肖 犇,賈洪偉,徐佳佳,亢燕銘,鐘 珂

上海北側(cè)區(qū)域海陸風(fēng)對污染物擴散的影響

肖 犇,賈洪偉,徐佳佳,亢燕銘,鐘 珂*

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620)

利用數(shù)值模擬方法研究了上海北側(cè)區(qū)域海陸風(fēng)對污染物擴散的影響,包括上海城郊-崇明島-啟東市區(qū)及這三區(qū)域之間的北支水道與南支水道.使用當(dāng)量法表征太陽輻射和長波輻射引起的近地面空氣熱量變化,模擬結(jié)果與ECMWF再分析數(shù)據(jù)呈現(xiàn)較好的一致性.結(jié)果表明,在海風(fēng)階段,寬海(南支水道)、窄海(北支水道)區(qū)域都能形成海風(fēng),前者較后者發(fā)生時間早約1h;在陸風(fēng)階段,僅寬海兩側(cè)有陸風(fēng)出現(xiàn),其中來自上海陸地的陸風(fēng)可以穿越寬海抵達崇明.海風(fēng)對大氣污染物擴散和稀釋的效果取決于海風(fēng)鋒面與污染物的時空關(guān)系,當(dāng)污染物位于鋒面之前,則會被海風(fēng)鋒面卷入回流帶至高空,海風(fēng)起到清潔的效果;當(dāng)污染物位于海風(fēng)鋒面之后,鋒面后的海風(fēng)則會將污染物推至內(nèi)陸,造成持久的污染.陸風(fēng)能將凌晨時分釋放的污染物吹離上海陸地區(qū)域,但污染物會隨著陸風(fēng)登錄崇明區(qū)域惡化當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量;清晨時分釋放的污染物只會被陸風(fēng)吹至近海區(qū)域,并會隨著之后的海風(fēng)二次污染陸地區(qū)域.

復(fù)雜海陸地形；海陸風(fēng)；數(shù)值模擬；空氣質(zhì)量

海陸風(fēng)環(huán)流是發(fā)生在沿海地區(qū)的一種垂直于海岸的中尺度環(huán)流,其驅(qū)動力來源于陸地和海洋之間的溫度差,并具有明顯的日變化特征.通常在晴朗或微/靜風(fēng)天氣發(fā)生,其晝/夜風(fēng)向相反的特征,使沿海城市大氣污染物在海岸線附近反復(fù)飄蕩,易發(fā)生累積.研究結(jié)果[1-4]表明,沿海地區(qū)的空氣質(zhì)量與海陸風(fēng)密切相關(guān).

上海地處中國大陸海岸線中部,東瀕東海,北界長江出?？?其大氣污染物擴散特征受到海陸風(fēng)強烈影響.由于海陸風(fēng)易受地形影響[5-6],而上海北側(cè)(崇明、寶山)、南側(cè)(金山、奉賢)、東側(cè)(浦東)的地形特征各不相同,因此這一區(qū)域的海陸風(fēng)特征也有較大差異.2019年上海市生態(tài)環(huán)境公報[7]指出,上海西北側(cè)地區(qū)是上?？諝馕廴据^為嚴(yán)重的區(qū)域,然而,關(guān)于上海海陸風(fēng)特征及其海陸風(fēng)日空氣質(zhì)量的研究主要集中在南側(cè)和東側(cè)地區(qū),針對上海北側(cè)的海陸風(fēng)研究較少.原因是包括崇明島的上海北側(cè)地區(qū)地形復(fù)雜,涵蓋上海城郊-崇明島-啟東市區(qū)及這三區(qū)域之間的北支水道與南支水道,開展研究需要較高的數(shù)據(jù)分布分辨率.

