环境空气动力学

X169 200502548 福建惠安沿海中尺度大气流动和扩散特征研究/ 张祯玺(北京大学环境科学系)…∥环境科学研究/中国环科院.-2004,17(6).-5-11 环图X-6 采用拉格朗日随机粒子扩散模式和三维风场诊断模式以及实际气象观测资料,模拟分析了福建惠安核电厂所在沿海地区的大气流动和气载污染物的中尺度扩散情况。结果表明:①该区域低层大气的流动决定于各季盛行风背景、天气系统     

杭州湾地区核电厂大气中尺度扩散特征研究

采用拉格朗日随机粒子扩散模式和当地实际气象资料,模拟以秦山核电厂为排放源的大气污染物在杭州湾地区的中尺度扩散情况.对代表性年份(1996)各季中月整4个月模拟结果的分析表明,各季平均扩散输送特征受季节变化和当地海陆地形分布的影响明显.春夏季(4,7月)以溯杭州湾往偏西和偏北内陆方向的输送为主,冬秋季(1,10月)主要为向杭州湾南岸及外海诸方向的输送.区域平均扩散能力以春季(4月)为强,秋季(10月)较弱.污染物扩散输送出模拟区域的平均时间春季略小于15h,秋季约24h,冬夏季约20h.     

海南岛地区大气输送和扩散特征的数值模拟

采用中尺度气象模式WRF及风场诊断模式CALMET,结合轨迹分析和拉格朗日随机游走模拟方法,分析了海南岛地区低层大气中尺度水平输送和扩散特性,并计算了各季平均大气扩散模态.结果表明,该区域大气污染物的扩散和输送主要受到大尺度背景环流、海陆风等局地环流及地形绕流等的影响.海陆风局地环流是沿海城市源排放的大气污染物向海南本岛输送和扩散的主要机制.北部城市海口的大气扩散对岛内影响最大,冬季平均影响范围可覆盖西北半部;春、秋季主要影响西北和北部区域;夏季对本岛的影响仅限于北部沿岸.南部城市三亚的大气扩散对岛内影响较小,秋季向西南海面的扩散对本岛几乎没有影响;冬、春季对三亚以西沿岸的影响有所增加;夏季扩散影响全面指向岛内,并因地形的作用而东、西向大角度扩展,影响海岛南部的大部分沿岸地区.西北部昌江的平均输送扩散方向与当地海岸线的走向基本一致,污染影响不易深入到岛内.其中,秋季扩散影响以偏西南方向为主,仅对昌江西南部分海岸有少量影响;冬、春季扩散形态类似但影响范围扩大到以东方市为代表的低山盆地地带;海岛西北部大部分沿海地带可受到昌江夏季扩散的影响,但平均扩散方向指向东北偏北的海面.     

气旋活动对福岛核污染物扩散影响的模拟研究

基于拉格朗日粒子扩散模式FLEXPART-WRF,根据Stohl推导的日本福岛第一核电站核事故(下称福岛核事故)发生后40 d内的137Cs排放量数据,对核污染物在中尺度区域的扩散传输进行数值模拟研究,并选取近5年3次典型气旋个例(北方气旋、南方气旋和缓慢移动气旋)进行敏感性试验,以分析不同气旋系统对污染物扩散的影响. 结果表明:福岛核事故发生后,受中纬度西风带影响,核污染物主要向东部太平洋方向扩散;核事故发生后的5 d,受北方气旋和日本南部局地中尺度气旋2次气旋过程的影响,核污染物对日本本土部分地区影响较大,但影响时间不长. 典型气旋个例的敏感性模拟试验结果表明:北方气旋和南方气旋均可使核污染物对日本本土造成一定的影响,但由于气旋移动速度较快,影响日本岛的时间较短,沉降量也较小;当出现缓慢移动气旋影响日本和周边地区时,可致污染物影响日本岛的时间延长,并直接进入东亚大陆.      

