（环境科学专业论文）京津渤地区大气污染物区域输送研究.pdf

山东师范人学硕士学位论文 输送规律。京津渤区域外来污染物输送主要受东亚季风的影响，输送存在明显的 月际变化特征。除远距离跨区域输送外，近距离京津渤地区内部输送占很大比重， 通过典型污染天气过程发现，近距离区域输送更易造成城市严重的大气污染。 ( 6 ) 通过对代表城市前向轨迹的计算，得到了京津渤地区污染物对外地的 中尺度输送影响情况。不同季节，气流轨迹的分布差异明显，影响范围各不相同。 东亚季风的活动对京津渤地区污染物的中尺度传输有着非常重要的影响。 ( 7 ) 通过对典型污染天气过程分析，表明：污染发生前存在近地面风速减 小的现象，污染消除时存在风速增大的现象；轨迹模拟表明，京津渤地区各城市 在大气边界层低层存在区域污染输送现象，主要为高空污染物下压到下风向地区 与污染天气共同构成该城市严重的大气污染；重污染天气的出现污染物的区域输 送是一部分原因，强烈的下沉气流是污染物停留在区域内部无法迅速扩散出区 域，再加上发生污染时风速较小，才会造成区域的严重污染，随着气流的下移， 造成下游城市挨个出现高污染的天气特征。 【关键字】：区域大气污染；区域输送；大气模式；京津渤地区， 分类号：p 4 0 4 山东师范大学硕上学位论文 t h e s t u d y o fa i rp o l l u t a n tt r a n s p o r tb e t w e e nr e g i o n si n j i n g j i n b or e g i o n a b s t r a c t j i n g j i n b or e g i o ni st h ec o u n t r y sp o l i t i c a l ，e c o n o m i ca n dc u l t u r a lc e n t e ra sw e l la s t h ec o r eo fm e t r o p o l i t a nj i n g j i n b or e g i o n ，b u tt h ea t m o s p h e r ei nt h er e g i o ng r o w i n g r e g i o n a ls i g n i f i c a n te n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m s ，b e c o m et h ew o r l d sm o s t s e r i o u sa i rp o l l u t i o ni nt h ew o r l d j i n g j i n b or e g i o no fc o m p l e xt e r r a i n ，a t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n tb ym o u n t a i nt e r r a i na n dt h ee f f e c t so fw e s t e r l yw i n d s ，e x p l o r et h ec a u s e s o fr e g i o n a la i rp o l l u t i o na n dt h el a wh a sb e c o m e u r g e n tn e e d s i nt h i ss t u d y , m e s o s c a l e m e t e o r o l o g i c a lm o d e l ，e u l e r i a nm o d e la n da i rt r a j e c t o r ym o d e ls i m u l a t i o no ft h e r e g i o n a lm e t e o r o l o g i c a lf i e l da n da i rp o l l u t a n tt r a n s p o r tm a r k e t ，c o m b i n e dw i t ht h e k e yc i t i e s i n2 0 0 8a i rp o l l u t i o ni n d e x ( a p i ) i n f o r m a t i o nt ov e r i f yt h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o na n a l y s i s t oe x p l o r et h ef o r m a t i o no fr e g i o n a lp o l l u t i o na n dt h ee l i m i n a t i o n o ft h em e c h a n i s m ，t h em a i nc o n c l u s i o no ft h es t u d ya r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o nb e h a l fo ft h ec i t yi n2 0 0 8o f1 , 4 ，7 ，lom o n t ha