研究海陸風(fēng)日的大氣污染特征的方法主要有直接觀測法、統(tǒng)計分析法和數(shù)值模擬[8].其中直接觀測法[9-10]的結(jié)果較為準(zhǔn)確,但觀測點往往有限.統(tǒng)計分析法[11]多用于研究較長時間內(nèi)的整體性變化.目前有越來越多的學(xué)者選擇數(shù)值模擬方法研究海陸風(fēng), Allende等[12]基于WRF(氣象研究與預(yù)報模式)程序的模擬結(jié)果表明海陸風(fēng)的影響范圍可達100km之外.Bei等[13]采用WRF-Chemistry耦合模式,研究了在京津冀發(fā)生的一次嚴(yán)重空氣污染事件,發(fā)現(xiàn)海風(fēng)環(huán)流可以緩解近地面的污染,但會使污染物在海灣上空再循環(huán),惡化沿海地區(qū)的空氣質(zhì)量.WRF方法內(nèi)置了大量的物理化學(xué)簡化模型,使用便捷友好,但網(wǎng)格分辨率較低,最小網(wǎng)格尺寸為1km,難以對上海北側(cè)地區(qū)這種復(fù)雜地形的海陸風(fēng)進行詳細研究.隨著計算技術(shù)的快速發(fā)展,通常用于計算微尺度流場的CFD(計算流體力學(xué))方法,現(xiàn)在可以模擬上百公里范圍的流場.CFD方法的網(wǎng)格分辨率高,可以精細到米級.故可用于模擬研究上海北側(cè)這種復(fù)雜地形下的海陸風(fēng)特征.如Xu等[14]采用CFD方法,研究了離岸背景風(fēng)條件下海陸風(fēng)的形成過程以及污染物的擴散規(guī)律,對海陸風(fēng)作用下大氣污染物擴散機理進行了微尺度分析.為此,本文基于Fluent 19.0的有限體積法,建立海陸風(fēng)的風(fēng)場流動和換熱模型,模擬研究上海陸地與崇明島交接處海陸風(fēng)演變過程和污染物擴散機制,為改善上海北側(cè)這類復(fù)雜海陸地形分布下的海陸風(fēng)日空氣質(zhì)量提供理論參考.

1 研究方法

1.1 數(shù)值模型與方法

本研究參考區(qū)域與命名方法如圖1所示.可以看到,該區(qū)域自東北向西南,依次經(jīng)過啟東、長江口北支水道、崇明島、長江口南支水道、寶山、上海市區(qū)、嘉定、青浦,包含了較寬、較窄海面和陸地間隔分布的地理形式.在本文中,分別將北支水道與南支水道簡稱為窄海與寬海,上海崇明島單獨稱為崇明,寶山至青浦段合稱為上海陸地.區(qū)域范圍沿海岸線法向縱深約140km,是上海市北側(cè)和西側(cè)農(nóng)業(yè)、工業(yè)及居住的密集區(qū)域,途徑吳淞口國際郵輪港.兩側(cè)延展約30km.由于上海陸地北側(cè)、崇明南北兩側(cè)及啟東南側(cè)的海岸線延伸方向均在西偏北37°左右,具有良好的對稱性,因此本文將其簡化為二維模型,僅考慮海岸線法向以及地面法向上的空氣流動與傳熱情況.

圖1 研究參考區(qū)域示意

圖2 計算區(qū)域示意

計算區(qū)域如圖2所示,鉛直高度為5km,水平跨度為140km.依據(jù)大氣邊界的溫度分布特性[15],將計算域沿高度方向分為自由層、逆溫層、海洋層和近地層4個區(qū)域,污染物釋放源位于距離寬海左岸17～18km,高度為100m的矩形區(qū)域(圖2灰色區(qū)域).忽略計算區(qū)域與5km以上高空區(qū)域的熱質(zhì)輸運過程及其對海陸風(fēng)的影響,將計算區(qū)域的上下邊界設(shè)為絕熱邊界,左右兩側(cè)為自由出口邊界[16].在初始時刻,自由層、海洋層和近地層的溫度分別為305,295和295K,逆溫層自下而上由295K線性增至305K[17].整個計算區(qū)域的初始速度為零.采用當(dāng)量法來表征近海(陸)面空氣吸(放)熱量的變化,根據(jù)上海地區(qū)春夏季實際太陽輻射的日變化與陸海下墊面的物性特征[18],采用用戶定義函數(shù)(UDF)在近地層添加周期性熱源項,以考慮下墊面的長波輻射條件變化所導(dǎo)致的近海(陸)面空氣熱量增加(升溫)或減少(降溫)過程.圖3為當(dāng)量熱量隨時間的變化曲線,模擬起始對應(yīng)的時間為早上8:00.

