Calpuff模式中地面氣象資料對(duì)流場(chǎng)和濃度的影響

易海濤

(中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司，北京 100088)

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Calpuff模式中地面氣象資料對(duì)流場(chǎng)和濃度的影響

易海濤

(中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司，北京 100088)

隨著模型預(yù)測(cè)要求和模擬精度的不斷提高，越來(lái)越多的建設(shè)項(xiàng)目在環(huán)評(píng)中使用Calpuff模式，該模式對(duì)地面氣象資料使用和參數(shù)的設(shè)定比較復(fù)雜。實(shí)例模擬結(jié)果表明，地面站數(shù)量和部分氣象參數(shù)的設(shè)定對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響有限，在符合《環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》規(guī)定和模型輸入需求的前提下，環(huán)評(píng)中對(duì)地面站點(diǎn)的數(shù)量要求不必過(guò)于嚴(yán)格，可視預(yù)測(cè)模擬精度要求適當(dāng)調(diào)整。

Calpuff模式；地面氣象資料；流場(chǎng)；濃度；誤差

Calpuff模式與Aermod、ADMS模式的根本差異在于前者是區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)、非定常情況下的煙團(tuán)模式，而后兩者是假定為穩(wěn)態(tài)情況下的高斯擴(kuò)散模式。煙團(tuán)模式適用于更大的區(qū)域，可以模擬污染物向更遠(yuǎn)距離的擴(kuò)散和輸送。一般認(rèn)為，Calpuff模式在300 km范圍內(nèi)仍然具有較好的精確性[1]；而Aermod和ADMS模式對(duì)于風(fēng)場(chǎng)定常的假定在模擬范圍較大時(shí)往往不成立，一般認(rèn)為其適用范圍不大于50 km，地形越復(fù)雜適用范圍越小。

由于《環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則 大氣環(huán)境》的推薦、Calpuff模式本身具備的優(yōu)點(diǎn)以及環(huán)評(píng)預(yù)測(cè)要求的提高，目前Calpuff模式已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于項(xiàng)目環(huán)評(píng)[2-7]。除其他技術(shù)要求外，Calpuff模式中對(duì)氣象資料的需求和參數(shù)設(shè)置要比Aermod和ADMS模式復(fù)雜得多[8]，而國(guó)內(nèi)氣象資料獲取不易，也增加了Calpuff模式應(yīng)用的障礙。本文主要針對(duì)項(xiàng)目環(huán)評(píng)關(guān)心的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)例討論地面站氣象資料對(duì)流場(chǎng)和濃度預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，以加深對(duì)Calpuff模式的認(rèn)識(shí)和理解，并希望就一些未知的問(wèn)題引出更多的研究和探討。

為通過(guò)實(shí)例研究以上問(wèn)題，收集了華北某地2014年整年的兩組氣象資料，每組包含3個(gè)地面站資料、4個(gè)點(diǎn)位高空觀測(cè)資料(從M3D分離的*.ua文件)、1個(gè)來(lái)自于MM5的M3D氣象場(chǎng)(9 km×9 km，網(wǎng)距4 km)。兩組資料分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同地形區(qū)域，站點(diǎn)位置和模擬區(qū)域如圖1所示：(a)為基本平坦區(qū)，3個(gè)地面站之間的相互距離為31 km左右，源點(diǎn)約在此三角形的中心；(b)為山區(qū)，3個(gè)地面站相距90～100 km，源點(diǎn)在A1—C1站之間。設(shè)置1個(gè)低矮點(diǎn)源，源高h(yuǎn)為10～240 m，煙囪內(nèi)徑d為3 m，出口速度V為5 m/s，煙溫T為310 K，源強(qiáng)Q為500 t/a，計(jì)算網(wǎng)格為36 km×36 km，間距為1 km。根據(jù)以上氣象資料，驗(yàn)算了大量情景，雖不能代表所有情形，但能說(shuō)明一些共性問(wèn)題。

