深圳地区海岸复杂地形下大气输送与扩散模拟

深圳地区海岸复杂地形下大气输送与扩散模拟摘要：利用边界层预报模式提供的非定常的风场和湍流场，采用实用的考虑风切变的烟团模式模拟了海岸复杂地形下(深圳地区)高架点源(电厂)排放SO2的地面浓度变化特征.联接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影响.在海陆风转换期内，地面浓度分布型式较乱，只有在海风盛行时，浓度分布与简单的高斯模型结果接近.浓度变化呈现明显的周期性，最大浓度出现在陆风向海风转换期内，日均最大浓度分布在陆上.这些特征在常用的高斯模式中是无法反映的。关键字：海岸复杂地形联接模式烟团模式空气污染深圳地区1引言用边界层预报模式和扩散模式联接对沿海地区复杂地形条件下特殊气流系统中的空气质量进行模拟预测，是近一二十年来才进行的工作［1—3］.这些成功的工作说明了中尺度大气扩散模拟系统在研究空气质量问题中的潜力.对复杂地形地区的空气质量模拟需要考虑两方面，一是要有较好地反映复杂地形特征的非均匀、非定场的风场和湍流场，另一是适合于在复杂气流中使用的扩散模式.本文针对深圳地区特殊的地形，以及污染源(电厂)附近还有大城市(香港、深圳)和大亚湾核电站、建立了一个精细的中尺度大气模拟系统来模拟该地区特殊气流系统(海陆风)下SO2浓度分布特征.三维非静力能量闭合的边界层预报模式［4］提供具有时、空变化的风场和湍流场，扩散部分采用考虑风切变的7层烟团轨迹模式［5，6］，该模式主要考虑了风切变和湍流场的不均匀性.本文简单介绍了模式结构，对深圳地区进行了模拟，并对模拟结果进行了讨论.2模式介绍2.1三维边界层非静力模式采用三维非静力的边界层数值模式，闭合方案用工程上实用的能量(E-ε)闭合，模式方程组由运动预报方程(u,v,w)，位温预报方程(θ)，连续方程以及湍流动能预报方程和湍能耗散率预报等组成.初始条件由模拟域内的实测点资料输入内插模式输出而得.此模式能较好地模拟海岸复杂地形下的流场和湍流场［4］.图1是本文大气扩散模拟系统的框图.2.2烟团轨迹模式实际处理中将烟团看成一个椭球体，水平半轴长3σy，垂直半轴长1.5σz，每个烟团在垂直方向上以7个点作为7个子烟团的中心，各点垂直方向间距为0.5σz，则子烟团中心点位置为z0+0.5(i-4)σz,(i为子烟团代号，i=1，2，…，7，z0为大烟团中心点位置，7个子烟团由椭球积分得到质量分别为：Q1=Q7=0.02QT，Q2=Q6=0.136QT，Q3=Q5=0.220QT,Q4=0.248QT，QT为烟团总物质量.各子烟团具有的性状，包括移速、扩散率等由它中心点处具有的量值决定.烟团扩散参数由它经历的行程和大气湍流扩散能力决定，轨迹由中心所在网格上的风场确定.假设某个烟团被分成7个子烟团，以i表示(i=1,2，…，7)，设t时刻第i个子烟团中心点坐标(xi,yi,zi,t)，该点处气流速度分量为u(xi,yi,zi,t),v(xi,yi,zi,t),w(xi,yi,zi,t),则在t+Δt时刻该子烟团位置为：xi(t+Δt)=xi(t)+u(xi,yi,zi,t)Δtyi(t+Δt)=yi(t)+v(xi,yi,zi,t)Δtzi(t+Δt)=z4(t)+w(x4,y4,z4,t)Δt+wp(x4,y4,z4,t)Δt+0.5(i-4)σz+β*w(xi,yi,zi,t)Δt式中wp为烟气抬升引起的烟团垂直运动速率［7］，一般在烟团运动10—15倍的源高后为零(即到达终极抬升).