（环境工程专业论文）周边地区对北京市大气质量的影响及大气环境容量研究.pdf

摘要 摘要 目前，可吸入颗粒物( p m i o ) 浓度居高不下是我国快速发展中城市所面临 的主要大气污染问题，而该问题在北京及其周边地区又具有典型的区域性、复 合型特征。作为2 0 0 8 年奥运会的举办城市，北京大气p m i o 浓度水平能否达到 相应空气质量标准，直接关系到我国提出的“绿色奥运”承诺的实现与否。因此， 利用先进的研究工具及研究方法，对北京及其周边地区大气污染物的区域性输 送进行定量研究，确定其大气环境容量，从而为政府的科学决策提供技术支持 并最终实现区域空气质量的改善具有积极意义。 针对上述问题，本文建立了适用于北京及周边地区复杂下垫面特征的高时 空分辨率m m 5 - a r p s c m a q 耦合空气质量模式，基于北京及周边区域详细的 污染源清单数据，采用三重嵌套的模拟计算方案，对研究区域的大气质量进行 了长期数值模拟，并利用p m l o 地面监测以及激光雷达三维监测数据对该模式系 统进行了验证。在此基础上，本文计算了区域污染源排放对北京市大气质量的 影响，结果表明：区域污染源排放对北京p m l o 贡献率1 月份较小，为2 3 4 ， 7 、8 月份较高，分别为4 0 和4 0 1 ，4 月份、l o 月份分别为3 7 9 和3 7 4 。 根据模拟及监测数据的对比统计发现，在空气质量为一级和二级的天气下，周 边的平均贡献量年平均值分别为7 6 9 9 m 3 和2 8 4 p , g m 3 ：而在3 级污染的时段， 周边地区对北京贡献量为9 6 0 1 t g m 3 ，在4 级以上的天气下，平均浓度达到了 1 5 8 5 1 t g m 3 。 此外，本文还分析计算了北京市本地的重点污染源排放对市区大气质量的 影响，结果表明：工业工艺无组织源、施工扬尘源、交通无组织源平均贡献率 分别为l o 1 、1 0 7 和1 6 6 。在此基础上，本文采用试差法对北京市大气 环境容量进行计算，提出了不同达标率下大气环境容量的概念，分别得到北京 市达标率为6 0 、6 5 、7 0 、7 5 和8 5 时p m l o 大气环境容量依次为 1 6 1 3 9 9 7 t a 、1 3 6 9 4 5 2 t a 、1 1 1 1 0 3 9 t a 、9 4 7 3 5 6 t a 和8 0 4 0 5 1 t a 。 关键词m m 5 a r p s c m a q 耦合模式；空气质量模拟；大气环境容量 区域污染 北京工业大学工学博+ 学位论文 目e ! ! e ! e 日e 目e ! ! ! ! ! ! ! e ! g ! ! ! ! 詈 ! ! 自自_ _ 1 a b s t r a c t a st h ep o l i t i c a la n dc u l t u r a lc e n t e ro fc h i n a , b e i j i n gh a se x p e r i e n c e dt h eu n p r e c e d e n t e d c h a n g e si ne v e r ya s p e c tt h r o u g hi t sa m b i t i o u su r b a nd e v e l o p m e n tp l a ni nt h ep a s tt w od e c a d e s p a r t i c u l a r l y , s i n c et h es u c c e s s f u lb i do f2 0 0 8b e i j i n go l y m p i cs u m m e rg a m e si nj u l y2 0 0 1 ， b e i j i n gh a sb e e np l a c i n gi t s e l fi nt h em i d s to fad i z z y i n gi n f r a s t m a t u r a lc o n s t r u c t i o na n da s w e e p i n ga r c h i t e c t u r a lt r a n s f o r m a t i o na i m e da tc r e a t i n gam o d e r n , h i g h - t e c hm e t r o p o l i sb y2 0 0 8 w h e nt h i sc a p i t a lw i l lh a v ei t so l y m p i cm o m e n ta n ds p o t l i g h tf u r t h ef i r s tt i m ei nc h i n a t h ea i r p o l l u t i o np r o b l e md u et or a p i di n d u s t r i a l i z a t i o na n du r b a ng r o w t hh a sb e e nr e c e i v i n gg r o w i n g c o n c e r n si nb e i j i n gs i n c