盛行梯度風下熱力環流對近地空氣質量的影響研究

徐佳佳,賈洪偉,鐘 珂,亢燕銘

盛行梯度風下熱力環流對近地空氣質量的影響研究

徐佳佳,賈洪偉,鐘 珂,亢燕銘*

(東華大學環境科學與工程學院,上海 201620)

以中緯度沿海城市上海為代表,采用數值模擬方法,分析了海岸線附近污染源排放的大氣污染物在盛行梯度風和熱力環流耦合作用下的擴散和輸送特征,并與忽略海陸溫差的理想情況作了對比.結果表明,即使在盛行梯度風主導城市風場時,海陸溫差引起的熱力環流對海岸線附近流場仍有重要影響,并使近地面污染物濃度時空分布與海陸無溫差時截然不同.海陸無溫差時,污染物僅向盛行梯度風的下風向區域擴散.而在海陸有溫差時,污染物的擴散卻可能是雙向的.陸地最高和最低氣溫出現的時間分別對應著沿海城市污染物最不利釋放時段(RTS-16:00和RTS-04:00),造成的污染總時長和日平均濃度均最大,不僅部分近地面污染物被海陸熱力環流攜帶至盛行梯度風的上風向區域,并且下風向區域的日平均濃度最高達海陸無溫差時的4～5倍.因此,即使在盛行梯度風較強時忽略海陸溫差形成的熱力環流影響,也會明顯低估非海陸風日的實際污染強度和污染范圍.

盛行梯度風；熱力環流；海陸溫差；大氣污染物；沿海城市

空氣污染已成為我國很多地區突出的環境問題,給城市居民健康帶來嚴重的不利影響[1-3].據報道,全世界近一半的人口居住在距海岸線50km以內的沿海區域[4],因此,沿海城市大氣污染物在不同氣象條件下的擴散和輸送特征受到了廣泛關注[5-7].

同時具有海洋和陸地是沿海城市的典型地理特征,由于海洋和陸地的熱力特性不同,兩者間存在溫差,會導致海陸上空空氣密度不同,因而容易形成大氣次級環流(以下簡稱海陸熱力環流)[8-9].對于沿海城市,局地的流場和污染物擴散特征受到大尺度天氣系統和海陸熱力環流的共同影響.當盛行梯度風較小時,沿海城市風場被海陸溫差引起的熱力環流控制(即海陸風日)[10-12].很多研究者對海陸風日的大氣污染物擴散特征展開了細致的研究[8,13-14],發現強勁的海風可將污染物吹至深入內陸數十公里的區域,并在內陸產生高濃度污染,惡化空氣質量.這些研究結果對于海陸風發生頻率較高的沿海城市大氣污染物控制有重要的參考價值,如具有緯向海岸線的熱帶沿海城市海口,其7月份海陸風發生頻率高達74.2%[15],海陸風日是這類城市的主導天氣.

然而,還有大量沿海城市的海陸風發生頻率較低.如上海,其盛行梯度風平均風速較大,并地處中緯度地區,海陸風發生頻率僅為20%,并呈現出逐年下降的趨勢[16].這類城市雖然瀕海,但絕大部分時間為非海陸風日.因非海陸風日的熱力環流被壓制在較小區域,且強度較弱,很難被觀測到,故與海陸風日的研究相比,在非海陸風日,盛行梯度風和海陸熱力環流耦合作用下的流場特征和污染物輸送規律的相關研究較少.盛春巖[17]在研究不同天氣尺度系統風對海陸風發展過程的影響時指出,即使盛行梯度風較強,熱力環流依然可以形成,但向內陸推進的距離較近,限于海岸線附近的有限區域;類似地,Kallos等[18]和陳訓來等[19]發現,離岸型盛行梯度風與海風輻合的地方易導致大氣污染物的積聚,造成高污染天氣現象.因此,即使在有較高盛行梯度風時的非海陸風日,熱力環流對沿海城市風場和污染物擴散亦有重要影響.而對于海陸風發生頻率較小的中緯度沿海城市上海,二者耦合作用下的流場和污染物擴散特征的相關研究結果還很少見到.

本文以中緯度沿海城市上海為代表,采用CFD方法,擬對海岸線附近污染源排放的大氣污染物在盛行梯度風和熱力環流耦合作用下的擴散和輸送特征的影響展開模擬分析.并與忽略海陸溫差的理想情況作對比,為不同天氣條件下沿海城市空氣質量預報及區域空氣污染治理等提供必要的數據支撐.