圖3 陸地、海洋近地層熱流輸入量隨時間的變化

本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算域進行劃分,網(wǎng)格總數(shù)為122萬個.湍流計算采用標(biāo)準(zhǔn)-兩方程模型[20],壓力與速度場耦合求解采用SIMPLE方法,梯度離散采用格林-高斯單元基準(zhǔn)格式,壓力離散采用PRESTO格式,動量、湍動能、湍流耗散率、能量項離散均采用二階迎風(fēng)差分格式.連續(xù)性方程、動量守恒方程、方程、方程的收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)為10-3,能量守恒方程的殘差標(biāo)準(zhǔn)為10-6.

1.2 模型可靠性分析

為驗證網(wǎng)格劃分和計算方法的可靠性,基于ECMWF再分析數(shù)據(jù),對流場求解和風(fēng)速預(yù)測的有效性進行了比較驗證.通過ECMWF(歐洲中期天氣預(yù)報中心)獲取了嘉定城區(qū)附近(東經(jīng)121°15′00″-北緯31°22′30″)的10m高度風(fēng)速再分析數(shù)據(jù),并根據(jù)海陸風(fēng)判別標(biāo)準(zhǔn)[21],篩選出2019年的16個上海陸地-寬海海陸風(fēng)日,將16d風(fēng)速的逐時平均值與模擬預(yù)測結(jié)果進行了對比,如圖4所示,圖中速度統(tǒng)計線上端、下端和灰色圓點分別對應(yīng)再分析數(shù)據(jù)在該時段的最大值、最小值和平均值.可以看到,本文模擬結(jié)果與ECMWF再分析數(shù)據(jù)整體趨勢基本一致,在0:00前后出現(xiàn)風(fēng)向轉(zhuǎn)變,海、陸風(fēng)階段結(jié)果吻合較好.這表明本文所采用的計算方法可以用于海陸風(fēng)模擬研究.對于大氣污染物擴散過程的計算方法,由于篇幅所限,不再給出具體的方程和參數(shù)設(shè)置,詳見Wang等[22]的研究.

圖4 模擬結(jié)果與ECMWF再分析結(jié)果比對

2 結(jié)果與討論

為了避免初始條件對研究結(jié)果的影響,連續(xù)計算了多日海陸風(fēng)情況,計算結(jié)果表明,初始條件對day2結(jié)果基本不產(chǎn)生影響,因此,以day2及之后的模擬結(jié)果為依據(jù)進行分析.

2.1 海陸風(fēng)的演變特性

海陸溫差是海陸風(fēng)形成的根本原因,為此,圖5給出了不同時刻典型高度處空氣溫度沿著水平位置的變化曲線(以計算域左端位置為原點,為便于分析,圖下方標(biāo)出了對應(yīng)的地理位置).

如圖5所示,早上8:00(圖5(a))時,無論近陸面還是近海面的空氣溫度均較低,氣溫隨著高度增加而增加,有著明顯的接地逆溫現(xiàn)象.而到了中午12:00 (圖5(b)),因為陸海間的比熱容差異,雖然陸海氣溫均升高,但是陸地空氣的升溫速率更快,而寬、窄海面上的氣溫已明顯低于陸地區(qū)域,高度越低海洋氣溫越低、海陸溫差越明顯,其中寬海與陸地的溫差最顯著(約4K),而窄海與陸地的溫差大約2K,均提供了海風(fēng)的形成條件.此外,在自由羽流的混合作用下,陸地區(qū)域溫度沿高度方向上的差異很小(將在圖6中詳細分析).

圖5 典型高度處空氣溫度在不同時刻的空間分布曲線

至下午16:00(圖5(c)),海風(fēng)將海洋上方的冷空氣不斷輸運至陸地,海洋氣溫持續(xù)升高,陸海溫差減小.最后在晚上20:00(圖5(d)),由于海風(fēng)的輸運與大氣長波輻射散熱,近陸地氣溫持續(xù)降低,最終50m及以下區(qū)域的陸地氣溫低于海洋氣溫,滿足了陸風(fēng)的形成條件.