ei tn o to n l yd i r e c t l ya f f e c t st h el o c a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t , b u ta l s o p o s e sas e r i o u st h r e a tt ot h ep u b l i ch e a l t h h at h i sp a p e r , ac o u p l e dm m 5 - a r p s c m a qa i rq u a l i t ym o d e l i n gs y s t e mw a sa p p l i e df o r i n v e s t i g a t i n g t h ec o n t r i b u t i o n so fv a r i o u s r e g i o n a le m i s s i o ns o u r c e st ot h ea m b i e n t c o n c e n t r a t i o n so fp m i oi nt h eb e i j i n gm e t r o p o l i t a nr e g i o no fc h i n a at h r e e - l e v e ln e s t e d s i m u l a t i o nd o m a i nw a ge s t a b l i s h e df o rf a c i l i t a t i n gt h em o d e l i n gs t u d y , a n dag i s - b a s e d a t m o s p h e r i cp o l l u t a n te m i s s i o nd a t a b a s ew a sc o n s t r u c t e d t op r o v i d e i m p o r t a n te m i s s i o n i n f o r m a t i o nf o rt h em o d e l i n gs y s t e m a f t e rv e r i f i c a t i o n , t h ec o u p l e dm o d e l i n gs y s t e mw a s i m p l e m e n t e dt op r e d i c tt h eh o u r l yc o n t r i b u t i o nr a t i o so fv a r i o u sp m t oe m i s s i o ns o u r c e st o b e i j i n g sa i rq u a l i t y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e a nm o n t h l yc o n t r i b u t i o nr a t i o sf r o ma l l s u r r o u n d i n gp r o v i n c e sa l e2 3 4 i nj a n u a r y , 3 7 9 i na p r i l 4 0 o i i lj u l y , 4 0 1 i na u g u s ta n d 3 7 4 i no c t o b e r , r e s p e c t i v e l y i ti si n d i c a t e dt h a t , w h e nb e r i n gh a sar e l a t i v eg o o da i rq u a l i t y ( u n d e rc l a s sia n dc l a s si i ) ，t h et r a n s b o u n d a r yp m l 0c o n t r i b u t i o ni sa tr e l a t i v el o wl e v e lw i t ha d a i l ya v e r a g eo f7 2 3a n d2 6 5 5 p gm 。，r e s p e c t i v e l y h o w e v e r , w h e nb e i j i n g sa i rq u a l i t yi sa t p o l l u t e dl e v e l ( c l a s si i ia n dc l a s si v ) ，t h et r a n s - b o u n d e r yp m l oc o n t r i b u t i o n sw o u l di n c r e a s e d r a m a t i c a l l yt ov e r yh i g hl e v e l sw i t had a i l ya v e r a g eo f 9 2 5 8a n d1 6 4 9 8 p gm 。