海岸地区三维风场与污染物输送扩散模式

首先建立了一个复杂地形条件下的中尺度三维边界层预报模式,模拟研究了局地海陆风环流条件下的三维风场。并将其输出直接作为一个三维欧拉数值模式的输入,以模拟沿海地区海陆风演变过程中,空气污染物(SO_2)浓度的时空分布。为更接近实际,还专门建立了一个只需少量常规气象资料输入的背景风诊断模式。较好地完成了这三个模式间的联接。实例模拟计算的结果表明,此联接模式是行之有效的。     

SLAB在突发大气污染事件应急模拟中的应用

建设关于突发事件污染气体调查的应急模拟系统,为组织各种突发灾害事件的防御、制定应急方案提供依据。应用SLAB毒气扩散模式,采取模拟试验的方法,应用大气污染监测仪器得到污染源数据,输入气象条件资料,对突发事件危险气体的泄漏扩散浓度分布进行模拟分析,确定在危险气体泄漏等突发情况下,污染气体扩散的时间、范围等和对周围环境的危害。给出在试验场地氯气泄露和气象条件的数据,分别模拟了氯气泄露情况下0.5h、1h、2h的污染气体扩散浓度分布。最大地面浓度值是8.56×10-6。30分钟后到达下风向7km,1小时后到达下风向13km,2小时后到达下风向33km。建议人员向西北方向撤离。结果表明,SLAB能够及时、准确、直观的模拟突发事件大气污染物扩散浓度分布。     

MM5/CALMET模式系统在风能资源评估中的应用

论文建立了一个适用于区域性风能资源评估的数值模式系统,该系统由中尺度气象模式MM5和微尺度模块Calm et以及风能资源参数计算模块组成。运用该模式系统分别对代表我国沿海风能丰富区的江苏省沿海地区和复杂地形条件下的北部风能丰富区的甘肃省酒泉地区的风能资源进行1 km×1 km高分辨率的逐时模拟,并通过与模拟范围内测风塔观测资料的对比检验该模式系统对我国不同地形条件下的风能资源评估能力。对比结果表明该模式系统可以很好地模拟出这两个地区的风能资源分布情形,不仅各测风塔处的年平均风速模拟值与实测值较为接近,风向频率和风功率密度方向频率也与观测值较为吻合。总体来看,该模式系统对甘肃省酒泉地区的模拟值与实测值的对比结果要优于江苏省沿海地区的对比结果。因此,该模式系统可以用来对我国不同地形条件下的风能资源进行高分辨率的评估。同时通过分析这两个地区70 m高度处的年平均风速、年平均风功率密度、年有效小时数、年发电量的水平分布结果发现,江苏省沿海地区海面上风能资源比陆上沿岸区域丰富,且风能资源沿海岸线往南逐步增加;甘肃省酒泉地区中部的盆地区域由于受南北高山形成狭管效应的作用,风能资源非常丰富。     

地形对日本福岛核事故放射性粒子扩散影响的敏感性研究

利用FLEXPART-WRF粒子扩散模式和Stohl等给出的福岛核事故137Cs排放数据,对日本福岛核事故放射性粒子扩散情况进行了数值模拟和有、无地形的敏感性试验;同时假定核污染物排放源位于日本高崎市的RN38站(36.3°N、139.1°E),对向东开口的V型特殊地形进行了敏感性试验. 福岛核事故数值模拟结果表明:放射性污染物的扩散路径、范围和强度既与天气形势有关,还与地形密切相关,不同天气或不同盛行风向条件下,地形的绕流和抬升作用对核污染物扩散输送态势的影响具有明显差异;在偏东气流影响下,由于地形作用,相比无地形时核污染物扩散偏西1个经度左右,偏高约0.5km. V型特殊地形敏感性试验结果表明:在合适的环流形势下(边界层为偏东风,中、高层为偏西风),由于V型地形的阻挡作用,可形成强烈上升运动区,核污染物主要向上、向东扩散输送,向上可扩散至3.0km以上,向东可扩散至145°E左右;而无地形时核污染物向上、向东影响范围减小,向东扩散至140°E,向上扩散至1.5km,但由于无地形阻挡和偏东风影响,向西扩散范围有所增加. 讨论了天气和地形条件对核电站选址的影响,不同天气形势下地形对核污染物扩散的影响并不相同,因此核电站选址应首先考虑选址地的大气环流背景和常见的天气系统,在此基础上再考虑地形的影响.      

