（环境科学专业论文）气象、地形数据参数在大气环境影响预测模式中的应用及研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n t a l i m p a c tp r e d i c t i o nm o d e lo ft h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t a s s e s s m e n ti sa l li m p o r t a n tc o n t e n tf o ra c c u r a t e l ye v a l u a t ep r o j e c ti m p l e m e n t a t i o na f t e rt h e s u r r o u n d i n g s ，n e e dt oa d o p tt h er i g h ta t m o s p h e r i cf o r e c a s t i n gm o d e l p r e v i o u sa t m o s p h e r i c g u i d e l i n ef o rg a u s sd i f f u s i o nm o d e lr e c o m m e n d e dm o d e l ，a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a li m p a c t a s s e s s m e n ti nt h ew h o l ei n v o l v e di nm e t e o r o l o g y , c o m p l e xt e r r a i n ，o n l yo nd i f f e r e n ts t a b i l i t y a n dr u g g e ds m o k ef l o wu n d e rg r o u n dh e i g h td i f f e r e n c ed oe x p e r i e n c eb e t w e e na e r m o d r e v i s e d ，t h r o u g hs t u d y i n gt h ep r e d i c t i o nm o d e la n ds p e c i f i cp r o j e c ta n a l y s i s ，f o u n dt h a t p o l l u t i o nm e t e o r o l o g y , c o m p l e xt e r r a i na n a l y s i si st h ea t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a li m p a c t a s s e s s m e n tw o r k i n gt h ei m p o r t a n tc o n t e n t 一 t os o l v et h i sp r o b l e m ，i nt h et e c h n i c a lg u i d e l i n ef o re n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n to f a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t ( h j 2 2 2 0 0 8 ) ，u n d e rt h eg u i d a n c eo fg a u s s i a np r e d i c t i o nm o d e la n d a n a l y z e dt h et h e o r e t i c a lb a s i so fa e r m o dp r e d i c t i o nm o d e l ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h eg a u s s i a n p r e d i c t i o nm o d e li sd i f f e r e n tb a s e do n19 6 0 s 19 7 0 sa t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e rt h e o r y , i s b e h i n dt h ec u r r e n ti n t e r n a t i o n a lm a i n s t r e a me n v i r o n m e n tq u a l i t y p r e d i c t i o nm o d e lo ft h e 。