，r e s p e c t i v e l y i tw a sa l s of o u n df r o mt h em o d e l i n gr e s u l t st h a tt h r e em a j o rs o u r c e s ( i n c l u d i n gf u g i t i v e i n d u s t r i a le m i s s i o n s ，c o n s t r u c t i o ns i t e s ，a n dr o a dd u s t s ) p r e s e n t e dar e l a t i v e l yh i g hc o n t r i b u t i o n t ot h ep m l op o l l u t i o ni nb e i j i n g , w i t ht h ec o n t r i b u t i o nr a t i o so f1 0 1 1 0 弼a n d1 6 6 r e s p e c t i v e l y h aa d d i t i o n , a t m o s p h e r i ca s s i m i l a t i v ec a p a c i t yf o rb e i j i n g w e r e1 6 1 3 9 9 7v a , 1 3 6 9 4 5 2 饥川1 0 3 9 饥9 4 7 3 5 6t aa n d8 0 4 0 5 1 饥r e s p e c t i v e l y k e y w o r d sm m 5 一a r p s - c m a qc o u p l e dm o d e l ；a i rq u a l i t ys i m u l a t i o n ；a t m o s p h e r i c a s s i m i l a t i v ec a p a c i t y ；r e g i o n a la i rp o l l u t i o n - 独创性声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 平葺耐堋：中刀 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 邱、番叶名：专薹柞嗍川 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 目前，大气中的可吸入颗粒物( p m l o ) 浓度居高不下是我国快速发展中城市 所面临的主要大气污染问题，而该问题在北京及其周边地区又具有典型的区域性 特征。北京处于太行山、燕山山坳的半盆地之中，地形呈西北高东南低，西临太 行山余脉，北依燕山。受地形和天气形势的影响，北京空气质量受周边影响较大， 区域大气污染物输送较为明显。作为2 0 0 8 年奥运会的举办城市，北京大气p m l o 浓度水平能否达到相应空气质量标准，直接关系到我国提出的“绿色奥运”承诺的 实现与否。因此，利用先进的研究工具及研究方法，对北京及其周边地区大气污 染物的区域性输送进行定量研究，并在此基础上对北京市大气环境容量进行科学 核算，从而为政府的科学决策提供技术支持并最终实现区域空气质量的改善具有 积极意义。 关于大气污染的区域性问题，国际上开展过较多的综合性研究项目，例如南 加州空气质量研究s c a q s 【i 】( s o u t h e r nc a l i f o r n i a a i rq u a l i t ys t u d y , l a w s o n , e ta 1 1 9 9 5 ) 、美国南部地区氧化物研究s o s e 2 1 ( s o u t h e r no x i d a n t ss t u d y , c h a m e i d e sa n d c o w l i n g ，1 9 9 5 ) 、s a nj o a q u i n 峡谷空气质量研究s j v a q s t 3 ( s a nj o a q u i n v a l l e y a i r q u a l i t ys t u d y , s o l o m o n ，1 9 9 4 ) 、太平洋传输及化学演变实验t r a c e p t 4 1 ( t r a n s p o r t a n dc h e m i c a le v o l u t i o no v e rt h ep a c i f i c2 0 0 1 ) 以及海湾区域大气化学实验 b r a c e p l ( b a yr e g i o n a l a t m o s p h e r i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n t ，2 0 0 7 ) 等。这些研究 综合运用了当前大气环境问题研究的三种主要技术手段( 外场观测、实验研究和 数值模拟) ，并应用了地基雷达观测以及空中航测等先进环境探测的技术，对近 地面层大气中的细颗粒物、臭氧及其他一些氧化物进行了深入的综合性研究，取 得了较好的研究结果。 而在国内，受各种客观条件的限制，类似的大规模综合性研究相对较少。任 阵海、苏福庆、高庆先等【纠刁从区域流场气象诊断的角度分析了华北地区大气污 染的成因，发现大范围均压场持续演变和移动常形成大气污染汇聚带。