n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ea p i i n d e x ：j i n g j i n b or e g i o nt os h o wt h ep r o c e s so fu r b a np o l l u t i o nb e t t e rr e g i o n a l p o l l u t i o np r o c e s sc o n s i s t e n c ya n ds y n c h r o n i z a t i o n ，t h eu r b a np o l l u t i o np r o c e s sh a s s h o w nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e q u e n c e ( 2 ) s e a s o n a l v a r i a t i o no fa t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a l q u a li t y c h a r a c t e r i s t i c s s i g n i f i c a n t l y ：t h ea i rq u a l i t y a ta l ll e v e l si nd i f f e r e n ts e a s o n so c c u ri nd i f f e r e n t f r e q u e n c y ；d i f f e r e n ts e a s o n s ，t h ec h a n g e si nu r b a np o l l u t i o nr a n k i n gr e f l e c t st h e s e a s o n a lw i n df i e l du n d e rt h ed i r e c t i o no ft h ei m p a c to fu r b a na i rq u a l i t y i n2 0 0 8o n b e h a l fo ff o u rm o n t h s ，b e i j i n g ，j i n a n ，s h i j i a z h u a n g ，t h ew o r s ta i rq u a l i t yi ns p r i n ga n d a u t u m na p ii n d e xc i t i e sl a r g e ri ns u m m e rt h em o s ts t a b l ea p ii n d e x ( 3 ) j i n g j i n b or e g i o ni nt h em m 5 l o c a l i z a t i o np a r a m e t e r s ，i nt h es e l e c t i o no ff o u r o fc o n v e c t i v ep a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e ，g r e l ls i m u l a t i o np r o g r a ma n dm e a s u r e dt h e e f f e c to fs o u n d i n gd a t ai nt h em i d p o i n tv a l u et oa c h i e v et h eb e s tc o n t r a s tt ot h ee f f e c t ， b u ta l s oj i n g j i n b or e g i o ns i m u l a t e dm e t e o r o l o g i c a lf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n dt y p i c a l w e a t h e rc h a r a c t e r i s t i c so f p o l l u t i o ni nt h ep r o c e s s 山东师范大学硕士学位论文 ( 4 ) s t u d ya r e a so fm e t e o r o l o g i c a lf i e l ds i m u l a t i o ns h o w e dt h a tt h es t u d ya r e ah a s b e e nt h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fw i n dt r a n s m i s s i o n h e i g h tn e a rt h eg r o u n di nw i n t e r t ot h en o r t h w e s tf l o wm a i n l yt h r o u g ht h eb e i j i n g - t i a n j i nb o h a i a i rt r a n s p o r tm a i n l y f r o mt h ew e s t e r ni n l a n dr e g i o n ，t h