新疆五彩灣礦區氣象模擬與分析

曹文潔 趙海燕 陰俊齊 邱秀云

(1.新疆農業大學，新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆環境保護科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

1 研究方法

我國是世界第一產煤大國，產量占世界的37%，同時煤炭也是我國的主要能源之一，占國內一次能源生產總量的76%，其中露天煤礦開采在我國煤炭生產中占有重要地位。為了研究露天煤礦煤塵濃度擴散規律對周邊城市的影響，必須先要確定該礦區四季風速矢量場、溫度場以及混合層高度，本文以美國國家大氣研究中心(NCAR)氣象再分析數據(Reanalysis data)和美國地質調查局(USGS)地理數據為基礎，首先使用MM5模擬生成逐時的中尺度氣象數據，然后利用CALMET模型對MM5數據做進一步的診斷分析，使其能夠反映高分辨率的地形和土地利用數據，最后生成一個1～3km分辨率的氣象場。通過對2012年7月、10月和2013年1月、4月氣象場的模擬，得到露天礦及其周邊地區氣象場詳細的時空變量場。

2 模擬方案

2.1 中尺度氣象背景場

本文MM5以五彩灣煤礦地理中心為網格中心(44°49'10.00″N，89°7'51.00″E)，由三個相互嵌套的網格組成。其中外層的DOMAIN1包括從新疆西部至新疆東北部，覆蓋整個新疆，并為內層的區域提供邊界條件;內層DOMAIN2北起烏倫古河，南至卡拉麥里山南緣，包含整個新疆卡拉麥里有蹄類野生動物保護區;最內層DOMAIN3區域包括了礦區，及其附屬設施，詳細設置的參數見表1。氣象數據的模擬選取2012年7月，2012年10月，2013年1月，2013年4月，各一個月的時間分別代表春、夏、秋、冬四個季節。

表1 MM5模式模擬區域設計

MM5在垂直方向采用與地形相關的σ坐標，并根據σ進行分層，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個不同的σ值。

模式使用資料包括:

(1)地形地表資料:美國地質調查局(USGS)全球2min精度的地形和地表格點資料(地表分為24類)。

(2)氣象背景場初始資料:美國國家環境預報中心(NCEP)的1°×1°fnl格式全球再分析格點資料。

2.2 CALMET診斷氣象場

在MM5三層嵌套模擬的基礎上，使用CALMET進行模擬區域內的氣象場。以MM5 DOMAIN3的輸出結果作為其氣象輸入資料，以美國地質調查局(USGS)的900m精度格點資料作為其地理輸入資料，其中包括:

模擬區域中心點經緯度 44°49'10.00″N，89°7'51.00″E(五彩灣煤礦中心)，網格格距0.5km，格點數為80×80。模擬礦區地形對區域氣象場的影響。

一個區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個等高面，以相鄰兩個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。模擬時間與 MM5模擬的時間范圍相同，模式輸出結果時間間隔1h。

3 成果分析

3.1 風速矢量場

污染物在空氣中的擴散程度及范圍取決適于風速矢量場，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)處四季小時平均風速折線圖。圖2是礦區全年的風玫瑰圖。

由圖1.a、b、c、d中可以看出，模擬的礦區四季平均風速中，春季＞夏季＞冬季＞秋季。春季的平均風速最大，為3.90m/s;夏季和冬季的平均風速次之，分別為3.73m/s和4.77m/s;秋季的平均風速最小，為3.61m/s。小時風速在一天之中并不是保持不變的，而是存在著劇烈的變化，最大可能相差數倍。

圖1 近地面(10m)處四季小時平均風速

圖2 全年礦區風玫瑰圖(外圍的線表示風速)

由模擬繪出的礦區不同月份的風玫瑰圖發現，礦區各季節西風和東風的概率最高，次主導風向為西北風。其中，春季主導風向為西北風，最大風速為11～17節(1節=1.852千米/小時)的風頻為12%，次主導風向為東風，最大風速11－17節所占風頻為14%;夏季以西風為主，最大風速為11－17節的風頻為35%;秋季以東風為主，風頻為28%;冬季主導風為東風，最大風速超過22節，所占風頻為45%;

3.2 溫度場

溫度層結是指空氣溫度隨高度變化的情況。溫度層結決定著大氣的穩定度和混合層的高度，影響湍流的強度，因而溫度層結與空氣污染狀況密切相關。通過CALMET模擬的2011年夏季(7月)和冬季(12月)00、04、08、12、16、20時，礦區地面到3500m，共10個高度層的月平均溫度進行分析。計算結果如圖3所示。

圖3 四季典型日氣溫變化

經過模擬發現，夏季礦區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。

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，即底層空氣熱力對流與湍流所能到達的高度。

圖4 礦區四季混合層高度逐時變化特征

不同季節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，夏季最高可達到2500m以上，冬季最高只有200m左右，混合層高度與溫度層結密切相關，經過模擬發現，在白天，近地面氣溫的垂直遞減率大于干絕熱遞減率，空氣處于不穩定狀態，易進行垂直交流，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，甚至出現逆溫，因此混合層高度較低。

4 結 論

為了研究露天煤礦煤塵濃度擴散規律對周邊城市的影響，必須先要確定該礦區四季風速矢量場、溫度場以及混合層高度，本文以美國國家大氣研究中心(NCAR)氣象再分析數據(Reanalysis data)和美國地質調查局(USGS)地理數據為基礎，首先使用MM5模擬生成逐時的中尺度氣象數據，然后利用CALMET模型對MM5數據做進一步的診斷分析，使其能夠反映高分辨率的地形和土地利用數據，最后生成一個1～3 km分辨率的氣象場。通過對2012年7月、10月和2013年1月、4月氣象場的模擬，得到露天礦及其周邊地區氣象場詳細的時空變量場。即本文通過耦合MM5/CALMET模擬五彩灣礦區的氣象條件，得出以下結論:

(1)礦區不同季節平均風速從大到小為春季＞夏季＞冬季＞秋季。春季主導風向為西北風，次主導風向為東風，夏季以西風為主，秋季以東風為主，冬季主導風為東風，全年主導風向以北西風和東南風為主。

(2)礦區夜晚易形成逆溫，冬季逆溫層厚度較大、維持時間最長，夏季厚度較小、時間較短。當逆溫時間較長且厚度較大的時候，由于氣溫的垂直遞減率小于標準大氣，不利于空氣的上下流動，礦區煤塵不易擴散，造成空氣質量下降。

(3)混合層高度晚上較低，白天較高。對不同季節，夏季混合層高度最高可達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用［J］．熱帶氣象學報，2005(6)，21(3):286－292．

(FAN Shao－ jia，WANG An－yu，FAN Qi，et al．Atmospheric boundary layer concept model of the pearlriver delta and its application(J)．Journal of Tropical Meteorology，2005(6)，21(3):286－292)．

［2］Yim S．H．L．，Fung 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．