从而形成 有利于区域重污染的天气条件；徐祥德、周秀骥等t 1 3 】在国家9 7 3 项目的资助下 开展了了北京城市大气环境现场科学试验b e c a p e x ( b e i j i n gc i t ya i rp o l l u t i o n 北京下业大学t 学博十学何论文 o b s e r v a t i o ne x p e r i m e n t ，2 0 0 3 ) ，对城市群落大气污染源影响的空间结构及尺度特 征进行了研究，结果表明北京周边大地形“谷地”内冬季污染程度与南部周边地 区的污染排放源密切相关，北京及周边地区冬季的气溶胶光学厚度和日照时数的 “反位相”变化特征显著，冬季云量、雾日数与气溶胶浓度呈区域尺度相关特征， 反映了该区域尺度气溶胶影响的局地气候效应；施晓晖、徐祥德等【h 】利用 1 9 7 9 2 0 0 0 年t o m s 气溶胶光学厚度和华北地区气象站日照时数、雾日数、低 云量等资料以及e o f 模型综合统计分析方法，研究了冬季北京及周边城市群落 的气溶胶分布特征及其对区域气候的影响效应问题，探讨了北京周边区域气候 e o f 模型特征向量变化显著区与气溶胶影响效应的相关联系；周明煜、姚文清 等【l5 】利用2 0 0 1 年3 月1 9 - 2 9 日和2 0 0 3 年8 月1 1 2 5 日中国科学院大气物理 研究所3 2 5m 大气边界层观测塔资料，分析研讨了北京城市大气边界层低层的 垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系；丁国安等【1 6 】利用2 0 0 3 年8 月 1 0 2 6 日在中国科学院大气物理研究所气象铁塔3 个不同高度得到了lm i n 平 均的p m 2 5 和p m 。o 连续质量浓度资料，配合其它观测资料，其中包括4 个不同 高度( 8 ，1 0 0 ，2 0 0 和3 2 0m ) p m 25 和p m l o 日平均质量浓度，c o 和n 0 2 连续观 测，并结合气象铁塔同期的气象场观测，研究了北京城区p m 2 5 和p m l o 垂直结 构及其动力特征；徐祥德等【17 】利用b e c a p e x 综合观测资料，采用点一面结合的 研究途径，探讨城市建筑群“冠层”边界观测“点上”与城市区域“面上”大气 动力化学过程时空变化信息，研究观测点大气污染气、粒态的季节性相关结构与 转化特征；于淑秋、卞林根等【1 8 】用北京地区2 0 个气象观测站、1 9 6 0 2 0 0 0 年的 温度资料研究了北京城市热岛的季节变化，年际变化，进而用北京的城市化指数， 讨论了它与热岛强度与尺度范围变化之间的关系；郝吉明、王丽涛等【1 9 】针对北 京市主要大气污染物s o s ，n o x 和p m l o ，在源排放统计分析和i s c s t 3 模型模拟 计算的基础上，分析了能源使用相关的北京市城近郊区各类污染源的源排放和 环境浓度贡献率；汪光焘、王晓云等【2 0 】从规划部门对不同尺度的设计方案进行 分析比较、定量评估的需求出发，提出了多尺度评估指标体系，从而在城市规划 实施之前对其进行不同尺度大气环境影响的评估；李成才、毛节泰等 2 1 】利用 n a s a m o d i s 气溶胶光学厚度产品与北京市空气污染指数做了长期比较分析， 结果表明卫星遥感气溶胶可以细致描绘地面污染事件的形成过程发现区域尺 第1 章绪论 度输送和地形因素对北京市空气质量具有显著影响，高分辨率的反演结果给出北 京城区及周边地区气溶胶光学厚度的年平均分布，表明高分辨率卫星遥感可能 在监测颗粒物排放源分布上具有潜在的应用价值。 另外，一些学者也采取各种技术手段，对北京地区大气污染和污染物的区域 性输送问题从天气条件诊断、沙尘暴天气影响、污染源解析、环境监测、模式模 拟以及激光雷达观测的角度进行了探讨：陈家宣、蔡旭辉等 2 2 2 4 对沙尘重粒子 在对流边界层中的扩散进行了模拟研究，并利用简单模式对北京石景山工业区 p m l o 污染对北京市的影响进行了定量和半定量的计算，他们利用1 9 9 9 年和2 0 0 0 年的监测资料结合随机游走大气扩散模式分析北京地区p m l o 和s 0 2 浓度的时空 变化、城区污染排放对整个区域的作用和影响、以及污染物在区域内的累积效应， 发现北京地区污染物浓度具有以城区为中心的空间分布特点，北京冬季从城区排 放的污染物在当地累积的情况明显，累积的时间周期大致为2 5 d ，且输送扩散 因子在污染物局地累积的过程中起着关键性的作用；陈朝晖等1 2 5 1 通过对北京 2 0 0 0 年1 1 月的一次p m l o 重污染过程进行分析，发现最不利于污染扩散的气象 形势对应着p m l o 质量浓度增量最大，而不一定是p m l o 质量浓度达到最高的环境 背景场；任晰等【2 6 】对强沙尘天气过程对北京大气p m l o 的影响进行了统计分析， 发现沙尘粒子约占北京大气p m l o 的7 1 9 ；杨复沫等 2 7 , z s 利用在车公庄和清 华园两个站点连续1 年、每周1 次的p m 2 5 数据对北京大气细粒子中微量元素 的污染水平和来源作了研究；胡欢陵等1 2 9 】利用冬季和夏季激光雷达测量数据，对 