珠三角一次重空气污染过程特征分析及数值模拟

以珠江三角州地区(珠三角)2009年11月23─29日一次重空气污染过程为例,利用常规观测资料及中尺度气象模式(MM5)、污染源排放模式(SMOKE)和空气质量模式(CMAQ)的模拟,研究此次重空气污染过程的特征. 结果表明,造成此次重污染的主要原因有:①前期高压脊带来的稳定层结和静小风条件使得大气污染物逐日累积,难以扩散;②西太平洋台风向南海附近发展移动时,其外围下沉气流导致珠三角大气污染物向低层输送并积累. 珠三角区域污染分布特征表明,广州和佛山的本地贡献明显,而肇庆等地受外地源输送的影响更为显著.      

烟塔合一排放的SF_6示踪扩散试验

国华三河电厂烟塔SF6示踪扩散试验共确定5次试验气象窗口,每次气象窗口进行3次试验,共有12次试验取得有效数据,基本涵盖了大风、小风以及各种大气稳定度类型.不稳定条件下,风速较小时,单位源强产生的最大落地浓度大,距离近;中性条件下,风速较大时,单位源强产生的最大落地浓度居中,距离较远;稳定条件下,中等风速时,单位源强产生的最大落地浓度小,距离较远.这与模式模拟结果通常所表现的规律相一致.类推得出电厂NOx的最大落地浓度比标率〔《环境空气质量标准》(GB3095—1996)二级标准〕为6.97%,其环境影响可接受.     

基于NLMSFD模式对风速分布规律的数值模拟——以山东威海风电场为例

针对风电场建设要求,论文利用非线性高分辨率数值模式NLMSFD尝试对山东荣成地区风资源进行评估。在试验区域内,分别选取两座测风塔不同高度上1年的月平均风速观测资料作为驱动值,利用模式对试验区的风速分布进行了模拟试验,获取了试验区100 m×100 m分辨率条件下风速一年四季的空间分布信息,并将模拟值与实测值对比,分析了模式在试验区地形及粗糙度条件下的模拟精度,评价了NLMSFD模式的可适用性。结果表明,模式的模拟结果基本能反映出月平均风速的时空变化规律,但两塔位置处模拟值与观测值的相对误差随高度和季节变化有所不同。从季节上看,模式的模拟结果在冬季较好,夏季误差稍大,春、秋次之;从高度上看,除10 m高度外,其它高度层的相对误差大多在10%以内。利用不同位置的观测资料驱动模式,模拟结果的精度也受影响。如利用远离海岸边的观测资料驱动模式要比近海观测资料驱动模式所得的模拟结果好;同时对于近海的测风塔,采用距地面位置较高的观测资料作为驱动值要比采用10 m高度的资料驱动模式的模拟精度好。这些结果说明NLMSFD模式在精细化风资源评估及风电场选址中具有一定的参考应用价值。     

小风条件下大气扩散模式发展回顾研究

由于小风对污染事件的潜在影响,以及与中等风速和大风条件相比边界层结构、湍流和扩散的特殊性,常规的稳态高斯烟流模式在这种条件下具有局限性,建立适用于小风条件的大气扩散模式具有重要的理论和实际意义。本文回顾了近年来小风条件下大气扩散模式的建立和发展,从较简单的解析模式到复杂的数值模式,并对不同模式的参数化方案、与示踪物实验的比较结果、适用性和不足之处进行了总结。综合考虑不同模式的优劣,在应用方面有利于根据实际情况选择合适的模式,在模式开发方面,有助于建立更加完备的大气扩散模式。     

城市小区气象条件与污染扩散精细预报研究

从城市小区气象条件与污染扩散精细预报的科研需求和城市大气环境应急响应的应用需求出发,利用新一代全球/区域同化预报系统、城市小区尺度气象和污染扩散模式以及城市尺度污染扩散模式,对城市小区气象条件与污染扩散进行了精细预报试验,并进一步研究了城市小区尺度气象和污染扩散的精细模拟对城市尺度污染扩散模拟的影响.初步建立了城市小区气象条件与污染扩散精细预报方法,即:气象部分由全球到小区逐级单向嵌套、污染部分由小区到城市逐级单向嵌套的方法.预报试验结果表明,这种方法是合理可行的.小区尺度精细模拟对城市尺度污染扩散模拟的影响较大,但其模拟效果还有待利用观测资料进一步验证.     