圖1 模擬地點(diǎn)和氣象站位置Fig.1 Simulation site and location of weather station site

1 高空站觀測(cè)數(shù)據(jù)的使用

高空數(shù)據(jù)在Calpuff模式中是必須輸入的，來(lái)源于實(shí)測(cè)或者模擬數(shù)據(jù)。由于很難得到可直接使用的實(shí)際觀測(cè)的高空數(shù)據(jù)，實(shí)際工作中大多使用從MM5網(wǎng)格數(shù)據(jù)中提取的單點(diǎn)*.ua數(shù)據(jù)。盡管*.ua和M3D數(shù)據(jù)都來(lái)源于MM5數(shù)據(jù)，但分別使用*.ua和M3D數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的濃度分布具有較大差異。因?yàn)镃alpuff模式估算濃度分布主要依賴于高空風(fēng)場(chǎng)，使用一個(gè)點(diǎn)的*.ua數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算出來(lái)的高空風(fēng)場(chǎng)比較簡(jiǎn)單，甚至是均勻的；而M3D數(shù)據(jù)每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上都有一套*.ua數(shù)據(jù)，計(jì)算出的高空風(fēng)場(chǎng)要精細(xì)得多，二者濃度分布形式差異明顯。在沒(méi)有實(shí)測(cè)高空數(shù)據(jù)的情況下，實(shí)際工作中應(yīng)盡量使用M3D數(shù)據(jù)。下文高空氣象資料均使用M3D數(shù)據(jù)，限于篇幅，本文暫不討論實(shí)測(cè)高空數(shù)據(jù)的影響。

2 地面站風(fēng)向風(fēng)速的影響

2.1 對(duì)地面以上風(fēng)向風(fēng)速的影響

地面站越多，模擬出的流場(chǎng)越精細(xì)。地面站對(duì)流場(chǎng)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響的主要參數(shù)是最大影響半徑R和是否對(duì)地面風(fēng)速進(jìn)行垂直外推。R反映地形特征在地面層上內(nèi)插計(jì)算中的限制性影響。半徑以內(nèi)，各點(diǎn)風(fēng)向風(fēng)速受地面站資料影響明顯，如圖2(a)所示，從站點(diǎn)向外直達(dá)半徑范圍，影響權(quán)重逐漸降低；半徑以外，影響不明顯，如圖2(b)所示。如果選擇“地面風(fēng)速不垂直外推”，那么這種影響只作用于地面層，反之會(huì)影響到地面層以上各高度的風(fēng)向風(fēng)速，但從60 m高度開始，影響基本只發(fā)生在白天時(shí)段(約8:00—

18:00)，晚間時(shí)段風(fēng)向風(fēng)速基本一致(限于篇幅，本文不作詳述)。地面風(fēng)速垂直外推對(duì)于半徑內(nèi)外風(fēng)速的影響如表1所示。

圖2 地面站影響半徑內(nèi)外流場(chǎng)示例(A站2014-04-09 13:00)Fig.2 Example of flow field inside and outside the radius of influence

地面風(fēng)速是否垂直外推高度/m無(wú)地面站時(shí)某些點(diǎn)的風(fēng)向風(fēng)速,相對(duì)于有3個(gè)地面站時(shí)(R=5km)的誤差點(diǎn)1:A站半徑內(nèi)站點(diǎn)正西0.3km點(diǎn)2:A站半徑外站點(diǎn)正西8km點(diǎn)3:C站半徑內(nèi)站點(diǎn)正北4km點(diǎn)4:C站半徑外站點(diǎn)正北13km風(fēng)速誤差/%風(fēng)向誤差/°風(fēng)速誤差/%風(fēng)向誤差/°風(fēng)速誤差/%風(fēng)向誤差/°風(fēng)速誤差/%風(fēng)向誤差/°外推10105.448.70.90.3103.7210030874631.2455.119.9006036.724.730.782812.70012035.123.31.90.862712.10024031.2211.70.62411.900不外推106646007.32100其余高度00000000

2.2 對(duì)計(jì)算濃度的影響

(1)從前文分析可知，通過(guò)參數(shù)的選擇，地面站風(fēng)向風(fēng)速可以影響到地面以上高度的模擬結(jié)果，但Calpuff模式在計(jì)算濃度時(shí)并不是完全依據(jù)合成的風(fēng)向風(fēng)速，而是主要依據(jù)M3D中的風(fēng)向風(fēng)速，即使源高為10 m也是如此。地面風(fēng)向?qū)舛确植加绊懙谋容^如表2所示。由表2可知，雖然有3個(gè)地面站的參與，濃度分布的形式與源高處的風(fēng)向也不一致，而與M3D風(fēng)場(chǎng)基本一致。所以，在使用M3D數(shù)據(jù)的情況下，地面站風(fēng)向風(fēng)速對(duì)濃度計(jì)算有影響，但沒(méi)有決定性的影響。這里取前6個(gè)小時(shí)的資料計(jì)算是因?yàn)镃alpuff模式的計(jì)算結(jié)果受前3～6個(gè)小時(shí)的影響，時(shí)間越近，影響比重越大。由于這一影響既不是平均也不是疊加，而是前幾個(gè)小時(shí)煙團(tuán)擴(kuò)散飄移的影響，所以要取得當(dāng)前小時(shí)濃度，必須同時(shí)計(jì)算之前至少6個(gè)小時(shí)的濃度。