1 方法與驗證

未觀測到海陸風時,海陸溫差形成的熱力環流影響區域小且強度弱,故該情況下沿海城市的大氣污染物擴散特征的探索工作宜采用數值模擬方法.因WRF(Weather Research and Forecasting model)等中尺度模式的網格限制分辨率較粗[20-21],而本文擬對海岸線附近流場和污染物擴散特征做細致的分析,故采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法來模擬盛行梯度風和熱力環流耦合作用對海岸線近地流場和污染物輸送的影響.

1.1 控制方程

為獲得直接明了的結果,將背景大氣簡化為各向同性的粘性不可壓縮流體.因計算域內的氣流均為垂直于海岸線的平行氣流,故采用二維模型來反映內部氣流運動[14].氣流的質量、動量和能量守恒方程可分別寫為如下形式:

空氣密度差形成的浮力作用,是海陸熱力環流的驅動力,由于溫差小于15℃,故本文采用Boussinesq近似來計算浮力項[22].這樣,除動量方程中的浮力項外,空氣密度在求解其他方程時均視為定值,密度的變化可用溫度變化來表示:

式中:0和0分別為參考密度和溫度,在本研究中,取0= 20 ℃,空氣的熱膨脹系數約為3′10-3[23].

對于污染物,本研究僅考慮氣態污染物(CO)的輸送與擴散[24],并認為流動過程中不發生化學反應,故采用化學組分混合、輸送的有限速率模型(Species Transport),其控制方程如下:

式中:D是混合物中第種物質的擴散系數;D為熱擴散系數;Sc為湍流Schmidt數,本研究中取Sc=0.7[25].

1.2 模型選取和網格檢驗

本文沿海城市以位于中國大陸海岸線南北方向的中部上海市(中緯度地區)為代表,其平均海拔低于50m,地勢平坦(圖1(a)),全年約4/5時間都無法觀測到海陸風[16].因此,該市在有盛行梯度風存在時,海陸溫差形成的熱力環流對流場和污染物擴散特征的影響亟待研究.

位于上海市南部海岸緊鄰杭州灣的金山石化工業區是中國規模最大的石油化工企業之一[26],距離海岸線僅3km(圖1(a)黑色標識點),求解域以金山石化周圍地形為參考進行數值建模,以該工業區附近的海岸線為中心,向陸地延伸60km,向海洋方向60km,計算域高5km(圖1(b)).

圖1 研究背景地的位置、計算域及網格劃分示意

計算域內的網格大小會對數值結果產生重要影響,因此,先對網格進行了獨立性驗證,以確保模擬的準確性.在進行網格獨立性分析時,采用不同密度的網格去檢查同一關鍵物理參數,并將網格數一直增加到其數量不再對數值結果產生影響.在本研究中,采用下式所示的速度均方根誤差小于2%作為驗證合格判據[27]:

式中:V為采用第次網格時得到的速度,V-1為采用第-1次網格時得到的速度;為所驗證的樣本點數.采用ICEM軟件劃分計算域網格,經多次驗證,最終選擇滿足式(7)的網格數為3,316,800的劃分方案,其中,近地面處最小網格高度為2m,如圖1(c)所示.

1.3 模擬準備和模型準確性驗證

盛行梯度風的湍流特性和速度沿高度變化受到地形的影響,是地形粗糙度的指數函數[28].因離岸型盛行梯度風的存在會加劇污染物在沿海城市的循環累積作用[13,18],故本文將盛行梯度風設為離岸型.考慮到上海的盛行梯度風平均風速較高約為2～3m/s,對熱力環流壓制作用強,因此,本文離岸型盛行梯度風在10m高處的參考風速取為2m/s;城市大氣邊界層平均厚度約為800m,所以,設盛行梯度風在800m以上的速度為定值[29],盛行梯度風速度沿高度變化可表示為:

式中:V為高度處的平均風速, m/s;表示距地面的高度, m.

計算域左邊界設為速度入口,右邊界為自由出流出口.因計算域頂部邊界與上部大氣聯通,故設為對稱邊界;底部為城市下墊面,采用無滑移壁面邊界條件[30].考慮到陸地區域城市粗糙下墊面中的建筑物與植物對氣流的阻擋,氣流在陸地和海洋表面受到的阻力存在較大差異,需要設置阻力層來模擬陸地粗糙下墊面對氣流的阻擋效果.已有的研究結果表明,建筑物頂部對氣流的影響范圍會延伸到建筑物高度的3～5倍左右[31].由于城市中100m及以上高度的建筑物較多,為此,在陸地區域設置500m高的阻力層,采用多孔介質的慣性阻力系數設置來體現下墊面阻擋作用[12].以實現城市風廓線為目標,通過多次模擬嘗試,最終確定阻力層慣性系數隨高度的變化關系為:

本文采用當量法,將太陽輻射(或天空輻射)對海陸表面的升溫(或降溫)作用,通過在海陸表面設置強度逐時變化的熱源 (energy)來實現,圖2為陸地熱源強度的逐時變化曲線.由于海水的比熱容大,故一天內海水溫度變化很小,因此,假設海面溫度在模擬時間內保持不變[32],將海洋表面熱源設為零.且將其他模擬條件相同時,陸地熱源也設為零作為海陸無溫差的情況.