广州市氮氧化物的数值模拟及暴露影响评价

主要介绍了大气暴露风险评价ADMER模式的模块组成及其主要功能,并利用该模式对广州地区常规的氮氧化物进行了暴露风险评价研究.利用中尺度气象模式模拟的5km气象场数据和收集整理的年平均污染排放源资料进行了大气污染扩散模拟计算.结果表明,无论是氮氧化物的浓度值还是其时空变化趋势,ADMER模式模拟的结果与实际观测均较一致,相关系数达0.76.氮氧化物的浓度高值出现在冬春季节,夏季的浓度相对较低,这主要是受气象场条件的影响.空间场上,氮氧化物的高值区位于广州地区的西南和中部,与工业大点源以及地面源排放的分布一致,而广州地区东北部氮氧化物的浓度值相对较低.在浓度评估的基础上,对暴露人口也进行了估算.由于广州是广东省的主要人口密集区,所以,定量化暴露人口对于进一步开展污染控制减排策略有一定的指示意义.     

长江三角洲地区春季臭氧异常高值的数值模拟研究

已有的观测与研究表明,长江三角洲地区春季的臭氧浓度为全年最高,且高浓度臭氧出现的频率也最高.采用美国环境保护局(USEPA)的区域大气质量模式(CMAQ)研究长江三角洲地区2000年5月一次臭氧异常高值事件.与地面观测资料的对比分析表明,该模式基本再现了臭氧及其前体物的变化趋势.通过个例分析,从物理和化学两方面解释了2000年5月11日佘山、嘉兴和临安均观测到高浓度臭氧的原因.模拟结果表明,气象场对区域空气污染分布形式起着至关重要的作用,同时也反应了在适当的风场作用下,上海地区的污染源可以对长江三角洲地区的空气质量造成很大影响.      

亚洲大陆2000～2002年春季大气沙尘时空特征的数值模拟

将矿物沙尘释放与沉降模式和全球大气化学传输模式相耦合,建立了一个能够完整描述沙尘的扬起、输送和沉降动态过程的模式系统,并利用实时气象资料强迫该模式,对2000、2001和2002年春季(3～5月)亚洲大气沙尘时空特征进行了数值模拟研究.结果表明,模拟的3年春季平均大气柱沙尘浓度分布与地面观测的3年春季平均沙尘暴频率分布范围基本吻合,模拟的沙尘气溶胶光学厚度与卫星观测的气溶胶指数具有显著的相关性,验证了该模式对亚洲沙尘的扬起、传输和沉降过程及大气沙尘载荷时空特征有较好的模拟能力,并基于模拟的沙尘释放通量与沙尘气溶胶光学厚度的相关分析,探讨了亚洲沙尘可能的传输路径.     

WRF-Fluent耦合模式的构建及其对城市大气扩散的精细化模拟

为了准确刻画城市环境中的复杂建筑结构对大气运动和污染物输送及扩散过程的影响,结合中尺度模式WRF和微尺度模式Fluent构建了单向耦合的WRF-Fluent模式,并将其应用于榆中县城区高架源排放情景下大气扩散的模拟研究.基于城市气象/示踪外场试验期间获取的气象数据对WRF模式的模拟性能进行验证,发现WRF能够为Fluent提供比较准确的随时间变化的气象驱动场.在此基础上,将榆中县城区三维几何模型嵌入到WRF-Fluent中,对城区内的流场及污染烟羽的时空演变过程进行精细化模拟,并将模拟结果与实测示踪物浓度数据进行比对.结果显示,WRF-Fluent模式可以很好地描述城区内的复杂三维风场结构以及污染烟羽随时间的动态变化特征,而且模拟的地面和城市冠层顶浓度最大值基本位于观测值的0.3~3倍之内,这表明构建的WRF-Fluent模式具有较好的模拟性能,可作为一种有效的工具应用于实际城市规划和空气质量改善以及环境风险评估等方面的研究.     

