鮑昕杰　楊宗甄　陶乃貴等

關(guān)鍵詞：CALPUFF;大氣穩(wěn)定度;示蹤試驗(yàn);大氣擴(kuò)散參數(shù);湍流觀測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：X169 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

CALPUFF 模型作為法規(guī)、導(dǎo)則支持的三維非穩(wěn)態(tài)拉格朗日煙團(tuán)輸送模型，在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1-5] 。國(guó)內(nèi)外針對(duì)CALPUFF 模型應(yīng)用及參數(shù)化設(shè)置已開(kāi)展了很多研究，主要涉及氣象場(chǎng)WRF 模式 [2-3] 、微氣象方案[5] 、邊界層高度[6] 、網(wǎng)格及地形[7] 、時(shí)空分辨率[8-10] 等方面的研究。上述研究中以野外示蹤試驗(yàn)法驗(yàn)證模式有效性是最為直接的方法，如朱好及Cui 等采用內(nèi)陸復(fù)雜地形條件的廠(chǎng)址野外示蹤試驗(yàn)成果對(duì)CALPUFF模式進(jìn)行模擬研究[8-10] ;王博等采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)某濱海核電廠(chǎng)址的大氣擴(kuò)散特征進(jìn)行模擬與驗(yàn)證[11] ;胡二邦等對(duì)高斯煙羽模式進(jìn)行驗(yàn)證研究[12-13] ;陳曉秋及康凌等分別采用沿海核電廠(chǎng)址野外示蹤試驗(yàn)對(duì)隨機(jī)游走模式進(jìn)行模擬研究[14-15] 。

前人的研究均說(shuō)明數(shù)值模式能一定程度的反映實(shí)際污染物擴(kuò)散情況，但從大氣穩(wěn)定度角度來(lái)看，前人通過(guò)野外示蹤試驗(yàn)研究數(shù)值模式的有效性主要涉及單一的中性類(lèi)天氣，對(duì)于各類(lèi)大氣穩(wěn)定度與數(shù)值模式模擬結(jié)果的關(guān)系較少關(guān)注。大氣穩(wěn)定度是大氣擴(kuò)散能力的直接表征，可通過(guò)相關(guān)氣象要素采用合適的方法得出分類(lèi)結(jié)果，不同大氣穩(wěn)定度條件下的大氣擴(kuò)散參數(shù)有明顯差異，而大氣擴(kuò)散參數(shù)的選取又直接影響污染濃度分布，故有必要開(kāi)展大氣穩(wěn)定度及大氣擴(kuò)散參數(shù)對(duì)數(shù)值模式模擬結(jié)果影響的研究。

為了獲取各類(lèi)大氣穩(wěn)定天氣條件下的示蹤試驗(yàn)結(jié)果，本研究采用物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制采樣系統(tǒng)進(jìn)行捕捉。通過(guò)對(duì)CALPUFF 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果分析，說(shuō)明大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果及大氣擴(kuò)散參數(shù)方案對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響。同時(shí)，本文結(jié)合大氣穩(wěn)定度判別指標(biāo)提出一種擬合湍流大氣擴(kuò)散參數(shù)方案，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明該方案模擬效果良好。

1 數(shù)值模式介紹

CALPUFF 模式主要由以下四部分模塊組成：資料準(zhǔn)備前處理模塊（ 包括氣象和土地?cái)?shù)據(jù)處理）、CALMET 氣象模塊、CALPUFF 擴(kuò)散模塊、CALPOST 后處理模塊。

為了更精確的反映廠(chǎng)址中小尺度風(fēng)場(chǎng)特征，本研究的地形數(shù)據(jù)選擇USGS30″分辨率資料，地表類(lèi)型數(shù)據(jù)選用30 m 高分辨率資料。CALMET 模塊的氣象數(shù)據(jù)輸入方案采用廠(chǎng)址10 m 高度氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合WRF 中尺度天氣預(yù)報(bào)模式（采用美國(guó)NCEP 全球再分析資料） 模擬的三維氣象場(chǎng)作為地面+高空氣象數(shù)據(jù)組合輸入方案。近地層風(fēng)場(chǎng)設(shè)置為采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，通過(guò)CALMET模塊內(nèi)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程框架及多種物理參數(shù)化過(guò)程獲取精細(xì)化的空間網(wǎng)格氣象場(chǎng)及大氣穩(wěn)定度、混合層高度、莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度等微氣象參數(shù)用于驅(qū)動(dòng)CALPUFF 模塊計(jì)算污染物濃度。

