青岛地区边界层特征及酸雨成因

图1　青岛地区测点示意图
Fig.1 Observation stations in Tsingdao area

观测内容有低空温度探测、小球测风、湍流强度、扩散参数等.每期半个月，每天观测6～7 次，测量高度在2500m之内，全部资料在IBM计算机上处理.污染现状观测设青岛市气象局、青岛市环保局、崂山中、崂山顶、崂山水库、胶州市、胶南市、薛家岛、平度市、莱西市等10个站，监测项目有SO₂、NO_x、TSP、CO、IP.在TSP中分析SO^2-₄、NO^-₃、F^-、NH⁺₄、Cl^-、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、K⁺等9种离子成分.每次降水必测酸度、电导率以及与TSP分析相同的9种离子成分.
　　在每个季度边界层物理观测后，逐次对风向、风速、温度进行计算，然后按时次再作统计，本文所作的为统计平均结果，具有季节代表性.
　　模式采用平流扩散方程，同时用参数化方法计算了化学转化，睛天计算干沉降，雨天计算湿沉降.把污染源设定为连续排放点源，应用模式计算考察污染物在不同时间内传输范围和浓度分布.计算中设定6种不同方案，即同一风向无雨与有雨，上、下两层风向相反无雨与有雨，有混合层有雨与无雨等，每一种方案计算时间为 1，5，10，24，48，96h.

2　边界层风场与温度场特征
　　本文统计了薛家岛、铺集镇和平度市3个测点的低空风速随高度分布和温度随高度分布，薛家岛测站设在黄岛区近海边，地面开阔，测站海拔高度20m,代表沿海平坦下垫面.铺集镇在青岛市的西南面，该地周围有起伏小山丘，下垫面比较粗糙.平度市测站设在市内，周围是平原，无明显起伏的高大建筑，所测资料可以代表青岛市北部广大平原特征.表1、表2是薛家岛、铺集镇、平度市冬、夏两季的低空风和温度分布.从表1可以看出，不论是冬季还是夏季，接近沿海的薛家岛和铺集镇，近地层各时次风速较小，约2m/s秒左右，甚至小于2m/s，在400m高度达到峰值，最小为4m/s，最大可达到12m/s.再往上至800m又出现一谷，风速又降为 4m/s左右.但北部平原地区平度市与沿海不同，近地面风速均很小，夏季略比冬季为大.夏季从地面至200m高度，风速逐渐增大，200m以上，风速随高度变化不大.冬季从地面至100m高度风速逐渐增大，100m以上，风速随高度基本不变，唯有14时，风速随高度是逐渐增大的.

表1　青岛市夏、冬两季风速随高度分布

Table 1 Vertical distribution of wind speed in summer and winter seasons in Tsingdao City

表2　青岛市冬、夏两季平均温度随高度分布

Table 2 Vertical distribution of average temperature in summer and winter seasons in Tsingdao City

(1)

为了简化，把顺风向取为X方向，只考虑XZ垂直平面的浓度分布，风速随高度分布按上述实际观测资料拟合成下述公式：

垂直扩散参数服从下述规律：^［1］

，为地形追随座标，z_g(x)为下风向X处地形高度，h(x,t)为模式计算顶层高度.
　　源强S为连续排放，每年为1100t，源高145m,R_t为化学转化率,取1.0%/h，沉降速度分干、湿沉降两种.干沉降取0.95cm/s^［2］，湿沉降与雨强和含水量有关，把湿沉降处理成线性过程：

c_t=c₀e^-k_wt
k_w=aR^b(h^-1)

R为降水强度(mm/h),a、b为经验常数，a=0.061，b=0.45.
　　

