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1、第四章生态环境保护与社会主义新农村建设哈尔巴岭地区风、温结构特征研究李慧敏。2 陈海平。黄顺祥12 胡非2( 1 防化指挥工程学院北京1 0 2 2 0 5 ；2 中国科学院大气物理研究所走气边界层物理和大气化学国家重点实验室北京1 0 0 0 2 9 )摘要利用哈尔巴岭地区日遗销暨工厂1 0 2 m 气象塔2 0 0 7 年平均场5 层的风、温数据，同时结台2 0 0 7 年1 月2 6 日一2 月6 日、2 0 0 7 年8 月1 5 日一8 月2 6 在销毁工厂的系留汽艇和雷达观测数据，对该地区的温度场和风场结构进行了分析研究。研究结果显示，塔层的平均温度在夏季7 月份出现一极小值，同时
2、，受地形影响该地区近地层逆温强度大，持续时间长，出现频率较高：该地区低空急流现象明显急流发生的高度与周围山体的高度相当，大约在1 0 0 2 0 0 m 之间。美键词风、温结构逆温强度低空急流引言大气边界层是对流层下部直接受地面影响的气层，大气污染程度与大气边界层的物质和输送能力密切相关，所以大气边界层的机构和输送特征是研究污染扩散的主要影响因素。日本在侵华战争期间，对我国军民大规模使用化学武器，日本投降时将大量化学武器埋藏于 我国地下，或投人江河湖泊，迄今为止的现场调查表明，这些化学武器大部分锈蚀严重，有的甚至已经泄漏对当地人民的生命财产安全和生态环境构成了严重威胁“1 。吉林省哈尔巴岭地区
3、是日本遗弃在华化学武器埋藏数量最多的一处，为此，经中日两国政府的谈判，最终决定将销毁 工厂建在哈尔巴蛉地区。销毁工程建成运行后，是否会对周边地区的生态环境造成影响，这些都是我们需要考虑的问题，本文利用销毁工厂附近1 0 2 m 气象塔5 层的平均场风、温数据及低空探测试验期间系留汽 艇、雷达的观攫I 数据对销毁工厂附近的温度场和风场结构进行了分析研究。一、实验概况为掌握吉林省哈尔巴岭地区化学武器销毁工程 对周围环境所造成的影响，了解销毁设施所在地地形和下垫面对气象要素的影响强度，掌握该地区的大气扩散规律，在销毁工厂附近建立丁1 0 2 m 专业气象塔( 海拔5 4 5 n 1 ) ，进行平均场
4、和湍流场的梯度观测。同时，为配合气象塔的观测工作，与其观测数据进行对比分析，并于2 0 0 7 年1 月份和2 0 0 7 年8月份在销毁工厂附近进行r 低空探测试验”。 根据近地层气象要素随高度分布的基本规律，在气象塔的2 m 、I O m 、3 0 m 、6 0 m 、1 0 0 m 扛个高度 处安装了平均场气象要素( 风速、风向、温度及湿，度) 观测仪器。在铁塔的2 m 、3 0 m 和l O O m 三个高度处安装三维风速、温度、水汽二氧化碳等揣流苎笪曾 观测仪器。各个高度层气象铁塔的伸臂方向根据当地常年平均盛行风向确定，而其伸臂支架的类型和 长度、宽度由观测项目来确定建立数据采集及质
5、图T 平均场观测仪器5 2 0中国环境科学学会学术年会优寿论支集( 2 0 0 8量控制系统。平均场观测仪器包括风速风向仪和温度湿度仪两部分，见阿1 。风向风速仪采用X F Y l 一l 型测肛【传感器天津围家海洋技术c b 生产，由风杯一光电，F 关式风速传感器和舵极一光电码盘式风向传感器两部分组成。X F Y 一l 犁测风传感器主要技术指标：风速测昔范围：( 10 6 00 ) m s ；启动风速： 5 07 + 分压力范围0 至1 1 5 k p a标准工作温度一2 5 至+ 5 0 第四章生态环境保护与社会主义新农村建设同时，还在2 0 0 7 年1 月2 6 日至2 月6 日、2 0