CALMET 模式的大氣穩(wěn)定度分類(lèi)方法為Pasquill-Gifford-Turner 體系方法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)P-G-T分類(lèi)法）[16] 。P-G-T 分類(lèi)法分類(lèi)結(jié)果受云量影響較大，而目前云量觀測(cè)站點(diǎn)分布較稀疏，要獲取有廠(chǎng)址代表性的云量數(shù)據(jù)難度較大，實(shí)際模擬時(shí)一般采用WRF 數(shù)值模擬的三維氣象場(chǎng)作為高空?qǐng)觯òǜ呖诊L(fēng)、溫、壓、云量等數(shù)據(jù)） 輸入CALMET模式。除P-G-T 分類(lèi)法外，常見(jiàn)的大氣穩(wěn)定度分類(lèi)方法還有溫度梯度法、溫度梯度-風(fēng)速法、風(fēng)向脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差法、邊界層湍流參量法等[17] 。在各穩(wěn)定度分類(lèi)方法中，溫度梯度-風(fēng)速法數(shù)據(jù)獲取方式相對(duì)簡(jiǎn)單、精度要求不高，且兼顧了大氣熱力和動(dòng)力的特征。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，核電廠(chǎng)需開(kāi)展廠(chǎng)址區(qū)域氣象梯度觀測(cè)，因此，溫度梯度-風(fēng)速法一般被推薦作為核電廠(chǎng)址區(qū)域大氣穩(wěn)定度的分類(lèi)方法。

CALPUFF 模塊提供5 種大氣擴(kuò)散參數(shù)方案[18] ，包括微氣象方案、實(shí)測(cè)湍流方案、Pasquill-Gifford（PG）擴(kuò)散參數(shù)方案（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PG 方案）、MESOPUFFⅡ方案等，一般情況下多采用微氣象方案，若有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)湍流數(shù)據(jù)，可采用實(shí)測(cè)湍流方案反映廠(chǎng)址實(shí)際擴(kuò)散特征，從偏保守角度考慮，PG大氣擴(kuò)散參數(shù)為核電廠(chǎng)環(huán)評(píng)中常用的擴(kuò)散參數(shù)。

本文采用CALPUFF V 6. 42 版本，主要模擬參數(shù)設(shè)置為：（1） 網(wǎng)格范圍為12 km×12 km，網(wǎng)格分辨率100 m;（2）釋放源參數(shù)采用示蹤試驗(yàn)實(shí)際的釋放裝置口徑、煙氣出口速率、高度（采用塑料管釋放、釋放速率均勻、無(wú)機(jī)械及熱力抬升作用、海拔約60 m），釋放源強(qiáng)采用歸一化源強(qiáng)1 mg/ s;（3）由于CALMET 氣象場(chǎng)分辨率為1 小時(shí)，因此釋放的開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間選取最接近試驗(yàn)時(shí)間的整點(diǎn);（4）采用適用于局地尺度的Slug 煙團(tuán)積分方案[18] ;（5） 分別采用微氣象方案、實(shí)測(cè)湍流方案、PG 方案3 種大氣擴(kuò)散參數(shù)方案對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 示蹤試驗(yàn)概況

本次野外示蹤試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榈湫偷难睾Ｆ教沟匦螐S(chǎng)址，東南側(cè)都為海洋，陸地主要在西南和西北側(cè)，廠(chǎng)址周邊最大地形高差僅約50 m，試驗(yàn)在秋季進(jìn)行，試驗(yàn)期間主要盛行NNE 風(fēng)向，示蹤試驗(yàn)布點(diǎn)方案為由近及遠(yuǎn)大致布設(shè)5 條采樣線(xiàn)，各弧線(xiàn)距離釋放點(diǎn)大致距離為1、2、3、5、7 km。圖1 給出示蹤試驗(yàn)采樣點(diǎn)分布圖。本研究的示蹤試驗(yàn)采用物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制采樣系統(tǒng)，近年來(lái)采用類(lèi)似系統(tǒng)開(kāi)展研究的有Marco Falocchi 等人[19] 在意大利東北部山谷地形開(kāi)展的野外示蹤采樣。每次試驗(yàn)釋放SF₆總質(zhì)量為30～ 40 kg，每次試驗(yàn)完成三次采樣，每次采樣10 min，間隔5 min。示蹤氣體分析采用氣相色譜-電子捕獲檢測(cè)（GC-ECD）方法，所有采樣濃度結(jié)果歸一化為大氣彌散因子（s/ m³ ），檢出下限設(shè)為1×10^-8s/ m³ 。