北京地区气溶胶浓度的垂直分布、气溶胶输送南北通量的垂直分布等进行了讨 论；北京市环境保护监测中心【3 0 ，3 1 利用2 0 0 2 年7 月2 0 0 3 年6 月可吸入颗粒物 ( p m l o ) 2 0 余站点的监测资料，分析获得了北京地区p m l o 的浓度水平和地域分布 特征，发现北京远郊区县城关镇与市区污染水平相当，西南部和南部较其他地区 污染严重，北京地区背景浓度很高，是国家标准年浓度限值的7 5 ；王雪松等【3 2 】 对北京地区夏季p m i o 浓度的时间变化规律和空间分布特征进行了数值模拟研 究，结果表明，北京市城近郊区夏季的p m l o 具有明显的时空变化规律，一般在半 夜前后和早晨常表现出较高的浓度，中午前后由于大气化学转化对二次气溶胶的 生成贡献，在城市地区也会表现出一定的高浓度值，傍晚前后往往是一天中浓度 最低的时段，p m l o 的空间分布与源排放关系密切，中午前后的空间分布会体现 北京t 业大学下学博十学位论文 出光化学反应对其二次生成作用的影响，二次气溶胶在p m l o 中占有相当的份额， 对于p m t o 中硫酸盐和硝酸盐的浓度变化，其中的二次组分起主要决定作用，而 有机碳气溶胶以及p m l o 的浓度水平和变化规律则主要受一次成分的影响。 然而，受污染源数据调查获取及计算资源等因素的制约，目前国内利用先进 的光化学模式对北京及其周边地区大气p m l o 区域性输送的定量研究则相对较 少，而利用能够模拟复杂污染物之间复杂的光化学反应，并考虑不同时空尺度输 送特征的空气质量模式进行大气环境容量计算的相关研究更为少见。鉴于区域性 输送定量研究和大气环境容量计算对政府的科学决策的重要作用，本文拟基于国 际先进的m o d e l s 3 c m a q 空气质量模式与m m 5 、a r p s 气象模式的耦合，利用 北京及周边省市详细调查的污染源数据，采用三重网格嵌套技术建立起适用于我 国华北区域的m m 5 a r p s c m a q 区域多尺度空气质量模拟及预测系统，定量计 算了周边各省市对北京大气质量的影响情况，提出不同达标率下大气环境容量核 算的概念，并对不同达标率情况下北京市的大气环境容量进行计算。 1 2 数值模式研究现状 1 2 1 气象模式发展及应用现状 中尺度大气数值模式和模拟在8 0 年代已有相当发展，进入9 0 年代，一些中 尺度模式和模拟系统已经比较先进，并在世界范围内得到广泛使用。2 0 0 0 年以 来，美国和欧洲一些发达国家的中尺度模式模拟系统已进入实时业务运行阶段。 中尺度大气数值模式和模拟能有如此迅速的进展，不仅得益于计算机和观测技术 的快速发展，同时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。目前比较著名的气象数值模式有【3 3 q 6 】：美国的e t a 模式( 国家环境预报 中心n c e p 的业务预报中尺度模式) ，m m 5 模式( 宾夕法尼亚州立大学国家大气 研究中心p s u n c a r 的中尺度模式第五版本) ，w r f 天气研究及预报模式，r a m s ( 科罗拉多州立大学c s u 的区域大气模拟系统) ，a r p s ( 俄克拉荷马大学1 3 0 的 先进区域预报系统) ，m a s s ( 北卡州立大学的中尺度大气模拟系统) ，r w m 模式 ( 空军全球天气中心a f g w c 的重置窗口模式) ，n o r a p s ( 海军业务区域预报系 统第六版本) ，r s m 模式( n c e p 的区域谱模式) ，c o a m p s ( 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) ，英国的u k m o 模式( 英国 第1 章绪论 气象局业务中尺度模式) ，加拿大的m c 2 模式( 中尺度可压缩共有模式) ，法国的 m e s o n h 模式( 中尺度非静力模式) 以及日本的y r s m 模式( 日本区域谱模式) 。此 外，基于w r f 的软件框架，我国也在发展自己的中尺度模式g r a j p e s 。以下分 别对目前应用较广的几种模式及其在国内外的应用情况进行简要介绍： ( 1 ) e t a 模式 e t a 模式是一个地形呈阶梯状分布的有限区域静力原始方程格点模式。垂直 方向采用n 坐标，避免了陡峭地形下等0 面过于倾斜的缺点，减少了地形坡度引 起的虚假水平气压梯度力效应，这是该模式的显著特点。湿过程用的是显式水汽 方案及b e t t s 积云参数化方案，行星边界层和湍流过程采用m e u o r 和y m l a a d a 方 案，地面温度由能量守恒方程计算得到，辐射过程为g f d l 的简单辐射冷却方 案。该模式作为n c e p 的中尺度业务模式已运行多年，模式的稳定性和各方面性 能已经过严格的检验。 