19 8 0 s - 19 9 0 sa p p l i c a t i o no fa t m o s p h e r i cb o u n d a r y l a y e rt h e o r y m e a n w h i l ea e r m o d p r e d i c t i o nm o d e lb yc e n t r a lh e a t i n gp r o j e c ti nh a r b i nd e v e l o p m e n tz o n eo fs 0 2p o l l u t i o nf a c t o r t om a k er e s e a r c ha n da n a l y s i s ，u s i n gs i n g l ep o l l u t i o ni n d e xc a l c u l a t i o nm e t h o d ，f r o mw e a t h e r , t e r r a i np a r a m e t e r so ft w op a r a m e t e r so ft h ep r i n c i p l e ，m o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t s ，m o n i t o r i n g f r e q u e n c y , m o d er e l a t e dp a r a m e t e r st ov e r i f ym e t e o r o l o g y ，t e r r a i np a r a m e t e r si na t m o s p h e r i c f o r e c a s t i n gm o d e l so fp o s i t i o na n dv a l u e i na t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n ti m p a c ta s s e s s m e n t c o n c l u d e di nc o n s i d e r i n gp o l l u t i o nm e t e o r o l o g y , c o m p l e xt e r r a i nf a c t o r sg a i n sf r o mt h e p r e d i c t i o nr e s u l tw h e nt h a nh a v e n tf u l l yc o n s i d e rm e t e o r o l o g y , t e r r a i nf a c t o r sm o r ep r e c i s e t h i sp a p e ra l s ot h ea t m o s p h e r i cp o l l u t i o nf a c t o ro nt h ep r o j e c ts 0 2m a k e p r e d i c t i o n sa n d c a l c u l a t e d ，t h es h a r er a t eo fs 0 2f e n z h i s h u , f u l l yc o n f i r m e dt h a ti n v o l v e sw e a t h e r ，t e r r a i n f a c t o r sm u s tb ec o n s i d e r e dw h e na t m o s p h e r i cp o l l u t a n t s ，b yw i n d ，t u r b u l e n t ，t e m p e r a t u r e g r a d i e n t ，d r ys e t t l e m e n t ，w e ts e t t l e m e n t ，c h e m i c a lc h a n g e s ，t h ed i f f u s i o np r o c e s sf a c t o r s i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h es p e c i f i ce v a l u a t i o np r o c e s sa n a l y s i si nt h ef u t u r e t h e g i s to fa n ds u g g e s t i o n s o nt h ef o r e c a s tm e t h o d s ，m u s te n s u r ea c c u r a t e ，o b t a i n e d q u a n t i t a t i v e l yt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to fp r o j e c t ，a n da tt h es a m et i m e ，t h es c o p ea n de x t e n t w i l lh a v ec e r t a i nd e p t ha n dh i g h e rs c i e n t i f i c ，f u l l yr e a l i z em e t e o r o l o g y , t e r r a i np a r a m e t e r si n t h ep r e d i c t i o np r o c