深圳地区海岸复杂地形下大气输送与扩散模拟.docx

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。关键词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.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σz，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σz，则子烟团中心点位置为z0+(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=，Q2=Q6=，Q3=Q5=,Q4=，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+(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Theflowchartofthesystemforatmosphericdispersion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/)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σz(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