β为系数，当i=4时，β=0，否则为1图1大气扩散模拟系统流程框图Fig.1Theflowchartofthesystemforatmosphericdispersion任一时刻t的水平和垂直扩散参数σy(t),σz(t)由Taylor的扩散统计理论求得［8］，取指数形式的自相关系数，拉格朗日时间尺度TLV,TLw参照Hanna［9］给出的，水平和垂直方向上的速度脉动方差σ2V(=+),σ2W()，由边界层预报模式输出量提供脉动速度方差.考虑到烟气抬升对扩散参数的贡献，扩散参数表达式加上(wpΔt/3.5)2.于洪彬等［10］对水陆交界地区的湍流特征进行了观测研究，得到了三维风速脉动方差在不同稳定度下的比值，本文在这些观测和边界层理论推求得到的湍流脉动速度之间的关系的基础上，作为尝试将湍流动能按下列比例分解(H为混合层高度)：每个子烟团对模拟域内格点造成的浓度贡献按高斯模型处理，计算中将地面作全反射处理，考虑到烟团具有一定的大小和质量，反射参考点不是取在烟团中心，而取距中心0.5σz(t0)处烟团与地面的接触点.在混合层顶，烟团从混合层顶面从上向下运动或扩散接触到顶面时，可以穿透混合层顶面继续向下运动或扩散，而烟团从下往上接触到混合层顶面时，则作全反射处理，若混合层高度的变化(如日变化)导致在混合层附近(包括上或下面)的烟团出现在混合层之上，则作穿透处理，在其下则计算其浓度贡献.根据质量守恒考虑污染物在运动过程中发生干沉积，化学转化［6］.烟团释放基本时步为10min，同时又要满足相邻两个烟团距离Δs＜σy，使得模拟的烟流具有连续性，若不满足，则对时间步长进行分割.将模拟域内所有子烟团对受点的贡献求和，就可得到浓度分布.3模式应用*深圳东部电厂一期工程(4×600MW)大气环境影响报告，电力部苏州热工研究所，1994深圳东部电厂一期工程(4×600MW)规划厂址在西冲点(图2)，用上述联接模式对处在典型的海岸复杂地形下的电厂高架源排放在周围地区的浓度分布进行了计算.一期工程设计用煤SO2排放量7.5t/h，烟囱240m(两根)*.联接模式从1993-09-03-08:00开始运行，到次日19：00.开始施放烟团5h，从3日13：00始计算网格点上的浓度.驻图军2直模拟域示意锹图还(啊等值线单位溪：可m)针Fig.2孕Thesc局hemati锁coft铸hesim义ulated椅domai塘n践习图糟3派给出了海风阶偏段溪(1拾5伟：它00乞)雅、海风向陆风旱转换阶屡段秩(0护1朋：但00傲)席、陆风阶外段轨(0缝4急：练00计)狡、陆风向海风膝转换阶侵段川(1鱼1访：幕00刷)掠的地滨面脑SO奶2烫浓度模拟预测砖结勿果洲.鸡图腰3刮a轿是白天海风盛肥行期形成的浓施度分衔布拳(1肾5佛：母00辨)堵的状况，此阶使段气流由海上聋吹向陆地递，饥SO讲2问散布在陆地上横，地面浓度极糖大值砌为爆7迫2贪μ胸g/m钓3枝，出现在源北雷陆粘上差10km腐,秘由于海风风速董较大，一部分狡烟团移出模拟贿域，日间对流华混合剧烈，地洪面浓度出现大吨于械2蔽5咱μ眨g/m肤3盐的范围较吴大凤(匀远两)促，地面浓度极摸值不大，且出次现距离较享远朗.奉在离源下风向储约竿30k洪m地的陆上，还出浆现次大抄值高3共7然μ烟g/m职3坑，这可能是下凑沉气流和烟团刷从旗TIB吃L醉以上进入内陆季混合层造成壶的秧.灾图弃3矩b缠是海风向陆风胖转换期间造成伴的地面浓恶度燕(0攀1泰：旬00倍)游分布，此阶段脉气流走向复杂竭，且风速较宣小纲.哈从图上看到，借浓度等值线分肚布比较乱，高迷值分布已由白斯天的陆上移到谎海上，最大值跳出现在离虾源惯6k责m逢的海面上，驰为适23定1肾μ之g/m侮3禽，极值比海风寇阶段大，出现贝距离也近，这窝是因为此阶段钻风速小和层结呜较稳定造成贱的伤.滚陆上还有一些恭残留的烟团影姜响，但受气流后的影响，也逐醒渐向海上移动凶，陆上极值仅斗为毕9.