盛行梯度风下热力环流对近地空气质量的影响研究

以中纬度沿海城市上海为代表,采用数值模拟方法,分析了海岸线附近污染源排放的大气污染物在盛行梯度风和热力环流耦合作用下的扩散和输送特征,并与忽略海陆温差的理想情况作了对比.结果表明,即使在盛行梯度风主导城市风场时,海陆温差引起的热力环流对海岸线附近流场仍有重要影响,并使近地面污染物浓度时空分布与海陆无温差时截然不同.海陆无温差时,污染物仅向盛行梯度风的下风向区域扩散.而在海陆有温差时,污染物的扩散却可能是双向的.陆地最高和最低气温出现的时间分别对应着沿海城市污染物最不利释放时段(RTS-16:00和RTS-04:00),造成的污染总时长和日平均浓度均最大,不仅部分近地面污染物被海陆热力环流携带至盛行梯度风的上风向区域,并且下风向区域的日平均浓度最高达海陆无温差时的4~5倍.因此,即使在盛行梯度风较强时忽略海陆温差形成的热力环流影响,也会明显低估非海陆风日的实际污染强度和污染范围.     

化工厂大气污染扩散风洞模拟试验

以一化工厂作为研究对象,按1/3125缩尺制作模型,在风洞实验室中进行扩散试验,研究该区域的大气污染情况,以及地形和局地气流对大气污染物扩散的影响。     

济南市冬季一次典型重污染过程分析

为掌握济南市重污染天气发生规律,从而更好地为重污染天气预报预警和大气污染防治提供参考,采用空气质量监测数据、气象观测资料、雷达探测资料及轨迹模式模拟相结合的方法,对济南市2016年12月31日-2017年1月7日的持续性重污染过程,从污染演变过程、环流背景分析、气象要素特征和区域污染传输等多方面分析其形成原因及主要影响因素.结果表明:此次重污染过程期间首要污染物为颗粒物,ρ（PM₁₀）平均值为318 μg/m3,ρ（PM_2.5）平均值为200 μg/m3;地面风速在0.6~1.8 m/s范围内,风力均为1~2级,相对湿度为68%~95%,平均相对湿度为81%.在重污染过程中,从地面至800 m左右高度始终维持较强逆温层,逆温频次高达91.1%,污染边界层高度较低,大部分时间都在500 m以下.采用情景模拟分析方法计算得到,区域输送对济南市PM_2.5的贡献率为20%~35%.研究显示:此次重污染过程是在区域性污染背景下由本地不利的扩散条件造成的,静稳大气形势提供有利的环流背景,平流雾、辐射雾交替产生,持续性的高湿加重了污染程度;近地面的静风、高湿,垂直方向的双逆温层甚至多逆温层的结构是影响此次重污染过程的重要气象要素;区域性污染传输对此次重污染天气的发展有显著贡献,污染初期主要来自河北省中南部的输送,随着污染加重,有来自偏南、偏东方向的局地气团输送.      

泰安市冬季一次严重空气污染过程分析

为揭示泰安市空气污染形成原因,选取泰安市2016年12月一次严重空气污染过程,利用泰安市2016年12月地面和探空资料及NCEP/NCAR（美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心）提供的FNL资料,对泰安市严重污染期间大气环流形势、边界层条件、污染源及传输路径进行分析.结果表明:在泰安市霾污染期间,500 hPa大气环流形势呈"两槽一脊"的特征,850 hPa泰安市处于南支槽前,受西南暖湿气流影响,为ρ（PM_2.5）的升高提供了有利条件;泰安市近地面处于高压控制下的弱风区（平均风速约为1.2 m/s）且边界层有逆温层存在,阻碍了PM_2.5的垂直输送,造成近地面ρ（PM_2.5）急剧升高.此外,泰安市及周边地区污染严重,聚类分析结果表明此次过程本地输送占比约为34%,其余均为外来传输,即污染物主要通过外来源传输,本地污染源贡献比率较小.污染物的高、低空传输路径不一致,低空污染物主要从安徽省水平输送至泰安市,高空污染物则先由河北省、河南省向南传输至安徽省、湖北省等地,再随南风气流向北输送至泰安市.研究显示,外来污染源传输作用配合本地静稳天气形势是造成此次泰安市空气污染的主要原因.      