基于复杂地形-气象场的二噁英污染物沉降研究

为了解复杂地形-气象场条件下二噁英类污染物环境影响,选取我国西南某代表性山地,利用CALPUFF预测区域垃圾焚烧、医废与危废项目二噁英类污染物的环境影响,并通过土壤实测数据进行模型分析验证.结果显示：复杂地形-气象场条件下,同一区域不同空间下的风向与风速将会出现明显差异,CALMET气象模块可结合相关资料,模拟计算出可信较高的复杂气象场文件;模型预测显示,在复杂地形-气象场条件下,项目排放的二噁英在土壤中的沉降位置、方向与全年主导风向不完全一致.研究区域土壤沉降量为0.86×10^-3~9.84×10-1ngTEQ/m²;模型模拟医废与垃圾焚烧、危废项目沉降数据与监测数据相关性R分别为0.854,0.287,说明CALPUFF模式在复杂地形-气象场条件下模拟周边土壤二噁英空间分布有一定可信度.     

Simulation of dispersion in moderately complex terrain—Part C. A dispersion model for operational use

An operational dispersion model for use in areas with complex terrain is presented. The model uses mean and turbulence quantities simulated with the fluid dynamic model presented in Part A. A large number of wind and turbulence fields are simulated with the fluid dynamic model. These simulations are put into a database and can be used in the calculations of dispersion with the operational model. To get relevant meteorological data for the model a Doppler sodar and a 10 m high mast with a temperature profile and wind and wind direction at one level are used. The model calculates a trajectory for the plume centerline from the simulated wind field, and approximates the concentration field with a bi-Gaussian distribution. For convective conditions the mixing height and the surface heat flux, used as input for the model, are being determined from the sodar measurements through relations related to the temperature structure parameter C_T² and the standard deviation of the vertical velocity. The horizontal and vertical standard deviations for the plume are determined by using the simulated turbulence quantities from the dynamic model and Eulerian velocity spectra. Simulations with the model is compared with dispersion measurements performed in an area in the southern Sweden, the Vänersborg-Trollhättan region. The geographical area is characterized by topographical features on the meso-γ-scale, i.e. 2–20 km. Thus there are forested hills, a relatively flat agricultural area and an extended lake area within the model domain. The terrain height relief is typically 80 m. The simulations show, in general, good agreement with the measured data both for unstable and stable stratifications.     

A numerical simulation of airflows and SO2 concentration distributions in an arid south-western Valley

Three-dimensional numerical models were used to simulate wind and turbulence distributions in the Mohave Valley and plume transport from the Mohave Power Project, located at approximately 120 km south-south-east of Las Vegas, NV. The Modeled meteorological variables were input to a three-dimensional random-puff diffusion model to simulate observed tetroon trajectories and ground-level concentrations of SO₂ in the Valley. Numerical simulations indicated that hourly averaged surface concentrations could differ considerably, even when the mean and turbulence variables of the airflows were kept statistically identical. The concentration variations resulted from the differences in initial turbulence velocity and inhomogeneous distributions of airflows that each puff encountered during transport. Because the range of variations is, in general, unknown for both measurements and simulations, it is difficult to assess the representativeness of the observed and simulated values, and therefore to evaluate quantitatively the modeled concentrations against observations.     

IBIS改进及其多尺度流域分布式生态水文模拟

针对集成生物圈模拟器IBIS未考虑高分辨率模拟情况下地表起伏对太阳辐射等参数影响的特点,改进了IBIS的地表太阳辐射计算模块、日气象数据读取模块,并增加了坡度、坡向数据读取模块。在土地利用覆被数据、DEM、坡度、坡向和降水、气温、云量、湿度、风速等气象数据的支持下,利用改进的IBIS分别对泾河及其子流域在0.041 5°和0.001°空间尺度上的生态水文过程进行了模拟,并用二源遥感估算的蒸散发对模拟结果进行了空间比较分析。结果表明,改进的IBIS在日、月、年不同时间尺度和不同空间尺度上均具有很好的模拟适应性与模拟能力,模拟蒸散发与二源遥感估算蒸散发结果比较一致,总体空间分布形态和趋势具有相似特征。     

