基金项目:国家自然科学基金(40575067)、科技部公益性研究专项(2003D I B3J 121,2005D1B2J 111)资助。作者简介:刘宁微(1977-),女,辽宁沈阳人,硕士研究生,助理研究员,研究方向为大气环境质量。E 2m ai:l li un i ngwe@i si na .co m 通讯作者:马雁军,女,研究员。E 2m ai:l m ayan j un0917@163.co m
复杂地形对城市空气污染影响的数值试验研究
刘宁微,王扬锋,马雁军,洪 也
(中国气象局沈阳大气环境研究所,辽宁沈阳110016)
摘要:以辽宁为例,通过改变其中部地区的地形高度,利用新一代空气质量模式系统M o de l-3对2006年11月24日的一次污染过程中气象场和污染物浓度场的分布进行了敏感性试验。结果表明,地形的存在会导致风的辐合,风速降低,逆温增强,这些都构成了不利于污染物输送及扩散的因素,容易造成污染物的堆积和滞留,从而使污染物浓度较高
关 键 词:地形高度;城市空气污染;气象场;污染物浓度;数值模拟中图分类号:X16
文献标识码:A 文章编号:1000-0690(2008)03-0396-06
地形在空气污染过程中的作用已被广泛研究。Ross 等
[1]
描述了一个适用于复杂地形下的空气质
量模式系统的研究,结果表明该模式对复杂地形的大气稳定度预报有明显的改进效果。Zou m akis 等
[2]
运用改良模式模拟了理想化山谷中逆温末期
的垂直温度结构,模拟结果与观测资料非常接近。Egan 等
[3]
着重研究了已有技术对不同地形下空气
污染物浓度的预报能力,给出了一些建议,以期进一步提高一些特殊区域内污染物扩散评估的可靠性。何文英等
[4]
建立了一个三维非静力边界层模
式,对海岸边界层进行了数值模拟,发现该模式比静力模式更能合理地模拟海岸边界层的风温场和湍流场。余兴等
[5]
利用中尺度模式对陕西省关中
地区进行了边界层的实例模拟,结果表明,起伏的地形对垂直流场及低层风场影响较大。余瑶等[6]
利用适合于复杂地形且满足地-气耦合的静力学三维中-B 尺度气象预报模式模拟研究了上海地区复杂地形下的局地流场时空演变特征,发现上海的局地流场具有明显的日变化特征,受海陆温差影响明显;在不稳定层结下,高架点源排放的高空污染物会使地面污染物浓度升高。任阵海等[7]
、苏
福庆等
[8]
利用多年历史资料及地面气压场和风场
特征分析,发现燕山和太行山山前的输送汇聚系统。地形的存在改变了气流输送的规律,使流场产生形变,造成气流的辐合辐散,增强气流的切变,地
形的加热还会引起某些局地环流,这些都会直接影响到污染物的输送扩散过程。
数值模拟技术作为一种有效的手段被广泛应用
到大气边界层和大气污染输送扩散的研究中,并取得了较好的效果
[9~12]
。目前的数值模式在时间、空
间上都达到了较高的精度,可以弥补常规气象观测资料精度较低的不足。此外,数值模式的一个突出
的优势在于它可以通过对各种现有参数的修改,进行一些相关方面的敏感性试验,进而说明某些参数在大气环流中的作用。本文选取发生在辽宁的一次污染过程,利用数值模拟方法研究了地形的存在在城市空气污染中发挥怎样的作用,对复杂地形下城市空气质量的研究和预报具有一定的科学意义。
1 研究区域及模式介绍
辽宁中部地区包括沈阳、鞍山、本溪、抚顺以及辽阳5个城市,自然资源丰富,区域优势明显,是环渤海经济圈重要经济中心,均为中国传统重工业城市,环境污染一直比较严重。地形比较复杂,沈阳、辽阳和鞍山为平原地区;本溪四面被群山包围;抚顺在低山丘陵地带,是东西长、南北窄的带状城市。辽宁中部地区地势东南高西北低,落差较大(图1)。 本文所用的新一代空气质量模式系统Model-3由三部分组成,中尺度气象模式(M M5)、排放源处理模式(S MOKE)和空气质量模式(C M AQ )。
第28卷第3期2008年06月 地 理 科 学SCIENTIA GEOGRAP H IC A S I NICA
Vol .28 No .3
June ,2008
图1辽宁中部地区地形高度(m)
F i g.1Terrai n hei ght i n central L i aon i ng Provi n ce(m)