夜間22:00(圖5(e))時,寬海區(qū)域溫度明顯高于其他區(qū)域,其中上海陸地(30～75km)和崇明(91～113km)的近地面區(qū)域溫度最低,與寬海之間存在明顯溫差(約2K).在0:00～4:00間(圖5(f)至5(h)),海域和陸地區(qū)域的氣溫均在下降,其中寬海與上海陸地區(qū)域始終存在超過1K的溫差,而與崇明區(qū)域的溫差則有所減小.另外在整個夜間(圖5(e)至5(h)),都未觀察到窄海與其兩側(cè)陸地間存在顯著溫差.在高度方向上,高度越低的空氣降溫越明顯,接地逆溫現(xiàn)象形成并逐漸明顯.

為分析不同區(qū)域海風(fēng)的形成和發(fā)展特征,圖6分別給出了上海陸地區(qū)域和崇明區(qū)域典型時刻近地面空氣速度矢量.

由圖6(a)的左側(cè)可知,14:00時陸地區(qū)域出現(xiàn)顯著的自由羽流(Free convection plume)[19]現(xiàn)象,這是由于被太陽輻射加熱的地表通過對流換熱使附近熱空氣升溫,較熱空氣受浮升力作用逐漸上升,進而形成羽流結(jié)構(gòu).自由羽流的存在解釋了圖5中12:00以后陸地區(qū)域溫度沿高度方向分布均勻的現(xiàn)象.下午15:00和16:00,海風(fēng)從寬海區(qū)域吹向上海陸地(圖中自右向左),陸地上的局部羽流也隨著海風(fēng)鋒面的移動依次并入海風(fēng)環(huán)流之中,鋒面最大風(fēng)速超過5m/s,這與穆海振等[23]的結(jié)果相近.

海風(fēng)在崇明區(qū)域形成的時間晚于上海陸地,由圖6(b)可以看到,16:00時崇明兩側(cè)均有來自寬海和窄海的海風(fēng)形成,由于寬海面積比窄海大很多,與崇明間的溫差也較大,因此寬海海風(fēng)的驅(qū)動力始終比窄海海風(fēng)大,寬海海風(fēng)速度更大,推進距離更遠.傍晚17:00,兩股海風(fēng)在崇明相遇(距左、右岸分別14km和6km),來自寬海的海風(fēng)抑制了窄海海風(fēng)的發(fā)展,并使其逐漸消失,與此同時,其本身速度也有所下降.

夜間,寬海兩側(cè)分別有來自崇明和上海陸地的陸風(fēng),因為崇明陸地區(qū)域面積有限,故產(chǎn)生于崇明的陸風(fēng)比產(chǎn)生于上海陸地的陸風(fēng)更早抵達寬海,為此,先討論前者.圖7(a)為崇明區(qū)域的陸風(fēng)速度矢量圖.由于崇明區(qū)域與窄海間溫差始終很小(見圖4, 22:00～4:00),未形成從崇明吹向窄海的陸風(fēng).而受寬海與右側(cè)區(qū)域(崇明、窄海、啟東)間整體溫差(見圖4,22:00)的作用,形成了自右(啟東)向左(寬海)的陸風(fēng),陸風(fēng)在23:00時遍布崇明全域,隨后在0:00時抵達寬海區(qū)域.

圖6 海風(fēng)速度矢量圖

圖7 陸風(fēng)速度矢量圖

圖7(b)是上海陸地區(qū)域陸風(fēng)速度矢量圖,可以看到上海陸地至寬海的陸風(fēng)比來自崇明區(qū)域的陸風(fēng)(圖中黑框)約晚3h抵達陸海交界處,但風(fēng)速明顯大于來自崇明的陸風(fēng),因此當(dāng)兩股陸風(fēng)在寬海上空相遇時,來自上海陸地的陸風(fēng)壓制了崇明陸風(fēng)并穿過寬海一直向右(崇明方向)推進(3:00),于4:00左右登陸崇明區(qū)域.