ea t m o s p h e r i ct r a n s m i s s i o nc h a n n e lf r o mt h e n o r t h w e s tt ot h es o u t h e a s t ；s p r i n gt os t u d yt h ep r e v a l e n c eo ft h er e g i o ns o u t h w e s to f t h en o r t h w e s tw i n da n dw i n d ，t h e r ei sa no b v i o u sa r e ao fb e i j i n g t i a n j i nb o h a is e ai n as o u t h - e a s t e r l yt ot h en o r t h w e s to ft h et r a n s p o r tf l o w ，t h el o w e rr e g i o nm o r ec h a o t i c f l o w ；s u m m e r , t h es t u d ya r e am a i n l ys o u t h e r l ya i r s t r e a mc o v e r e dt h eb e i j i n g t i a n j i n b o h a is e af o r t h ei n l a n da r e a sl a r g ew i n dd i r e c t i o n ，l o ww i n ds p e e dg r e a t e ra b i l i t yt o e n h a n c et h ep r o l i f e r a t i o no fd e l i v e r y , l e s sp o l l u t i o n ；f a l l ，b e c o m i n gt h en o r t h w e s tw i n d d o m i n a t e df l o w ，t h et r a n s p o r to fp o l l u t a n t sa l s oc h a n g et h ep a t h ，l e a d i n gt os e a s o n a l w i n df i e l da n du r b a nl o c a t i o na n da p ii n d e xs h o w e dg o o dc o r r e l a t i o n ( 5 ) o nb e h a l fo ft h em o n t hb a s e do nt h et r a j e c t o r ya n a l y s i s ，b yt h ef o r e i g ns o u r c e o f a t m o s p h e r i cp o l l u t a n t s o nt h ej i n g j i n b or e g i o n ，t h el a w so ft r a n s p o r t a t i o n j i n g j i n b or e g i o nt r a n s p o r to fp o l l u t a n t sf r o mo u t s i d et h ee a s ta s i a nm o n s o o ni s m a i n l ya f f e c t e db yt h ei m p a c to ft r a n s p o r t a t i o no nt h eo c c a s i o no fs i g n i f i c a n tc h a n g e a l o n g d i s t a n c e i n t e r - r e g i o n a lt r a n s p o r t a t i o n ，t h ej i n g j i n b or e g i o nas h o r td i s t a n c e t r a n s m i s s i o na c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o no ft h ew e a t h e rt h r o u g ht h et y p i c a lp r o c e s s o fp o l l u t i o nw a sf o u n d ，c l o s e - u po fr e g i o n a l t r a n s p o r tm o r es e r i o u s u r b a na i r p o l l u t i o n ( 6 ) b yr e p r e s e n t a t i v e so ft h ec i t yp r i o rt ot h et r a j e c t o r yc a l c u l a t i o n ，t h ej i n g j i n b o r e g i o nh a sb e e nt h ee x t e r n a lp o l l u t a n t sa n dt h ei m p a c