6、 0 7 年8 月1 5 日至8 月2 6 在销毁工厂附近进行 了冬季和夏季大气边界层综合观测试验，主要包括系留汽艇观测和雷达观测，系留汽艇探空系统中，气球为中国科学院大气物理研究所研制，风、温、湿、压的无线电探空仪为V a i s a l a 公司产品。该系统能够自动测量边界层内风、压、温、湿的垂直变化。雷达观测仪器为L A P 3 0 0 0 风温廓线雷达，是美国R a d i a n 公司的产品，探测水平风速、风向、垂直风速和虚温。 本文利用1 0 2 m 气象塔平均场的风、温数据，结合低空探测试验期间系留汽艇和雷达的观测资料对哈尔巴岭地区边界层的风场和温度场进行了分析研究。二、温度结构
7、分析( 一) 塔层平均气温由于气象塔观测仪器的问题，节选了1 0 2 m 气象塔l O O m 、3 0 m 和l O m 三层平均场的资料，由图1 ( a ) 可看出：l O O m 以下的平均气温垂直梯度上没有太大的变化，三层的月平均气温和季平均气温变化趋势基本相同，但基于哈尔巴岭地区纬度较高，总体来看l O O m 高度处的平均温度比低层l O r e 处的平均温度要高。一年中6 月、7 月、8 月的温度最高，平均温度最高为2 1 5 ； 1 2 月份的温度最低，平均最低气温为一1 5 ；从1 月份开始，该地区的平均温度逐渐升高，到6月份达到最高，7 月份温度反而有所降低，这可能与哈尔巴
8、岭气象塔所处的地理位置有关，由于该地区三面环山，特殊的地形使其夏季雨天较多，降雨使其平均温度有所降低；8 月份平均气温和6 月份相当，只是温度略比6 月份有所降低，从9 月份开始温度一直下降，直到1 2 月份降到最低温度。从图1 ( b ) 可以清楚地看到：一年四季温度的分布很明显，夏季温度最高，最高为1 9 7 ；冬季温度最低，只有一1 2 6 屯；其中，秋季的温度比春季高，秋季平均气温为3 2 。C ，春季为1 9 。和中纬度其他地区一样，温度的季节变化明显，但总体来说，气温普遍偏低，而且气温的垂直梯度一直呈逆增状况，即大部分时间都处于稳定层结状态下，这种特殊的大气结构是由其地理位置和气象
9、塔周围的地形条件决定的，气象塔三面环山，容易受局地小气候影响，使得这种稳定层结持续时间较长，这样给污染物的扩散带来不利的影响，因为稳定层结就像盖子一样阻挡污染物在垂直方向上的扩散，使污染物聚集在一起，不易向周围扩散。月( a ) 月平均气温季节( b ) 季平均气温图12 0 0 7 年塔层平均气温廓线图( 二) 温度梯度的日变化图2 是选取的2 0 0 7 年1 月2 8 日0 1 时的系留汽艇探空资料的温度廓线图。可以看出：0 1 时已经形成很强的稳定边界层( 逆温层) ，逆温层高度大约为4 0 0 一4 5 0 m ，大大超出了该地区山脉的最大高度( 约为2 0 0 米) ，( 很强的逆
10、温层厚度不利于污染物及有毒气体的扩散) 。逆温层之上，温度随高度逐渐递减。0 4 时逆温层有所上升，接近5 0 0 m 。到早晨0 7 时，逆温强度下降，中国环境科学学会学术年会优秀论文集( 2 0 0 8 )降到大约4 0 0 米，同时：随着太阳对地面的加热，贴地层温度略有回升，逆温层被破坏，但强度不大。1 0 时，随着太阳高度角的增大，地面气温继续升高，稳定层结被破坏，对流混合层逐渐形成，但5 0 2 0 0 m 仍为逆温结构。1 3 时，逆温层已基本被破坏，但在4 0 0 m 左右温度随高度的 变化出现摆动现象。1 6 时，对流混合层完全形成。由于该天天气晴好，地面降温较快，到晚上1 7
11、 时，逆温层厚度已达到3 0 0 米，而且随着时间的推移，逆温层厚度逐渐往上抬升。 魁 檀温度( a )1 0 0 09 0 08 0 07 0 06 0 0t 、醚、5 0 0“ 昭4 0 03 0 02 0 01 0 0O图2 哈尔巴岭地区温度日变化图( 2 0 0 7 年1 月2 8 日，系留汽艇)综上所述，由于所处地理位置的原因，该地区冬季大气边界层具有特殊的结构。由于其纬度较高，所以冬季气温较低，夜间气温一般都在零下2 0 度，白天温度也基本处于零下。逆温层的厚度较厚，最高能达到5 0 0 m ，而且持续时间比较长，从大约1 8 时开始直到第二天1 3 时逆温层才完全消失，即此时对流