e s si nt h ei m p o r t a n c eo fb a s i cd a t a , c o r r e c tc i r c u m s t a n c e s ，t h er e s u l to f p r e d i c t i o ni na c c u r a t eo rn o t ，m a i n l yd e p e n d so nt h ed i f f u s i o nm o d e la n dt h er a t i o n a l i t yo f d i f f u s i o np a r a m e t e rs e l e c t i o na n da p p l i c a t i o n 1 1 a b s t r a c t k e y w o r d s a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a la s s e s s m e n t ；m e t e o r o l o g i c a lf a c t o r s ； c o m p l i c a t e dt o p o g r a p h y ；a e r m o dm o d e ；r a n kj u d g e m e n t ； 1 i i 1 围内外大t 环境影响评价预测模式发展现状 1 国内外大气环境影响评价预测模式发展现状 1 1 高斯模式和c a l p u f f 预测模式 高斯扩散模式来自于统计理论，由于其形式简单，参数容易确定而在当时被广泛使 用。大量的实验和理论研究表明，特别是对予连续点源的平均烟流，其浓度分布是符合 正态分布的。因此可以按如下假设来预测：( 1 ) 污染物浓度在y 、z 轴上的分布符合正 态分布；( 2 ) 在全部空间中风速是均匀的，稳定的；( 3 ) 源强是连续均匀的； ( 4 ) 地表面充分平坦；( 5 ) 在扩散过程中污染物的质量是守恒的，即烟气到达地面全部反 射，不发生沉降和化学反应。c a l p u f f 预测模式即非定常三维拉格朗日烟团输送模 式。其原理是采用烟团函数分割法，预测大气中的主要污染物：氮氧化物、臭氧、二氧 化硫、一氧化碳、p m l o 、t s p 、c m h n 、b l a c kc a r b o n 等。它可以处理连续排放源、间 断排放情况，能追踪污染物在时间和空间上随流场的变化规律。这两种模式为当时第一 代空气质量模式，都是基于大气中风的运动轨迹模拟近地面大气中，污染物所发生的复 杂的化学与物理过程i 。 1 2 美国环保局推荐的a e r m o d 预测模式 2 0 世纪9 0 年代中后期，美国环保局基于最新大气层边界层和大气扩散理论、研发了 能够替代原来法规模型i s c 3 的a e r m o d 扩散模型，该模型包括一个扩散模块和两个 预处理器：扩散模块( a e r m i c ) 和气象数据预处理器( a e r m e t ) 、地形数据预处理 器( a e r m a p ) 2 1 。但是，a e r m o d 模式目前只能计算污染物浓度值，不能计算干沉 降和湿沉降；需要二类气象数据文件：即地面气象数据文件和上空气象参数的垂直廓线 文件，并包含有u s e p a 的a e r m e t 和r a m m e t 气象预处理软件；地形预处理软件 u s e p a a e r m a p 和b p i p 为模型提供受体( r e c e p t o r ) 和源位置以及周围环境的地形海拔 数据( 主模型亦提供了地形输入通道) ；还需有功能较强的输出软件包，提供丰富多样的 图形图表输出。 1 3 英国剑桥环境研究公司开发的a d m s 预测模式 英国剑桥环境研究公司( c a m b r i d g ee n v i r o n m e n t a lr e s e a r c hc o n s u l t a n t s ，下简称 c e r c ) 成立于1 9 8 5 年，其长期致力于专业的大气环境软件的开发和相关领域的咨询服 务，研发重点关注的应用领域包括：大气环流、污染物扩散、空气环境质量以及危险气 体的释放等。c e r c 多年来专注于大气环境模型的研究，其中最为著名、应用最广的是 a d m s 模型( a t m o s p h e r i cd i s p e r s i o nm o d e ls y s t e m ) 。a d m s 模型由c e r c 与英国气象 东北林q k 人学硕上学化论文 局和s u r r e y 大学等机构合作开发，是目前国际大气扩散主流模式之一，作为新一代稳态 大气扩散模型，a d m s 模型将最新的大气边界层和大气扩散理论应用到空气污染物扩 散模式中，应用了现有的基于m o n i n - - o b u k h o v 长度和边界层高度描述边界层结构的 参数的最新大气物理理论，与老一代模式相比有着质的飞跃。a d m s 系列模型包括环 评、城市、机场、工业、道路、筛选等多个版本，适用于大气环境模拟、城市空气质量 管理等多方面的应用。