其中M M5模式由TERRAI N、REG R I D、RA W I N S、I N2 TERP和主模块M M5组成,为S MO KE和C MA Q模式提供模拟日的气象背景场资料;排放源处理模式S M OKE,包括固定源、移动源、面源和生物源的处理,对污染排放资料进行前期处理,建立符合C MAQ模式输入要求的污染源数据文件;C MA Q模式是空气质量模式系统的核心部分,它可以模拟多种污染物的输送和转化过程,可同时综合处理复杂的空气污染情况如臭氧、颗粒物、毒化物、酸沉降和能见度等问题。C MA Q模式中包括许多模块,其中最主要的是污染物输送和污染物化学转化模块CCT M,有CB4和RAD M2两种化学机制可供选择,也可修改这些已经存在的机制或使用新的化学机制。Model-3的模拟性能已在一些研究工作得到验证,其模拟结果具有相当的可信度[13~16]。
2算例及试验方案设计
本文的算例选取2006年11月24日辽宁的一次比较严重的污染过程。当天,辽宁地区受蒙古高压控制,天气晴朗,近地面气压梯度小,大气层结稳定,气流有弱辐合,是非常稳定的环流类型。在这种天气系统下,污染物难以扩散和输送,形成污染。当天,沈阳S O2和P M10的日均监测浓度分别为0.46和0.32mg/m3,为国家二级标准的3倍和2.1倍(S O2和P M10浓度的国家二级标准均为0.15mg/ m3)。
为了研究地形对城市空气污染的影响,本文将进行敏感性试验,即对/有山0和/无山0两种地形下的污染气象条件进行对比,进而确定地形的存在会对空气质量产生怎样的影响。将辽宁中部地形
削平,使其地形高度不超过40m,其它地区地形高度未作修改。以下称原有地形下所做的试验为控制试验,削平地形高度后所做的试验为对比试验(图2)。
图2对比试验的辽宁中部地形高度(m) Fig.2Terrai n hei ght of central L i aon i ng i n con trast test(m)
M M5模式有2重运行区域,中心点取122.2b E、41b N。内、格的水平分辨率分别取3km,9 km,格点数分别为40@40,63@70,格覆盖辽宁省,内网格覆盖辽宁中部地区(图3)。模式在垂直方向分为19层,其中底层为1000hPa,顶层为100hPa,对流层中低部(500hPa以下)层数相对较多。模式内、格选取一致的参数化方案:G re ll 积云参数化方案、M i x ed-Phase显式降水方案、高分辨率的行星边界层方案。本试验的模式预报时效为48h,起始时间为11月23日20时,模式运行结果的输出频率为1h。
图3模式运行区域
Fi g.3The m odel doma i n
模式使用的原始资料包括:以每日20时(北京时,下同)国家气象中心中期数值预报模式(T213L31)提供的分析场和预报场作为模式分析
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3期刘宁微等:复杂地形对城市空气污染影响的数值试验研究
场和侧边界背景场,时间间隔6h ;以每日8时和20时高空、地面观测资料对模式的分析场和侧边界进行逐步订正;海温周平均值。
3 计算结果分析
3.1 气象场的变化3.1.1 地面风场
图4中,以10m 高度的风代表地面风,可看
出,在污染物监测浓度较大的11月24日18时,控制试验中平原地区吹西北风,山区吹南风,两股气流在平原与山地的交界处出现较强辐合带(矩形
框所示)。风速方面,平原城市明显大于山区,沈
阳、辽阳、鞍山风速2m /s ,抚顺、本溪风速为0.5~1m /s(图4a )。对比试验中,由于地形被削平,平原的西北气流直接流入抚顺和本溪,原来山区的南风基本被西北气流取代,原有的辐合带消失了。风速在平原地区基本不变而在山区增大了0.5~2m /s(图4b)。到了污染物浓度较低的25日11时,两组试验中风向及风速的差别依然主要表现在山区,与控制试验(图略)相比,对比试验整个中部地区的风向都更加均匀、平直(图略),山区的风速增大1.5m /s
左右。
a .控制试验,11月24日18:00;b.对比试验,11月24日18:00
图4 辽宁中部地区地面风场(风速单位:m /s)
F i g .4 W i nd vector of ground i n cen tral L i aon i ng (un it of wi nd vel ocit y :m /s)
地面风场变化表明,山地、丘陵地形对气流起
