 干湿、冷暖的影响很大，整个大气层与地球表面邻接的边界区域，因此又被称 为摩擦层、大气边界层( a t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e r ，以下简称a b l ) 。由于受 地表热力和摩擦力的影响，边界层内的气象要素分布和变化规律与高层的自由 大气不同，气温、气压等气象因素随日夜变化显著1 2 1 。 大气边界层集中了约7 5 的大气质量和9 0 以上的水汽质量，由于水汽和 污染物含量很高，边界层内大气的变化过程和状况，对气候的稳定和变迁，对 污染物的扩散和清除，对人类的日常生活和经济生产活动，有着极为重要的影 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 响。 在大气边界层中，气象要素分布具有一定的特点，如近地面层的气温、水 汽含量和风速的铅直梯度特别大；风速随高度变化有其特殊规律等等。边界层 的大气，既要受气压梯度力、科里奥利力和湍流粘性力的作用，又要受地面的 摩擦作用和由辐射引起的温度分布不均匀性的影响，运动非常复杂，具有涡旋 和可压缩流体的湍流特征1 6 2 】；大气边界层物理的主要内容包括：大气边界层中 的湍流特征；边界层中各物理量( 如动量、热量、水汽等) 的湍流输送，气溶胶、 二氧化硫、二氧化碳等的湍流扩散；大气边界层内风、温度、湿度等气象要素 的铅直分布及随时间的变化规律；大气边界层的辐射传输，以及蒸发、霜、露 等诸天气现象等问题【6 2 1 。 大气边界层又称行星边界层，通常是指大气的最低部分，受下垫面的直接 影响，并与下垫面相互作用的气层【2 】。大气边界层是地球与大气之间动量、能 量和各种物质( 水汽、二氧化碳和其他温室气体及各种大气污染物) 上下输送 的纽带，地表提供的物质和能量主要在大气边界层内消耗和扩散。并且，一些 重要的天气现象，如降水，雾，霜等特别是人们熟知的沙尘暴、暴雨等突发性 气象灾害的形成大多与大气边界层过程密切相关【2 】，更重要的是，人类的生产、 生活等活动主要发生在这一层，随着城市化的进程，大气边界层中各种气象条 件发生着复杂的变化【35 1 ，对全球气候的稳定和变迁，对污染物的扩散和清除， 对人类的日常生活和经济生产活动，有着极为重要的影响。 在局地扩散中，空气污染物的稀释主要由于湍流扩散。尽管水平输送风和 湍流在垂直方向会有变化，但取一级近似，可认为是稳定和水平均匀的，在这 样的大气条件下，简单的半经验扩散模式例如高斯烟流模式可以成功地应用在 平坦下的小尺度扩散处理中。到了中尺度的时间和空间尺度，由中尺度地形非 均匀性和土地使用类型非均匀性( 常称为复杂地形) 引起的热力和动力因子使 大气运动复杂多样，所以稳定均匀的近似就不能再运用。同时如果这种不均匀 性越显著，还会产生局地流场，例如海( 湖) 陆风、山谷风以及城市热岛环流。 由于地面摩擦和天气尺度水平温度梯度，大气低层总是存在垂直切变的。 由于地形或天气尺度的强迫而诱生的中尺度环流可以产生垂直切变或水平切 变以及不同的平流输送。水平扩散可以由垂直切变而增强。而在近距离扩散中 这种由于切变而增强的扩散往往可以忽略不计。以致在中远距离的扩散中，切 变过程往往可以是水平扩散的主导物理过程。 水平扩散与垂直扩散的相对重要性是中尺度扩散和近距离扩散的重要差 异之一。在近距离内，如小于l o k m ，在中性和不稳定状态下，垂直和水平扩 散是相当的。一旦痕量气体在整个边界层厚度内混合，则进一步的稀释只能是 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由水平扩散增强或者其它中尺度对流系统以及大尺度辐合过程和地匝沉积等 的输运所改变。而在稳定层结条件下，垂直运动则会被浮力所抑制，而水平运 动则没有这种限制。因此在稳定层结条件下近距离扩散和中尺度大气扩散中水 平扩散都占了主导地位。 