圖2 陸地熱源強度逐時變化情況

Fig.2 Time series of heat source intensity on the surface of land

為保證數值計算結果的準確性,本文對2015年上海市全年地面觀測數據和ERA5(第五代ECMWF大氣再分析全球氣候數據)逐時再分析數據進行統計發現,2015年4月21日,觀察到明顯的熱力環流.采用該日的天氣條件,使用Fluent基于當量法進行了模擬計算.如圖3所示,Fluent模擬成功再現了該日的熱力環流過程,數值模擬結果與ERA5再分析數據在速度和溫度均吻合較好.表明本文所采用的數值方法能夠較好的模擬出海陸溫差引起的局地環流.

由于沿海城市的海陸溫差隨時間不斷變化,故海陸熱力環流流場特征與時間有關,為厘清不同時段釋放的污染物對濱海近地面空氣質量的影響,本文研究了不同時刻脈沖污染源的擴散特征.脈沖污染源分別在一天中6個時段釋放,即00:00～00:30、04:00～04:30、08:00～08:30、12:00～12:30、16:00～16:30和20:00～20:30(以下記為RTS-00:00、RTS- 04:00、…RTS-20:00).而忽略海陸溫差后,由于只有離岸型盛行梯度風存在,流場相對穩定,故污染物擴散輸送特征與釋放時間相關性弱.為真實反應濱海聚集布局的化工企業排放的污染物擴散過程,如前所述,污染源以金山石化工業區的實際位置為參考進行建模;污染物的排放速率設為36kg/h[12].

2 結果與討論

2.1 有無熱力環流時流場與污染物擴散特征比較

在有明顯氣流的作用下,污染物的擴散以對流輸送為主[33],流場直接決定著污染物的輸送特征.海陸熱力環流的存在會影響盛行梯度風速度的垂直分布,圖4給出了不同時刻海岸線處氣流速度()沿高度分布曲線.

圖4 不同時刻海岸線處速度(u)沿高度分布曲線

由圖4可以看到,在09:00時,雖然有無海陸溫差時的氣流速度在垂直方向上的大小不同,但氣流方向一致.海陸有溫差時50m高度以下的風速小于海陸無溫差的情況,而50m以上卻相反.這是因為此時海陸溫差較小,熱力環流較弱,熱力環流貼近地面吹向陸地的氣流與離岸型盛行梯度風在海岸線相遇,減弱了盛行梯度風風速;熱力環流上部氣流方向與盛行梯度風相同,增大了風速.而在17:00時,較大的海陸溫差產生了較強的熱力環流,熱力環流貼近地面吹向陸地的氣流速度大到足以抵消盛行梯度風,并在近地面形成反方向氣流.

為了更加清晰的表示熱力環流對海岸線附近流場的影響,圖5分別給出了有無海陸溫差時的速度矢量圖,此時對應的時刻為17:00.

圖5 不同流場下速度矢量圖

RTS-16:00, Δ=0.5h

圖中Δ表示到海岸線的水平距離(單位為km),負值表示陸地區域,正值為海洋區域.對比圖5(a)和(b)可知,低處(近地面)和高處氣流的方向,在海陸無溫差時一致(圖5(a)),在海陸有溫差時相反(圖5(b)).這是因為下午陸地氣溫明顯高于海面氣溫,形成的海陸熱力環流較強.因為低處(近地面)的盛行梯度風速度小,故流場被海陸熱力環流(向岸流)控制,而高處的離岸型盛行梯度風速度較大,流場由盛行梯度風控制(離岸流).

沿海城市在盛行梯度風和熱力環流耦合作用下,可能會造成近地面大氣污染物擴散特征與海陸無溫差時存在較大差異.為此以下將對污染物濃度場進行分析.本文定義無量綱污染物濃度(p*):

式中:p為污染物濃度, kg/m3;為污染源排放速率, kg/s;為污染物釋放持續時間,s;vol為整個計算域的體積, m3.