a d m s 模型目前已通过各种实验数据和实际应用得到广泛验证， 取得了世界范围的领先地位，目前在全球已拥有几百名正式授权用户，用户群体包括政 府机构、国际组织、科研机构和国际知名企业等。a d m s 模型自2 0 0 0 年进入中国，已 在全国各地得到广泛的应用。模型于2 0 0 1 年获得国家环境保护总局环境工程评估中心 认证证书，2 0 0 8 年被环境影响评价技术导则大气环境( h j 2 2 2 0 0 8 ) 列为大气环境 影响预测与评估推荐模式之一【3 j 。目前a d m s 模型在中国的正式授权用户已达百余家， 包括政府管理部门、科研机构、环评单位、规划部门等。 1 4 中国气象科学研究院研制的c a p p s r 预测模式 中国气象科学研究院研制的城市空气污染数值预报系统c a p p s ，是用有限体积法对 大气平流扩散方程积分得到的多尺度箱格预报模型与m m 5 或m m 4 中尺度数值预报模 式嵌套形成的城市空气污染数值预报系统。它不需要污染源强资料就可预报出城市空气 污染潜势指数( p p i ) 和s 0 2 、n 0 2 、p m i o 、c o 等主要污染物的空气污染指数( a p i ) 。克 服了由污染源调查本身具有的不确定性给城市空气污染的数值预报所带来的困难。就预 报值与监测值的线性相关系数来说，c a p p s 系统的预报水平与其他发达国家的模式预 报水平相当，北京市和上海市应用c a p p s 系统所作的数值预报结果表明，污染指数等 级预报准确率平均达到6 1 5 。目前该系统广泛应用于全国各大城市的气象部f l t 4 j 。 1 5 本章小结 目前，国外已经开发出了数百种大气污染模型，它们中的大部分用于研究工具，有一 部分经过商业开发，非环境专业人员也可以使用。此类模型主要用于预测污染源对环境 及人体健康的影响大小、影响程度和影响范围。通过数学模型和计算机程序可以实现环 境影响评价的大部分功能，所以这些开发出来的环境模型工具具有很高的应用价值。 随着计算机技术的发展成熟，许多综合的环评工具也随之出现，它们一般都有友好的用 户界面，利用上述成熟的环境评价模型作为基本的组成部分，并与环境管理信息系统、 专家系统、决策支持系统( d s s ) 、地理信息系统( g i s ) 、数据可视化工具( s op v 2 w a v e ) 有机地结合在一起，不但具有数据管理功能，而且包括g i s 、数据分析、可视化、仿真 模型、最优化处理和专家系统等各项功能。拥有上述各项功能的综合环境评价系统是最 l 同内外人7e 环境影响评价预测模式发展现状 近几年新开发的环境评价模型软件的共同特点，也是环评模型软件共同的发展趋势。 东j 匕林q k 大学硕上学能论文 2 大气污染物预测模式的基本理论 2 1 影响大气污染物的主要气象要素 污染物排入大气后，受到当地温度、温廓线、风速、气压、气温、风向、风频的 影响促使污染物在大气扩散过程中逐渐稀疏，并被传输和转化。大气层结是指大气垂直 方向的气温分布状况，气温的垂直分布决定着大气的稳定度，大气的稳定程度又影响着 湍流的强度，是影响大气污染的一个重要因素。在对流层内气温分布的规律是随着高度 的增加，气温递减，空气上层冷下层暖：因此，大气在垂直方向不稳定时对流作用显 著，能使污染物在垂直方向上扩散稀释。在近地的低层大气，有时出现气温分布与标准 大气情况下的气温分布相反，即气温随高度的增加而增加的温度逆增情况，称为逆温。 逆温层的出现，使近地低层大气上部热、下部冷，大气稳定，不能发生对流作用，使大 气污染物不能在垂直方向扩散稀释，因而容易造成大气污染。 2 1 1 湍流 湍流，是大气的不规则运动。风速时大时小，具有阵性的特点，在主导风向上也 会出现上下左右不规则的阵性搅动，这就是大气湍流。污染物在风的作用下向下风方向 飘移并扩散、稀释，同时，在湍流作用下向周围逐渐扩散，我们看到从烟囱中排出的烟 云在向下风方向飘移时，烟云很容易被湍涡拆开或撕裂变形，使烟团很快扩散。 2 1 2 温度 温度是定量地表示物质冷热程度的物理量。气象学上讲的气温是指在距离地面 1 5 m 高处的百叶箱中观测到的空气温度，单位摄氏度或开尔文。在常规气象资料分析 内容中，要统计长期地面气象资料中每月平均温度的变化情况，并绘制年平均温度月变 化曲线图【5 】。对于一级评价项目，需酌情对污染较严重时的高空气象探测资料作温廓线 的分析，分析逆温层出现的频率、平均高度范围和强度。 2 1 3 温廓线 温廓线反映温度随高度的变化影响热力湍流扩散的能力。在大气环境影响评价中 涉及对于一级评价项目时，要酌情对污染严重的高空气象探测资料作温廓线的分析，分 析逆温层出现的时间、频率、平均高度范围和强度。 2 1 4 风速 风速是指风在水平方向的空气运动。垂直方向的空气运动称为升降气流。风具有方 向( 指风的来向) 和大小( 单位米秒) 。风向常以8 或1 6 个方向，或用角度( o 度3 6 0 度) 表示。通常风都是以风玫瑰图来表示。此外，风廓线也是研究大气边界层内的风速变化 2 火。c 污染物预测模式的基本理论 规律的重要参数，即风速随高度的变化曲纠6 1 。在常规气象资料分析中，要统计月平均 风速随月份的变化和季小时平均风速的 j 变化。即根据长期气象资料统计每月平均风 速、各季每小时的平均风速变化情况，并绘制平均风速的月变化曲线图和季小时平均风 速的日变化曲线图。