从大气动力学方面而言，大气科学的一个重要应用是天气和气候的预测， 在当前数值模拟和预报是大气预报的主流方向。现在模式结构越来越细，动力 学框架越来越精确，物理过程考虑得越来越全面，这都需要对边界层的描述更 为精确【5 】。与国民经济有关的很多问题也要依靠边界层的知识来解决，如水库 建设的设计，蒸发量的估算，农田小气候中各要素的计算，农田水利建设、防 护林的营造，风能利用、土木建筑中的风振、风压等问题都要应用大气边界层 的研究成果。大气污染防治问题更是与大气边界层息息相关，大气污染防治中 需要定量计算一定的污染源造成污染物的浓度分布与时间演化，这就需要以边 界层的湍流状态和大气边界层的运动规律为依据。此外，大气边界层中的过程 是整个大气变化过程的一个重要环节，对天气、气候有重要影响，因而对天气、 气候进行模拟和预报都要考虑到边界层内的过程，所以对大气边界层的深入研 究有助于精确天气、气候模式的发展【6 2 】。 总而言之，大气边界层不论对人类自身的发展、国民经济，还是大气科学 本身都具有极其重要的意义。 1 2 国内外研究现状 大气边界层研究以湍流理论为基础。19 15 年t a y l o r 1 5 】首先提出大气中的湍 流现象，奠定了湍流统计理论的基础。19 0 5 年e k m a n l l 6 】从地球流体力学角度 提出了著名的e k m a n 螺线，并在此基础上形成了行星边界层的概念。l9 6 1 年， b l a c k a d a r 1 】引入混合长假定，用数值模式成功得到了中性大气边界层具体的 风矢端的螺旋图像。 从2 0 世纪5 0 年代开始，农业、航空、大气污染和军事科学的需要，掀起 了大气边界层研究的高潮。由于近地层是与人类生活最密切的一层，对该层的 研究需求也最迫切，并且对该层的观测相对也比较容易实现，因此大气边界的 研究最初在近地层得到了优先发展。19 5 4 年m o n i n 和o b u k h o v 1 8 】提出了具有 划时代意义的m o n i n - - o b u k h o v 相似性理论建立了近地层湍流统计量和平均 量之间的联系。l9 8 2 年，d y e r 等【6 】利用19 7 6 年澳大利3 亚国际湍流对比实验 ( i t c e ) 对其进行完善，使得该理论有了极大的应用价值。l9 7 1 年w y n g a a r d 2 0 】 提出了局地自由对流近似，补充了近地面层相似理论在局地自由对流时的空 白。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 宣i i i i i i i i i i i i i i i , , m mi ii iii：- - 中尺度大气数值模式和模拟在8 0 年代已相当发展b 引。进入9 0 年代，一些 中尺度模式和模拟系统已发展得相当先进【2 引，并在世界范围广为使用【6 6 1 。最近 几年，随着计算机技术的迅速发展，一些发达国家的中尺度模式模拟系统已进入 实时运行阶段【6 6 】。在近2 0 年时间内，中尺度大气数值模式和模拟能有如此迅速 的进展，不仅由于计算机和观测技术的快速发展，而且也是模式研究者把大气动 力学理论和数学物理的发展密切结合的成果。 自5 0 年代中期研制出有实用价值的数值天气预报模式之后，四十多年来， 大气数值模拟和预报已在大气科学各个领域迅速发展，在这方面一个十分活跃 且具有挑战性的分支，就是中尺度大气数值模式和模拟系统的建立【6 。中尺度 大气数值模拟技术在二十世纪8 0 年代已有相当的发展，进入9 0 年代，一些中 尺度模式和模拟系统已发展得相当先进并在世界范围内广为使用。