示蹤試驗(yàn)共完成19 次有效試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)采用溫度梯度-風(fēng)速法進(jìn)行大氣穩(wěn)定度分類(lèi)，氣象塔觀測(cè)數(shù)據(jù)采用每10 分鐘10 m 溫度、80 m 溫度、10 m 風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣穩(wěn)定度分類(lèi)，觀測(cè)期間取權(quán)重大于80%的作為本次實(shí)驗(yàn)的大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果，若各穩(wěn)定度權(quán)重均小于80%，則取占比較大的兩個(gè)大氣穩(wěn)定度代表該實(shí)驗(yàn)段存在大氣穩(wěn)定度變化。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，示蹤實(shí)驗(yàn)期間共出現(xiàn)C 類(lèi)3 次、D 類(lèi)12 次、F 類(lèi)1 次，D-C 類(lèi)1次、D-B 類(lèi)1 次、F-D 類(lèi)1 次，覆蓋了不穩(wěn)定類(lèi)、中性類(lèi)、穩(wěn)定類(lèi)天氣條件。

同時(shí)，在第5～18 次示蹤試驗(yàn)期間開(kāi)展了同步湍流觀測(cè)，觀測(cè)高度為廠(chǎng)址氣象塔10 m 高度，根據(jù)整點(diǎn)前30 分鐘數(shù)據(jù)計(jì)算出的湍流脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差代表該時(shí)段的湍流特征值。由于廠(chǎng)址氣象站的海拔高度約30 m，廠(chǎng)址附近地形平坦，故本廠(chǎng)址氣象塔湍流觀測(cè)受下墊面影響較小，觀測(cè)到的湍流數(shù)據(jù)可代表本廠(chǎng)址周邊的大氣擴(kuò)散特征。

3 大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果分析

采用CALMET 模式自帶的P-G-T 分類(lèi)法對(duì)各示蹤實(shí)驗(yàn)時(shí)段的大氣穩(wěn)定度進(jìn)行分類(lèi)， 由于CALMET 采用的氣象數(shù)據(jù)為每小時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，故統(tǒng)計(jì)時(shí)采用與實(shí)驗(yàn)時(shí)段最接近的準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行大氣穩(wěn)定度分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，若試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)的大氣穩(wěn)定度分類(lèi)有差異，則記錄大氣穩(wěn)定度的變化情況。表1 給出根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)采用溫度梯度-風(fēng)速法統(tǒng)計(jì)的穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果和CALMET 模式P-G-T 分類(lèi)法大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果的對(duì)比情況。由表1 可知，示蹤試驗(yàn)期間兩種大氣穩(wěn)定度分類(lèi)方法的分類(lèi)結(jié)果大體一致，部分存在差異，值得關(guān)注的是第18次試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果為D 類(lèi)，而溫度梯度-風(fēng)速法分類(lèi)結(jié)果為F-D 類(lèi)，且F 類(lèi)持續(xù)1 小時(shí)以上，可認(rèn)為本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果受穩(wěn)定類(lèi)天氣條件影響較大。

考慮到示蹤試驗(yàn)樣本數(shù)有限，為進(jìn)一步分析上述兩種大氣穩(wěn)定度分類(lèi)方法分類(lèi)結(jié)果的規(guī)律，本文采用廠(chǎng)址地區(qū)氣象塔2018 年10 月整月的逐時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知，P-G-T 分類(lèi)法模擬結(jié)果中出現(xiàn)F 類(lèi)穩(wěn)定度結(jié)果明顯較多，D 類(lèi)穩(wěn)定度結(jié)果明顯偏少。這主要是由于P-G-T 分類(lèi)法重點(diǎn)關(guān)注高空云量數(shù)據(jù)對(duì)穩(wěn)定度的影響，在原理上與溫度梯度-風(fēng)速法不同，故分類(lèi)結(jié)果存在一定差異。

4 模擬結(jié)果有效性分析為分析

各大氣擴(kuò)散參數(shù)方案的模擬效果差異，本研究分別采用PG 方案、微氣象方案和實(shí)測(cè)湍流方案進(jìn)行CALPUFF 數(shù)值模擬，分析各方案在不同大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果下的模擬效果，并將模擬結(jié)果與示蹤試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