对于一级评价项目，需酌情对污染较严重时的高空气象探测资料作 风廓线的分析，分析不同时间段大气边界层内的风速变化规律【7 】。 2 1 5 气压 气压是指大气压强，即单位面积上所承受的大气柱的质量，单位帕斯卡，气象学 上采用百怕( h p a ) 作单位，lh p a = 1 0 0 p a ，国际上规定：温度为零度时、纬度是4 5 度 的海平面上的气压为一个标准大气压，其值为1 0 1 3 2 5k p a 。气压的大小与海拔高度、 大气温度、大气密度等有关，一般随高度升高按指数律递减。气压有日变化和年变 化。一年之中，冬季比夏季气压高。一天中，气压有一个最高值、一个最低值，分别出 现在9 1 0 时和1 5 - - 1 6 时，还有一个次高值和一个次低值，分别出现在2 1 - - 2 2 时和 3 - - 4 时。气压日变化幅度较小，一般为o 1 o 4 千帕，并随纬度增高而减小。气压变化 与风、天气的好坏等关系密切，因而是重要气象因子。通常所用的气压单位有帕( p a ) 、 毫米水银柱高( m m h g ) 、毫巴( m b ) 。它们之间的换算关系为：1 0 0 帕= l 毫巴3 4 毫米 水银柱高。气象观测中常用的测量气压的仪器有水银气压表、空盒气压表、气压计。温 度为o 时7 6 0 毫米垂直水银柱高的压力，标准大气压最先由意大利科学家托里拆利测 出。 2 1 6 气湿 大气的湿度简称为气湿，表示空气中水气含量的多少。所谓大气湿度就是指空气中 的潮湿程度，它表示当时大气中水汽含量距离大气饱和的程度，一般用相对湿度百分比 来表示大气湿度的程度。在一定气温下，大气中相对湿度越小，水汽蒸发也就越快；反 之，大气中相对湿度越大，水汽蒸发也就越慢。在人们实际生活中，冬春季会感到空气 干燥，夏季出现天气闷热的现象，这都是由于大气中湿度的变化在起作用。常用的表示 方法有：绝对湿度、相对湿度、水气压、饱和水气压、比湿、露点等。 2 1 7 风向、风频 风向指风吹来的方向。风频指某一风向的次数占总的观测统计次数的百分比。风向 玫瑰图统计所收集的长期地面气象资料中，各风向出现的频率，静风频率单独统计，风 向玫瑰图应同时附出当地气象台( 2 0 年以上) 气候统计资料的统计结果。在常规气象资 料分析中，要统计所收集的长期地面气象资料中，每月、各季及长期平均各风向风频变 化情况f 8 l 。统计所收集的长期地面气象资料中，各风向出现的频率，静风频率单独统 计。在极坐标中按各风向标出其频率的大小，绘制各季节及年平均风向玫瑰图。风向玫 瑰图应同时附当地气象台站多年( 2 0 年以上) 气候统计资料的统计结果。 东北林q k 人学硕上学亿论文 在模式计算中，若给静风风速赋一固定值，应同时分配静风一个风向，可利用静风 前后的观测资料的风向进行插值或在气象资料比较完整，即日观测次数比较多的情况 下，利用静风前一次的观测资料中的风向作为当前静风风向【9 j 。 2 2 影响大气污染物的主要地形参数 地形因素是影响大气污染物扩散的重要因素。在大气环境影响评价a e r m o d 扩散 模式中的a e r m a p ( 地形数据预处理器) 中，主要涉及简单地形和复杂地形两个重要 参数 10 1 。在复杂地形上，大气受下垫面特性的影响很大，因而在水平和垂直方向上形成 非常特殊的风场和温度场，再加上地形动力作用的阻塞与分流，致使污染物的扩散、稀 释规律比平原地区复杂得多。 2 2 1 不同预测模式下的简单地形 在高斯预测模式中，距污染源中心点5 k m 内的地形高度( 不含建筑物) 低于排 气筒高度时，定义为简单地形1 ，见图2 1 。在此范围内地形高度不超过排气筒基底高 度时，可认为地形高度为0 m 。 图2 - 1 高斯模式下简单地形 在a e r m o d 预测模式中，评价范围内地形高度( 不含建筑物) 低于排气筒 高度时，定义为简单地形，见图2 2 左侧所示。如评价范围内地形高度不超过排气 筒基底高度，亦称为平坦地形【1 2 】，见图2 2 右侧所示，此时可认为地形高度为 0 m 。平坦地形是简单地形的一个特例。 图2 2 简单地形 2 人产e 污染物预测模式的基本理论 2 2 2 不同预测模式下的复杂地形 在高斯预测模式下距污染源中心点5 k m 内的地形高度( 不含建筑物) 等于或超 过排气筒高度时，定义为复杂地形。复杂地形中各参数见图2 3 。 图2 3 高斯模式下的复杂地形 在a e r m o d 预测模式中评价范围内的地形高度( 不含建筑物) 超过排气筒 高度时，定义为复杂地形。复杂地形中各参数见图2 4 所示。 图2 4 复杂地形 2 3 高斯预测模式与a e r m o d 模式系统理论的对比 2 3 1 大气稳定度的对比分析 在高斯预测模式中推荐模型采用修f f 的p a s q u i l l 稳定度分类方法将大气边界层的稳 定度分为强不稳定( a ) 、不稳定( b ) 、弱不稳定( c ) 、中性( d ) 、较稳定( e ) 和稳定( f ) 六类，其方法是先由云量和太阳高度角查表得出太阳辐射等级，再由太阳 辐射等级与地面风速查表得出稳定度等级，采用的稳定度分类是不连续的；而 a e r m o d 预测模式按空气湍流结构和尺度的概念，稳定度用连续参数莫宁一奥布霍夫长 度表示，分为不稳定( l 0 ) 三类【1 3 l 。 