如美国国家 环境预报中心( n c e p ) 的业务预报中尺度模式e t a ( e a r l ye t a ，m e s o e t a ， e t a 1 ) 【2 2 ，2 3 1 ，科罗拉多州立大学( c s u ) 的区域大气模拟系统r a m s 2 4 , 2 5 1 ， 俄克拉何马大学( u o ) 的先进区域预报系统a r p s t 2 6 1 ，海军舰队数值气象和海洋 中心( f n m o c ) 的耦合海洋大气中尺度预报系统c o a m p s 5 】，英国气象局业 务中尺度模式u k m o 【2 引，加拿大中尺度可压缩共有模式m c 2 t 6 1 ，法国中尺度 非静力模式m e s o n h 模式【3 l ，日本区域谱模式j r s m t 8 l 等。 现有的中尺度模式可以分为两类：静力模式和非静力模式。静力模式在对 中q 尺度系统发生和发展的模拟研究中有着广泛的应用，如r a m s 及m m 4 等均属此类。这类模式通过大量个例的实验和检验，以及业务化使用，得到不 同程度的改进，尤以美国国家大气研究中一l 二, ( n c a r ) 和美国宾州大学( p s u ) 系列 在各国气象模拟和天气预报中应用最多。m m 4 中尺度数值模式模拟系统始建 于a n t h e s 和w a r n e r 最初提出的一个流体静力原始方3 程模式，后经n c a r 和 p s u 许多科技工作者的应用及发展，成为一个主要供研究用的复杂模拟系统， 并在世界各国广为使用。但m m 4 中仍存在一些问题需要进一步改进，如积云 参数化、行星边界层、辐射参数化等物理参数化过程及某些复杂的中、小尺度 天气系统和强对流天气现象的研究，已不再满足流体静力平衡假设，因而需要 用非流体静力模式来研究这些天气现象。非静力模式包括u k m o 、a r p s 等， 目前，国内外流传较广、发展的较完善、最具有代表性的为在m m 4 基础上发 展的新一代中尺度非流体静力模式一m m 5 。m m 5 ( m e s o s c a l em o d e l5 ) 具有 多重嵌套能力、非静力动力模式以及四维同化的能力，并能在计算机平台上运 行，来模拟或预报中尺度和区域尺度的大气环流。特别是它的非流体静力模式， 可以满足中1 3 ( 2 0 - - 2 0 0 k m ) 和中y 尺度( 2 2 0 k m ) 强对流天气系统演变的 模拟需要。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 m m 5 作为新一代中尺度模式中的先进代表，具有较高的空i 日j 分辨率，物 理过程也越来越完善、复杂，加之由于遥感资料的增加，资料的四维同化和分 析理论、技术的突破性进展，其精确度正逐步提高，已广泛应用于研究世界各 地的各种大气现象，并为质量模式提供可靠的气象场输入。当前，m m 5 所取 得的研究进展主要表现在以下几个方面：( 1 ) 全球各地可设置使用m m 5 设置 了三种地图投影方式，可任选来满足全球不同纬度地区数值模拟的需要。并提 供了分辨率可变的地形高度和地表分类资料，包括新的全球3 0 s 地形资料，满 足不同下垫面精度的要求。 ( 2 ) 灵活易变和多重嵌套性能 m m 5 模式中能设置从全球尺度到云尺度的多重嵌套运行，可任意选择双 向或单向运行模式。在计算中可以移动嵌套，并可实现嵌套区域在任意时刻的 开启或关闭。 ( 3 ) 实时资料的输入 可采用日常观测，如高空和地面报告，或其它模式的输出资料作为客观分 析的第一猜值场或侧边界条件。m m 5 已实现同全球模式或其它区域模式的耦 合，提高了模式输入的准确度。 ( 4 ) 先进的物理过程参数化 每种参数化方案中都包含有多种备选方案，可根据网格距的大小灵活选 择，以便考虑不同尺度下大气的物理、化学变化特征。 ( 5 ) 大规模并行多处理机( m p p ) 的迅速发展 m p p 的发展增加了存储空间，极大的加快了资料的处理速度，提高了模式 的计算效率，并为发展更复杂的物理过程提供了前提条件。 综上所述，m m 5 中尺度气象模式对区域的模拟已成为可能，工作站已能 有效地运行，同时，已有事例的高分辨模拟也证实了该模式能够提供区域中尺 度系统演变的动力机制和结构特征。