建筑扰动条件下大气流动与扩散的CFD模拟

用FLUENT模式对中性大气、单个建筑的气流扰动情况进行模拟,并以风洞试验数据检验模拟效果;将模拟方法应用于类似城市建筑阵列条件的大气污染扩散问题,并且与现场示踪试验比较. 结果表明:FLUENT对建筑扰动条件的平均风场模拟效果良好,FAC2(模拟值与试验值之比在0.5~2之间的比例)在水平与垂直风速下分别达到77.9%与61.0%;对湍流特征量的模拟偏差稍大,K(湍流动能)虽总体偏小,但FAC2仍达到了54.6%. 选择湍流闭合的标准K-ε(ε为湍流动能耗散率)方案、重整化群K-ε方案和雷诺应力模型方案对结果的影响均不大. 采用FLUENT模拟了类似城市街区建筑阵列条件的大气扩散个例, 模拟结果反映了建筑扰动导致的扩散烟流轴线相对于平均风向的非常规偏移,并且扩散浓度与示踪试验结果相符较好,下风向32与63m处的侧向模拟浓度峰值的相对误差分别为72.5%与36.9%. 相比于高斯模式ISC3,FLUENT对复杂建筑阵列条件的扩散模拟结果更符合实际,如污染物向上风向扩散以及在建筑物周围堆积与绕流的现象. FLUENT扩散模拟还显示:近源处相邻建筑街道峡谷中的最大浓度沿下风向“阶跃”式减小,排放源所在街道峡谷中的最大浓度可比相邻街谷中的高几倍甚至1个数量级以上.      

海面动力学粗糙度参数化方案对近海风资源评估结果的影响

采用数值模拟手段可以获取风能资源开发利用高度处资源量的区域分布状况,海面的动力学特性对近海面风速的数值模拟结果影响较大,论文采用WRF模式来研究不同海面动力学粗糙度参数化方案对近海及沿海地区风能资源的数值模拟评估结果影响以及方案的适用性.采用不考虑粗糙度变化(P_0)、WRF模式中参数化公式系数为定值的方案(P_WRF)、Yelland和Taylor 的分风速对参数化系数进行取值的方案(P_YT)对杭州湾近海及沿海地区风场进行模拟研究.通过与观测资料的对比分析可以得出以下结论:通过参数化方法改变海面动力学粗糙度可以改进近海和沿海地区风速的模拟效果,且P_YT 方案的模拟效果要优于P_WRF方案;当观测点为海风时,考虑粗糙度变化方案的风速模拟结果改进更加明显;观测点风速低于约8 m/s 时,所有方案模拟结果的相对误差均随风速增加而降低,P_YT 方案的模拟误差最小,P_0 的误差最大;而当风速大于8 m/s 时,相对误差会随风速的增加而增加,P_YT方案模拟误差最大,P_0 方案误差最小.三种方案模拟风能资源差异主要体现在陆地沿海和近海区域,离海岸线较远的陆上地区模拟结果相差不大,在沿海和近海区域方案P_WRF平均风速模拟结果比方案P_YT的偏高约为0.5 m/s,平均风功率密度偏高约为50 W/m².     

榆中县城大气污染物扩散的观测实验与数值模拟

结合榆中县外场观测实验资料,利用计算流体动力学CFD (Fluent)软件对榆中县城区的流场和污染物扩散形态及规律进行了模拟研究.根据实际测量数据,利用Gambit软件建立了榆中县城区的三维城市建筑模型,导入Fluent进行模拟计算,对模拟结果与观测数据进行了对比分析,结果显示Fluent对流场和污染物扩散的模拟具有较好的一致性;具体而言,对风向、风速的模拟值与观测值的总体相似系数分别为0.876和0.843,对0.5m和27m高度处污染物模拟值和观测值的相关系数分别为0.71和0.72.因此,Fluent软件可用于城市污染扩散的模拟研究,也可以根据其模拟结果指导空气质量检测点的布设.     