2 3 2 扩散参数的对比 高斯预测模式的扩散参数由稳定度、扩散距离和时间决定，因此扩散参数是不连续 的。横向和铅直扩散参数q z ，公式：o = 丫l x 叭，t ，z = q , 2 x a z 式中丫l 和忱为横向和铅直扩散参数回归系数，x 为下风向距离，伍l 和毗为横向和铅直 东北林q k 犬学硕上学位论文 扩散参数回归指数。a e r m o d 模型的湍流扩散由参数化方程给出，是连续的。水平和 垂直浓度扩散参数( a y ，z ) 由大气湍流扩散系数( o y 。，a z 。) 和烟羽浮力引起的扩散系数 曲两部分组成，而水平和垂直烟羽浮力引起的扩散系数参数相同。公式： 222 o y2 ay a + ob 222 oz 。o 臻十ob 在大气湍流扩散参数中有；在稳定和对流条件下，水平大气湍流扩散参数计算公式相 同：稳定条件下，垂直大气湍流扩散参数由上升和近地面两部分扩散参数组成；对 流条件下，直接源和间接源的垂直大气湍流扩散参数由上升和近地面两部分的扩散参数 组成。穿透源的垂直大气湍流扩散参数只有上升扩散参数h 】。 2 3 3 不同预测模式对复杂地形的处理 对于复杂地形，高斯预测模式中的浓度公式实际上是对高斯模型在山区经验的推 广，基本上仍采用平坦地形的高斯公式和扩散参数体系，对不同稳定度下烟流和起伏地 面之间高度差做经验修正，即当排气筒下风方某处的地形高度低于有效源高时，该处烟 轴与当地地面的高度差等于有效源高减去该处地形高度的一半，而当地形高度高于有效 源高时，烟轴与当地地面的高度差等于有效源高的一半；a e r m o d 预测模式考虑了地 形对污染物浓度分布的影响，其物理基础是采用的临界分流概念，将扩散流场分为两层结 构，使复杂和平坦地形一体化处型”j 。临界分流高度h e 为： 丢u 2 ( h c ) = i 1h , l 。n 2 ( h c - - z ) d z 二 二矗c 上式中左端是h c 高度流体的动能，h e 为临界分流高度，h c 为地形高度尺度，n 为b m n 2 v a i s a l a ，频率：p s 。在临界分流高度h e 以下的流体，没有足够的能量越过山 体，只能绕过地形。在高于临界分流高度h e 的气层内，气流有足够的动能克服位能并 越过山头。因此，a e r m o d 预测模型认为复杂地形上的污染物浓度值取决于烟羽的两 种极限状态，一种极限状态是在非常稳定的条件下被迫绕过山体的水平烟羽，另外一种 极限状态是在垂直方向上沿着山体抬升的烟羽，任一网格点的浓度值就是这两种烟羽浓 度加权之后的总和【1 6 l 。两种烟羽状态的权函数用表示，它决定着地形对浓度计算的影 响程度。当f = l 时，所有网格点的浓度计算按平坦地形上的扩散处理。权函数由大气 稳定度、风速以及烟羽相对于地形的高度等因素决定。在稳定条件下，水平烟羽占主导 地位，赋给它的权值就大些；而在中性及不稳定条件下，沿着地形抬升的烟羽则被赋给较 大的权值。 2 人4 e 污染物预测模式的摹本理论 2 3 4 不同预测模式中对流条件下污染物的扩散的对比 高斯预测模式在处理污染物反射问题上采取了地面和混合层全反射的处理方法， 其公式未能反映浮力烟羽抬升到混合层顶部附近的实际扩散过程，在平坦和复杂地形 下，不同稳定度下的铅直浓度分布均满足高斯分布，对流条件的预测浓度值比观测浓度 值明显偏低：a e r m o d 预测模式考虑了对流条件下浮力烟羽和混合层顶的相互作用， 即浮力烟羽抬升到混合层顶部附近时，考虑了三个方面的问题：烟羽到达混合层顶 时，除了完全反射和完全穿透之外，还有“部分穿透和部分反射”问题；穿透进入混 合层上部稳定层中的烟羽，经过一段时间还将重新进入混合层，并扩散到地面；烟羽 向混合层顶端冲击的同时，虽然在水平方向也有扩散，但相当缓慢，等到烟羽的浮力消 散在环境湍流之中，烟羽向上的速度消失之后，才滞后地扩散到地面，在平坦和复杂地 形下，在对流条件的污染物铅直浓度分布采用双高斯模型，即非正态的p d f 模型f 1 7 1 。对 流条件a e r m o d 预测浓度由以下三种污染源的浓度组成： c 。 x r ，y ，z r = c d x r ，y ，z r ) + c ， x r ，y ，z r ) + c p x r ，y r ，z r ) 第一部分c d x ，一y 舀) 是因下沉气流直接扩散到地面的所谓直接源 c d x r ，y r 砧2 器e 簇岛e x p 【_ ( z - t d j ：z - 2 m z 0 + e x p 【_ p 学】j 1 1 ，2 ， f y 2 了瓦e x p 亩1 第二部分c ， x ，y ，乙) 是因为上升气流扩散到混合层顶层的所谓间接源，间接源的质量浓度 计算公式与直接源最大的区别是模拟浮力烟羽的滞后反射。 c ， x r , y r , z r = 舞 嘉耋等e x p 【- ( z - r * m r j - 2 m z 0 2 + e x p 一掣】 第三部分c y x r ，y ，舀) 是穿透进入混合层上部稳定层中的所谓穿透源。这部分质量浓度在 稳定和对流条件下均满足高斯分布。 