到阻挡的作用而产生辐合,容易使污染物滞留原地,风速减小也不利于污染物的输送,因此造成山区的局地污染。另外,控制试验在不同时刻模拟的风场显现出它的演变与污染物浓度有良好的对应关系:地面风场有辐合且风速很小时,污染物浓度较大;地面风场气流平直且风速较大时,污染物浓度较小。风向和风速是影响污染物输送的重要因素。3.1.2 垂直剖面上的风场
以本溪地区为研究对象,做穿过本溪市区的西北)东南向垂直剖面,在剖面上输出三维风矢量(图5)。可以看出,在控制试验中本溪市区近地层有明显的山谷风。24日18时,风由山坡流向谷底,形成山风(图5a);到了25日11时,风又从谷底吹向山坡,形成谷风,并在谷底形成弱的下沉气流(图5b)。从整个模拟时段后24h 的结果来看,出现山谷风的时次为13个,所占的时间比例超过50%左右,形成了相对稳定的山谷风。这种局地气
流使得污染物往返积累,达到较高的浓度,造成当地的严重污染。在对比试验中,由于地形高度落差减小,本溪地区总体风向基本不变,但近地层的山谷风消失了,气流从低到高分布得十分均匀(图略)。同样具有山地地形的抚顺地区也出现了与本溪类似的局地气流(图略)。3.1.3 逆温强度
辽宁中部平原地区的逆温现象基本上都属于辐射逆温,它是由于夜间地面或雪面的强烈辐射冷却使紧贴其上的气层比上层空气有较大的降温而形成的;而山区除了辐射逆温外,夜间山坡附近的空气会因辐射冷却而向谷地下沉,暖空气被挤上升浮在冷空气上面,形成谷地逆温,因此其逆温的形式比平原城市更复杂一些。以本溪和沈阳分别代表山地和平原城市,给出24日11时至25日11时模式第1~3层(36~220m 高度)之间控制试验及对比试验的逆温强度日变化(图6)。由图可见,沈阳和本溪的逆温都从24日17时开始(逆温强度>0),
398 地 理 科 学 28卷
a .控制试验11月24日18时;
b .控制试验11月25日11时;w 为本溪市区中心
图5 本溪地区垂直剖面上的风矢量分布
F i g .5 D i stri bu tion ofw i nd vector on vertical secti on over Benx i regi on
低空逆温强度沈阳明显大于本溪,而两组试验中逆温强度的变化沈阳远小于本溪。24日22时之前沈阳的两条逆温强度变化曲线几乎重合;从23时持续到25日09时,控制试验的逆温强度基本都大于对比试验,其中最大差值出现在25日03时,为0.45e /hm(图6a)。对于本溪来说,控制试验的逆温强度始终大于对比试验,其差值的范围是0.05~0.95e /h m,入夜后差值增大,最大值出现在25日07时(图6b)。
两个城市的逆温强度在削平地形前后的变化特征有共同点也有不同点。其共同点表现在夜间
逆温强度变化都大于白天,这说明地形对逆温的影响与逆温的强弱在时间上吻合,在逆温较强时逆温强度的变化也比较大;其不同点在于本溪的逆温强度变化比沈阳大得多,说明山地地形的存在会在很大程度上促进当地逆温的形成,而城市化发展造成的下垫面的硬化可能是促原城市辐射逆温形
成的原因之一。
a .沈阳; b.本溪
图6 低空逆温强度的日变化
Fig .6 D i u rnal variati on of i n vers i on i n t en sity i n lo w l evel
3.2 浓度场的变化
图7显示辽宁中部11月24日控制试验与对比试验的污染物浓度差值。可以看出,S O 2的浓度差均为正值,说明削平地形后S O 2浓度降低,其降低幅度在本溪地区最大,为0.03~0.07mg/m 3
;鞍山、辽阳、抚顺次之,为0.03~0.06mg/m 3
;沈阳最小,仅为0.005mg/m 3
(图7a )。P M 10的浓度差在沈阳为较小的负值(-0.01),其它4个城市
均为正值,在0.01~0.04之间。削平地形后P M 10浓度在沈阳的略有升高,在其它4个城市明显降低(图7b)。NO 2的浓度也有所降低,降低的幅度为0.002~0.012mg/m 3
(图略)。削平地形后污染物浓度的变化说明除沈阳之外,中部城市污染状况有很大的改善,在山区和平原山地交界处体现得尤为明显。沈阳S O 2浓度降低幅度很小,这是由于对其地形高度的修改最小;而P M 10浓度略有升高可能
3993期 刘宁微等:复杂地形对城市空气污染影响的数值试验研究
