曹文潔 趙海燕 陰俊齊 邱秀云

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究方法

我國(guó)是世界第一產(chǎn)煤大國(guó)，產(chǎn)量占世界的37%，同時(shí)煤炭也是我國(guó)的主要能源之一，占國(guó)內(nèi)一次能源生產(chǎn)總量的76%，其中露天煤礦開采在我國(guó)煤炭生產(chǎn)中占有重要地位。為了研究露天煤礦煤塵濃度擴(kuò)散規(guī)律對(duì)周邊城市的影響，必須先要確定該礦區(qū)四季風(fēng)速矢量場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及混合層高度，本文以美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)氣象再分析數(shù)據(jù)(Reanalysis data)和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先使用MM5模擬生成逐時(shí)的中尺度氣象數(shù)據(jù)，然后利用CALMET模型對(duì)MM5數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的診斷分析，使其能夠反映高分辨率的地形和土地利用數(shù)據(jù)，最后生成一個(gè)1～3km分辨率的氣象場(chǎng)。通過對(duì)2012年7月、10月和2013年1月、4月氣象場(chǎng)的模擬，得到露天礦及其周邊地區(qū)氣象場(chǎng)詳細(xì)的時(shí)空變量場(chǎng)。

2 模擬方案

2.1 中尺度氣象背景場(chǎng)

本文MM5以五彩灣煤礦地理中心為網(wǎng)格中心(44°49'10.00″N，89°7'51.00″E)，由三個(gè)相互嵌套的網(wǎng)格組成。其中外層的DOMAIN1包括從新疆西部至新疆東北部，覆蓋整個(gè)新疆，并為內(nèi)層的區(qū)域提供邊界條件;內(nèi)層DOMAIN2北起烏倫古河，南至卡拉麥里山南緣，包含整個(gè)新疆卡拉麥里有蹄類野生動(dòng)物保護(hù)區(qū);最內(nèi)層DOMAIN3區(qū)域包括了礦區(qū)，及其附屬設(shè)施，詳細(xì)設(shè)置的參數(shù)見表1。氣象數(shù)據(jù)的模擬選取2012年7月，2012年10月，2013年1月，2013年4月，各一個(gè)月的時(shí)間分別代表春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)。

表1 MM5模式模擬區(qū)域設(shè)計(jì)

MM5在垂直方向采用與地形相關(guān)的σ坐標(biāo)，并根據(jù)σ進(jìn)行分層，σ定義為:

其中:Ps指的是地表氣壓，模型頂端的氣壓Pt=100hPa。在垂直方向，從地表到模型頂端定義23個(gè)不同的σ值。

模式使用資料包括:

(1)地形地表資料:美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)全球2min精度的地形和地表格點(diǎn)資料(地表分為24類)。

(2)氣象背景場(chǎng)初始資料:美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的1°×1°fnl格式全球再分析格點(diǎn)資料。

2.2 CALMET診斷氣象場(chǎng)

在MM5三層嵌套模擬的基礎(chǔ)上，使用CALMET進(jìn)行模擬區(qū)域內(nèi)的氣象場(chǎng)。以MM5 DOMAIN3的輸出結(jié)果作為其氣象輸入資料，以美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的900m精度格點(diǎn)資料作為其地理輸入資料，其中包括:

模擬區(qū)域中心點(diǎn)經(jīng)緯度 44°49'10.00″N，89°7'51.00″E(五彩灣煤礦中心)，網(wǎng)格格距0.5km，格點(diǎn)數(shù)為80×80。模擬礦區(qū)地形對(duì)區(qū)域氣象場(chǎng)的影響。

一個(gè)區(qū)域模擬的垂直高度均為3000m，從地面開始向高空共垂直定義10層、11個(gè)等高面，以相鄰兩個(gè)等高面的中心高度作為每層的有效高度，垂直等高面高度分別為 0，20，40，80，160，300，600，1200，2000，2500，3000。模擬時(shí)間與 MM5模擬的時(shí)間范圍相同，模式輸出結(jié)果時(shí)間間隔1h。

3 成果分析

3.1 風(fēng)速矢量場(chǎng)

污染物在空氣中的擴(kuò)散程度及范圍取決適于風(fēng)速矢量場(chǎng)，圖1中的a、b、c、d從2012年7月到2013年4月間利用CALMIT模擬的近地面(10m)處四季小時(shí)平均風(fēng)速折線圖。圖2是礦區(qū)全年的風(fēng)玫瑰圖。

由圖1.a、b、c、d中可以看出，模擬的礦區(qū)四季平均風(fēng)速中，春季＞夏季＞冬季＞秋季。春季的平均風(fēng)速最大，為3.90m/s;夏季和冬季的平均風(fēng)速次之，分別為3.73m/s和4.77m/s;秋季的平均風(fēng)速最小，為3.61m/s。小時(shí)風(fēng)速在一天之中并不是保持不變的，而是存在著劇烈的變化，最大可能相差數(shù)倍。

圖1 近地面(10m)處四季小時(shí)平均風(fēng)速

圖2 全年礦區(qū)風(fēng)玫瑰圖(外圍的線表示風(fēng)速)