4. 1 模擬濃度場(chǎng)分布個(gè)例分析

圖2 和圖3 給出了數(shù)值模式劃分大氣穩(wěn)定度（P-G-T 分類(lèi)法）和現(xiàn)場(chǎng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)（溫度梯度-風(fēng)速法）劃分大氣穩(wěn)定度結(jié)果相一致情況下，數(shù)值模擬結(jié)果與示蹤試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖（分別為第5 次、第10 次、第15 次試驗(yàn)）。從濃度分布形態(tài)來(lái)看，實(shí)測(cè)湍流方案與微氣象方案模擬結(jié)果相對(duì)接近，PG方案模擬的濃度場(chǎng)分布較為長(zhǎng)窄，在穩(wěn)定類(lèi)天氣條件下PG 方案模擬濃度分布范圍明顯較實(shí)測(cè)濃度分布范圍小。同時(shí)，由圖3 可知，在不穩(wěn)定和中性天氣條件下，各方案與實(shí)測(cè)值偏差基本在2～3 倍左右;在穩(wěn)定類(lèi)天氣條件下，PG 方案在近區(qū)濃度明顯較實(shí)測(cè)值偏大5～6 倍。出現(xiàn)上述結(jié)果主要是由于PG擴(kuò)散參數(shù)的獲取基礎(chǔ)為近地面源的示蹤試驗(yàn)，在應(yīng)用于高架源時(shí)，往往其水平及垂直擴(kuò)散參數(shù)σy 、σz值偏小[17] ，因而造成近區(qū)濃度相對(duì)偏大。

圖4 和圖5 給出兩種大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果不一致時(shí)對(duì)比結(jié)果（示蹤試驗(yàn)第18 次試驗(yàn)）。由圖可知，實(shí)測(cè)湍流方案模擬結(jié)果與示蹤試驗(yàn)實(shí)測(cè)值分布較為接近，在遠(yuǎn)端有個(gè)大值區(qū)，具備典型的F類(lèi)穩(wěn)定度條件下污染物濃度分布特征，即由于垂向擴(kuò)散能力較弱，近區(qū)的污染物不能充分?jǐn)U散至地面，而在相對(duì)遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)了大值區(qū);而微氣象方案和PG 方案則沒(méi)有模擬出該種濃度分布特征。

通過(guò)上述分析可知，在根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)（溫度梯度-風(fēng)速法）劃分為極穩(wěn)定的F 類(lèi)大氣穩(wěn)定度條件下，若模擬大氣穩(wěn)定度（ P-G-T 分類(lèi)法）為非穩(wěn)定類(lèi)天氣，采用微氣象方案或PG 方案的模擬結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際濃度分布結(jié)果有偏差，而采用實(shí)測(cè)湍流方案的模擬結(jié)果能更接近實(shí)測(cè)值。

4. 2 模擬結(jié)果定量統(tǒng)計(jì)分析

為了定量分析預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值偏離程度，本研究統(tǒng)計(jì)了四個(gè)指標(biāo)，分別是相對(duì)偏差（FB）、歸一化均方誤差（NMSE）、2 倍差值比例（FAC₂）、3倍差值比例（FAC₃）。相關(guān)指標(biāo)的定義如下：

考慮到示蹤試驗(yàn)情景的復(fù)雜程度以及氣象條件的隨機(jī)波動(dòng)等影響因素，下風(fēng)向各弧線(xiàn)的峰值濃度隨距離變化的規(guī)律性更強(qiáng)，常作為數(shù)值模式檢驗(yàn)評(píng)估的特征量[10-12] 。在核電廠(chǎng)環(huán)評(píng)及事故應(yīng)急的實(shí)際應(yīng)用中，下風(fēng)向峰值濃度是“三關(guān)鍵” 分析及是否采取干預(yù)措施的重要判斷指標(biāo)。綜合上述原因，本研究選取各次試驗(yàn)中下風(fēng)向各采樣弧線(xiàn)的峰值濃度作為特征量來(lái)定量評(píng)估模擬效果。

Hanna 等[20-22] 綜合考慮試驗(yàn)情景復(fù)雜程度、源項(xiàng)不確定性以及氣象條件的隨機(jī)波動(dòng)等影響因素，在不要求模擬值和實(shí)測(cè)值在時(shí)間和空間上一一對(duì)應(yīng)的條件下，推薦了下列描述環(huán)境模型模擬性能的可接受標(biāo)準(zhǔn)，即模擬偏差在2 倍以?xún)?nèi)份額高于50% （ FAC2 ≥ 0. 5）， 相對(duì)偏差在30% 內(nèi)（-0. 33