對比圖6和圖7還可以看到,海風(fēng)有著明顯的回流,海風(fēng)環(huán)流高度最高可達1.6～2km,而陸風(fēng)回流不明顯,陸風(fēng)高度較低,在100m左右.因此以下分析海風(fēng)和陸風(fēng)的水平速度沿高度分布時采用不同高度坐標(biāo)范圍.

為詳細分析海風(fēng)及轉(zhuǎn)換階段的氣流速度,圖8分別給出了上海陸地-寬海、寬海-崇明以及崇明-窄海等3個海陸交界處,在不同時刻水平風(fēng)速沿高度分布曲線,其中氣流自左向右吹為正,反之為負.對比圖8(a)～8(c)可以看到,上海陸地-寬海交界處(圖8(a))的規(guī)律性較為明顯,海風(fēng)風(fēng)速隨高度增加而減小,在600m左右降低為0(即海風(fēng)與其回流的轉(zhuǎn)換高度),海風(fēng)回流在1000m左右達到最高速度,而后隨高度的增加而降低,不同時刻的風(fēng)速空間分布特征相近.

可以看到,寬海-崇明交界處(圖8(b))與崇明-窄海交界處(圖8(c))的水平風(fēng)速則較為混亂,原因是崇明同時受到來自相反方向的兩股海風(fēng)的影響.從圖7(b)可以看到,在16:00與17:00時能觀察到明顯的來自寬海的海風(fēng)(速度為正)與其回流,但是18:00近地面風(fēng)速較小且風(fēng)速為負,這是因為,盡管來自寬海的海風(fēng)遭遇并壓制了窄海海風(fēng)(見圖6(b)的17:00時),但其本身也被削弱,加之此時溫差已滿足陸風(fēng)的生成條件,海風(fēng)無后續(xù)動力.圖8(c)中,窄海海風(fēng)同樣如此,在16:00時可觀察到海風(fēng)與其回流,而后生成風(fēng)速較小的陸風(fēng).

圖8 海風(fēng)及轉(zhuǎn)換階段氣流水平速度沿高度的分布

圖9 陸風(fēng)階段氣流水平速度沿高度的分布

圖9是陸風(fēng)階段的氣流水平速度沿高度分布曲線,如圖9(a)所示,最大風(fēng)速出現(xiàn)在30m高度處,80m高度左右風(fēng)速將降為0.風(fēng)速在3:00時較大,超過2.5m/s,隨后逐步減小.直到7:00,太陽輻射使近地面空氣升溫,自由羽流逐漸出現(xiàn),風(fēng)速結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變,陸風(fēng)結(jié)束.對于崇明中心(圖9(b))處,在0:00～2:00間,風(fēng)向左吹,最大速度約1m/s,出現(xiàn)在40m高度左右.隨后來自上海陸地的陸風(fēng)抵達崇明,風(fēng)在3:00時出現(xiàn)轉(zhuǎn)向,在4:00時開始向右吹.

2.2 海陸風(fēng)對污染物的擴散影響

嘉定城區(qū)是研究路線上人口較密集、城市發(fā)展程度較高的地點之一,與寬海的距離約17km,會受到海陸風(fēng)影響,有利于研究海陸風(fēng)對污染物的輸運影響.因此本文將污染物釋放源設(shè)置在嘉定城區(qū)所在地,為距離寬海左岸17～18km,高度為100m的矩形區(qū)域.由于海陸風(fēng)具有明顯的時間變化特征,不同時刻釋放的污染氣體的擴散特征不同,為此,本文設(shè)定分別在4個時間段釋放2h污染物,然后停止釋放并繼續(xù)模擬22h,研究海陸風(fēng)對污染物輸運的作用.釋放時段分別為:時段① (5:00～7:00) (陸風(fēng)逐漸減弱的清晨)、時段② (11:00～13:00) (自由羽流階段,海風(fēng)即將發(fā)生的中午)、時段③ (17:00～19:00) (海風(fēng)逐漸減弱的傍晚)和時段④ (23:00～1:00) (陸風(fēng)即將發(fā)生的凌晨).

為考察污染物對各區(qū)域的影響,定義污染無量綱濃度為:

式中:表示監(jiān)測區(qū)域;c()為污染物的面濃度,kg/m2,為污染源釋放強度,kg/s;為污染物釋放時間.