12、混合层才完全形成。冬季这种很强的逆温结构对该地污染物的扩散十分 不利，而且日本遗弃化学武器销毁工程建在一山谷中，周围全是高约1 0 0 2 0 0 m 的山脉，整个山谷都处在逆温层的覆盖之中，大气层结较为稳定，湍流受到抑制，减弱了大气的扩散能力，污染物积聚在此不利于往外扩散，而且遇到突发事故时也不利于进行救援。图31 0 2 m 气象塔温度梯度的日变化廓线图( 2 0 0 7 年1 月)由图3 可以看出，塔层所测该地区平均温度的E l 变化与系留汽艇所测吻合较好，午后2 ：0 0时塔层气温达到最高值，对流比较强烈，之后温度持续下降，一直到次E l 凌晨约0 7 ：0 0 时气温第四章生态环境倦
13、护与社会主义新农村建设1 5 2 3 降至最低，0 7 ：O O 时以后各层温度逐渐都升高，而且由于太阳辐射的原因，最靠近地面的一层l O m 高度处升温最快，随高度增加，温度增加率递减；由塔层l O m 、3 0 m 、6 0 m 和l O O m 高度处的温度日变化廓线可看出，离地面越近，温度日变化越明显，随高度的上升，受地形和辐射的影响较小，因此日变化趋势缓慢。三、风场结构分析( 一) 塔层平均风速图4 ( a ) 显示：一年中3 月份的平均风速最大，1 0 0 m 高度处最大能达到4 5 m s ，l O m 处最大能达到2 9 m s ；其次为9 月份，其中1 2 月份的平均风速最小
14、( 所用数据为2 0 0 6 年1 2 月份的风速数据) ，8 月份风速也较小，是夏季月份中风速最小的月份；平均风速在3 月份达到最大后 随时间逐渐下降，直到8 月份降到最低，而后平均风速又呈上升趋势。同样，由图4 ( b ) 可以看出，春季该地区的平均风速最大，冬季次之，夏季平均风速最小。依据该地区风速的月变化规律和季节变化规律，我们可以制定相应的环境影响决策，因为大气中污染物质的扩散与风速的大小有着密切的关系，风速越大，对空气中存在的污染物质的稀释能力越大，反之，则变小。从而得出：哈尔巴岭地区春季3 5 月份有利于污染物的扩散，而夏季7 8 月份不利于污染物的扩散。月季节( a ) 月平均
15、风速( b ) 季平均风速图4 哈尔巴岭地区2 0 0 7 年塔层平均风速廓线图( 二) 风速的日变化规律 边界层中风具有明显的日变化，白天近地层风速随太阳的加热而变大，夜间随地面的长波辐射而变小。这种风的日变化最明显的表现就是夜间低空急流的出现。低空急流是一层很薄的快速运动气流HJ ，通常位于地面以上1 0 0 3 0 0 m ，最大风速为1 0 2 0 m s ，它是边界层中的一种重要现象，影响着边界层内的湍流状况，进而影响污染扩散。有文献指出，低空急流的出现是夜间边界层湍流减弱造成的，同样，还与山谷风及山地障碍物周围的气流分支等因素有关。非均匀下垫 面条件对风场结构特征的影响还表现在很多
16、方面，比如山谷风、海陆风的形成等，其中哈尔巴岭1 0 2 m 气象塔所在地就属于典型的复杂下垫面，气象塔周围三面环山，夜间容易形成山谷风。 2 0 0 7 年1 月2 8 日凌晨4 ：0 0 时，近地面层存在风速切变，由于地面的摩擦作用，其风速为零，随着高度的增加风速逐渐增大，在4 0 m 左右存在一风速极值，风速为3 2 m s 左右，随着高度的增加风速廓线呈波动摆动，在1 5 0 m 左右又存在一极值，风速为3 7 m s ，其中在2 4 0 m 高度 处存在一风速极大值，这是稳定边界层内出现的低空风速切变，即夜间低空急流。由2 8 日0 4 ：0 0 时的温度廓线图可知，此时逆温层的厚度约为5 0 0 m ，逆温较强。在2 4 0 m 高度以上，风速呈波动减小。1 0 ：O O 时的风速廓线和0 4 ：0 0 时的风速廓线形状相似，近地面层存在多个风速极 值，其中在4 0 0 m 处存在风速极大值，风速大约为4 m s 左右。1 3 ：O O 时( 图略) ，1 9 0 m 高