結(jié)合表3 和表4 的評(píng)估結(jié)果總體來(lái)看，實(shí)測(cè)湍流方案的模擬效果最好，各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)均能滿(mǎn)足評(píng)價(jià)指標(biāo)，這與朱好等人[10] 在復(fù)雜地形條件下開(kāi)展的CALPUFF 模擬值與示蹤試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比研究結(jié)果總體上是一致的，即采用了實(shí)測(cè)湍流數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值。

從區(qū)分大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果是否一致的評(píng)估結(jié)果來(lái)看，在大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果一致時(shí)，實(shí)測(cè)湍流方案各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)均能滿(mǎn)足評(píng)估指標(biāo)，且效果最好;微氣象方案的相關(guān)統(tǒng)計(jì)評(píng)估指標(biāo)與實(shí)測(cè)湍流方案相對(duì)接近，大體上能達(dá)到或接近評(píng)估指標(biāo);PG 方案的FAC₂和FAC₃均沒(méi)有滿(mǎn)足評(píng)估指標(biāo)。在大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果不一致時(shí)，實(shí)測(cè)湍流方案相對(duì)其他兩個(gè)方案優(yōu)勢(shì)明顯，均能滿(mǎn)足評(píng)估指標(biāo)，且表4 中實(shí)測(cè)湍流方案的FAC₂及FAC₃相對(duì)表3中的數(shù)值降幅較小;表4 中微氣象方案與PG 方案的FAC₂和FAC₃均沒(méi)有滿(mǎn)足評(píng)價(jià)指標(biāo)，且表4 中這兩種方案的FAC₂和FAC₃相對(duì)表3 中的降幅較大。

根據(jù)CALPUFF 模式模擬的基本濃度方程可知[18] ，影響某個(gè)接受點(diǎn)濃度主要的因子是大氣擴(kuò)散參數(shù)，不同大氣擴(kuò)散參數(shù)方案的模擬結(jié)果出現(xiàn)差異本質(zhì)是由于獲取大氣擴(kuò)散參數(shù)的方法不同。通過(guò)研究三種大氣擴(kuò)散參數(shù)方案的機(jī)理及其與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系，實(shí)測(cè)湍流方案是通過(guò)三維超聲儀觀測(cè)到的湍流特征量作為大氣擴(kuò)散參數(shù)輸入模式模擬進(jìn)行模擬。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，大氣越穩(wěn)定，觀測(cè)到的湍流特征量越小，反之越大;微氣象方案是CALPUFF 模式通過(guò)相似理論采用微氣象參數(shù)（莫寧-奧布霍夫長(zhǎng)度、摩擦速度等）計(jì)算獲取大氣擴(kuò)散參數(shù)的，計(jì)算時(shí)采用了一系列復(fù)雜的迭代公式[18] ，對(duì)于穩(wěn)定類(lèi)和非穩(wěn)定類(lèi)大氣穩(wěn)定度條件下所采用的計(jì)算公式是不同的，大氣越穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)公式計(jì)算出的大氣擴(kuò)散參數(shù)值越小，反之越大;PG方案則為一套基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的大氣擴(kuò)散參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，其選取方法直接受大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果影響，故可能無(wú)法精確反映廠(chǎng)址的特征大氣擴(kuò)散條件。在氣象塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和CALMET 模擬大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果相同時(shí)，CALMET 模擬獲取的微氣象參數(shù)基本能匹配當(dāng)時(shí)的氣象條件，從而通過(guò)微氣象方案計(jì)算出的大氣擴(kuò)散參數(shù)與實(shí)測(cè)值接近;反之若兩種大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果不同，則相關(guān)微氣象參數(shù)可能與實(shí)際情況有偏差，造成大氣擴(kuò)散參數(shù)的偏差，最終可能導(dǎo)致模擬濃度結(jié)果的明顯差異，本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種差異在極穩(wěn)定類(lèi)天氣中表現(xiàn)的相對(duì)明顯。

5 擬合湍流方案及模擬效果分析

從目前湍流數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，廠(chǎng)址湍流觀測(cè)一般在全年典型季節(jié)開(kāi)展，采用有代表性時(shí)段的湍流數(shù)據(jù)來(lái)分析廠(chǎng)址的大氣擴(kuò)散特征，一般不開(kāi)展全年實(shí)時(shí)湍流觀測(cè)。為了獲取更多能代表廠(chǎng)址一般特征的湍流數(shù)據(jù)用于提高模式模擬效果，本文提出一種通過(guò)廠(chǎng)址氣象塔實(shí)測(cè)的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)擬合湍流脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行數(shù)值模擬的方案，即擬合湍流方案。

