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

　　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3σ_y，垂直半轴长1.5σ_z，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0.5σ_z，则子烟团中心点位置为z₀+0.5(i-4)σ_z,(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=0.02Q_T，Q₂=Q₆=0.136Q_T，Q₃=Q₅=0.220Q_T,Q₄=0.248Q_T，Q_T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(x_i,y_i,z_i,t)，该点处气流速度分量为u(x_i,y_i,z_i,t),v(x_i,y_i,z_i,t),w(x_i,y_i,z_i,t),则在t+Δt时刻该子烟团位置为：

x_i(t+Δt)=x_i(t)+u(x_i,y_i,z_i,t)Δt

y_i(t+Δt)=y_i(t)+v(x_i,y_i,z_i,t)Δt

z_i(t+Δt)=z₄(t)+w(x₄,y₄,z₄,t)Δt+w_p(x₄,y₄,z₄,t)Δt

+0.5(i-4)σ_z+β*w(x_i,y_i,z_i,t)Δt

　　式中w_p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.1 The flow chart of the system for atmospheric dispersion

　　任一时刻t的水平和垂直扩散参数σ_y(t),σ_z(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T_LV,T_Lw参照Hanna^［9］给出的，水平和垂直方向上的速度脉动方差σ²_V(=+),σ²_W( )，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(w_p Δ t/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0.5σ_z(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＜σ_y，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.

图2　模拟域示意图(等值线单位：m)

Fig.2 The schematic of the simulated domain

　　图3给出了海风阶段(15：00)、海风向陆风转换阶段(01：00)、陆风阶段(04：00)、陆风向海风转换阶段(11：00)的地面SO₂浓度模拟预测结果.图3a是白天海风盛行期形成的浓度分布(15：00)的状况，此阶段气流由海上吹向陆地，SO₂散布在陆地上，地面浓度极大值为72μg/m³，出现在源北陆上10km,由于海风风速较大，一部分烟团移出模拟域，日间对流混合剧烈，地面浓度出现大于25μg/m³的范围较大(远)，地面浓度极值不大，且出现距离较远.在离源下风向约30km的陆上，还出现次大值37μg/m³，这可能是下沉气流和烟团从TIBL以上进入内陆混合层造成的.图3b是海风向陆风转换期间造成的地面浓度(01：00)分布，此阶段气流走向复杂，且风速较小.从图上看到，浓度等值线分布比较乱，高值分布已由白天的陆上移到海上，最大值出现在离源6km的海面上，为231μg/m³，极值比海风阶段大，出现距离也近，这是因为此阶段风速小和层结较稳定造成的.陆上还有一些残留的烟团影响，但受气流的影响，也逐渐向海上移动，陆上极值仅为9.7μg/m³.图3c是夜间陆风阶段造成的浓度(04：00)分布.此阶段气流从陆上吹向海面，风速比过渡阶段要大些，且层结稳定，与过渡期间比，浓度极值减少，为162μg/m³，出现的距离增大，为源下风向10km的海面上，这时陆上烟团已基本移到海面上，陆上浓度很小.图3d是白天早上陆风向海风过渡阶段(或海风初始发展阶段)造成的地面浓度(11：00)分布.气流已经开始转为由海上向陆上吹，但此时速度还不大，陆上层结基本上处于中性或弱不稳定.SO₂浓度大值等值线已逐渐移到陆上，海面上还有由于夜间陆风输送的烟团的影响，海面上浓度还有较大的分布，不过这些烟团已开始向陆上移动，随后的时间里，海面上的SO₂分布范围减小，而陆上增大.此过渡阶段极大值为635μg/m³，出现在离源6km的陆上.属于高污染期.

　　图4是日平均浓度分布的等值线.最大为59.8μg/m³，出现在源西北向约8km的陆上，海面上浓度比陆上要小.高值浓度分布在大鹏半岛的源附近.从深圳东部电厂排放造成的地面SO₂浓度极值的日变化看，一日中极大值的最大值出现在晨间陆风向海风转换期内，且极值出现在离源约5—6km的陆上.这是由早上的气流状况和稳定度变化造成的.从不同时间的模拟结果看，海岸附近的固定接受点的浓度呈现明显的日变化周期性.

图3　不同时间地面SO₂浓度等值线(μg/m³)

(●为极中心位置　+为源位置)

Fig.3 The contours of the SO₂ ground level concentration at the different times

图4　地面日平均浓度等值线(μg/m³)

(●为极中心位置，+为源位置，虚线表示海岸线)

Fig.4 The contours of daily average ground level concentration (μg*m^-3)