中国大气扩散模态的时空分布

中国大气扩散模态的时空分布

1对我国大气扩散输送的模拟分析在未来的展望中国幅员辽阔，气候条件差异很大，气候扩散输送规律不同。《盛成玉》在气候学领域对水和热量的大规模输送进行了研究（盛成玉，1986）。这些工作对了解气候物的分布有一定的相关性，但由于他们主要关注气候变化的过程，不可能提供环境中的宏观气候变化规律。近年来，环境问题越来越受到重视，对全国气候扩散输送的研究迫切需要。在这种背景下，任作海等（1998）提出了环境场网络矩阵输送模型，并利用大量历史气象数据绘制了全球环境运输的背景地图。该方法具体应用于华北平原局部，取得了良好的效果（苏福庆等，2004a；2004b；张志刚等，2004）。另一方面,针对一些特定污染物的分析模拟工作,增强了对我国大气扩散输送性质的了解.如沙尘天气的研究有助于了解我国北方沙尘输送的方向和路径(周荣伟等,2004;张志刚等,2007);硫化物的研究揭示了我国不同高度层大气的输送特性及季节变化(王自发等,1998).一些工作集中探讨特定地区的大气环境问题,如北京地区、长江三角洲地区、珠江三角洲及香港地区等(颜鹏等,2002;王艳等,2008;任永健等,2009;王芳等,2009;赵恒等,2009;Zhuetal.,2011),揭示了局地受外部污染的影响及区域污染物输送特征,有助于了解不同区域间大气环境的相互作用.值得一提的是,在有关污染输送特征的研究中,拉格朗日轨迹分析方法得到了广泛应用(颜鹏等,2002;石春娥等,2008;王艳等,2008;任永健等,2009;王芳等,2009;赵恒等,2009;Zhuetal.,2011).随着我国经济社会的快速发展,大气环境问题日益朝区域化方向演变,有必要全面了解全国各大区的大气扩散输送背景、分布模态及区域间的相互作用.现有的研究或是限于关心的区域较小,或是由于特定污染物源汇的空间分布限制,不能完整反映全国大气扩散输送的背景性质.网络矩阵模型法虽然可以给出全国或局部区域的大气环境输送背景场(任阵海等,1998;苏福庆等,2004a;2004b;张志刚等,2004),但主要是基于气象观测数据的时-空几何关系(任阵海等,1998),而不是严格意义的扩散输送过程.本文通过对全国范围一整年连续的轨迹计算,统计各大区各格点轨迹在本区及全国范围内的分布情况,分析不同区域的大气扩散能力、输送路径和污染物潜在相互影响关系,并对全国不同地域的大气扩散性质进行初步区划.2合开发cohenet标准本文采用HYSPLIT模式进行大量轨迹计算.该模式由美国海洋大气局(NOAA)和空气资源实验室(ARL)联合开发,是一个直观了解大气中示踪气块或粒子运动轨迹的工具,目前被广泛应用于环境大气污染输送研究中(Cohenetal.,2004;Jorbaetal.,2004;Melonietal.,2007;Schaumetal.,2010).模式现已发展为第4版(HYSPLIT_4),本研究采用其最新版(版本号为4.9).2.1u3000计算方法HYSPLIT_4模式的轨迹计算原理如下(Draxleretal.,1998):假设一个被动示踪粒子随风运动,t时刻处于P(t)位置,时间步长Δt后的位置P(t+Δt)为:P(t+Δt)=P(t)+0.5[V(P,t)+V(P′,t+Δt)]Δt(1)式中,P′(t+Δt)=P(t)+V(P,t)Δt为一个中间猜想位置.计算过程中对时间步长Δt的要求是:Δt·Umax小于0.75倍的网格距(Umax为最大风速,由气块上一时刻的最大迁移速度决定).计算中如果轨迹点超出模型上边界则轨迹终止,如果轨迹点到达地面则沿地表继续运行.有关HYSPLIT4模式的其它介绍详见文献(Draxleretal.,1998;Draxleretal.,2003).2.2时间平均的轨迹频率场单条轨迹能反映特定的大气输送过程,但受天气过程影响,其不确定性很大.为综合反映某个区域的平均大气扩散状态和输送路径,我们对该区域内各点出发的轨迹在空间上的分布进行统计,并进行时间积分(求和),获得一段时间平均的轨迹频率分布.此轨迹频率场可解释为大气的扩散输送概率分布,用于判断区域大气扩散输送特性.