根據(jù)吳艷標(biāo)等[23] 的研究成果，湍流脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差σ_v、σ_w與風(fēng)速有較明顯的線(xiàn)性關(guān)系，但隨穩(wěn)定度增加，其線(xiàn)性關(guān)系逐漸減弱。因此，本文引入另一個(gè)指示大氣穩(wěn)定條件的特征量溫度梯度進(jìn)行線(xiàn)性方程的擬合，以提高擬合效果。利用本次示蹤試驗(yàn)期間湍流觀測(cè)的σ_v、σ_w與現(xiàn)場(chǎng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的溫度梯度、風(fēng)速進(jìn)行二元線(xiàn)性回歸擬合，其基本方程形式為：

根據(jù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)度量指標(biāo)，相關(guān)系數(shù)R在0. 8～1. 0 為極強(qiáng)相關(guān)，0. 6 ～ 0. 8 為強(qiáng)相關(guān)。由表5 可知，在不穩(wěn)定類(lèi)和中性類(lèi)條件下擬合方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)到極強(qiáng)相關(guān)（0. 8 ～ 1. 0），在穩(wěn)定類(lèi)條件下擬合方程的相關(guān)系數(shù)達(dá)到或接近于強(qiáng)相關(guān)（0. 6～0. 8），說(shuō)明上述方程擬合出的湍流脈動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有一定的可靠性。采用前文所述各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)證擬合湍流方案在數(shù)值模式應(yīng)用的可靠性，表6 給出擬合湍流方案、實(shí)測(cè)湍流方案、微氣象方案統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

由表6 可知，擬合湍流方案模擬效果也均滿(mǎn)足評(píng)估指標(biāo)，其總體模擬效果好于微氣象方案，略差于實(shí)測(cè)湍流方案，說(shuō)明擬合湍流方案也能較好的應(yīng)用于CALPUFF 模式模擬中。

綜合上述分析結(jié)果，采用擬合湍流方法獲取的回歸方程系數(shù)A₁、A₂ 、A₃ 可在非湍流觀測(cè)時(shí)段擬合適用于本廠(chǎng)址的湍流特征值，并用于CALPUFF模式的大氣擴(kuò)散參數(shù)輸入。

6 結(jié)論與建議

本文采用CALPUFF 中三種不同大氣擴(kuò)散參數(shù)方案模擬某沿海平坦地區(qū)大氣污染物濃度擴(kuò)散，并將模擬結(jié)果與不同大氣穩(wěn)定度條件下的示蹤試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

1）實(shí)測(cè)湍流方案的模擬效果受大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果的影響較小，模擬效果是三種大氣擴(kuò)散參數(shù)方案中最好的。

2）模式模擬的大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果與基于氣象塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的大氣穩(wěn)定度分類(lèi)結(jié)果一致時(shí)，微氣象方案模擬效果略差于實(shí)測(cè)湍流方案，好于PG方案。

3）在環(huán)評(píng)重點(diǎn)關(guān)注的不利天氣條件下（穩(wěn)定類(lèi)天氣），采用微氣象方案或PG 方案的模擬結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際濃度分布結(jié)果有偏差，而采用實(shí)測(cè)湍流方案的模擬結(jié)果能更接近實(shí)際濃度分布。

4）為解決長(zhǎng)期實(shí)測(cè)湍流數(shù)據(jù)不易獲取的問(wèn)題，本文提出了一種基于廠(chǎng)址氣象塔常規(guī)觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)的擬合湍流方案，通過(guò)該方案獲取了適用于本廠(chǎng)址的湍流特征值回歸方程系數(shù)，統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)表明，擬合的湍流值應(yīng)用在 CALPUFF 模式中模擬效果良好，可作為缺少模擬時(shí)段實(shí)測(cè)湍流數(shù)據(jù)但有代表時(shí)段湍流數(shù)據(jù)時(shí)的一種大氣擴(kuò)散參數(shù)方案，對(duì)于提高核電廠(chǎng)大氣擴(kuò)散模擬效果具有一定的實(shí)用意義。

針對(duì)實(shí)際觀測(cè)與數(shù)值模擬獲取的大氣穩(wěn)定度有較大差異的其他情形，建議在后續(xù)研究中可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)示蹤實(shí)驗(yàn)及湍流觀測(cè)成果對(duì)數(shù)值模式的大氣擴(kuò)散參數(shù)方案的適用性作進(jìn)一步分析論證，以達(dá)到最優(yōu)的模擬效果。