c p x r , y r , z r ) 2 最b 圭m 堡铲i + e x p - ( z r j r 矿h , p + 2 m z 招# ) 2 - 】 以上式 c c x r ，y ，乙) 为对流条件下总的质量浓度，g m 3 ；c a x ，y ，乙 ，c ， x r ，y ，备 和 c p x ，y ，z r ) 分别为对流条件下直接源、间接源和穿透源的质量浓度，g m 3z 为z r ( 水平 烟羽) 或z p ( 沿地形抬升烟羽) ，m f p 是对流条件中的烟羽比重；f y 为水平分布函数； 呵为水平扩散参数，m ；z i 为混合层高度，m ；o z j 为直接源垂直扩散系数，m ：为穿 透源垂直扩散参数，m ；1 l ，d j 为直接源烟羽总高度，m ；、l ，西为间接源烟羽总高度，m ； k ( 九l ，2 ) 为上升和下沉两部分烟羽的权重系数，下标l ，2 代表上升和下沉；m 为反射次 数；l l e p 为穿透源高度，m ：z i 。曲稳定层中反射面高度，m 。把对流条件a e r m o d 预测 东北林q k 大学硕上学位论文 浓度分成三部分处理，是将垂直方向扩散的非正态分布和浮力烟羽在混合层顶部的实际 扩散过程合在一起处理【1 3 l 。 2 3 5 不稳定条件下的垂直扩散分布的对比 高斯分布，也称正态分布，又称常态分布。对于随机变量x ，其高斯分布或正态 分布，记为n ( “，0 2 ) ，其中为分布的参数，分别为高斯分布的期望和方差。当有确 定值时，p ( x ) 也就确定了，特别当炉0 ，0 2 = 1 时，x 的分布为标准正态分布。高斯 ( g a u s s ) 则于1 8 0 9 年在研究误差理论时导出了它。高斯分布的函数图象是一条位于x 轴上方呈钟形的曲线，称为高斯分布曲线，简称高斯曲线1 9 】。而在a e r m o d 预测模型 中对流条件下的p d f 模式 当w 一w a 寸，。= 譬她= 南唧卜譬】 抓品时，勺= 譬酏= 南卅x p 譬】 一 f 8 皿一 w = 一、i 。w 。= 。，( 1 + 哟 。+ = 。( 1 一哟 。，= 。, 1 + ( 3 - 8 刀芦 ，皿= 0 7 该模式确定垂直速度w 的过程比较复杂：它先从接受点开始，采用倒退法，利用已知的 水平风速，来确定从源到接受点的轨迹，最终得到垂直速度1 7 1 。 2 4a e r m o d 模式气象、复杂地形的理论基础 a e r m o d 预测模式假定有山时的浓度值介于两种极端状态浓度值之间，一种状态 是在强稳定条件下发生的水平烟羽，也就是当大气处于很稳定状态时，烟羽将没有足够 的能量从山顶越过，而只能从侧面爬过山体；另外一种状态是烟羽垂直抬升整体绕过山 顶，此时烟羽中心线到山体表面的高度等于初始烟羽高度1 2 们。 接受点( ，”，g r ) 的浓度等于两部分烟羽贡献的加权和，两种状态的相对权重依赖 于：( 1 ) 风速；( 2 ) 大气的稳定度；( 3 ) 烟羽相对于地形的高度。接受点的浓度可以表 示为： c ( ，”，乙) = 丘，( ，只，乙) + ( 1 - f ) e 。，( ，y r ，z ，) z p 2z r z t 2 人气污染物预测模式的基本理论 f = 0 5 ( i - i - 西。) q i c r ( x r ，只，z r ) 出 西。= 詈一 i c 7 ( ，y r ，z r ) d z 6 式中，c ( x r ，只，z ，) 一总浓度，e , m 3 ； c c ，( x r ，y r ，z ，) 一水平状态烟羽贡献的浓度，g m 3 ； 巳。，( x r ， ，z p ) 一垂直爬升烟羽贡献的浓度，耐； 下标“c ，s 对流( 用c 表示) 条件和稳定( 用s 表示) 条件； z p 接受点到山表面的高度，m ； 刁接受点所在地的山表面高度，m ； f _ 一力权函数； 唧一一没有山时的浓度， 矗d 一一分离流线高度，m 。 在这里饬被定义为：二【i “( 吃) 】2 = ，c u 2 ( 以一z ) 出 。 白2 ：g o o 。 国z 。 式( 4 3 ) 中以是接受点( ，只，z r ) 的高度尺度，它并不是真实高度，而是根据地形的实 际高度和这些高度到接受点的距离定义的。 大体上来说，一个接受点可能只对应一个唯一的高度尺度允，然而它的定义应该考虑以 下几个方面：( 1 ) 周围地形对接受点附近的流动的影响，随着离接受点距离的增加而变 小；( 2 ) 地形高度变大时，影响也加大。因此，a e r m o d 模型引人了一个有效的地形 高度曲面k ( ，只) ，它对每一个接受点都是不同的。计算公式为： b ( t ，以) = 须( 丑) = ( 一) 2 + ( 一只) 2 ，( 立) ：e x p ( 一生) r o = l o o a 式中，( ，儿) 一感兴趣的域中的地形点的坐标； 如一一接受点和地形点之间的水平距离，m ； 一整个模拟域中的最大地形高度和最小地形高度值差， 地形加权因子。 对于每一个接受点，要对模拟域中的所有地形点计算有效高度k ，因此建立一个有效 东北林业人学顶i ：学位论文 高度曲面。假定该有效高度曲面的最大高度为k ，一，那么该接受点的高度尺度 以( ，只) 就定义为： 纵硝2 意南 a e r m o d 模式的复杂地形浓度计算公式与平坦地形的浓度计算公式完全相同，因此， 其计算过程要比c t d m p l u s 简单得多。 