未来，m m 5 模式的发展主要集中在： ( 1 ) 参数化方案的选择m m 5 模式系统中集中了大量的参数化方案，如积 云参数化方案、行星边界层方案、显式水汽方案以及辐射方案等，各方案的适 用条件如何? 方案间的相关性怎样? 以及如何检验不同的方案和方法成为未 来研究的重点。 ( 2 ) 进一步完善m m 5 和空气质量模式的结合区域空气质量在很大程度上 受气象条件的影响，利用空气质量模式进行预报时，必须考虑气象因子的作用。 由于气象常规观测资料的密集程度，尤其是探空观测站点往往相距3 0 0 公里以 上，满足不了中尺度模式的分辨率要求，因此相对于利用实测资料诊断给出气 象场来说，利用m m 5 的输出结果将使气象要素的连续性和平滑性得到保证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 1 目自订，m m 5 已用于多种空气质量模式中，如c a l p u f f 、m o d e l s 3 、c a m x 等， 如何进一步使m m 5 与空气质量模式相结合，建立起适应于国内区域空气质量 研究的完整空气质量模拟系统，成为当务之急。 ( 3 ) 发展适用于m p p 环境下高效运行的新一代中尺度模式系统 这种模式应能体现近年来中尺度模式中已发展或正在发展的先进的模式 动力学、高效而稳定的计算方法、复杂物理过程的细致处理、现代的四维变分 资料同化( 4 d v a r ) 方法。具体地说，新一代的中尺度模式应该是：非流体静 力模式动力学和适合大规模并行计算的最佳框架结构体系；最佳的适合大规模 并行计算的方法( 如谱方法、有限元法、差分法等) 以及相应的时间积分方法 ( 如半拉格朗同、半隐式时间积分方案) 。在湿物理过程处理中，对隐式对流 方案应进一步发展网格距在2 - - 一2 0 k m 间更合理的积云对流参数化方案，对显 式云微物理过程应发展包括霰和雹的混合相双变参数谱方案：对边界层和近地 层物理过程处理，应发展二阶或三阶湍流闭合方案以及多层土壤模式；对大气 辐射参数化，应侧重考虑水汽、云、云水、云冰、二氧化碳、沙尘和气溶胶等 对长波辐射和短波辐射的影响，也可引入先进的全球模式或气候模式中的辐射 参数化方案；对资料同化，必须在解决具有很强非线性和不连续的模式物理过 程问题的基础上，用真实的全物理过程预报模式来发展4 d v a r 同化方法和同 化系统。最后，建立一种灵活、高效并适用于各种计算机平台环境的大气模式 和模拟系统。这样的系统既可用于区域业务数值天气预报，也可用于中尺度实 时数值天气预报及模拟研究。 1 3 研究的意义 因为中尺度大气扩散的复杂性和技术处理的困难，由中尺度支配的中尺度 扩散问题尤显复杂，中尺度运动难以用气象观测结果来分析，因为时空分辨率 明显不够；中尺度运动涉及下垫面地形和热力结构特征，难以精取定量模拟； 属于中尺度运动的城市环流、地形环流和封面系统均有十分复杂的结构和变化 特征，虽然是当今大气模拟研究的前沿和热门领域，但尚不成熟。本文对乐山 的边界层进行数值模拟研究分析，旨在通过边界层流场模拟来分析空气污染的 扩散规律。 1 4 研究内容与技术路线 1 4 1 研究内容 本研究针对下垫面分布较为复杂的城市群一一乐山，通过使用中尺度气象 模式m m 5 和诊断模式c a l m e t ，经过分析后得出乐山市的气象场的分布规律， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 进而说明乐山市污染物的扩散规律。 1 4 2 研究技术路线 本论文采用现场调查、资料收集、理论对比分析及层次分析及等方式进行， 拟采用的技术路线如下图所示： 图卜l技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章研究区域概况 2 1 乐山市概论 2 1 1 地理位置与行政区划 乐山市位于四川盆地西南的岷江、大渡河、青衣江汇合处。