具体计算公式为:fk(x,y)=1M⋅N∑j=1M∑i=1Nnij(x,y)fk(x,y)=1Μ⋅Ν∑j=1Μ∑i=1Νnij(x,y)(2)式中,fk(x,y)为整个第k区域对空间(x,y)点的无因次轨迹频率;nij(x,y)为第k区第i时刻第j个轨迹释放点释放的轨迹落到空间(x,y)点的次数;N反映统计的轨迹时间长度(本文为96h);M为第k区域的轨迹释放总点数.由此给出的轨迹频率场,在频率值大的地点能反映:①轨迹多通过此点,可能为输送的主要路径;②轨迹在此点多滞留,扩散能力较弱,污染物累积严重.2.3轨迹计算方法研究区域为69°～139°E、14°～54°N,覆盖中国所有陆地部分(不含南海部分岛屿).将该区域以1°×1°的经纬度分辨率划分为网格(图1a),对全国大陆部分的每个网格顺序编号,并以其中心作为出发点逐点计算轨迹.研究中使用HYSPLIT-4.9模型中的Daily模块(Trajectory/SpecialRuns/Daily)进行轨迹的连续计算.该模块根据轨迹计算的设计参数,从指定的时间起自动逐日逐时次计算轨迹,直至指定的结束时间为止.具体的轨迹计算参数设定如下:对每个分析点进行1年365d的轨迹计算,每天于00:00、06:00、12:00、18:004个时次各计算一条轨迹,每条轨迹持续计算4d(96h);设定轨迹计算高度为地面以上1200m;计算按模式的等压面选项进行.保存各轨迹点每小时的位置(经纬度)用于后续统计分析.关于轨迹计算高度的设定有必要说明如下.本文关心的是污染物跨区域的长距离传输潜势,重点了解长时间的统计平均结果.如果污染物局限于边界层之内,其输送距离是有限的.一般认为,适合长距离输送的高度应在大气边界层之上(Whelpdaleetal.,1990).而陆面大气边界层的平均高度通常在1000m左右(Stull,1988;程水源等,1997;吴祖常等,1998).计算高度太低,则不能反映长距离输送的性质;计算高度太高,则会缺失出发源地的信息.因此本文选定计算高度为1200m,略高于平均边界层高度.考虑全国不同地区的经济、气候及地形等因素,在图1a的基础上,将全国划分为10个大的区域(图1b),分别命名并以符号标记:新疆区(XJ)、内蒙区(NM)、青藏区(QZ)、东北区(DB)、环渤海区(BH)、中部(ZB)、中南(ZN)、西南区(XN)、华南区(HN)及华东区(HD).所划各区并不完全与行政区重合,如“新疆区”包含甘肃的西北部分,“内蒙区”仅为内蒙中西部,等.将覆盖全国的轨迹出发点按以上区域进行划分,以反映全国主要区域的大气扩散输送特征.全部计算完成后按式(2)和1°×1°的网格进行无因次轨迹频率统计,获得各区域四季和全年的扩散输送概率分布.2.4轨迹分析的指标用于轨迹计算分析的数据资料为美国国家大气研究中心/国家环境预报中心(NCEP/NCAR)的全球再分析数据(/pub/archives/reanalysis/).该数据格式完全符合HYSPLIT4.9的要求,可直接用于轨迹计算.数据的水平分辨率为2.5ue84aSymbolpB@×2.5ue84aSymbolpB@(全球144×73个格点),垂直方向以等压面分为18层,分别为地面、1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20及10hPa.地面层包括5个变量:地面气压(PRSS)、地表温度(T02M)、10m高度径向风速(U10M)、10m高度纬向风速(V10M)及6h降雨量(TPP6);高空各层包括6个变量:位势高度(HGTS)、温度(TEMP)、径向风速(UWND)、纬向风速(VWND)、垂直风速(WWND)及相对湿度(RELH).研究中取2008年全年的资料作为基础数据输入.3结果和分析结果和分析3.1第二,关于新疆区xj所有轨迹的分布计算的全国一整年连续释放轨迹包含了丰富的扩散输送信息.由于所有轨迹点都以1h的时间间隔保存其位置信息,故每条轨迹在空间运行96h,共有96个节点.而每隔6h会再释放一条轨迹,因此相邻时刻的两条轨迹会有90对节点在时间上相互重合.以此类推,可以将多个连续时刻释放的轨迹的所有节点按其时间标记重新整理,形成一个位置点集的时间序列.对一个区域释放的所有轨迹进行上述处理,考察轨迹位置点集形成的“云团”在研究区域内随时间的变化,则可看出大气扩散输送的详细过程.