是由于本次污染过程大部分时间里的首要污染物并不是可吸入颗粒物而是硫化物,因此对于地形高度变化最小的沈阳,其P M 10浓度会发生与S O 2相反的变化趋势。
可以看出污染物浓度场的变化与气象场的变
化呼应,事实上气象场的变化决定着浓度场分布的变化。由前面的分析可知,地形的存在会导致风的辐合,风速降低,逆温增强,这些都构成了不利于污染物输送及扩散的因素,容易造成污染物的堆积和滞留,
从而使污染物浓度较高。
a .SO 2;
b .P M 10
图7 控制试验与对比试验11月24日污染物日均浓度差值(m g/m 3)
F i g .7 Average con cen trati on d ifference of control tes t and contrast test on 24N ove m ber
4 结 论
1)山地、丘陵地形对气流起到阻挡的作用而产生辐合,容易使污染物滞留在原地;对风速削弱作用不利于污染物的输送;由此造成山区的局地污
染。山地地形的存在形成山谷风,这种局地环流使得污染物往返积累,达到较高的浓度,同样会造成当地的严重污染。
2)对于山区城市来说,地形对逆温和的形成有很大影响,这种影响在逆温较强的夜间表现的尤为明显。对于平原城市来说,城市化发展造成的下垫面的硬化可能是促进当地辐射逆温形成的原因之一。
3)由地形引发的气象场决定了浓度场的分布,气象场中不利于污染物输送的因素形成了较高污染物浓度。
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Sim u lation on In fl uence of C o m p lex T erra i n
on U rban A ir P oll u tion
LI U N i n g 2W e,i WA NG Yang 2Feng ,MA Yan 2Jun ,HO NG Ye
(Instit ute o f At m os pher ic Enviro nmen t ,China M eteorologica l Ad m i nistra tio n,Shenyang,Liaoning 110016)
Abstr act :In order to study t h e i n fl u ence of co mp lex terra i n on urban a ir poll u ti o n ,a sensitive test ismade by u 2si n g t h e ne w generation air qua litymodels syste m Mode ls 23by means ofmod if yi n g the terrai n he i g ht of centralL i 2aoning Provi n ce to research the m eteorology and concentration filed i n t h e course of poll u ti o n on 24Nove mber
2006.The results show that the co mp lex terra i n willm ake the w ind convergen,t t h e w ind speed di m i n ish and the i n version te mperat u re strengt h en ,all of wh ich f or m the negative f actors f or poll u ants to be transported and d is 2pers ,causi n g the pollutant piles and resorts ,theref ore br i n gs h i g h concentration of the pollutan.t K ey w ord s :terra i n he i g h;t ur ban a ir pollution ;meteor ology filed ;
concentrati o n filed;numerical si m u lation
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