2 5a e r m o d 模式系统流程图 图2 5a e r m o d 系统模式流程图 2 6 本章小结 首先从基本理论上介绍了高斯预测模式与a e r m o d 预测模式的不同点，通过对扩 散模式具体参数的对比分析，得出高斯预测模式在大气环境影响评价中的不足，同时分 析了当今流行的a e r m o d 预测模式的相关系统理论，为下一步气象、地形参数的选取 及研究方法的分析做好铺垫。因此，今后大气环境影响评价工作，应根据相关理论来指 导具体评价项目，理解并运用了以上提到的具体要求，就抓住了大气环境影响评价预测 模式的本质，就能够更加较准确地把握大气环境影响评价预测模式的内容和要求。 3 气象、地形参数的选取及研究方法 3 气象、地形参数的选取及研究方法 3 1 气象、复杂地形下污染物因素的扩散 在气象因素、复杂地形的影响下，大气中的污染物的浓度主要受风、湍流和温度梯 度等气象条件、地形条件和干沉降、湿沉降、化学变化等非扩散过程这些因素的影响 【2 l 】 o 3 1 1 气象因素 污染物排入到大气中，在水平方向上受风向、风速支配，在垂直方向上受湍流支 配。风向与污染的关系主要表现在风对于污染物的水平输送作用上，高值污染浓度常出 现在大污染源的下风向【2 2 1 。风速是造成快速水平输送或平流的主要原因。排入大气中的 污染物在风的作用下，会被输送到其它地区。风速的大小和大气稀释扩散能力的大小之 间存在着直接的对应关系：风速大，表示大气稀释扩散能力强，引起地面污染物浓度减 少，但强风能使上升烟云弯曲提早到达地面，引起地面污染物的浓度增加；同时，强风 将使烟云在建筑物背风侧下泻，会增加地面浓度【2 3 1 。风速小，表示大气稀释扩散能力 弱，引起局地污染物浓度增加。但在微风条件下，热烟云抬升较高，从而使地面浓度减 少。风对高架源的影响较大【2 0 1 。 湍流是叠加在风上的扰动，大气中随时存在着各种不同程度的湍流运动。湍流运动 场中存在着不同于主流方向的、各种程度的不规则次生运动，结果造成流体各部分的强 烈混合。近地层大气湍流包含两种形式：机械( 动力) 湍流和热力湍流。机械的或动力 的因素形成的机械( 动力) 湍流，它主要取决于风速的垂直切变和地面的粗糙度。强风 可以促使机械湍流增加，从而有利于污染物的扩散稀释【2 4 】。粗糙的地表总是促使湍流的 形成，在空气流过不平坦的地面会产生更多的机械湍流，增加扩散速率。热力因素形成 的湍流，叫热力湍流，它主要决定大气中温度梯度所确定的大气稳定度。 温度梯度是指气温的垂直分布，它决定了大气层结的垂直稳定度，而直接影响湍流 活动的强弱，支配着大气污染物的扩散和稀释。太阳辐射影响地面温度，地面温度影响 近地面气温，从而形成温度层结，若形成气温上低下高的状态，靠近地面的空气密度比 上空的小，轻的空气在下，重的空气在上，容易形成上下空气的对流扰动。这时大气处 于不稳定状态，向空气中排放的污染物就容易被稀释。若形成了气温上高下低的状态， 称为逆温【2 5 1 。此时，重的空气在下，轻的空气在上，很难使大气发生垂直交换，即大气 呈稳定状态，处于逆温层中的污染物不易扩散开来，大量积聚使空气质量恶化，严重时 东北林业人学硕i ：学位论文 可能形成污染事件。 3 1 2 地形因素 地形是影响大气污染物扩散的另一重要因素。地面是一个凹凸不平的粗糙曲 面，当气流沿地面流过时，必然要同各种地形地物发生摩擦作用，使风向风速同时发生 变化，其影响程度与各障碍物的体积、形状、高低有密切关系。山脉的阻滞作用，对风 速也有很大影响，尤其是封闭的山谷盆地，因四周群山的屏障影响，往往是静风、小风 频率占很大比重，不利于大气污染物的扩散。城市中的高层建筑物、体形大的建筑物和 构筑物，都能造成气流在小范围内产生涡流，阻碍气流运动，减小平均风速，降低了近 地层风速梯度，并使风向摆动很大，近地层风场变得很不规则。一般规律是建筑物背风 区风速下降，在局部地区产生涡流，不利于气体扩散。在复杂地形上，大气受下垫面特 性的影响很大，因而在水平和垂直方向上形成非常特殊的风场和温度场，再加上地形动 力作用的阻塞与分流，致使污染物的扩散、稀释规律比平原地区复杂的多【2 6 1 。 因地形动力作用引起气流阻塞、流场扰动、背风坡尾流区与背风涡旋、背风波和 地形绕流等。这些环流均会改变污染物的扩散条件，明显地影响山区中的污染物输送过 程【2 5 】。对山区而言，造成地面高浓度的主要原因有以下几个： ( 1 ) 烟流撞山 这是造成迎风坡高浓度的主要原因。高耸的地形使得高架源完全或部分地损失了它 的有效高度，使得迎风坡出现高浓度。 ( 2 ) 地形波和垂直湍流 山体背风坡形成的地形波和强烈的垂直扰动，可将背风侧高架源排放的污染物或过 山污染物很快带离地面，造成高浓度2 6 1 。 ( 3 ) 冷泄流 夜间冷空气沿山体向下滑动，形成逐渐增厚，可达几十米的冷泄流，将在这一层排 放的污染物向山谷中汇集，造成低层空气中的高浓度污染。 ( 4 ) 山谷中的漫烟 山谷中的漫烟比平原要复杂，除了与平原相同的漫烟外，还有一些其他类型的漫烟 过程。日出后，山谷两侧坡面受日照不均匀形成与山谷走向垂直的横向环流