北连眉山市， 东邻自贡市，南接宜宾市，西靠凉山彝族自治州和雅安市。地理坐标介于东经 1 0 2 0 5 5 一l0 4 0 0 0 ，北纬2 8 0 2 5 一2 9 0 5 5 之间，幅员面积1 2 8 2 6 平方公里，占四 川省幅员面积的2 6 4 ，居全省第10 位。全市辖市中区、五通桥、沙湾、金 口河4 个市区，犍为、井研、夹江、沐川4 个县，峨边、马边2 个彝族自治县， 代管峨眉山市( 县级) ，共计11 个区、市、县( 详见图2 2 ) 。乐山市的地理位 置具有重要的生态战略地位，对维系长江上游的生态平衡、保护三峡水利工程 和促进长江流域经济、社会的发展有着重要影响。 2 1 2 地形地貌特点 乐山地处四川盆地西南边缘，地形极为复杂。西南马边县地处大凉山山脉 的小凉山区，最高峰大风项海拔4 0 3 5 米，地势由西南向东北倾斜，山势高峻， 岭谷相问；而峨边西境的马鞍山海拔更是高达4 2 8 8 米，为全市最高峰：此二 县交接带，又有一些海拔l7 0 0 3 0 0 0 多米的高、中山延绵逶迤；西部金河口区 有大瓦山( 海拔3 2 3 6 米) 及峨眉山市境内的峨眉山，在岷江西岸形成对大渡 河的夹持，且至西向东俯视岷江及青衣江。大渡河下游平原与峨眉小平原，形 成山、丘、平原皆具而以大片丘陵为主的格局。岷江东岸井研一带为龙泉山西 南端，其中玉皇顶海拔6 8 6 2 米，为市境东北最高点。其余地带丘陵、平坝相 依相偎，岷江及其支流下游有土地肥沃的小平原。 市中区：地形以丘陵为主，地势大体由北向南倾斜，西南部的大渡河在本 区作东北流向，在水口镇附近与西北流来的青衣江汇合，然后注入北南流向的 岷江。沿江有许多冲积平坝和浅丘地带，由此形成本地区主要农业耕作区。大 多数地带海拔在3 5 0 4 0 0 之间，一般高差在1 0 米左右，地势平坦，个别地带 也有丘陵。 五通桥区：区内总体地势北高南低，域内北、西北至西南、东南有深丘， 东部与中部地区也少有分布。其中，区域西南部太平山海拔6 3 7 米，为区域最 高峰。其余地带一般海拔3 5 0 - 4 0 米，相对高差10 左右，大多为缓坡平坝区 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 域。本区沿江地带有许多冲积平坝。岷江从北面市中区流束，由北而南形成几 个坪坝。在岷江两侧，西岸平坝区水流密布。在东岸平坝和浅丘区，芒溪河接 纳石燕子河经五通桥注入岷江。 图2 - 1 乐山市研究范围地形图 图2 - 2 乐山数字地形图 几h=_二瞰附阻巴 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 沙湾区：本区地形山、丘、半坝地貌类似并具。曲岸有二峨山( 海拔19 0 9 米) 、三峨山( 海拔2 0 2 7 米) 、四峨山。东岸除苦竹包外还有元坝、五显更( 海 拔8 8 3 米) 等深丘地带。三峨山为本区最高峰，平坝浅丘主要在沙湾以北地带。 井研县：井研属于丘陵与低山，地势西北高，东南低。最高点玉皂项海拔 6 8 6 米，最低点海拔3 4 4 米。区域地貌以丘陵为主，约占总面积的8 5 ，海拔 一般为5 0 05 6 0 米，多为中丘，丘间有零星小块平坝分布。低山占总面积的 15 ，集中分布在境内西北部，属于龙泉山脉南端，海拔6 0 0 - - - 7 0 0 米。 夹江县：县境地处峨眉山东北麓，青衣江自西向东南斜贯全境。北岸多为 丘陵和平坝、南岸多为低山。西部海拔10 0 0 米以上山岭为峨眉山脉。全境平 坝、台地、丘陵、低山和低中山、山原、水域地貌，分别占总面积的3 0 、l3 、 2 0 、3 0 、l 、6 。主要河流青衣江及马村和等支流。 峨眉山市：峨眉山市平均海拔17 4 3 米，最高为万佛顶，海拔3 0 9 8 米，最 低为符溪黑桥，海拔3 8 6 米。