to ft h em e s o s c a l et r a n s p o r t s i t u a t i o n d i f f e r e n ts e a s o n s ，d i f f e r e n c e si nt h ed i s t r i b u t i o no fa i r f l o wt r a j e c t o r y o b v i o u s l y , t h ei m p a c to fs c o p e t h ea c t i v i t i e so ft h ee a s ta s i a nm o n s o o nr e g i o no f j i n g j i n b o s c a l et r a n s p o r to fp o l l u t a n t sh a sav e r ys i g n i f i c a n ti m p a c t ( 7 ) t h r o u g ht h ec o u r s eo fat y p i c a lw e a t h e rp o l l u t i o na n a l y s i s ，s h o wt h a t ：t h e e x i s t e n c eo fp o l l u t i o nn e a rt h eg r o u n dp r i o rt ot h eo c c u r r e n c eo ft h ep h e n o m e n o no f t h ew i n ds p e e dd e c r e a s e s ，t h ee x i s t e n c eo fp o l l u t i o nw h e nt h ew i n ds p e e di n c r e a s e dt o e l i m i n a t et h ep h e n o m e n o n ；t r a j e c t o r ys i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ec i t i e so fj i n g j i n b o r e g i o n i nt h el o w e r a t m o s p h e r i cb o u n d a r yl a y e rr e g i o n a lp o l l u t i o nt r a n s p o r t 山东师范大学硕上学位论文 p h e n o m e n a , t h em a i np o l l u t a n t sf o r t h eh i g h a l t i t u d e w i n dd i r e c t i o nu n d e rt h e p r e s s u r et ot h en e x ta r e aw e a t h e ra n dp o l l u t i o ni nt h ec i t yc o n s t i t u t eas e r i o u sa i r p o l l u t i o n ；h e a v i l yp o l l u t i n gp o l l u t a n t sw e a t h e ri sp a r to ft h er e g i o n a lt r a n s p o r t a t i o n r e a s o n s ，s t r o n gs i n k i n ga i rp o l l u t i o no b j e c t sc a nn o tr e m a i ni nt h er e g i o nt h er a p i d s p r e a do ft h er e g i o n ，c o u p l e dw i t hw i n ds p e e dl e s sp o l l u t i o no c c u r r e d ，g i v i n gr i s e t o s e r i o u sp o l l u t i o no ft h er e g i o n ，w i t ht h ed o w n w a r dm o v e m e n to fa i rc u r r e n t s ，r e s u l t i n g i nt h el o w e rr e a c h e so ft h ec i t y a p p e a r e do n eb yo n et h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g h p o l l u t i o nw e a t h e r k e yw o r d s ：r e g i o n a le n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，r e g i o n a lt r a n s p o r t ，a t m o s p h e r em o d e l j i n g ji n b or e g i o n 山东师范大学硕士学位论文 