基于e t a 模式与c m a q 模式的耦合，美国大气海洋局( t h en a t i o n a lo c e a n i c a n da t m o s p h e r i ca d m i n i s t r a t i o n ，n o a a ) 与美国环保署( t h eu n i t e ds t a t e s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y ，u s e p a ) 合作开发了业务运行的空气质量预报 系统( a i rq u a l i t yf o r e c a s t i n g ，a q f ) ，并于2 0 0 4 年6 月开始运行，对美国东北 部地区的0 3 进行实时预报；b r i a ne d e r 等人【4 刀对e t a c m a q 模式的业务运行 状况进行了性能评估，发现该模式系统在受反气旋控制的晴朗天气条件下对0 3 的预测效果较好，而在多云、受气旋或锋面控制的天气条件下的预测效果较差； v l a d i s a k o v 等人【椰】利用2 0 0 4 年在加利福尼亚w i l m i n g t o n 进行的野外示踪大型综 合观测实验获取的数据，设计了4 种方案，分别将由气象观测获得数据、机场探 空数据、e t a 模式业务输出数据和m m 5 模拟数据分别为扩散模式a e r m o d 提 供所需的气象场，进行示踪模拟试验，结果发现由综合气象数值预报模式( 例如 e t a 模式和m m 5 模式) 提供的气象场要好于直接由观测获取的数据进行插值而 得到的气象场；另外，z o r k ab v u k m i r o v i 等人 4 9 1 利用e t a 模式进行轨迹分析， 对科索沃战争期间大面积的工业源泄露造成的区域性污染进行了研究。 ( 2 ) r a m s 模式 r a m s ( r e g i o n a la t m o s p h e r em o d e l i n gs y s t e m ) 是美国科罗拉多州立大学9 5 年 北京t 业大学丁学博十学位论文 完成的大气动力模式。该模式是非流体静力、原始方程中尺度模式，模式的垂直 坐标采用地形追随坐标s z = ( z z 0 ( z s - z t ) ，其中z s 是模式顶层高度，z t 是当地的地 形高度。该模式的一个重要特点是其双向嵌套网格技术。这一特点使得采用细网 格模拟小尺度或中尺度系统，同时用粗网格模拟大尺度大气背景场成为可能，因 而可以用于城市局地尺度大气环境动力场模拟研究。 中国海洋大学傅刚等人【5 0 荆用各种观测资料和r a m s 模式4 4 版对2004 年4 月1 1 日发生在黄海海域的一次海雾事件进行了研究。利用g o e s ( g e o s t a t i o n a r yo p e r a t i o n a le n v i r o n m e n t a ls a t e l l i t e ) 和n o a a ( n a t i o n a l o c e a n i c a n da t m o s p h e r i ca d m i n i s t r a t i o n ) 可见光卫星云图对海雾的发生范围、演 变过程等进行了描述，并对海雾发生前的大气背景场和气海温差场进行了分析； 利用青岛和韩国济州岛2 个站的探空资料对海雾发生时低层大气的稳定度进行 了分析，并利用r a m s 模式对本次海雾事件进行了模拟，计算了大气的水平能 见度分布，且计算结果与卫星云图所显示的雾区范围分布吻合较好。中科院大气 物理所张美根【5 i j 利用由区域大气模式系统( r a m s ) 和区域大气质量模式系统 ( c m a q ) 耦合的空气质量模式系统对东亚地区2 0 0 1 年春季气溶胶的输送及其 化学转化过程进行了研究；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所【5 2 】利用中尺 度气象模式r a m s 和大气扩散模式h y p a c t ，结合甘肃省一中科院科技合作项目 ”兰州市大气污染及对策研究”于2 0 0 0 年1 2 月在兰州市城区进行的大气污染物监 测资料，通过资料分析与模拟计算，研究了兰州市冬季s 0 2 的扩散特点，研究结 果表明：大气扩散模式较好地模拟出了s 0 2 时空分布特征，与同期监测资料的分 析结果比较一致，模式模拟的s 0 2 浓度分布的日变化与大气环流场的日变化紧密 相关，模拟的s 0 2 浓度的空间分布与污染源的排放方式有关，污染源的排放高度 不同造成污染的高度也不同，高架源对地面的影响比较小，而中、低架源对地面 的影响比较大：李磊等【5 3 l 通过r a m s 模式与f l u n t 流体力学软件的耦合，对 城市边界层的多尺度数值模拟进行了初步的研究；仲跻芹等【5 4 1 采用r a m s 模式 对北京地区稳定天气条件下的情景个例进行数值模拟，分析了北京城市边界层环 流特征和环流影响因子在环流发展过程中的作用，发现在山谷风环流和热岛环流 相互作用下形成了北京城市边界层流场特有的局地环流，热岛中心在决定边界层 环流的辐合区位置上起相对较大的作用，边界层环流的强度和发展高度由山谷风 第1 章绪论 强度和热岛强度共同决定；张美根【5 5 1 利用r a m s 和c m a q 模式系统对东亚地区 2 0 0 1 年春季对流层臭氧及其前体物的输送与演变过程进行了模拟，并将模拟的 臭氧浓度及其与之紧密相关的化学物种浓度，如o h 自由基、h 0 2 自由基、一氧 化氮、二氧化氮、一氧化碳、乙烷和乙烯，与t r a c e - p 期间两架飞机在西北太平 洋上空获取的大量观测资料进行了比较，结果表明，模拟值的平均值与相应的观 测值具有相当好的一致性，且绝大多数模拟值在相应观测值的2 倍范围之内，模 拟的化学物种浓度的时空分布与观测结果基本相符，模式系统对于非甲烷烃中不 同化学物种的输送与转化过程的处理基本合理，反映了光化学生成和平流层输送 等过程对对流层臭氧浓度分布的影响。