盛行梯度风下热力环流对近地空气质量的影响研究

徐佳佳,贾洪伟,钟 珂,亢燕铭

盛行梯度风下热力环流对近地空气质量的影响研究

徐佳佳,贾洪伟,钟 珂,亢燕铭*

(东华大学环境科学与工程学院,上海 201620)

以中纬度沿海城市上海为代表,采用数值模拟方法,分析了海岸线附近污染源排放的大气污染物在盛行梯度风和热力环流耦合作用下的扩散和输送特征,并与忽略海陆温差的理想情况作了对比.结果表明,即使在盛行梯度风主导城市风场时,海陆温差引起的热力环流对海岸线附近流场仍有重要影响,并使近地面污染物浓度时空分布与海陆无温差时截然不同.海陆无温差时,污染物仅向盛行梯度风的下风向区域扩散.而在海陆有温差时,污染物的扩散却可能是双向的.陆地最高和最低气温出现的时间分别对应着沿海城市污染物最不利释放时段(RTS-16:00和RTS-04:00),造成的污染总时长和日平均浓度均最大,不仅部分近地面污染物被海陆热力环流携带至盛行梯度风的上风向区域,并且下风向区域的日平均浓度最高达海陆无温差时的4～5倍.因此,即使在盛行梯度风较强时忽略海陆温差形成的热力环流影响,也会明显低估非海陆风日的实际污染强度和污染范围.

盛行梯度风；热力环流；海陆温差；大气污染物；沿海城市

空气污染已成为我国很多地区突出的环境问题,给城市居民健康带来严重的不利影响[1-3].据报道,全世界近一半的人口居住在距海岸线50km以内的沿海区域[4],因此,沿海城市大气污染物在不同气象条件下的扩散和输送特征受到了广泛关注[5-7].

同时具有海洋和陆地是沿海城市的典型地理特征,由于海洋和陆地的热力特性不同,两者间存在温差,会导致海陆上空空气密度不同,因而容易形成大气次级环流(以下简称海陆热力环流)[8-9].对于沿海城市,局地的流场和污染物扩散特征受到大尺度天气系统和海陆热力环流的共同影响.当盛行梯度风较小时,沿海城市风场被海陆温差引起的热力环流控制(即海陆风日)[10-12].很多研究者对海陆风日的大气污染物扩散特征展开了细致的研究[8,13-14],发现强劲的海风可将污染物吹至深入内陆数十公里的区域,并在内陆产生高浓度污染,恶化空气质量.这些研究结果对于海陆风发生频率较高的沿海城市大气污染物控制有重要的参考价值,如具有纬向海岸线的热带沿海城市海口,其7月份海陆风发生频率高达74.2%[15],海陆风日是这类城市的主导天气.

然而,还有大量沿海城市的海陆风发生频率较低.如上海,其盛行梯度风平均风速较大,并地处中纬度地区,海陆风发生频率仅为20%,并呈现出逐年下降的趋势[16].这类城市虽然濒海,但绝大部分时间为非海陆风日.因非海陆风日的热力环流被压制在较小区域,且强度较弱,很难被观测到,故与海陆风日的研究相比,在非海陆风日,盛行梯度风和海陆热力环流耦合作用下的流场特征和污染物输送规律的相关研究较少.盛春岩[17]在研究不同天气尺度系统风对海陆风发展过程的影响时指出,即使盛行梯度风较强,热力环流依然可以形成,但向内陆推进的距离较近,限于海岸线附近的有限区域;类似地,Kallos等[18]和陈训来等[19]发现,离岸型盛行梯度风与海风辐合的地方易导致大气污染物的积聚,造成高污染天气现象.因此,即使在有较高盛行梯度风时的非海陆风日,热力环流对沿海城市风场和污染物扩散亦有重要影响.而对于海陆风发生频率较小的中纬度沿海城市上海,二者耦合作用下的流场和污染物扩散特征的相关研究结果还很少见到.

本文以中纬度沿海城市上海为代表,采用CFD方法,拟对海岸线附近污染源排放的大气污染物在盛行梯度风和热力环流耦合作用下的扩散和输送特征的影响展开模拟分析.并与忽略海陆温差的理想情况作对比,为不同天气条件下沿海城市空气质量预报及区域空气污染治理等提供必要的数据支撑.

1 方法与验证

未观测到海陆风时,海陆温差形成的热力环流影响区域小且强度弱,故该情况下沿海城市的大气污染物扩散特征的探索工作宜采用数值模拟方法.因WRF(Weather Research and Forecasting model)等中尺度模式的网格限制分辨率较粗[20-21],而本文拟对海岸线附近流场和污染物扩散特征做细致的分析,故采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法来模拟盛行梯度风和热力环流耦合作用对海岸线近地流场和污染物输送的影响.

1.1 控制方程

为获得直接明了的结果,将背景大气简化为各向同性的粘性不可压缩流体.因计算域内的气流均为垂直于海岸线的平行气流,故采用二维模型来反映内部气流运动[14].气流的质量、动量和能量守恒方程可分别写为如下形式:

空气密度差形成的浮力作用,是海陆热力环流的驱动力,由于温差小于15℃,故本文采用Boussinesq近似来计算浮力项[22].这样,除动量方程中的浮力项外,空气密度在求解其他方程时均视为定值,密度的变化可用温度变化来表示:

式中:0和0分别为参考密度和温度,在本研究中,取0= 20 ℃,空气的热膨胀系数约为3´10-3[23].