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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( 注：如没有其他需要特别 声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名： 导师签字： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解山东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权山东师范大学可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的 学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签字： 签字日期： 、 训1 坶 哗年月日 山东师范大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景和意义 大气污染物的输送、扩散能力强烈地依赖于气象条件，大气污染与受到边界 条件约束的水体和固体污染相比，其污染特性也就表现出区域性和全球性的特点 【1 】 o 城市内各种大气污染物在大气多尺度大气环流的作用下混合、扩散，造成污 染物多尺度、跨境、跨省市、跨地区远、近距离输送【2 】。特别是在排放源较大和 污染自身较重的相连区域，在大气风、温、湿特定条件下通常污染物以城市烟羽 的形式被传播到下风向，烟羽范围可以向下游输送数百公里远【3 一，叠加到下游 城市自身污染重，造成区域性大范围的严重污染。 近年来，我国开始污染物的区域输送的控制与治理问题，许多学者也在污染 物局地扩散和污染物区域输送等方面做了大量研究5 。由于污染物输送的相互 影响，我国城市大气环境质量往往显示出区域性和同步性，如华北地区各城市短 期的大气污染趋势相当一致的现象8 1 。 所以，在城市尺度开展大气污染的控制研究，已经难以解决日益严重的大气 环境污染问题，开展区域大气污染机理、区域污染物传输研究成为当务之急。在 地面监测、航测、卫星遥感、排放清单、气象场分析、模型模拟9 之1 1 的多种手段 研究中，数值模拟作为一种极为有效的研究工具，被广泛应用于区域大气污染的 研究中。 京津渤地区是我国政治、经济和文化中心，也是京津冀都市圈的核心区域， 具有举足轻重的战略地位。但该地区j 水资源严重短缺，京津两超大城市在狭窄 区域内共存，并直接面临内陆海域，制约区域环境承载容量。随着区域社会经济 的快速发展，环境质量持续恶化：成为世界上大气污染最严重地区之一；9 0 以 上河流污染，水质风险严重；长期污灌等过程导致农田土壤中多环芳烃等污染物 积累，严重影响农产品安全；由于陆源污染影响和不适当开发，渤海近海的主要 经济生物资源濒临枯竭。该地区日益严重的生态环境问题已成为国家实施京津都 市圈发展战略的重要瓶颈，也为我国本领域的科技发展提出了具有挑战性的迫切 需求。 山东师范大学硕1 ：学位论文 正是基于这种认识，中国科学研究院大气物理与流体研究所承担了国家重点 基础研究发展规戈u ( 9 7 3 ) “京津渤区域复合污染过程、生态毒理效应及控制修复原 理”项目，区域复合污染的多界面过程及多介质传输机制研究即为该项目的子课 题之一。旨在了解京津渤地区大气污染物时空分布和演变机理，阐明污染物通过 大气向水和土壤等环境介质中的传输和沉降机理，表征主要污染物向大气、土壤 和水体中的污染物迁移量；建立具有空间变异特征的多介质动态预测模型。模式 计算是研究区域性污染物沉降和输送的有效工具，它不仅有助于了解污染物的分 布及传输和沉降机理，而且可以预测未来的变化趋势。模式的建立要与实际比较 基本一致地模拟计算研究区域的流场和湍流运动并为污染物输送模块提供所需 的气象场，从区域角度弄清京津渤地区大气质量状况和演变过程。 本文利用课题所获资料，结合2 0 0 8 年区域内重点城市空气污染指数( a p i ) ， 利用中尺度气象模拟以及气流轨迹模式分析来探讨京滓渤区域大气污染物的水 平输送特征，探讨区域内重污染过程的产生机制。 1 2 研究综述 1 2 1 国内外主要实验场研究 最早的实验场大气扩散实验研究是在第一次世界大战之后，主要是针对局地 污染物的扩散进行的，其研究的推动力是产业革命后工业经济的发展产生的工业 废气以及烟尘对公众健康的影响和毒气( 生物、化学武器) 在战场上的影响。区 域大气环境污染研究在第二次世界大战以后得到了飞速发展。围绕大气污染物区 域输送问题1 2 2 , 2 3 1 ，世界各国开展了多个的外场实验研究。 臭氧：美国的s a nj o a q u i n 山谷地区空气质量研究计划矧表明加州中部地区 高浓度臭氧的原因为中尺度、高空环流系统输送与局地污染的共同作用：美国密 歇根湖地区臭氧计划( l m o s ) 【2 5 1 证实了大湖地区局地臭氧传输机制为污染空气 由北向南输送；n a r s t o n e 计划2 q 结论表明区域臭氧污染的形成和前提物的输 送密切相关。 气溶胶：t r a c e p 计划2 7 1 确定从亚洲东部向西太平洋输送的影响大气化学 性质和辐射效应的气体、气溶胶及其前体物的主要输送路径。 