a n t i g o n iv o u d o u r ia n dg e o r g ek a l l o s 等人 b 6 j 在r a m s 大气模式的基础上加入了汞循环处理模块，增加了r a m s 模式对大 气中h g 循环的模拟能力，发展了r a m s f i g 模式，并利用北美东部地区的湿沉 降观测数据对该模式进行了验证。 ( 3 ) m m 5 m m 5 ( f i f t h - g e n e r a t i o nn c a r p e n ns t a t em e s o s c a l em o d e l ) 是美国宾西法 尼亚大学( p s u ) 和美国国家气象中心( n c a r ) 联合开发的有限区域中尺度数 值模式。模式具有非静力平衡机制并采用地形追随( t e r r a i n - f o l l o w i n g ) 的s i g m a 坐标系。自7 0 年代问世以来，因其对中尺度以及区域尺度的大气环流的模拟及 预报具有较好的效果而在国内外得到广泛研究及应用。目前m m 5 已被应用于各 种中尺度天气系统的研究、实时预报、中尺度集成预报、区域气候预报、航空航 海的天气条件保障、模拟产生军事训练和分析的协同环境、在空气质量和大气化 学研究中。 在空气质量模拟中，高质量的气象背景场非常重要。美国地球技术公司利用 m m 5 的模拟风场用作c a l m e t 的初始值，分两步来产生风场，并以改进后的 气象场来驱动扩散和传输模式来提供空气质量的诊断预报。德国发展了一个 m m 5 与大气化学的耦合模式研究臭氧层深度对欧洲上空对流层臭氧的形成的影 响。北京大学环境科学中心环境模拟与污染控制国家重点联合实验室【5 7 1 将中尺 度气象模式m m 5 应用于估算v o c 天然源排放的研究，建立了高时空分辨率 v o c 天然源排放清单的估算方法，确定了我国部分树木排放异戊二烯和萜烯的 标准排放因子，各植被类型排放各种v o c 的标准排放因子，以及各植被类型季 北京丁业大学t 学博+ 学何论文 节平均的叶生物量密度，并应用该方法估算了华南地区满足区域空气质量数值模 拟要求的高时空分辨率v o c 天然源排放清单，结果表明，华南地区夏季典型日 的v o c 天然源排放总量约1 12 l0 4 t ，v o c 排放速率具有明显的时空分布， 其中地理分布取决于植被类型及其分布，日变化规律则依赖于太阳辐射和温度的 高低。中国气象科学研究院f 5 8 l 利用三维中尺度非静力模式m m 5 和化学模式，对 1 9 9 4 年8 月1 6 1 8 日、1 9 9 5 年1 月7 9 日冬夏两个不同时期中国大陆大气对 流层臭氧及其前体物质的分布进行了数值模拟。北京大学物理学酣5 9 懈m m 5 和 其开发的化学模式相耦合，建立了一个中尺度区域空气质量模式，并利用该模式， 选取2 个典型个例研究了长江三角洲地区的区域臭氧化学问题，模式再现并描述 了长江三角洲地区的大气物理化学过程，结合地面观测资料进一步定量分析控制 该地区臭氧浓度的物理和化学因子，结果表明模式基本反应了长江三角洲地区的 大气物理化学过程，天气条件决定的大气动力过程对区域空气质量起着至关重要 的作用，物理因子( 平流输送，垂直湍流输送) 的作用和化学因子的作用同样重要； 南京大学 6 0 l 将气象模式( 中尺度气象模式m m 5 及城市大气边界层模式c b l m ) 和 大气污染物输送扩散化学模式耦合组成一个城市空气质量数值预报模式系统，并 将该系统应用于南京市，试预报结果同监测结果较为一致，模式在该地区具有较 好的模拟性能；江学顶和夏北成【6 1 l 等人以广州为中心的珠江三角洲城市群为例， 研究了城市群热环境空间格局的日变化特征，并采用遥感反演和m m 5 模拟的结 果研究城市热力景观及其日变化规律，结果表明该区域热岛具有多中心的特征， 两种方法得到的热岛空间分布特征一致，其精度均较高，但遥感反演结果更为细 致；郑永光等人 6 2 1 使用n c e p 分析资料、中尺度数值模式m m 5 模拟的大气环流 数据、卫星观测的东南亚地区的生物体燃烧状况、气溶胶指数等资料，分析了0 3 异常高值时段的天气形势、大气环流、空气块后向轨迹以及生物体燃烧产生的烟 尘轨迹，发现出现在昆明的高浓度的臭氧来源于有生物体燃烧的南亚地区。 ( 4 ) a r p s 由美国o k l a h o m a 大学的风暴预报中心在美国国家科学基金会和联邦航空管 理局联合资助下开发的a r p s 气象模式，是非静力平衡的三维动力学气象预报模 式，其适用范围较广。