分析海陸風(fēng)的發(fā)展過程對污染物擴散的影響,選取最能表征海陸風(fēng)對污染物輸運效果的時段②和③給出濃度分布情況,見圖10.

圖10 污染物濃度分布

圖10(a)中的污染物釋放時段②為11:00～13:00,可以看到,15:00時,自由羽流已將污染物從釋放源附近帶入高空.海風(fēng)鋒面推進至62km處并給經(jīng)過的區(qū)域帶來了干凈空氣,鋒面將觸及到的污染物卷入高空回流,而在海風(fēng)未抵達區(qū)域,污染物依然受控于自由羽流.隨后,在17:00時,海風(fēng)穿過污染物所覆蓋的區(qū)域,大多數(shù)污染物都被鋒面卷入高空并吹向海面,陸地近地面的污染物濃度很低,僅有少量污染物被吹向內(nèi)陸.19:00時,通過海風(fēng)回流來到寬海的污染物位于1km以上區(qū)域,這些污染物將不會對寬海近地層和崇明近地層的空氣質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響.

圖10(b)中的污染物釋放時段③為17:00～19:00,此時海風(fēng)已經(jīng)深入內(nèi)陸.21:00時,多數(shù)污染物被鋒面后的海風(fēng)夾帶吹向左側(cè)的上海陸地內(nèi)陸,造成大面積污染,且濃度超過0.5.而當(dāng)23:00陸風(fēng)發(fā)生時,污染物又被陸風(fēng)吹向右側(cè)(寬海方向),然而,此時污染物已遍布上海陸地內(nèi)陸,陸風(fēng)無法將所有污染物吹離陸地,陸風(fēng)的清潔效果降低.并且由于上海陸地陸風(fēng)可穿越寬海到達崇明區(qū)域(圖7b),于是,高濃度的污染物在2:00時,也隨著陸風(fēng)進入崇明區(qū)域,崇明區(qū)域的空氣質(zhì)量惡化.

上述分析表明,由于海陸風(fēng)與時間的強相關(guān)性,導(dǎo)致不同時刻釋放的污染物的擴散特征差別很大.為了更好地分析不同時段的污染物經(jīng)過相同時間后的時空分布,引入相對時間,表示污染物開始釋放后經(jīng)過的時間,即:

式中:為當(dāng)前時間點;0為污染物開始釋放的時間點.

為分析比較污染物在各空間區(qū)域的含量,本文定義污染物含量占比為:

式中:表示各空氣層區(qū)域,由于本文在4個時間段分別釋放了2h污染物,故的取值原則如下:

表示某一空氣層內(nèi)的污染物占所有污染物的比例,即污染物在各空氣層中的相對分布情況,以表明海陸風(fēng)對污染物垂直分布的影響.

時段②釋放的污染物,自釋放起即受到自由羽流的控制,大量污染物被向上帶入海洋層,近地層占比較低.隨后從寬海吹來干凈的海風(fēng),大部分污染物被海風(fēng)鋒面卷至較高區(qū)域,進入海洋層與逆溫層,100m以下的近地層內(nèi)污染物占比較小,說明海風(fēng)對時段②釋放的污染物起到了很好的清潔作用.

時段③釋放的污染物在近地層的占比居高不下,空氣品質(zhì)始終較差,最嚴(yán)重時有超過95%的污染物一直處在近地層內(nèi),錯過海風(fēng)鋒面的污染物被鋒面后的海風(fēng)吹至上海陸地內(nèi)陸,部分污染物超出了之后陸風(fēng)的影響范圍,滯留在上海陸地近地層,污染物始終缺乏與海洋層的混合,造成近地層區(qū)域的持續(xù)污染.直到自由羽流出現(xiàn)(=17h),近地層的高占比才有所降低.

時段④釋放的污染氣體在近地層的占比也較高,主要原因是此時為海風(fēng)向陸風(fēng)的轉(zhuǎn)換期,空氣相對平靜,污染物聚集在釋放源附近,無法被大范圍輸運.隨后陸風(fēng)發(fā)生,但由于陸風(fēng)高度較低且回流不明顯,僅少量污染物進入至較高的海洋層,多數(shù)仍在近地層內(nèi)隨著陸風(fēng)輸運到崇明區(qū)域的近地層,因此整個近地層占比在自由羽流出現(xiàn)前(=11h)一直較高.