由模擬繪出的礦區(qū)不同月份的風(fēng)玫瑰圖發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)各季節(jié)西風(fēng)和東風(fēng)的概率最高，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。其中，春季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，最大風(fēng)速為11～17節(jié)(1節(jié)=1.852千米/小時(shí))的風(fēng)頻為12%，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，最大風(fēng)速11－17節(jié)所占風(fēng)頻為14%;夏季以西風(fēng)為主，最大風(fēng)速為11－17節(jié)的風(fēng)頻為35%;秋季以東風(fēng)為主，風(fēng)頻為28%;冬季主導(dǎo)風(fēng)為東風(fēng)，最大風(fēng)速超過22節(jié)，所占風(fēng)頻為45%;

3.2 溫度場(chǎng)

溫度層結(jié)是指空氣溫度隨高度變化的情況。溫度層結(jié)決定著大氣的穩(wěn)定度和混合層的高度，影響湍流的強(qiáng)度，因而溫度層結(jié)與空氣污染狀況密切相關(guān)。通過CALMET模擬的2011年夏季(7月)和冬季(12月)00、04、08、12、16、20時(shí)，礦區(qū)地面到3500m，共10個(gè)高度層的月平均溫度進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 四季典型日氣溫變化

經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，夏季礦區(qū)地表平均溫度的日變化范圍在27～37℃之間。地表至2000m高度為垂直溫度的劇烈變化區(qū)。

春季均溫為4°，夏季均溫為30°，秋季均溫為9°，冬季均溫為－6°，四季溫差較大，夏季和冬季最高溫和最低溫最大相差37°，符合新疆四季分明的氣候特征。

3.3 混合層高度

混合層高度是表征污染物濃度在垂直方向被湍流稀釋的范圍，即底層空氣熱力對(duì)流與湍流所能到達(dá)的高度。

圖4 礦區(qū)四季混合層高度逐時(shí)變化特征

不同季節(jié)的日變化特征基本相同，但最大混合層高度變化較大，其中夏季＞春季＞秋季＞冬季，夏季最高可達(dá)到2500m以上，冬季最高只有200m左右，混合層高度與溫度層結(jié)密切相關(guān)，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，在白天，近地面氣溫的垂直遞減率大于干絕熱遞減率，空氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易進(jìn)行垂直交流，所以白天的混合層高度較高;晚上垂直遞減率小于干絕熱遞減率，甚至出現(xiàn)逆溫，因此混合層高度較低。

4 結(jié) 論

為了研究露天煤礦煤塵濃度擴(kuò)散規(guī)律對(duì)周邊城市的影響，必須先要確定該礦區(qū)四季風(fēng)速矢量場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及混合層高度，本文以美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)氣象再分析數(shù)據(jù)(Reanalysis data)和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先使用MM5模擬生成逐時(shí)的中尺度氣象數(shù)據(jù)，然后利用CALMET模型對(duì)MM5數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的診斷分析，使其能夠反映高分辨率的地形和土地利用數(shù)據(jù)，最后生成一個(gè)1～3 km分辨率的氣象場(chǎng)。通過對(duì)2012年7月、10月和2013年1月、4月氣象場(chǎng)的模擬，得到露天礦及其周邊地區(qū)氣象場(chǎng)詳細(xì)的時(shí)空變量場(chǎng)。即本文通過耦合MM5/CALMET模擬五彩灣礦區(qū)的氣象條件，得出以下結(jié)論:

(1)礦區(qū)不同季節(jié)平均風(fēng)速?gòu)拇蟮叫榇杭荆鞠募荆径荆厩锛尽４杭局鲗?dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，夏季以西風(fēng)為主，秋季以東風(fēng)為主，冬季主導(dǎo)風(fēng)為東風(fēng)，全年主導(dǎo)風(fēng)向以北西風(fēng)和東南風(fēng)為主。

(2)礦區(qū)夜晚易形成逆溫，冬季逆溫層厚度較大、維持時(shí)間最長(zhǎng)，夏季厚度較小、時(shí)間較短。當(dāng)逆溫時(shí)間較長(zhǎng)且厚度較大的時(shí)候，由于氣溫的垂直遞減率小于標(biāo)準(zhǔn)大氣，不利于空氣的上下流動(dòng)，礦區(qū)煤塵不易擴(kuò)散，造成空氣質(zhì)量下降。

(3)混合層高度晚上較低，白天較高。對(duì)不同季節(jié)，夏季混合層高度最高可達(dá)2500m以上，其次為春季和秋季，冬季混合層高度最低只有200m左右，極不利于擴(kuò)散，造成近地面污染物的堆積，易加重空氣污染。

［1］范紹佳，王安宇，樊琦，等．珠江三角洲大氣邊界層概念模型的建立及其應(yīng)用［J］．熱帶氣象學(xué)報(bào)，2005(6)，21(3):286－292．

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［2］Yim S．H．L．，F(xiàn)ung J．C．H．，Lau A．K．H．，et al．Developing a high －resolution wind map for a complex terrain with a coupled MM5/CALMET system［J］．Geophys．Res，2007．112，D05106．

［3］Steve H．L．Yim，Jimmy C．H．Fung，Alexis K．H．Lau，and S．C．Kot．Mesoscale Simulation of Year－to－Year Variation of Wind Power Potential over Southern China ［J］．Energies，2009，2:340 －361．