a r p s 能达到较高的模式分辨率，并具有较高的可信度。 该模式使用追随地形的坐标系统，水平方向为等间距网格，垂直方向采用可变格 第1 章绪论 局模式将风矢量和各状态分量表示成基态值( 平均值) 和扰动量的和，求解完整的 动力学和热力学方程组，该模式在气象模拟领域处在世界领先水平。 中科院大气物理研究所中小尺度部的研究组从9 5 年开始即与c a p s 合作， 运行a r p s 。在国家自然基金重大项目“内蒙古干旱草原土壤一植被一大气相互 作用 ( i m g r a s s ) 项目，他们承担了以居于大兴安岭山脉西侧的项目试验区为中 心，面积约为3 0 0 k m x 3 0 0 k m 的实验区内复杂地形上降水的模拟研究。以a r p s 所作的分辨率达5 k m 水平格距的模拟表明，随着分辨率的增加，a r p s 可以保持 高性能的运转，从而在所需要的精细程度上抓住复杂地形对大气流场的影响。余 贞寿等【6 3 】利用美国c a p s 的非静力高分辨率区域预报模式( a r p s ) 对0 4 1 4 号台风 “云娜”进行数值模拟，其中把新一代多普勒天气雷达资料分析引入模式，模拟 结果表明a r p s 模式能较好模拟台风“云娜”的移动路径、中心气压强度变化及 台风大暴雨，利用模式输出的组合反射率与雷达组合反射率资料比较来检验模拟 结果表明，台风自身结构是引起0 4 1 4 号台风西折路径的重要原因，浙南闽北地 形对0 4 1 4 号台风的影响作地形敏感性试验结果表明：浙南闽北地形使0 4 1 4 号台 风移动路径出现右偏现象，浙南闽北地形对0 4 1 4 号台风强度影响较小，地形对深 入内陆后台风强度变化有较明显的影响；浙南闽北地形对0 4 1 4 号台风暴雨有增幅 作用，降水分布更加不均匀。苏州市环科所 6 4 1 采用a r p s 模式模拟了沙环厂址的 静风条件，使得他们在现场测试条件有限的情况下，对厂址静风条件下的海陆风 环流有了比较清晰的认识。游春华、蔡旭晖等人【6 5 】用非静力平衡的中尺度模式 a r p s 模拟京津地区夏季边界层大气的背景流场，同时用风场诊断模式和实际观 测资料获取该地区2 0 0 4 年夏季1 个b ( 8 月) 的逐时低层大气流场，作为模拟结果 的比对，通过对模拟流场的分析，发现京津地区夏季受昼夜循环的山谷风、海陆 风影响明显，山谷风的最大影响范围可以覆盖区域内的平原地区，海陆风的影响可 以伸展入陆地1 0 0 k m 左右，在这两个环流的影响下，区域内主导风向出现更替， 下午至上半夜主导风向为偏南风，下半夜至上午为偏北风，凌晨风向更替过程中 可以在山前出现一条汇聚带；孙兰涛等惭】以a r p s 中尺度大气模式的边界层模 块为基础，发展了一个高分辨率的大气边界层模式并将其嵌套于中尺度大气模式 m m 5 ，利用m m 5 的积分结果作为运行边界层模式的初值和边界强迫外参数，模式 的1 0 m 风速结果和海上平台观测值相比有很好的一致性，模式的其他结果接近中 北京t 业大学下学博十学位论文 尺度m m 5 的结果，结果表明该模式与m m 5 模式嵌套能得到更高分辨率的大气 边界层的气象要素和参数的预报结果，可提供高分辨率海洋模式的大气强迫或与 其耦合，从而弥补目前大气模式和海洋模式的分辨率相差太大的不足；王宝民等 阻7 】采用改进的a r p s 动力模式模拟城市街谷流场，应用动力和能量平衡祸合模 式模拟街谷温度场日变化过程，结果表明该动力模式能够模拟建筑物周围典型流 场，包括街谷涡旋和背风区尾流涡旋等，且耦合模式能够模拟街谷各接收面能量 收支及温度场日变化过程，该模式系统可用于城市街谷和建筑群风环境和热力环 境的研究，也可用于对街谷中空气污染物进行高分辨率传输和扩散的计算。总的 来说，a r p s 为当前国内外应用较为广泛的中尺度数值模式，其模式本身的完善 程度及所考虑物理过程的全面性，使其成为当前最为成功的中尺度数值模式之 一o ( 5 ) w r f w r f ( 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 gm o d e l ) 模式是由美国n o a a 、n c e p 、 a i rf o r c e 等联合开发的下一代多尺度数值预报模式。模式具有良好的计算架构 及全面的物理参数化方案，它的研制是为了给理想化的动力学研究、全物理过程 的天气预报、空气质量预报以及区域气候模拟提供一个公用的模式框架。w r f 模式是一个完全可压非静力模式，采用a r a k a w ac 格点，垂直坐标采用质量坐标， 其最终目标是满足水平分辨率为l 1 0k i n 左右的大气科学研究模拟试验和高 分辨率数值预报业务应用的需要，同时它也是m o d e l s 3 今后用来替代m m 5 的 气象预报模式。 陈炯和王建捷【储】使用w r f 中尺度数值模式，分别选用两种不同的边界层参 数化方案( m y j ，y s u ) 和3 种陆面参数化方案( s l a b ，n o a h ，r u c ) ，对2 0 0 4 年7 月1 日0 8 ：0 0 7 月4 日2 0 ：o o o l 京时) 北京地区夏季边界层结构进行1k i n 的高分 辨模拟，对比分析近地面层风场