酸雨：国际协作降水监测网证实了酸雨是一种广域范围、跨越国界的大气污 染现象；欧洲经济合作与发展组织( o e c d ) 的空气污染物长距离输送计划 2 山东师范大学硕上学位论文 ( l r t a p ) 研究证实，在欧洲存在硫化物的长距离传输；美国酸性沉降物评价计 划( n a p a p ) 1 2 8 1 研究记录到造成酸性沉降的污染能蔓延数百公里，可穿越州界 和国界：美加两国酸雨的联合研究表明在加拿大所有酸性沉降中至少有5 0 来自 美国。 针对北极地区的：a g a s p 2 9 1 ，a g a s p i i i 3 0 1 ，a a c t 3 1 , 3 2 a m a p 计划等对北 半球的大气污染输送和转化的研究，北极地区冬季和早春季节的高污染浓度及大 面积酸雨( 酸雪) 源于中纬度欧洲工业区的源排放和高空气流的长距离输送。 国内对污染物的区域输送也进行了大量研究，张志刚等【6 l 利用用二维欧拉方 法发现华北地区各城市间存在着大气污染的相互影响和输送。江燕女1 t 3 4 1 等初步得 到我国大气污染输送的时空分布特征，并发现我国存在一个对污染物的扩散、输 送有重要影响的风速极大值区。苏福庆等【3 5 】引入了输送通道的概念并指出影响北 京大气污染的四种类型的输送通道。任阵海等【3 6 】提出了汇聚带的概念，对影响北 京的大气污染汇聚带和输送通道做了详细阐述。在“八五”科技攻关项目“我国酸 性物质的大气输送研究”的研究中通过使用飞机对华北地区低空大气环境的监测 表明，河北省低空污染物空间分布特征证实了上述汇聚带的存在3 7 1 。胡欢陵、吴 永华【3 8 】在2 0 0 1 年“外来污染物对北京大气环境质量影响”报告中也指出：北京地 区近地面输送通道在高度1 2 0 m 以下，1 2 0 m 以上为高空较远距离的大气污染输 送。f u n gj c h 掣则( 2 0 0 5 ) 对1 9 9 9 年1 2 月2 8 - - - 3 0 日发生在香港西部大范围的严 重空气污染事件的研究表明，这次污染事件中起主要作用的是区域输送。w u l 4 0 等的研究发现，在东北季风盛行期间，影响台湾空气质量主要为上海及其周边地 区的污染源长距离输送至台湾所致。 在沙尘暴、酸雨的研究中。高庆先等】利用卫星的遥感资料初步得出我国沙 尘暴的影响范围、传输路径和沙尘的输送机制，并将我国的沙尘暴天气划分为日 变化型( 停滞型) 和移动型( 锋面气旋型等) 。王耀庭等【4 2 】研究了沙尘暴的传输 动力式、传输方、沙尘暴的起因等问题。巩英洲】研究了我国西北地区的沙尘的 输送迁移问题。张志刚、陈万隆1 指出影响北京的沙尘传输路径有3 条，即西路、 北路和西北路。周秀骥等【4 5 】通过分析2 0 0 0 年春季影响北京地区沙尘暴天气，揭 示了大气污染过程在几十公里至数百公里尺度的相互影响的特征。任阵海，苏福 庆 3 6 , 4 6 1 等分析了我国北方地区及北京沙尘暴变化规律，沙尘源地、发生机理、输 山东师范大学硕上学位论文 送路径、输送类型等问题，并计算了沙尘源的贡献率。吴兑【4 7 】等分析了珠江三角 洲霾天气，阐述了珠江三角洲霾天气的特征，矢量分析表明：区域霾天气过程与 区域内静小风过程，即出现气流停滞区有密切联系，清洁对照过程与强平流输送 有关。 杨新兴、任阵海等3 5 4 踟研究发现，我国酸性污染物的大气输送过程主要是在 国内进行，污染物的沉降地区也主要在国内，各个省、区内进行m 9 j 。国家重点项 目“首都北京及周边地区大气水土污染机理与调控原理”的外场实验，揭示出北 京、河北省等地区之间气溶胶南北向带状输送特征显著，城区的大气污染程度 呈现出明显的区域性差别5 0 1 。 这些外场实验和研究各自揭示了不同区域、不同范围、不同尺度、多个污染 物跨区域输送的机制和特征，为污染物的区域输送提供了佐证，为控制污染物的 区域输送提供了科学根据。 1 2 2 数值模拟在研究污染物输送方面的应用 大气污染物输送扩散数值模拟是以流体力学、大气动力学理论为基础，基于 污染物在大气中发生的物理和化学机制，建立大气污染物在大气中的输送扩散数 值模型，借助计算机来模拟大气污染物在空气中的动态分布。所以，输送扩散数 值模型是对大气污染物散布过程的模拟，又称空气质量模式5 1 1 。 近几十年来，在理论分析和实验外场观测资料累积的基础上，空气质量模式 取得了巨大的进步。国内外已建立起一批全球和区域大气化学和输送扩散模式。 借助这些空气质量模式，人们解释观测现象，并利用污染气象资料研究污染物的 扩散、输送过程以及污染演变规律5 2 1 。 描述空气污染物散布有两种基本途径，即拉格朗日和欧拉方式方式。空气质 量模式主要可分为三类：一类是修正的高斯模式，以高斯方程为基础；一类是以 流体质点为核心的拉格朗日轨迹型，以常微分方程为主；再一类是以空间点为主 体的欧拉网格型，主要应用偏微分方程1 2 2 1 。 国内外借助空气质量模式进行了大量大气边界层研究和大气污染物输送扩 散的研究，并取得了较好的成果。t k i n d a p 等【5 3 】利用中尺度气象模式和大气污染 物扩散模式相结合，对欧洲气溶胶长距离输送、沉降导致的土耳其伊斯坦布尔空 气污染现象进行了研究。r a i n e r i - 5 4 l 采用三维欧拉化学传输模式模拟了智利圣地亚 4 山东师范大学硕士学位论文 哥夏季空气污染物的传输情况。