边界层方案对山西冬季一次静稳天气PM_(2.5)浓度模拟的影响

准确的空气质量数值预报模式依赖于精确的气象条件模拟,尤其依赖于大气边界层的准确模拟.为理解边界层过程如何影响空气污染物的传输与混合,利用WRF-Chem模式不同边界层方案(YSU和MYJ)进行敏感性试验,针对山西冬季典型静稳天气,对地面温度场、地面风场、PM_(2.5)浓度及边界层内部的动力和热力层结进行模拟分析,并与观测资料进行对比,分析不同PBL方案对于气象要素和PM_(2.5)浓度分布的模拟能力,探讨边界层内部热力层结和湍流输送差异对PM_(2.5)浓度模拟的影响.结果表明:2种边界层方案均能较好模拟出冬季静稳天气背景下地面温度、风速及PM_(2.5)浓度的空间分布和日变化特征,气温模拟的较大误差主要出现在夜间,而地面风速和PM_(2.5)浓度的模拟结果在午后误差较大;相对于YSU方案,局地MYJ方案模拟的温度、风场和PM_(2.5)浓度的误差更小,模拟结果更接近于实况观测.地面PM_(2.5)浓度的模拟误差可能与近地面逆温层、混合层及地面风速等的模拟误差有关;不同边界层参数化方案导致的边界层内热力层结和湍流输送的模拟差异,可能是影响近地面PM_(2.5)浓度模拟差异的主要原因;夜间MYJ方案逆温层厚度较厚,地面PM_(2.5)模拟浓度较低;午后MYJ方案混合层高度较低,加之地面风速较弱,导致地面PM_(2.5)模拟浓度较高.     

WRF模式最优参数化方案在不同空气质量模式的应用

精准的气象场和适用的空气质量模式是优化大气污染模拟的重要途径.为提升四川盆地冬季大气污染模拟效果,利用WRF模式25组参数化方案组合,进行气象场模拟试验,基于最优方案数据,以四川盆地某大型钢铁厂为例,分别驱动AERMOD模式和CALPUFF模式,通过研究区域4个国控站数据对模拟结果进行对比验证.结果表明,WRF模式参数化方案选取对地面风场、高空风场和地面湿度场模拟效果影响较大,对地面温度场、高空温度场和高空湿度场模拟效果影响较小,SLAB陆面过程方案、 Dudhia短波辐射方案分别与YSU、 ACM2、 BouLac和MRF边界层方案的组合,均能较好地模拟四川盆地冬季地面风场、温度场和湿度场的变化趋势,结合高空风温湿统计参数综合分析可知,第1组方案适用于达州气象场模拟,第13组和第17组方案分别适用于成都白天和夜间时段气象场模拟.CALPUFF模拟结果与监测值的相关性整体优于AERMOD,从站点角度分析,CALPUFF在国控站3号的模拟效果相较AERMOD提升较大,在国控站2号的模拟效果提升较小,从大气污染物角度分析,4个国控站CALPUFF对NO_x和PM     

A micro-scale dispersion model for motor vehicle exhaust gas in urban areas—OMG volume-source model

A micro-scale dispersion model is presented for estimating the concentration of pollutants from motor vehicle exhaust gas within an area extending 200 m from the side of the road in an urban area. The initial mixing of pollutants in a street canyon is modeled as a volume source employing an analytical solution to the Fickian diffusion equation.Parameters for the model were determined based on data from experiments performed at five locations in Osaka. In the experiments, SF₆ was released as a tracer gas. The height for wind speed measurements for use as the advection speed of the plume was determined from an analysis of the flux of SF₆. The eddy diffusivities in the vertical and lateral directions were derived from statistics of the turbulent velocity fluctuations of the air. The sensitivity analysis of the model revealed that proper characterization of the thickness of the volume source is essential for proper estimation of the concentration of pollutants.     

Practical dispersion modelling for buoyant elevated sources in a tropical region

The worst-case meteorological scenarios for the air pollution impact of coal-fired power stations located in tropical Australia are usually those of convective or seabreeze states. Under such conditions maximum hourly ground-level concentrations occur within 5 km of typical elevated sources and are potentially important unless either low sulphur coal is burnt (the usual situation for Australian coals) or restrictions are placed upon neighbouring land use. In such conditions even slightly complex surrounding terrain can cause major changes in surface and lower-level wind and turbulence characteristics, although the resultant effects on ground-level concentrations are probably relatively small. The monitoring data bases of an inland and a coastal power station in tropical Queensland give similar qualitative results to recent EPRI studies. Concurrent detailed meteorological measurements show that convective scaling techniques order both data sets in a satisfactory manner. The convective dispersion model of Spillane (1985, CSIRO internal report) has also shown more predictive skill than conventional approaches and emphasizes the importance of gathering vertical velocity statistics for most sites. Some of the forthcoming developments in related Australian dispersion work are outlined.