此外,由圖11還可以發(fā)現(xiàn),所有研究時段釋放的污染物幾乎都無法越過逆溫層抵達自由層.

由于陸地上空100m以下空間(即近地層)的污染物對生產(chǎn)生活的影響程度最大.式(1)中的取上海近地層和崇明近地層,可以得到這兩區(qū)域的污染物無量綱濃度隨時間的變化曲線,見圖12.在4組釋放時段中,時段①和④污染物釋放對應(yīng)的時間點分別是陸風(fēng)即將結(jié)束的清晨和陸風(fēng)即將開始的深夜,前者對上海陸地近地層造成的污染程度相對嚴(yán)重(圖12(a)中黑實線),但基本不會對崇明區(qū)域近地層造成明顯污染(圖12(b)中黑實線);而后者對上海陸地近地層造成的污染相對輕微(圖12(a)灰虛線),但卻會導(dǎo)致崇明近地層的嚴(yán)重污染(圖12(b)灰虛線),即時段①為處于陸風(fēng)后期的清晨階段,陸風(fēng)即將結(jié)束,持續(xù)釋放的污染物無法被完全吹離,上海陸地近地層濃度的下降速度減緩,陸風(fēng)消失后進入自由羽流為主導(dǎo)流場的時期(=5h),污染物向上輸運,濃度短暫上升后逐漸下降,直到海風(fēng)發(fā)生(=10h),吹至寬海的污染物還會隨海風(fēng)再次污染上海陸地,上海近地面濃度上升并維持在中等濃度.海風(fēng)也會將位于寬海的污染物吹至崇明,但由于寬海-崇明海風(fēng)發(fā)生時間稍晚,所造成的污染較輕.此外,清晨時段的陸風(fēng)風(fēng)速逐漸降低,僅能將污染物吹至寬海,于是此時段釋放的污染物基本不會造成崇明地區(qū)的污染;時段④對應(yīng)的深夜釋放的污染物隨后會被強勁的陸風(fēng)吹離上海陸地,陸風(fēng)起到了很好的清潔效果,但這些污染物會在5h后隨陸風(fēng)抵達崇明,造成崇明地區(qū)的空氣質(zhì)量下降.

圖12 釋放于不同時段的污染物濃度變化

時段②與時段③相隔6h,導(dǎo)致的上海陸地近地層污染卻分別是最輕微(圖12(a)黑虛線)和最嚴(yán)重(圖12(a)灰實線)的,并且時段③還會造成崇明近地層的污染(圖12(b)灰實線).兩時段釋放污染物的區(qū)別在于時段②的污染物是在海風(fēng)鋒面抵達污染源之前釋放的,而時段③污染物釋放時海風(fēng)鋒面已經(jīng)經(jīng)過了釋放區(qū)域.海風(fēng)鋒面與污染物的時空關(guān)系決定了海風(fēng)的效果.在鋒面抵達前釋放的污染物將被鋒面卷入了上空,海風(fēng)起到清潔作用,而在鋒面抵達后再釋放的污染物則會被鋒面后的海風(fēng)夾帶推向內(nèi)陸,海風(fēng)惡化了近地面空氣質(zhì)量.

對于崇明近地層區(qū)域(圖12(b)),時段③釋放的污染物經(jīng)過10h后抵達崇明,對崇明造成明顯污染,2h后達到污染峰值.時段④釋放的污染物則在5h后抵達崇明,同樣2h后達到峰值.兩個時段釋放的污染物在崇明近地層的濃度峰值對應(yīng)的時間分別是5:00和6:00,均為陸風(fēng)逐漸結(jié)束的時刻.高度較低、回流不明顯的陸風(fēng)讓污染物始終分布于近地層附近,加之來自上海陸地的陸風(fēng)可以穿越寬海抵達崇明的特性,導(dǎo)致在與嘉定城區(qū)有著相似地理條件的其他上海區(qū)域釋放的污染物,都可能會隨著陸風(fēng)的推進造成沿途崇明地區(qū)的空氣污染,這與常規(guī)海陸分布地形的情況是不同的.