k l e m m t 5 5 】利用数值模式模拟了希腊雅典的一次光 化学污染事件以及海陆风影响下的大气污染物扩散和远程输送。m s h a r m a 和 e a m c b e a n t 5 6 】引入酸沉降模式对印度1 2 个点源酸性物质的输送扩散进行了模拟 计算。s h u n g o 等发现日本南部的o k i n a w a 岛空气质量受中国沿海区域污染物长 距离传输影响显著，随即采用数值模拟方法进行了验证。 颜鹏5 7 1 利用污染传输扩散模式分别计算了采暖期不同天气条件下本地源、外 来源对北京地区s 0 2 浓度的贡献率。李元宜【1 7 】应用中尺度空气质量扩散模式， 建立了辽宁中部城市群地区s 0 2 扩散模型，成功地模拟了区域s 0 2 的污染状况。 蔡旭晖等【5 8 】采用模式方法结合实际气象观测资料，模拟分析了以大亚湾核电厂厂 址为中心的珠江三角洲东部地区低层大气流动和气载污染物的中尺度扩散情 况。周荣卫等【5 9 】建立起一个气溶胶输送扩散模式，并与中尺度气候模式结合， 研究了典型月沙尘的起沙、输送、于沉积和湿沉积过程。康娜【6 0 】等利用a r p s 气象模型与空气污染模型m o d e l s 一3 耦合，进行了区域大气污染数值模拟，发现模 型能够反映复杂地形下各污染物的传输与转化状况。马锋敏【6 l 】等利用中尺度气象 数值模式m m 5 + m o d e l s 3 c m a q ，对2 0 0 2 年1 0 月北京及周边地区一次典型大气 污染过程进行数值模拟研究，结果表明，污染物p m l o 模拟值与实际观测值较为 一致，北京地区p m l o 浓度在特殊气象条件下，外地污染源对北京地区p m l o 的影 响也比较大。陈朝晖【6 2 】等以一次大气污染过程为例，利用h y s p l i t 4 轨迹模式 分析华北区域大气污染过程中主要天气型及污染物输送路径，表明：区域内大部 分城市a p i 上升下降阶段受不同的气流控制。王自发【6 3 】等利用中气度气象模式 m m 5 和嵌套网格空气质量预报模式系统( n a q p m s ) 进行耦合，模拟北京地区的 臭氧污染，表明模式系统可合理再现北京及周边地区臭氧的浓度变化情况和输送 过程。朱凌云晔】等利用r a m s + c m a q 系统模拟了2 0 0 2 年9 月3 - - - 9 日间山西省 排放的大气颗粒物向北京地区的输送过程，结果显示：山西省排放的污染物能够 被输送到北京地区，具有明显的输送通道，而且不同地区排放的污染物的输送路 径是不相同的。王璩【6 5 】等利用h y s p l i t 轨迹模式分析了2 0 0 5 年1 1 月2 2 日 1 2 月2 日上海市环境空气质量出现的连续1 1 天轻度污染，分析了出现典型颗粒 物污染的原因。 5 山东师范大学硕士学位论文 1 2 3 气象场分析研究 空气质量模式需要较详细的气象场，污染源对环境的影响主要取决与风场的 三维结构、边界层的湍流、降水和温度层结等气象因子，他们影响着污染物的输 送、扩散和干湿沉降过程；在污染的形成因子中，输送过程尤为重要，包括大尺 度环流、中尺度的天气系统和小尺度的局地环流如海陆风、山谷风等都对污染物 的传输起着重要的作用1 6 6 。p i e l k e 和u l i a s z t 6 7 1 在对中尺度和区域尺度大气运动研 究的基础上，研究出大气运动在空气污染和扩散方面的作用： 大尺度运动，包括大气长波、气旋、反气旋和副热带高压等。这一尺度的气 象变率直接与斜压效应( 水平风的垂直切变) 有关，它传播天气特征以及更大尺 度气流的上升和下沉。天气尺度的垂直风切变直接来自水平温度梯度。这类天气 特征的运动将导致大范围区域( 上千平方公里) 的大量空气迅速上升和下沉，水 平天气风场差动气流能清除一个地区的污染。 中尺度运动影响，主要指天气尺度诱发的中尺度运动包括锋面环流、飑线、 分层系统的积云、中尺度对流系统等，尺度范围为几百公里。这种大气运动，能 产生迅速强烈的水平和垂直差动风和湍流扩散，并导致可观的稀释效应【6 8 1 。 中尺度地表变率影响，主要指地形诱发的中尺度运动如海陆风、山谷风、城 市环流等产生的差动风和湍流场。能够显著影响大气边界层的垂直结构，从而对 输送造成影响，在一些特殊区域可由于这种运动造成区域的严重污染。 综合以往的气象场影响研究，研究方法大致可以分为三类【6 9 】： ( 1 ) 天气分型方法：利用天气分型的方法研究不同天气形势下的污染物浓 度变化。例如k a s s o m e n o s t 7 0 1 分析了不同中尺度环流对希腊雅典空气污染的影响。 g o u d e y 和p h y s i c k t 7 1 1 探讨了不同的天气形势下香港地区t s p 的浓度。b u c h a n a n t 7 2 】 等分析了污染物长距离输送和天气类型对英国爱丁堡空气悬浮粒子的影响。袁美 英等【7 3 】结合哈尔滨市空气污染浓度观测资料，研究了天气形势与空气质量之间的 关系。王宝鉴等7 4 1 研究了兰州市冬季污染物浓度与气象因子的相关性，并划分了 影响兰州大气污染的地面和高空天气形势。赵艳丽7 5 1 等分析了环流形势对呼和浩 特市污染物浓度的影响。 ( 2 ) 利用轨迹模式研究输送特征，使用拉格朗日气流轨迹或粒子扩散模式 研究大气污染物的长距离输送特征。