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1、论文发表专家ED国寻朮发罢网 www.qikanwang,net 一次大气污染物的大气环流输送规律分析与模拟摘要：以2 0 0 5年1月6日辽宁中部城市群出现的区域污染事 件为例，利用ncep/ncar全球再分析资料对2 0 0 5年冬 季影响我国北部的大尺度环流系统进行了客观分析，同时采用中尺 度数值模式mm5对不同尺度大气边界层进行数值模拟研究。结果 表明，此次污染过程中地形影响形成的气流输送汇是造成区域污染 的关键原因，而较强的逆温、逆湿等典型的稳定边界层的特征则加 重了局地污染。关键词：大气环流；冬季；污染物输送；数值模拟objec tive analysis and Simula t
2、ion of a case of atm ospheric p ollutants transportationfu yun yanl, 2,wang jin qiang2, jiang cuihua2,yuan zhiyong2, wang wenqing2(l department of atmospheric sciences，nanjing university，n anjing 210093,china；2 suqian meteorological bure au,suqian 223800,jiangsu,chin论文发表专家ED国寻朮发罢网 www.qikanwang,neta
3、bs trac t： to explore the mecha nism of atm ospheric pol lutants in liaoning, china, in January 6,2 0 0 5,the atm ospheric circulation in the largescale of north china in the winter of 2005 was analy zed by us ing ncep/ncar reanalysis dat a meanwhile the numerical simu lation research on the differe
4、nt scale of atmospheric boundary layer according to mesoscale m odel mm5 was carried out the re sult showed that the main reason of this regional pollution was the airs tream convergence affe cted by terrain, and the typica l characteristics of the stabi lized boundary layer of a st rong temperature
5、 inversion and inver se humidity aggravated the loca l pollution论文发表专家ED国寻朮发丢网 www.qikanwang,netkey words： atm ospheric circul ati on； win ter； pol lutant t rans por tati on； numerical simula tio n大气环流是不同尺度天气系统发生、发展和演变的背景条件1。位于对流层最底部的大气边界层受大尺度、中小尺度天气 系统以及局地系统的直接影响，生产活动产生的污染物在大气边界 层中排放和输送，必然受到不同尺度大气环
6、流特征的影响。近年来， 大气污染物输送过程受到国内外科学工作者的广泛关注。任阵海等2利用观测数据研究了北京的一次重污染过程中不同尺度大气 系统对该过程边界层的影响，分析了边界层内粒子浓度输送的动态 变化，提出北京地区重污染的形成原因。江燕如等3用6年时 间收集到的气象资料进行多层次的大气污染物输送场的研究，初步 得到我国大气污染物输送场的时空分布特征。蔡旭晖等4采用 拉格朗日随机粒子扩散模式模拟分析了珠江三角洲东部地区低层 大气流动和气载污染物的中尺度扩散情况。吴涧等5运用三维 非静力e s闭合模式模拟了山谷地形下的流场，发现在近地面源 条件下，稳定层间如果出现小风会造成一定范围的严重污染。t
7、e rmonia等6提出一个表征水平和垂直输送距离的指数来预报不利于污染物扩散时的气象条件，研究表明在小风和大气输送 很弱的稳定条件下，该指数可以准确预报由持续热源所造成的极端论文发表专家ED国寻朮发罢网 www.qikanwang,net污染事件等7利用一个水平对流扩散的空气污染物 输送模式，发现垂直风与水平风对污染物扩散的共同作用要比单纯 的垂直扩散大得多。利用全球再分析资料对2005年冬季影响我国北部的大尺度 环流系统进行客观分析，再利用中尺度数值模式mm5对发生在辽 宁的一次污染过程进行大气边界层不同尺度的数值模拟研究，克服 了再分析资料在时间、空间上精度较差的缺点，以期进一步认识辽
8、宁地区污染物的大气环流驱动机制。1资料及计算方案2 0 0 5年1月6日，辽宁出现了一次比较严重的的污染过程， 全省各城市污染物浓度都比较高，其中沈阳的so2,no2和p m10日均浓度分别为0 .24、0 .10和0 .37 mg/m 3，so2和pm1 0指数分别为113和2 3 4，空气质量达到 轻度污染级别。当天辽宁地区受蒙古高压控制，天气晴朗，近地面 气压梯度小，大气层结稳定。一股来自贝加尔湖的气流在内蒙古地 区开始辐合并继续向东南方向传播，在辽宁边界转向东北方向，与 同样来自西北方向的气流交汇形成一条较强的辐合带，覆盖辽宁大 部分地区。为了解冬季污染的形成原因，首先利用每日1次、