市境内多山，约占总面积的7 5 ，坪坝区只有 2 0 & ，丘陵区约5 。峨眉山脉为南北走向。境内河流有峨眉河、临江河、符 文河、龙池河，其中峨眉河、临江河为主要河流。 本市气候主要属中亚热带湿润季风气候类，平原和缓丘平坝年平均气味不 低于l6 ，以月平均气温6 3 7 5 ，七月平均气温2 5 7 2 6 7 年降水量可达 l0 0 0 毫米以上，夹江、峨眉、市中区级五通桥等地是翁地内多雨和保育中心之 一。西部山区则属山地气候，海拔8 0 0 米以下尤其是河谷地带气温温和，以上 气温随高度上升而下降，但降水渐增。海拔l5 0 0 米以上地带气候寒冷，多雨 雾，湿度大，霜雪期延长。植被为大片的阔叶林和针叶林。 2 1 3 气候 年降雨量较为丰沛，西北部的夹江、峨眉山市、乐山年平均降雨量l3 0 0 毫米左右，峨眉山市部份年份可达2 0 0 0 毫米以上，其余各地8 0 0 - - - 12 0 0 毫米。 年内各季降水量差异很大，夏季雨量占全年的6 0 ，秋季占2 0 ，冬春两季雨 量偏少。平均暴雨开始期为6 月下旬7 月上旬，平均终日为8 月中、下旬。 我市不仅降雨量偏多，降雨日数亦偏多，连阴雨以秋季最为显著，春季连阴雨 出现机率相对秋绵雨少得多，但危害却比较大。 2 1 4 河流 乐山市境内河流众多，流域面积在l o o k m 2 以上的河流3 3 条，其中流域 面积1 0 0 0 k m 2 以上的2 条。除井研县通江河流入沱江、马边彝族自治县的中 都河流入金沙江外，其余均属岷江水系。岷江系长江一级支流，自市中区悦来 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 入境，经市中区、直通桥区、犍为县至宣宾市与金沙江汇入长江，境内流程 1 2 23 k m 纳大渡河、青衣江于乐山市中心城区附近、茫溪河于五遵桥区、马 边河于犍为县。大渡河系岷江一级支流，自西而入，至乐山城区东南肖公嘴入 岷江境内流程1 7 57 k i n 。青衣江系大渡河一级支流。出央江县入境，至市中 区草鞋渡与大渡河合流，境内流程4 84 k i n 。马边河系岷江支流年均径流4 1 亿m 3 河流大部分在市境内，境内流程1 6 04 5 k i n 。茫溪河系乐山市的境内河 流，发源于井研县，于五通桥区汇入岷江，从地域上看，茫溪河流域属地表径 流的平水区，且径流大部分为降水补给，径流量一年问各季变化幅度较大。在 枯水季节，无降水补给，茫溪河常呈静流或新流状态。 215 经济发展 2 0 0 7 年全市g d p 4 5 2 9 7 亿元，比上年增长1 52 ，增速比上年提高0 7 个 百分点2 0 0 3 - 2 0 0 7 年g d p 及其增长速度见图2 1 ，全市g d p 连续四年增速超 过i o 。2 0 0 7 年，第一产业增加值8 28 6 亿元，增长43 ；第二产业增加值 2 5 1 7 亿元，增长2 0 4 ；第三产业增加值1 1 84 1 亿元，增长1 1 7 。第一产 业增加值占g d p 的比重为183 ，上升08 个百分点；第二产业增加值比重为 5 56 ，上升10 个冉分点；第三产业增加值比重为2 6 1 ，下降18 个百分点。 三次产业分别拉动g d p 增长07 、1 i2 和3 3 个百分点，对经济增长的贡献率 分别为49 、7 34 和2 17 。人均g d p i3 4 7 5 元。 幽2 - 32 0 0 3 2 0 0 7 年g d p 及其增长速度示意幽 2 2 环境质量 近几年，乐山市市中区环境空气中的p m l 0 含量持续减少，从2 0 0 4 年的 o1 1 3 m g m 3 下降到2 0 0 7 年的o 0 9 3 m g m 3 ，降幅为1 8 。s 0 2 、n 0 2 年均值变 化幅度不大，其监测值都远低于国家环境空气质量二级标准要求。总的来说， 乐山市环境空气质量基本保持稳定达标。 