表2 地面風(fēng)向?qū)舛确植加绊懕容^

(2)為盡可能體現(xiàn)地面站資料對(duì)計(jì)算濃度的影響，取地面站影響半徑R為40 km，地形特征影響半徑為40 km，使整個(gè)模擬區(qū)域都在半徑之內(nèi)，并取地面風(fēng)速全部垂直外插，即所有計(jì)算點(diǎn)地面和高度都能受到地面站風(fēng)向風(fēng)速的影響。計(jì)算結(jié)果的誤差比較如表3所示。從表3可以看出，4種情況下的年均、日均和小時(shí)濃度分布幾無(wú)差別，即使沒(méi)有地面站參與，最大誤差也未超過(guò)30%。不同的項(xiàng)目情景，具體誤差會(huì)不同，以大氣擴(kuò)散模式的精度來(lái)說(shuō)，都在可接受范圍內(nèi)。

表3 不同地面站參與時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響(以A、B、C 3站結(jié)果為比較基準(zhǔn))

(3)應(yīng)該指出，這里所指的誤差是相對(duì)于有3個(gè)地面站參與的結(jié)果而言，并不代表對(duì)真值的誤差。實(shí)際工作中，絕大多數(shù)工業(yè)項(xiàng)目都與地面氣象站有幾十甚至上百公里以上的距離，二者周圍環(huán)境通常也相差較大，所以R值并非越大越好。R值越大，地形的影響越小，所以地形越復(fù)雜，R應(yīng)越小。R值應(yīng)根據(jù)實(shí)際的地形情況和站點(diǎn)位置來(lái)設(shè)定。地形平坦時(shí)，R值可以覆蓋整個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)；地形復(fù)雜時(shí)，R值宜取其站點(diǎn)所在位置的代表性地形尺度，但并沒(méi)有一個(gè)普遍適用的值。當(dāng)?shù)孛嬲疚挥谏絽^(qū)/平原，而項(xiàng)目位于平原/山區(qū)時(shí)，二者地形相差十分明顯，則不應(yīng)采用該地面站數(shù)據(jù)。

3 地面站其他資料在模式中的作用

(1)地面站其他氣象參數(shù)(包括溫度、濕度、氣壓、云量等)對(duì)濃度的影響沒(méi)有各高度的風(fēng)向風(fēng)速那么大。因?yàn)樵谛?、中尺度區(qū)域中，這些參數(shù)的局地差異比對(duì)模擬結(jié)果起決定性影響的風(fēng)向風(fēng)速的差異要小得多。即使氣溫相差5℃，本身波動(dòng)也只有1.7%左右(5/293)。

L參數(shù)的直接計(jì)算需要地表熱通量的觀測(cè)，通常以常規(guī)氣象要素的測(cè)值間接獲得，因此地理經(jīng)緯度、地表參數(shù)、云量覆蓋對(duì)L的影響很大。第一項(xiàng)是由項(xiàng)目位置決定的，第二項(xiàng)來(lái)自于衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)(可人工修改)，只有第三項(xiàng)云量可從地面站獲取數(shù)據(jù)，而地面站云量觀測(cè)的時(shí)間間隔一般為6小時(shí)，其精準(zhǔn)度及范圍代表性往往不如依據(jù)宏衛(wèi)星觀探測(cè)和地表參數(shù)模擬計(jì)算的M3D數(shù)據(jù)。M3D本身已經(jīng)平滑了小局地的影響，故沒(méi)有地面站時(shí)，Lx,y的鄰間差異較小，到上空高度，較小的差異更合理更客觀。所以增加地面站，對(duì)提高計(jì)算濃度的準(zhǔn)確性幫助其實(shí)不大。

4 不同源高流場(chǎng)和地面濃度的關(guān)系

從前面的討論可知，地面流場(chǎng)和高空流場(chǎng)(>10 m)有時(shí)候并不一致，這不僅是因?yàn)轱L(fēng)向隨高度往往有轉(zhuǎn)換和切變，還因?yàn)榈孛嬲举Y料與M3D資料的來(lái)源不一致。地面風(fēng)速越小，差異越大，流場(chǎng)越復(fù)雜；隨著高度增加，風(fēng)速增加，各點(diǎn)風(fēng)向也趨于一致。