图2给出了新疆区(XJ)所有轨迹的位置点在2008年1月8日13:00时的分布.可见,从新疆区出发的轨迹点已形成一条横贯北中国的“云带”,其主体穿过河西走廊和河套地区,途径山西、河北、北京等,最后从渤海湾入海;部分轨迹点更往南影响到江南一带.这一结果与影响北京的沙尘输送“西部路径”(张志刚等,2007)相一致,说明西部远至新疆的沙尘影响到北京的可能性.将上述轨迹位置点集的时间序列编制成动画,则可更形象直观地表现一个区域的大气扩散输送情况.对新疆区2008年1月的逐时轨迹点动画结果考察发现,该月上、中旬连续爆发如图2所示的大规模的向外输送,但下旬类似的输送却减弱到几近停止,以致轨迹点长时间在新疆区内部滞留盘旋.这说明该区域大气的对外输送和内部扩散能力都有巨大的变化幅度.作为例子,新疆区1月份大气输送的轨迹位置点集动画结果可见网络文件/pdf/xj-jan/xj-jan.pdf.对各区域的这些轨迹位置点按季节和全年进行统计,则可获得各区的平均大气输送扩散情况.3.2地区复杂立地条件分别计算图1b所示全国10个区域的四季和年平均无因次轨迹频率场,可将各地区的大气扩散输送形态归纳为如下7大类.前两类为,①北方类:包括新疆区、内蒙区和中部区.此类地区年平均大气输送以偏东至东南偏东为主,季节变化明显,冬春秋三季偏东和东南方向的输送较强,夏季扩散则局限于本区内和周边地区.北方类中,中部区有所不同的是冬季有较强的局部累积效应.②高原类:包括青藏区和西南区.此类的显著特点是有强烈的自西向东输送.冬春秋三季,青藏区这一特点最为典型,西南区稍弱.夏季则以本区内及周边输送为主.西南区的四川盆地在夏秋两季局地累积效应较强.以下5类实际为对应各分区自成一类,即,③东北类:对应东北区.此类以强烈的东南和偏东出境输送为主,冬季最为明显,春秋次之.夏季向南和西南的影响有所增加,可影响到京津渤地区.④环渤海类:对应环渤海区.此类总体以偏东输送为主,但有明显季节变化,秋冬季输送影响范围南压,春夏季则主要为偏东北方向输送.⑤中南部类:对应中南区.扩散输送没有主导的方向,局地累积效应严重.⑥华东类:对应华东区.以沿海岸线扩散为其重要特征.冬季有向西深入内陆的输送分支,夏季主要向北和东北方向输送;秋冬两季有较明显的局地累积效应.⑦华南类:对应华南区.以向北方向输送为主,可影响到长江以北沿岸省份.夏季影响可达山东东部;而冬季影响往南收缩,并有部分西南出境输送成分.图3给出了各大类中典型区的年平均无因次轨迹频率场.图4以环渤海区为例显示区域输送特征的季节变化.该区的输送有一定特殊性,除了冬季以偏东和东南方向为主,其它3季都有偏东北的输送分量.受夏季季风系统的影响,夏季的输送更为偏北.对全国其它各区而言,夏季扩散形态也一般与其它季节有较大区别,如内陆的新疆区和位于高原的青藏区,夏季都会变得较为闭塞,向外的扩散输送很弱,以区域内部和周边的相互输送为主.各区具体季节变化情况,限于篇幅,本文不再详细介绍.3.3大气累积效应的季节变化无因次轨迹频率分布可反映一个区域向外部环境的扩散输送路径和范围.但本区域内的大气污染物累积强弱也是研究区域性大气环境问题关注的一个重点.本文计算获得的无因次轨迹频率的数值大小可从气象上反映区域大气扩散物质的累积程度.因此,我们取各区无因次轨迹频率的最大值作为大气累积程度的指标.图5给出了各区四季和年均的无因次轨迹频率最大值.从年均结果来看,我国北方各区的大气扩散条件好于南方.整体扩散条件最好、大气累积程度最低的为东北区.北方只有地跨陕西-甘肃-青海的中部区(见图1b),由于受青藏高原的屏障作用,大气累积效应相对较强.青藏区虽然地理位置偏于西南,但因地处高原,其全年平均扩散条件与北方各区相近.全国年均大气累积程度最高的4个大区依次为:西南区、中南区、华东区和华南区.从图5还可反映出各区大气累积效应的季节变化.北方5大区(新疆区、内蒙区、东北区、中部区和环渤海区)夏季大气累积程度普遍高于其他3季,但东北区和新疆区的季节变化不明显.南方内陆的西南区和中南区秋季累积效应最强,而沿海的华东区和华南区则以冬季最强,秋季次之.华东区和华南区夏季累积效应相对最弱,是大气扩散条件最好的季节.所有各区中青藏区的季节变化最为独特且幅度极大,春夏季累积效应较强,而秋冬季相对较低.值得提及