如l a m 等7 6 1 利用后向气流轨迹聚类分析来 6 山东师范大学硕上学位论文 研究污染物季节变化与大气流场的关系。b r a n k o v 等7 7 1 在分析多年的臭氧观测资 料的基础上，采用轨迹模拟研究了天气尺度大气输送对污染物浓度的影响。黄健 掣7 8 】利用h y s p l i t 4 模式模拟了珠海地面s 0 2 的浓度变化规律。 ( 3 ) 结合观测资料进行中尺度气象和质量模拟，研究中较多的是中小尺度 大气运动对城市污染物传输的影响。女l l y o s h i k a d o 和t s u c h i d a l 7 9 1 研究了东京湾地 区城市热岛以及海陆风对冬季高污染的影响。s a l o p 和m a i e r t s o i 开究了海陆交界地 区的臭氧浓度水平，证实大的点源排放的污染物在傍晚才上升到2 0 0 一6 0 0 m 的远距 离传输高度。h a s t i e 等嘲1 在安大略湖南部观测到下午晚些时候臭氧和前体物迅速 增加的情况。 本文结合以上3 类方法，利用中尺度气象模拟、欧拉网格模式和气流轨迹模 式，来探讨京津渤区域大气多尺度输送特征及污染气象的关系。 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本研究针对京津渤地区所处的实际地形和气象条件，通过使用长距离、中尺 度气流轨迹计算及气象模拟等手段，分别研究和探讨了以下几个主要问题： ( 1 ) 分析京津渤地区背景大气特征和变化规律，包括多尺度变化规律、季 节和月变化规律等，同时分析了地理位置相近的城市间的相互影响作用 ( 2 ) 京津渤地区本地化m m 5 积云参数化调整，探讨适用于京津渤地区的 中尺度气象模式m m 5 所需求的一系列参数。 ( 3 ) 模拟京津渤地区的气象场，分季节讨论京津渤地区典型风场特征。 ( 4 ) 模拟京津渤地区的气象场，结合轨迹模式，分析外源输入京津渤地区 的输送路径，和京津渤地区污染源输送到其他地区的通道。 ( 5 ) 利用m m 5 + c m a q + h y s p l i t 耦合模式对典型污染过程进行中尺度模 拟，分析京津渤代表城市的可吸入颗粒物污染，分析污染特征；并深入分析典型 污染过程，初步探讨京津渤地区的污染机制和污染清除机制。 7 山东师范大学硕上学位论文 1 3 2 技术路线 8 图1 1 技术路线图 山东师范大学硕上学位论文 2 研究方法和资料来源 本章主要介绍研究所涉及的主要研究方法和模式原理、框架，包括对中尺度 气象模式m m 5 的描述、h y s p l i t 4 气流轨迹模式和m o d e l s 3 c m a q 大气输送模 式的框架和算法等等。 2 1 研究方法 2 1 1 中尺度模式m m 5 中尺度气象模式的出现和发展是大气科学理论发展到相当高阶段的标志，模 式到8 0 年代已有相当发展，随着计算机技术的成熟，到9 0 年代一些中尺度模式和 模拟系统已开始在世界范围内广泛使用，各组织和大学开发的气象模式见表 2 1 t 8 3 1 。 表2 1中尺度气象模式 组织模式 美国国家环境预报中心( n c e p ) 科罗拉多州立大学( c s u ) 海军舰队数值气象和海洋中心( f n m o c ) 英国气象局 加拿大 法国 日本气象厅 业务预报中尺度模式e t a 区域大气模拟系统r a m s 大气中尺度预报系统c o a m p s 中尺度模式u k m o 可压缩共有模式m c 2 非静力模式m e s o n h 模式 | 又：域谱模式j r s m 目前，国内外流传较广、发展的较完善、最具有代表性的中尺度气象模式为 美国国家大气研究中心( n c a r ) 和美国宾州大学( p s u ) 在原有的流体静力模式 m m 4 基础上发展的新一代中尺度非流体静力模式m m 5 ，模式自发布以来就以其 优良的性能赢得世界各国相关学科众多业务和科研部门科学家的关注，广泛应用 于各种中尺度现象的研究中。我国是m m 5 的主要使用国家之一，在气象、环境、 生态、水文等多个学科领域都得到广泛使用。 2 1 - 3 1 模式框架结构 m m 5 模式模块结构化明显可分为前处理模块、主模块、后处理及绘图显示 等辅助模块。其主要模块的具体功能见表2 2 9 山东师范大学硕士学位论文 t e r r a q r e g r d 斟t e r p f 选取模拟区域，生成水平网格，将地形和土地利用资料插值到格点上。m m 5 支持三种地形投影方式：l a m b e r t 正形投影、极地平面投影和赤道平面m e r c a t o r 投影，这三种投影方式分别适用于中纬度、高纬度和低纬度的模拟。t e r r a i n 的输入参数包括模拟区域的中心经、纬度，水平格距和网格数等。 r e g r i d 读取气压层上的气象分析资料，将大尺度经、纬度格点的气象、海温 和雪盖资料从原有的格点和地图投影上插值到t e r r a i n 定义的格点和地图 投影上。输出结果可作为客观分析的第一猜值场，或作为分析场被直接插值到 m m 5 的模式层上为m m 5 提供初始条件和边界条件。作为输入的大尺度气象数 据有两种来源，一种是大尺度气象模式的实时预报场，另一种是用历史观测资 料同化得到的再分析气象数