An emergency computation model for the wind field and diffusion during accidental nuclear pollutants releases

Since 1986, a simple computation model for a nuclear accident has been operating in the emergency information center of Japan Agency for Science and Technology. It was developed by introducing the variation method for wind and a random walk particle model for diffusion in 50–100 km scale. Furthermore, we developed a new model with dynamic equations and a diffusion equation to predict more accurately the wind and diffusion, including local thermal convection, as an improvement on the present system.In the new model, the momentum equation and the continuity equation are solved numerically in non-hydrostatic and incompressible conditions, using a finite difference technique. Then, the equation of thermal energy preservation is solved for potential temperature in the predicted wind field of every time step. Pressure is given as a deviation from the average value of each level by a numerical solution of a parabolic equation introduced from the momentum and continuity equations. The diffusion of nuclear pollutants is computed numerically by the finite difference method in the predicted wind field, using diffusion coefficients obtained from the predictive dynamic equations.These computations were verified with meteorological surveys and gas tracer diffusion experiments over flat land, along a sea shore and over a mountainous area. As the result of new model development, horizontal circulations and vertical convections can be computed in any mesh size from several tens of meters to several kilometers, while small vertical convections less than 1 km or so cannot be represented with the former hydrostatic circulation models.     

基于风廓线雷达对成都地区典型持续性重污染天气的研究

基于风廓线雷达数据、大气污染数据及气象数据对2017年12月17日—2018年1月3日成都地区的一次持续性重污染天气过程进行研究,并对两次污染物浓度爆发式增长阶段的污染原因及污染物来源进行了分析.结果表明:①在这次重污染天气过程中,风廓线雷达高精度的风场资料(包括水平风速、风向、垂直风速、大气折射率结构常数C■)配合其他气象要素在分析两个污染阶段污染物的累积及扩散、输送中可以发挥重要的作用,即当成都地区水平风场风速较小且风向多变时,此时受静稳型天气控制,污染物浓度会快速累积增长,而当出现较强的东北风时,可能会有沙尘污染物的输入,应注意沙尘天气的提前预警.垂直风场中垂直速度和大气折射率结构常数C■的变化往往影响着污染物浓度的变化,由于风廓线雷达具有较高的时间分辨率,因此,对污染天气过程的变化有一定的指示意义.②结合局地环流指数和边界层通风量,重新定义了一种适合成都地区风场特征的通风指数:有效通风量(EVI),从而表明第一阶段污染的主要原因是成都地区由静稳型天气控制,边界层内风场对污染物的稀释扩散能力差,导致污染物累积.③通过后向轨迹模拟并结合PM_(2.5)浓度数据进行聚类分析,认为第二阶段污染主要是东北方向携带有大量沙尘污染物的气团输送到成都地区导致的,与源于西北地区沙尘天气的沙尘输送密切相关.     

海陆风环流情况下的大气扩散模式

本文讨论了海岸地区的大气过程和空气污染模式,推导了一个海陆风环流情况下的大气污染物输送扩散模式。实例应用表明,该模式对海陆风上下层风向存在切变时的空气质量模拟是有效的。      