离7牧μ船g/m原3出.孕图瓦3类c情是夜间陆风阶圣段造成的浓饺度巧(0协4粮：尖00副)逼分锐布架.糟此阶段气流从掩陆上吹向海面蕉，风速比过渡瑞阶段要大些，枕且层结稳定，想与过渡期间比病，浓度极值减遥少，厦为郑16劫2碗μ普g/m票3板，出现的距离胀增大，为源下绒风欠向喂10k妨m欣的海面上，这粒时陆上烟团已第基本移到海面雄上，陆上浓度查很辱小轰.遗图雅3购d箩是白天早上陆备风向海风过渡割阶跳段宿(贵或海风初始发五展阶管段搁)饰造成的地面浓衬度香(1搅1呈：津00捆)汁分性布鲜.掏气流已经开始胞转为由海上向息陆上吹，但此亦时速度还不大料，陆上层结基组本上处于中性断或弱不稳乓定默.SO惹2民浓度大值等值钉线已逐渐移到斗陆上，海面上斧还有由于夜间绕陆风输送的烟旁团的影响，海绿面上浓度还有项较大的分布，腐不过这些烟团尼已开始向陆上役移动，随后的术时间里，海面正上陵的凝SO醉2智分布范围减小咽，而陆上增歇大斑.极此过渡阶段极辅大值晕为鼓63朵5稳μ栽g/m竹3亩，出现在离短源楼6k淋m句的陆翻上挑.佳属于高污染秆期迟.抗梦图兄4牲是日平均浓度夏分布的等值盖线匀.平最大隙为脉59.造8伴μ达g/m龙3贴，出现在源西小北向辫约圾8k网m拿的陆上，海面璃上浓度比陆上滑要摇小且.仅高值浓度分布贫在大鹏半岛的腿源附奖近裤.茶从深圳东部电永厂排放造成的重地赵面施SO雅2末浓度极值的日丑变化看，一日塌中极大值的最判大值出现在晨州间陆风向海风甘转换期内，且闭极值出现在离窗源沈约泡5彩—废6k兼m怪的陆挂上兆.避这是由早上的塘气流状况和稳伪定度变化造成范的凡.隐从不同时间的劣模拟结果看，厕海岸附近的固照定接受点的浓锻度呈现明显的扛日变化周期秀性据.巾图驼3取不同时间地掉面广SO敢2源浓度等值致线做(愚μ岩g/m衔3程)第(恭●勾为极中心位置碍任+切为源位括置删)福Fig.3冬Theco秩ntours价ofth颤eSO险2最groun网dleve耍lconc超entrat贼ionat晕thed愁iffere齐nttim肺es轧图辛4恶地面日平均扩浓度等值担线速(沸μ肠g/m吧3悲)很(孕●切为极中心位置途，线+晚为源位置，虚铃线表示海岸喉线富)时Fig.4恨Theco名ntours京ofda犹ilyav杯erage臣ground孝level啊conce驼ntrati善on辽(免μ蚁g*m客-3孤)净鞭竞4顿模式结果讨墙论抛由于缺乏遗实测资料，本短文对结果作一屈些讨沟论茂.顿湍流状况、混原合层厚染度腾(共逆温层厚伤度挨)损以及气流方向男、速度大小被匀认为是决定浓绒度分布状况的耻重要因素，但售本文模拟结果筑表明这些特征杨量的变化过毒程宗(狮即非定常土性蜡)捏对浓度的影响煎也是很大谣的避.殖如，在海陆风丧转换期，地面拖出现浓度极值盘较大，这除了烫此期间风速较同小，对网格点国上有影响的烟推团数目增多外惰，层结和湍流办状况的非定常玻变化也是很重疑要的原疑因刘.皇在由海风转向灿陆风期间，层劫结向稳定方向侄转变，虽然扩红散能力降低，搬但逆温层顶高乒度较低，一些热烟团在逆温层槐顶之上运行，垄只能向下作部淡分穿透，所以跪此阶段浓度比趟白天海风时略伪大讨.扫在由陆风向海狐风转换期间，牙地面附近逆温音层逐渐消失，面白天混合层顶甘高度升高，使爱得原在逆温层挣顶上运行的烟黑团变成在混合播层内输送扩散茧，对浓度值影障响较大，从而笛造成地面高污丢染桂.伏图糕5驴是各时间有效呢源娱高讯(今即烟团释放高僵度僚)败和逆温层厚拼度鹊(毅混合塔层送)恩的典型变化比党较佣.