9、2.5X2.5 的ncep/ncar全球再分析资料作为大 尺度实况场，然后采用中尺度数值模式mm5反映辽宁区域气象场 分布，此次米用的是其最新的v 3.7 ；采用每日4次、1X论文发表专家ED国寻朮发罢网 www.qikanwang,net1的ncep/ncar全球再分析资料作为模式初始场。区域 中心点为4 3n、120e，设置3重模拟区域，格距从外至 内分别为2 7、9、3 km （图1）。各重模拟区域选取一致的参 数化方案：grel 1积云参数化方案、mixed phase 显式降水方案、高分辨率的行星边界层方案。以2005年1月作 为冬季试验月进行大尺度环流的客观分析，选择发生在辽宁地区
10、的 典型污染个例进行数值模拟研究。2 我国北部冬季环流概况由再分析资料得到2005年1月影响我国北部的大气环流形 势（图2）。整个中国大陆冬季都在西风环流控制之下，我国上空 基本气流是西北风；地面上，蒙古的冷高压强度达全年最高值，中 心位于贝加尔湖以西3 0 0 km附近，高达10 3 8 hpao 冷高压的范围覆盖了整个东亚地区，相当稳定，观察逐日场发现，即 使它在短时间内受到破坏，也会迎来新一次的强冷高压入侵。因此， 这个季节里冷高压的气流（冬季风）也十分稳定，我国北部盛行西 北一北气流。另外，在东亚大槽东边的阿留申群岛有一个强大的低 压，其中心位于170 180e，4555n，低压 值达
11、9 9 5 hpa。由于能够得到能量和涡度不断地补充，这个大 低压在整个冬季基本维持稳定不变，它与蒙古冷高压共同影响着我 国北部乃至整个亚洲的天气形势。3 模式检验选取最外重网格的计算结果，与再分析资料的8 5 0 hpa 1月 份平均高度场的比较可以发现，由于地形的影响，模拟的等值线不 平滑，且出现了若干个小的高、低值中心。总体来说，模拟得到的 高度等值线的数值和分布与实况非常相近（图3），模式模拟性能 较好，具有一定的可信度。4 污染实例的模拟分析下面结合污染实例，具体分析2 0 0 5年1月6日影响辽宁地区 的环流形势和天气系统。41 大尺度环流特征图4&为外网格区域2005年1月6日0
12、 5：00的地面流场， 同时刻对应的海平面气压场分布（图4b）为西高东低，辽宁处于 蒙古高压前缘大范围的均压带控制区域，等压线稀疏，风速较小； 内蒙古、河北境内等压线密集，气压较高。受高层西风带的影响， 形成了输入辽宁的西北气流，而气流在辽宁西北角转向东北方向则 是地形影响造成的。42 天气尺度大气输送特征辽宁省地势从东北向西南倾斜，东、西两侧是丘陵，中部是长方 形辽河平原，呈马蹄形向渤海倾斜。辽宁西北角地形平均高度超过6 0 0 m，与其相邻的河北东部及内蒙古东北部地势高度为800 1 4 0 0 m,是典型的山地、丘陵地形（图5a）o在这个 过程中，由于夜间河北境内的山坡辐射冷却，其降温速
13、度比同高度 的空气要快,冷气流沿地势高的位置流向地势较低的辽西山区,进 而继续流向东部地势更低的平原地区,这一现象正是由于热力原因 引起的山风环流。来自西北方向的另一股气流从辽宁正北方输入, 与前者汇聚成辐合带，即输送汇（图4&）。输送汇的形成常常伴 随有较低的大气压2,这在图5 b中有所体现，图中虚线所包 括的范围是10 2 1 hpa的低压带，也正对应着此次过程的输送汇。4.3局地性风场特征及其对边界层的影响由最内重网格的计算结果得到2 0 0 5 - 0 1 - 0 6 t05：0 0输送汇中包含辽宁中部城市群在内的一部分区域的风场形势（图 6）。由图6可知，风矢量在沈阳发生气旋性切变，
14、输送到抚顺并 继续向东北方向传播，沈阳、抚顺风速不超过3 m/s。由于风 速较小，污染物不易疏散而产生堆积造成局地污染。此时大气层结 稳定，边界层中各种特征量都有典型的分布。沿4 1.5n作覆 盖辽宁中部城市群的垂直剖面，输出同一时刻的物理量（图7）。 边界层内存在较强的逆温和逆湿梯度，稳定边界层厚度可达到1 0 0 0 m以上，2 0 0 m高度以内几个主要城市逆温强度为 1.25 T/C100 m），逆湿强度达 5X10-3g/（1 0mkg）。而水平风速随高度分布最明显的特征是边界层顶附论文发表专家ED国寻朮发罢网 www.qikanwang,net 近出现风速最大值(15 m/s),即
15、形成了低空急流。5 结论结合客观场分析资料研究发现，冬季蒙古冷高压和阿留申低压共 同影响着我国北部乃至整个亚洲的天气形势，强度很大而且相当稳 定，形成稳定的冬季风，我国北部盛行西北北气流。由于再分析 资料时间、空间上的精度都比较差，因此利用中尺度数值模式mm 5对不同尺度大气边界层进行数值模拟。结果显示，mm5模式能 够较好地再现冬季的气象场形势，模拟结果具有一定的说服力。实 例分析发现，地形影响造成的气流输送汇是造成辽宁重污染过程的 主要原因。辽宁中部城市群出现了较强的逆温、逆湿等典型的稳定 边界层的特征，边界层顶附近出现了低空急流。参考文献：1 朱乾根，林锦瑞,寿绍文，等.天气学原理和方法m.第 二版.北京：气象出版社，1992.208 287.2 任阵海，万本太，虞 统，等.不同尺度大气系统对污 染物边界层的影响及其水平流场输送j.环境科学研究，20 04，17(1)： 7 13.3 江燕如，梁汉明，高庆先，等.我国大气污染物在排污 层的输送特征j.中国环境科学，1 9 9 8，18(6)： 48 6 4 8 8.4 蔡旭晖，张祯玺，康 凌，等. 珠江三角洲东部低层大www.qikanwang,net论文发表专家m国寻朮发罢网teiorde1teiorde1气流动与中尺度扩散特性j.热带气象学