但是當(dāng)風(fēng)向隨高度有轉(zhuǎn)換和切變時(shí)，也并未反映在濃度場(chǎng)的分布上。為此，令源高h(yuǎn)分別為25 m和240 m，分別計(jì)算高度為0 m、10 m、30 m、60 m、120 m、240 m的接受點(diǎn)濃度，分析各個(gè)高度上的濃度場(chǎng)分布情況，考察是否有濃度場(chǎng)的切變，結(jié)果如表4所示。

(1)從表4第一欄中可以看出，一個(gè)高度為25 m的常溫排放源，在240 m的高度上，濃度場(chǎng)、最大濃度值甚至最大濃度值的位置和地面都相差不大；同時(shí)，隨著高度的增加濃度加大，到120 m時(shí)，濃度最大。想象中對(duì)于一個(gè)常溫排放源，其最大濃度應(yīng)該在源高的有效高度附近，由于實(shí)測(cè)困難，無(wú)法驗(yàn)證。

(2)所列兩個(gè)時(shí)間的10 m高度風(fēng)場(chǎng)和30～240 m高度風(fēng)場(chǎng)明顯不同，中間存在風(fēng)向切變，第2個(gè)時(shí)間下風(fēng)向近乎相反。h為25 m時(shí)，從10 m至240 m高度上，濃度場(chǎng)相似，h為240 m時(shí)，從240 m至10 m高度上，濃度場(chǎng)也相似，說(shuō)明濃度場(chǎng)并沒(méi)有隨風(fēng)場(chǎng)的轉(zhuǎn)變而有相同的切變和轉(zhuǎn)換，而是近乎一個(gè)濃度場(chǎng)在不同高度上的水平投影，這與想象的情形大不相同。

5 結(jié)論

(1)氣象資料是大氣擴(kuò)散預(yù)測(cè)模型最基礎(chǔ)的資料。由于Calpuff模式使用源高處的高空風(fēng)向風(fēng)速計(jì)算濃度，實(shí)際工作中應(yīng)盡可能使用實(shí)測(cè)探空觀測(cè)資料。在沒(méi)有地面站資料的情況下，使用M3D數(shù)據(jù)能滿足一般情況下項(xiàng)目環(huán)評(píng)的模擬要求。

(2)Calpuff模式中地面站資料及其相關(guān)參數(shù)的設(shè)定對(duì)地面流場(chǎng)有明顯影響，但有M3D數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)預(yù)測(cè)濃度影響不大。

(3)Calpuff模式的計(jì)算結(jié)果主要受高空風(fēng)場(chǎng)影響，因此濃度場(chǎng)形式有時(shí)與地面風(fēng)向玫瑰不一致，對(duì)年均數(shù)據(jù)而言，有可能最大濃度的方向不是地面盛行風(fēng)向的下風(fēng)向，這會(huì)挑戰(zhàn)按照風(fēng)玫瑰進(jìn)行區(qū)劃布局的原有思路。

(4)氣流遇山體阻擋會(huì)爬坡或者繞流，Calpuff模式依流場(chǎng)計(jì)算濃度，所以其計(jì)算結(jié)果不會(huì)像AERMOD模式那樣受地形影響強(qiáng)烈。由于大氣擴(kuò)散模擬問(wèn)題本身的復(fù)雜性，任何模型都不會(huì)是完美

表4 不同高度上的濃度分布比較

的[11]，不同模型之間的預(yù)測(cè)結(jié)果存在差異也是正常的。因此，同一類型的環(huán)評(píng)預(yù)測(cè)應(yīng)該使用同一種模型，其結(jié)果才具有可比性。

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YI Hai-tao

(Zhongye Energy Conservation & Environment Protection Co., Ltd., Beijing 100088, China)

Due to the increasing requirements for model prediction and simulation precision, more and more projects are using Calpuff Model in EIA. Calpuff Model has more complex requirements for the use of ground meteorological data and parameter settings. However, the simulation results of real examples showed that the number of ground stations and some meteorological parameter settings had limited influence on the prediction results of concentration. Therefore, there is no need to be too strict on the number of ground stations in EIA, and it can be adjusted according to the precision requirements of prediction and simulation.

Calpuff Model; ground meteorological data; flow field; concentration; error

2016-07-15

易海濤(1958—)，男，湖南臨湘人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)境影響評(píng)價(jià)，E-mail：110036720@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.06.002

X51

A

2095-6444(2016)06-0004-05