名图确5阁有效源高和五逆温层厚度日专变化比较找Fig.5伐Compar吐isonb史etween滔thed附ailyc扫ycles但ofthe画depth舰of梯thebo种undary绿layer骤andt冶heeff阻ective幅relea纯sehei及ght届直线烟流刊高斯模型一般纸不可能模拟出绣复杂气流系统炊中浓度分布的者变化过程和非动定常、非均匀极的影样响山.猾不过，在海风漏盛行期，采用歼高斯模式估算结结果与联接模骄式结果相差不登大，百如泥1趁5避：嫂0壮0唉，前者估算地抚面浓遮度辛(悟扩散参数滚为傻σ裳y苹=0.32x叮0.83偿；防σ这z钱=0.39x吹0.80若，引自前面脚昌注泄)揪极大占值序9睡0纺μ稼g/m佛3断，出现距离为点下风劣向愧8km贴,饮与后者接近，虫且联接模式浓沉度等值线与高匙斯模式分布类谊似络.山这是因为海风颈盛行期，陆上脱气流基本一致腰，近似符合高驳斯模式的条碰件罪.灰但在气流复杂滤、物理量随时待间变化较大时层，高斯模式就历不适用骤了薪.塑一些清除过程仇如云、干湿沉芝降等在本文中夺没有能够仔细罪考虑，所以模条拟所得的浓度援是保守寨的仁(念偏辈大阳)厦，边界层参数扶特别是湍流量抓对浓度结果影倚响较大，根据堂本文的结果分莫析看，与一般衰的实测结果的坚量级相比，估局计误差在两倍别以挥内漠.5结语浮本文所建巷大气扩散模拟浙系统成功地模鼓拟预测了海风桐气流系统中污染染物浓度分布督的演变过眼程围.斗结果分析表明税，一日中固定激接受点浓度分萝布呈现明显的正周期变杏化眨.些气流方向一日脱中顺时欢针向变化，使揉得地面浓度等穴值线分布随时渗间也顺时针偏厦转恩.桐一日中最大浓港度出现在由稳漂定层结向不稳烘定层结的过渡臣阶段，一般是雀在海风初始发也展阶碧段咽.查白天、海风使掉得污染物散布苗在陆地上，但寸海风风速大，哗湍流扩散剧烈粒，地面浓度并船不嘉高利.趴浓度极值出现蹦距离在离破源攻10k利m捆以内，除了在怒海风发展初始隆阶段，其余时谋段内，地面浓宣度极值均不超滥过国家二级标我准嗓.析日平均极大值植出现在陆上，浮也不超林标拘.每在海陆风的转辜换期内，地面黎浓度分布型式得较乱；只有在凶海风发展盛期炒，浓度分布与阳简单的高斯模撑型结果接效近雁.劳结果分析还表宁明，风场和湍谷流场的非均匀立、非定常性对历地面浓度的分擦布有较大影响由，高污染出现栽在层结变化的秀过渡期内，这酷是在定常的高舌斯模式中体现寻不出来姑的代.参考文献掏乎松1醉猫Bornst吵einR,炒Klotz葡Seta降l.Appl柄icatio躺nofl册inked俗three-趋dimens笋ional冬PBLan洒ddisp过ersion亡model姿stoN灰ewYor岁kcity猜.NATO纪proc1糠5thme恋eting承onair准pollu缠tionm颂odelin凤gand差itsap骤plicat期ion,19肃86:543灯揉控2道鹅Segal纯Meta列l.Appl残icatio高nofa雾mesco午scale谨atmosp冲heric李disper过sionm妈odelin柴gsyst给emto廉thees饮timati流onof毛SO些2刑conce鸽ntrati起onsfr之ommaj痕orele姻vated亮source缘sins腊outher转nflor役ida.At组mosphe拦ricEn粥vironm尿ent,19纤88,22(扰7):131霸9锯懒惑3挑仗Jiang收Weimei导,WuXi阅aoming睁.Alin畜kedth坦ree-di鸽mensio车nalPB忆Land瞧disper湿sionm万odeli继ncoas肥talre介gions.睬Bound慢Layer奴Meteor饭ol,199则0,53:4泉3荷矮级4源王卫国，蒋侮维疏楣叼.苦青岛地区边界涌层结构的数值挪