河谷型城市风场及污染物扩散的CFD数值仿真

为研究河谷型城市地形及其引起的风场和污染物扩散的复杂问题,利用CFD（计算流体力学）方法和复杂地形网格生成技术,建立河谷型城市风场及大气污染分布的数值仿真模型,实现CFD方法在复杂地形空气运动和污染物扩散方面的应用.分别使用LES（large eddy simulation）模型和mixture模型研究兰州市地面风场特征和污染物扩散形态,计算得到的污染物分布结果与实测结果分布一致.结果表明:复杂地形对空气运动的影响很大,如风速因山体屏障作用会呈现带状分布特征,山体后侧易出现弱风区域;同时,风场会密切影响污染物扩散,决定了污染物扩散形态,如幅散能够影响污染物扩散范围及污染水平.而给定西北风条件下,如地面以上10 m、风速为5 m/s、不受地形阻挡情况下,工业区污染物浓度被稀释10倍,约扩散2.2 km;山体阻挡会抑制污染物纵向扩散,表现在山体阻挡情况下污染物稀释100倍时的扩散长度约为相对平坦区域的1/3.此外,不同的入口风向会引起空气运动与山体相互作用发生变化,进而会使得地面风速、局部风场存在差异,造成污染物扩散及分布形态差异.研究显示,CFD方法可行,模型可靠,可以用来研究地形对风场和污染物扩散的影响.      

石家庄市一次大气重污染过程的边界层特征和成因分析

针对石家庄市2015年12月5—14日出现的重污染过程,利用石家庄市逐日地基微波辐射计、风廓线雷达、地面气象观测资料以及同期的污染物观测资料,分析了重污染过程期间大气边界层温度、湿度、风变化特征及对PM_(2.5)的影响,采用Hysplit后向气团轨迹模式对污染来源进行分析。此次重污染以局地排放为主要形成源,期间冷空气势力弱,地面日平均风速均在1.5 m/s以下,日平均相对湿度均在70%以上,风速小、湿度大,稳定的大气环流形势为重污染提供了持续稳定的大气环境背景。逆温形成及快速增厚导致重污染开始,逆温层平均厚度为683 m,逆温层厚、强、不易消散,导致重污染持续时间长、污染重。近地面小风层厚(平均700 m左右),通风能力弱,导致污染物难以稀释扩散。同时近地层湿度大、厚度厚,使得PM_(2.5)更容易形成和积累,对重污染加重起到了促进作用。     

甲烷排放源逆向轨迹反演模式研究

基于逆向轨迹计算和单点浓度连续观测资料建立了一个甲烷排放源的反演模式 .经系统调试表明模式具有正确反映边界层物理过程的能力 .在理想条件下 ,模式相当准确地反演出 1 0 0km水平范围内设定的排放源和分布 .用 9天的实际甲烷浓度连续观测资料对北京地区的排放源情况进行个例计算 ,获得主要源块的排放率在0 0 0 66～ 0 0 2 6mg/ (m2 ·s)范围内 ,与区域内的重要排放源 (稻田 )的排放情况相一致 .反演所得源块与区域内的稻田分布亦有一定的空间对应关系     

南京地区典型大气污染过程分析

文章统计分析了南京市近年来大气污染过程总体特征,选择2009-2011年不同类型的3个典型污染过程,分别讨论了其污染特征和影响因素.结果表明:以API值为污染判断指标,近年来南京市91%的污染过程持续时间在4 d以下,秋冬季节长时间污染过程更多。沙尘型污染受北方沙源地、长距离输送气象条件控制,影响范围广;秸秆燃烧型污染PM_(25)/PM_(10)浓度比例高达70%以上,细粒子(PM_(2.5))污染严重,主要受风向控制影响南京及周边局部地区,在降水冲刷或大风等气象条件下随污染源消失而快速消散;秋冬季的持续污染过程主要受气象条件影响,在均压场控制下,边界层呈局地性环流特征,污染物不断累积。     

垂直切变风场中大气污染物输送扩散的分层模式

应用分层处理法,将大气边界层中水平流场有明显转折的层次定为分界层,建立了污染物输送扩散的分层模式。研究结果表明,当上、下层流场一致时,本模式的解与传统模式基本一致。而当上、下层风向不一致时,污染物的横向散布范围被加大,地面污染轴线将随着距离增加逐渐向下层风的下风向偏移。