里室耋塑查兰鳘圭z 耋兰耋些堡吝墨! ：蚕 各测点的二氧化硫浓度月均值变化如图2 4 所示。各测点p m l 0 浓度, e l 均 值变化如图2 - 5 所示： 酗2 42 0 0 7 年各监测点二氧化硫浓度月均值变化 刚252 0 0 7 年各监测点p m t 0 浓度月均值变化 由各监测点s 0 2 和p m l 0 月均值变化图2 - 4 和图2 - 5 可以看出，备监测点 月均值变化规律基本一致，冬季较高、夏季较低，并且各个监测点浓度变化具 有很好的相似性，这主要是乐山市能耗的时空分布和污染气象特征决定的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章模型的选取和数值模拟方法 3 1 中尺度数大气运动和本次研究模型的选取 3 1 1 中尺度大气运动方程组 任何一种模式的基础都是一些守恒原理，对中尺度大气模式来说，这些原 理是： 质量守恒 能量守恒 动量守恒 水汽守恒 其他气体和气溶胶守恒 驱动大气运动的唯一基本能源是太阳辐射。由于太阳在赤道极低问、大陆 海洋间、山峰山谷间、市区郊区间等等这样一些非均匀加热。 在大气中，中尺度流动过程是相当复杂的，很多尺度的运动对中尺度能量 都有贡献，中尺度大气运动既包括静力运动也包括非静力运动，非静力运动尺 度可以从几米到几十公里，时间尺度可以从几分钟到几小时，静力运动尺度的 幅度其量级比非静力运动大。用数值模式模拟大气环流，必须把与其相关的能 量转换和输送包括在数值模式中。但要考虑到模式可分辨的运动尺度与模式不 可分辨的那些小尺度运动之间的关系，对于那些模式不可分辨的，但对能量变 化却又具有重要影响的较小尺度过程，则要进行参数化。 污染物进入空气中，是以大气作为载体而发生的迁移、扩散、衰减等一系 列变化的，因而要描述空气中该污染物污染的浓度，必须首先要了解大气的运 动变化规律。描述大气运动变化规律的主要物理有：动量、能量、质量，大气 运动一般遵从如下规律： 詈卸v 旷一古v 尸谚2 枷 ( 3 - 1 ) - 皇2 ：一v p 矿 o t ( 3 - 2 ) 署卸舢蝇 ( 3 - 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 鲁卸册。慨 ( n = l ，2 3 ) ( 3 - 4 ) 鲁= - f t v x + s x m ( m - 1 ，2 ，3 ) ( 3 5 ) 方程( 3 1 ) 至( 3 5 ) 分别是动量运动方程、连续性方程、热力学能量方 程、水汽守恒方程和其它气体及气溶胶物质守恒方程。其中) 口表示热量源汇项； 6 吼代表水相变过程中的源汇项；x 是指除水物质以外的任一种化学物质，而 激m 则是这些物质的源汇项，q 为地球自转角速度。 原始方程组基本上是一个非线性方程组，它们包含着有关大气运动和输送 在各种尺度上的波动和信息。对这种方程组至今仍不知道精确积分数学方法； 而且现实的观测系统还不能分辨或确定对大气动能及输送有贡献的所有大气 运动尺度。这正是大气湍流还未研究透彻的地方。湍流是叠加在平均运动上的 脉动，因此，解上述方程组的基本思路就是将瞬时物理量变成平均量加脉动量。 对任一变数妒分解为总体平均场和次网格扰动场 伊2 缈+ 缈。 ( 3 - 6 ) 这里定义伊为： 歹2 五：面1 j + 出f + 止r + 缈r + 缸删x e y d z a t ( 3 7 ) 这表明在f 较小和相对均匀的平均场中，普遍化总体平均简化为格体平均。 这种平均使得次网格尺度扰动含解的非流体静力部分，而可分辨尺度则可用流 体静力假设准确表示。这样模式的非流体静力分量的影响将被参数化，而流体 静力部分将被显示求解。 应用( 3 - 6 ) ，则方程( 3 1 ) 按( 3 - 7 ) 格体平均后为： 未( 矿+ 一( 矿+ 丢( 矿+ 门一( 矿+ 丢( 矿+ 一( 万+ w ) l ( 万+ ur ) o x 一( f f + 口7 ) 2