图2　单一风向无雨和有雨天气SO₂浓度(mg/m³)分布图
Fig.2 SO₂ concentration distribution in rain and no-rain days
under unique wind direction

图3　上下两层风向相反无雨和有雨天气SO₂浓度(mg/m³)分布图
Fig.3 SO₂ concentration distribution in rain and no-rain days
when wind direction shears between lower and higher levels

图4　有混合层上下两层风向相反无雨和有雨天气SO₂浓度(mg/m³)分布图

Fig.4 SO₂ concentration distribution in rain and no-rain days when mixed layer appears and when wind shears between lower and higher le-vels

计算按前述规定时间进行，积分时间步长取10s，水平网格距为500m,分无雨和有雨天气两种情况，有雨天气云厚为500m，雨强为5mm/h,风向在300m高度上转向.SO₂浓度计算结果，见图2—4.
　　由图可见，在晴天，当一个点源连续排放，流场和扩散条件都不变时，经过5h后，在研究范围内SO₂浓度分布基本达到平衡，浓度最大点在污染源施放处，1000m以上基本趋于零，大部分污染物在400m以下，下风距离可达25km以远.约有30%污染物沉降到地面.在雨天，若云厚为500m,雨强为5mm/h,云底在100m时，不考虑云层中的辐合、辐散和上升、下沉气流的简单情况，风速的扩散条件仍与前面相同，计算结果指出，经过1h后，浓度分布基本达到平衡.污染物水平扩散距离只在4km范围之内，高度只在400m以下，浓度值也比较低，大部分受冲刷而沉降到地面.有雨天气，大气中致酸物质在降雨前期被雨水冲刷至地面，由气流携带来的外地致酸物质亦被雨水冲刷至地面，形成青岛地区的酸雨，由本地不断排放的致酸物质，由于雨水作用，只能影响本地，不可能向外扩散.至于睛天，青岛地区所排放的致酸物质可以向下风方向传输.但浓度轴线向下倾斜，到一定距离与地面相交^［1］，经过5h，研究区域内浓度分布达到平衡，连续排放的污染物不断向外扩散，在1h之内排放的污染物有78%在区域内，2h后只有60%在区域内，5h后所排放污染物只有30%在区域内.随着时间增加，区域内污染物所占比例越来越小，说明随着时间推移，大部分污染物都向外扩散.但由于浓度轴线向地面倾斜，传输距离不会太远，再加上青岛地区温度层结绝大部分时间都比较稳定，混合层高度平均只有400m,而400m以下风速又较小，所以污染物向远距离传输更受到限制.
　　设定300m高度风向切变，即上、下层风向相反，底层污染物向一个方向传输，上层污染物向另一方向传输，则在计算范围内浓度加大，扩散高度升高，10h后，整个区域都有污染物，随着时间增加，所排放的污染物逐步扩散到计算范围之外，若风向多变，则本区域污染物质积聚越来越多，风向单一，则污染物主要向下风向传输，上述计算未引入混合层，向上扩散未受到限制，一旦出现混合层，则污染物的向上扩散就被限制，本地污染就加重.
　　有雨天气，不考虑气流中的辐合、辐散和上升、下沉的简单情况，不论风向是否上、下层有切变，污染物限制在很小的范围内，没有扩散出去.
　　当有混合层时，设混合层高度为400m,经模式计算，在无雨天气，经过5h，污染物在混合层以下弥散.有雨时，与前面情况相似，见图4.

4　结论
　　近年来，青岛地区酸雨有加重趋势，一方面是因为所排放的污染物增加，另方面与当地边界层气象条件特殊性密切有关.根据风向有变化的模式计算结果，有理由推断，青岛市污染物排放主要加害于本地，特别是在有雨天气，风速较小，层结稳定，风向多变，沉降加速，于是局地污染更为明显.又根据文献［1］的结论，高架污染源其浓度轴线是向下倾斜的，并在一定距离上与地面相交，则更说明青岛地区酸雨成因是以本地源为主，外地源为辅，而青岛的污染源对外影响范围因多种原因也是有限的.

参考文献

1　桑建国，温市耕编著.大气扩散的数值计算(第一版).北京：气象出版社，1992：112—116
2 　Miller E K， Friedland A J.Atmoshperic deposition to forests along an elevational gradient at whiteface mountain.Atmospheric environment,1993,27A(14):2121—2136