為清晰描述大氣污染物在陸地上的擴散和輸送特征,因盛行梯度風的風向固定,以離岸型盛行梯度風為參考,將陸地相對于污染源分為盛行梯度風上風向和下風向區域.并在盛行梯度風上、下風向區域取多個觀測點,標識為“up-”和“down-” (表示觀測點到污染源距離,單位為km),其位置如圖6所示.此外,定義Δ為距離污染物釋放結束時刻的時長(單位為h),所以Δ越小(污染物擴散時間越短),對污染源附近空氣質量影響越大.

圖6 陸地上不同位置點示意

圖7分別給出了圖5對應時刻(17:00)的污染物濃度場.由圖7a可以看到,海陸無溫差時污染物僅向盛行梯度風下風向一側擴散,盛行梯度風上風向側未被污染.與之不同的是,海陸有溫差時,污染物的擴散是雙向的(圖7(b)中的細部圖).這是因為,緊貼地面處氣流為吹向內陸的海陸熱力環流,其將緊貼地面的污染物帶至離岸型盛行梯度風的上風向區域,而較高處的污染物被盛行梯度風吹向海面.

為比較有無海陸溫差時氣流對污染物輸送效果的區別,圖8針對RTS-16:00的脈沖污染源,分別給出了17:00海陸有無溫差時,污染源處速度()沿高度分布曲線,以及在盛行梯度風上風向(up-2)和下風向(down-2)距離污染源2km位置處濃度沿高度分布情況.

圖7 不同流場下污染物濃度場

RTS-16:00, Δ=0.5h

圖8a速度沿高度分布曲線表明,海陸無溫差時,所有高度處風速都為正(離岸流).故污染物全部被帶到盛行梯度風下風向位置(down-2),上風向位置(up-2)沒有被污染(圖8b).

海陸有溫差時,圖8a表明,約以20m高度為界,其上氣流速度為正(離岸流),其下氣流速度為負(向岸流),這是因為此時熱力環流控制了下部空間流場,離岸型盛行梯度風僅控制了上部空間流場.

圖8 速度和污染物濃度沿高度分布

RTS-16:00, Δ= 0.5h

圖9 離地面10m和40m高處海陸有溫差和海陸無溫差時的日平均濃度

相應的濃度分布也在約20m高度處出現分界線(圖8b),在20m高度以上的污染物被離岸型盛行梯度風吹向海面,故down-2處被污染;20m以下空間的污染物被與盛行梯度風方向相反的海陸熱力環流吹向內陸,故up-2位置被污染,污染程度略高于down-2.

圖9給出了海陸有溫差時不同時段釋放的污染物在圖6所示的各觀測點的日平均濃度(p*),以及海陸無溫差時的日平均濃度.所取觀測點分別距離地面10m和40m,分別代表低層住戶和高層住戶高度.

由圖9可知,在同一高度,海陸有溫差存在時日平均濃度均高于海陸無溫差的情況(除釋放時刻為RTS-12:00).其中污染物釋放時段為RTS-16:00(圖9(c))和RTS-04:00(圖9(f))時,海陸熱力環流會將大量污染物吹向內陸,即盛行梯度風上風向區域,且日平均濃度遠高于其他釋放時段和海陸無溫差的情況.特別是在RTS-04:00釋放的污染物,在盛行梯度風下風向區域,海陸有溫差時的日平均濃度高達海陸無溫差的4～5倍.

自圖9還可以看到,在海陸無溫差時,10m高度處的日平均濃度很高,而40m高度濃度甚微;海陸有溫差時,大多數時段釋放的污染物也表現出同樣的規律,但是污染物釋放時段為RTS-12:00(圖9(b))和RTS-20:00(圖9(d))時,會出現相反的情況,即高層空間比低層空間日平均濃度更高.

2.2 不同時段釋放的污染物擴散特征

前文提到,由于海陸溫差在不斷變化,實際情況下,即使在未觀測到海陸風時,海陸溫差形成的熱力環流流場同樣與時間有關.以下將分析脈沖污染源不同時段釋放的污染物在盛行梯度風和熱力環流耦合作用下,對典型位置觀測點的持續影響情況,圖10給出了污染物釋放結束后一天內,污染物濃度隨Δ的變化.

圖10 不同時段釋放的污染物在距地面10m高度濃度隨時間變化

圖10表明,不同時段釋放的污染物濃度隨時間變化特征不同.上午釋放的污染物(圖10(a)、(b))僅構成一次污染,但會長時間滯留.其他時間則呈現為出現-消失-再出現的規律(圖10(c)-(f)),即會造成二次污染.后者是因為熱力環流在近地面的氣流與海陸風類似,會因為海陸溫差隨時間變化而發生方向轉變,故已經被吹離觀測點的污染物,會被轉換方向后的熱力環流再次帶回,從而對濱海區域造成二次污染,這與Nie[34]和Grossi[6]的結果一致.二次污染程度和發生時間受污染物釋放時段所處熱力環流流場影響,在本研究中,二次污染的濃度最高達一次污染的50%.