3 結(jié)論

3.1 在海風(fēng)階段,寬海(南支水道)、窄海(北支水道)區(qū)域都能形成海風(fēng),寬海海風(fēng)較窄海海風(fēng)發(fā)生時間早約1h.其中窄海-崇明海風(fēng)較弱,在17:00與寬海-崇明海風(fēng)相遇后將會逐漸消失.在陸風(fēng)階段,窄海區(qū)域無明顯陸風(fēng)出現(xiàn),而寬海兩側(cè)均有陸風(fēng)出現(xiàn).受整體溫差的作用,上海陸地陸風(fēng)可以穿越寬海,抵達崇明與啟東區(qū)域.

3.2 海風(fēng)對污染物擴散影響效果取決于海風(fēng)鋒面與污染物分布的時空關(guān)系.如果鋒面能夠遇到污染物,則會將其卷入回流帶至高空區(qū)域,起到擴散和清潔作用.但如若污染物位于海風(fēng)鋒面后方,海風(fēng)則會將污染物推至內(nèi)陸,造成持續(xù)性污染.

3.3 陸風(fēng)通常總能將污染物吹離陸地區(qū)域,從而起到一定清潔作用,但最終效果與污染物的釋放時段有關(guān).對于在清晨時段釋放的污染物,逐漸變?nèi)醯年戯L(fēng)只能將污染物吹至近海區(qū)域,而后的海風(fēng)會將污染物吹回陸地造成二次污染.對于在凌晨時段釋放的污染物,陸風(fēng)可將大部分污染物吹離陸地,陸地空氣質(zhì)量將得到改善.但在上海北側(cè)地區(qū),由于來自上海陸地的陸風(fēng)可以穿越寬海抵達崇明島,因此陸風(fēng)在改善上海陸地區(qū)域的空氣質(zhì)量同時卻會惡化崇明區(qū)域的空氣質(zhì)量.

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Effects of land and sea breeze on pollutant diffusion in northern Shanghai.

XIAO Ben, JIA Hong-wei, XU Jia-jia, KANG Yan-ming, ZHONG Ke*

(College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)., 2022,42(4)：1552～1561

The north side of Shanghai has complex sea and land terrain and is a heavily polluted area. Numerical simulation method is employed to study the influences of sea and land breeze on pollutant diffusion in this area, including the zones of Shanghai suburb-Chongming Island-Qidong and the north branch channel and the south branch channel between the three areas. The equivalent method is adopted to characterize the near ground air heat change caused by solar radiation and long wave radiation. The simulations are in good agreement with ECMWF reanalysis data. The results show that the sea breeze forms in both the wide sea (South Branch waterway) and the narrow sea (North Branch waterway) regions during the sea breeze period, and the former one occurs about one hour earlier than the latter. During the land breeze period, only the two sides of the wide sea have obvious land breeze, among which land winds from Shanghai can cross the wide sea region to Chongming. The effect of the sea breeze on the diffusion and dilution of air pollutants depends on the temporal and spatial relationship between the sea breeze front and the pollutants. When the pollutants are discharged and accumulated before the sea breeze front, they will be drawn into the reflux zone by the front to the high altitude, and the sea breeze blows with a cleaning effect. Conversely, when the pollutants are emitted and dispersed behind the sea breeze front, the sea breeze will push the pollutants into the inland area and cause a lasting pollution process. The land wind blows the pollutants discharged at midnight away from the Shanghai land area, but the pollutants will enter the Chongming area with the land wind, and deteriorate the local air quality. The pollutants emitted in the early morning will only be blown to the offshore area by the land wind, and will pollute the land area again with the subsequent sea wind.

complex land and sea topography；sea and land breeze；numerical simulation；air quality

X51,P425.4+1

A

1000-6923(2022)04-1552-10

肖 犇(1997-),男,上海人,東華大學(xué)碩士研究生,主要從事城市大氣環(huán)境研究.

2021-09-07

上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目(19DZ1205005);國家自然科學(xué)基金資助項目(42075179)

*責(zé)任作者, 教授, zhongkeyx@dhu.edu.cn