從圖10還可以看到,在一次污染的過程中,夜間釋放的污染物(圖10(d)-(f))表現為只對盛行梯度風下風向區域觀測點產生污染,而晝間釋放的污染物(圖10(a)-(c))則表現出圖7和圖8所述的雙向污染特征,使海岸線附近區域近地空氣質量更差.

圖10還表明,海岸線附近不同位置一天內被污染的總時長存在差異,為此,圖11給出了沿海城市距離地面10m高處的各個觀測點一天中受污染時長的百分比.

圖11 離地面10m高處一天內受污染時長百分比 (%)

由圖11可知,雖然海岸線附近存在雙向污染現象(圖7～10),但盛行梯度風上風向區域受污染時長明顯小于下風向區域.需要注意的是,RTS-16:00和RTS-04:00釋放的污染物,在盛行梯度風上風向位置(up-1)與下風向位置(down-1、2)造成的污染時長幾乎相同.

由圖11還可以看到,當污染物釋放時段為RTS-16:00(氣溫最高)和RTS-04:00(氣溫最低)時,造成的污染物總時長相近,且分別為晝、夜受污染時長最長的情況.同時,這兩個釋放時段也是造成污染濃度最高的時間(圖9和10).因此,可以認為陸地最高氣溫和最低氣溫出現時段分別為晝、夜最不利污染物釋放時段.且夜間最不利釋放時段釋放的危害大于晝間最不利釋放時段.

3 結論

3.1 海陸無溫差時,污染物僅向盛行梯度風下風向側擴散.而在海陸有溫差時,由于海陸熱力環流控制了近地的流場,污染物的擴散可能是雙向的.

3.2 陸地最高和最低氣溫的出現時間,分別對應污染物晝、夜最不利釋放時段,使得觀測點被污染的總時長和日平均濃度均最大.

3.3 無論何時釋放污染物,海陸有溫差時的近地面日平均濃度均高于或接近海陸無溫差的情況.最不利時段釋放的污染物,在海陸溫差形成的熱力環流作用下,造成的污染濃度最高達海陸無溫差時的4～5倍.

即使在盛行梯度風較強時,忽略海陸溫差形成的熱力環流影響,亦會明顯低估沿海城市非海陸風日實際的污染強度和污染范圍.

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Influence of thermal circulation on air quality near-ground under the prevailing gradient wind.

XU Jia-jia, JIA Hong-Wei, ZHONG Ke, KANG Yan-Ming*

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)., 2022,42(6)：2495～2503

As a representative coastal city in mid-latitude in China, the diffusion and transportation characteristics of air pollutants emitted by pollution sources near Shanghai coastline are analyzed by numerical simulation with the coupling effect of prevailing gradient wind and thermal circulation, and compared with the ideal situation that the sea-land temperature difference (SLTD) is ignored. The results show that the thermal circulation caused by the SLTD still has an important influence on the flow field near the coastline with the condition that the prevailing gradient wind dominates the urban wind field, and the spatiotemporal distribution of pollutant concentrations near-ground is quite different from that without SLTD. Pollutants are merely dispersed to the downwind direction areas of the prevailing gradient wind without SLTD. While the SLTD exists, the diffusion of pollutants is bi-directional. The time of the highest and lowest temperature on land in coastal cities corresponds to the most unfavorable releasing moment of pollutants (RTS-16:00 and RTS-04:00), and the total contaminated time and daily averaged concentration are both the largest. Pollutants near-ground are not only carried to the upwind areas of the prevailing gradient wind, but also increase the pollution concentration in the downwind areas, up to 4to 5times that without SLTD. Therefore, even when the speed of the prevailing gradient wind is high, the actual intensity and range of pollution on non-sea-land breeze day can significantly be underestimated when neglecting the influence of the thermal circulation.

prevailing gradient wind；thermal circulation；sea-land temperature difference；atmospheric pollutant；coastal cities

X511

A

1000-6923(2022)06-2495-09

徐佳佳(1996-),女,湖北隨州人,東華大學博士研究生,主要從事城市空氣環境與污染物輸送的研究.發表論文2篇.

2021-11-22

上海市科學技術委員會科研計劃項目(19DZ1205005);國家自然科學基金項目(42075179);中央高校基本科研業務費專項資金、東華大學研究生創新基金資助(CUSF-DH-D-2021040)

* 責任作者, 教授, ymkang@dhu.edu.cn