对于污染物,本研究仅考虑气态污染物(CO)的输送与扩散[24],并认为流动过程中不发生化学反应,故采用化学组分混合、输送的有限速率模型(Species Transport),其控制方程如下:

式中:D是混合物中第种物质的扩散系数;D为热扩散系数;Sc为湍流Schmidt数,本研究中取Sc=0.7[25].

1.2 模型选取和网格检验

本文沿海城市以位于中国大陆海岸线南北方向的中部上海市(中纬度地区)为代表,其平均海拔低于50m,地势平坦(图1(a)),全年约4/5时间都无法观测到海陆风[16].因此,该市在有盛行梯度风存在时,海陆温差形成的热力环流对流场和污染物扩散特征的影响亟待研究.

位于上海市南部海岸紧邻杭州湾的金山石化工业区是中国规模最大的石油化工企业之一[26],距离海岸线仅3km(图1(a)黑色标识点),求解域以金山石化周围地形为参考进行数值建模,以该工业区附近的海岸线为中心,向陆地延伸60km,向海洋方向60km,计算域高5km(图1(b)).

图1 研究背景地的位置、计算域及网格划分示意

计算域内的网格大小会对数值结果产生重要影响,因此,先对网格进行了独立性验证,以确保模拟的准确性.在进行网格独立性分析时,采用不同密度的网格去检查同一关键物理参数,并将网格数一直增加到其数量不再对数值结果产生影响.在本研究中,采用下式所示的速度均方根误差小于2%作为验证合格判据[27]:

式中:V为采用第次网格时得到的速度,V-1为采用第-1次网格时得到的速度;为所验证的样本点数.采用ICEM软件划分计算域网格,经多次验证,最终选择满足式(7)的网格数为3,316,800的划分方案,其中,近地面处最小网格高度为2m,如图1(c)所示.

1.3 模拟准备和模型准确性验证

盛行梯度风的湍流特性和速度沿高度变化受到地形的影响,是地形粗糙度的指数函数[28].因离岸型盛行梯度风的存在会加剧污染物在沿海城市的循环累积作用[13,18],故本文将盛行梯度风设为离岸型.考虑到上海的盛行梯度风平均风速较高约为2～3m/s,对热力环流压制作用强,因此,本文离岸型盛行梯度风在10m高处的参考风速取为2m/s;城市大气边界层平均厚度约为800m,所以,设盛行梯度风在800m以上的速度为定值[29],盛行梯度风速度沿高度变化可表示为:

式中:V为高度处的平均风速, m/s;表示距地面的高度, m.

计算域左边界设为速度入口,右边界为自由出流出口.因计算域顶部边界与上部大气联通,故设为对称边界;底部为城市下垫面,采用无滑移壁面边界条件[30].考虑到陆地区域城市粗糙下垫面中的建筑物与植物对气流的阻挡,气流在陆地和海洋表面受到的阻力存在较大差异,需要设置阻力层来模拟陆地粗糙下垫面对气流的阻挡效果.已有的研究结果表明,建筑物顶部对气流的影响范围会延伸到建筑物高度的3～5倍左右[31].由于城市中100m及以上高度的建筑物较多,为此,在陆地区域设置500m高的阻力层,采用多孔介质的惯性阻力系数设置来体现下垫面阻挡作用[12].以实现城市风廓线为目标,通过多次模拟尝试,最终确定阻力层惯性系数随高度的变化关系为:

本文采用当量法,将太阳辐射(或天空辐射)对海陆表面的升温(或降温)作用,通过在海陆表面设置强度逐时变化的热源 (energy)来实现,图2为陆地热源强度的逐时变化曲线.由于海水的比热容大,故一天内海水温度变化很小,因此,假设海面温度在模拟时间内保持不变[32],将海洋表面热源设为零.且将其他模拟条件相同时,陆地热源也设为零作为海陆无温差的情况.

图2 陆地热源强度逐时变化情况

Fig.2 Time series of heat source intensity on the surface of land

为保证数值计算结果的准确性,本文对2015年上海市全年地面观测数据和ERA5(第五代ECMWF大气再分析全球气候数据)逐时再分析数据进行统计发现,2015年4月21日,观察到明显的热力环流.采用该日的天气条件,使用Fluent基于当量法进行了模拟计算.如图3所示,Fluent模拟成功再现了该日的热力环流过程,数值模拟结果与ERA5再分析数据在速度和温度均吻合较好.表明本文所采用的数值方法能够较好的模拟出海陆温差引起的局地环流.

由于沿海城市的海陆温差随时间不断变化,故海陆热力环流流场特征与时间有关,为厘清不同时段释放的污染物对滨海近地面空气质量的影响,本文研究了不同时刻脉冲污染源的扩散特征.脉冲污染源分别在一天中6个时段释放,即00:00～00:30、04:00～04:30、08:00～08:30、12:00～12:30、16:00～16:30和20:00～20:30(以下记为RTS-00:00、RTS- 04:00、…RTS-20:00).而忽略海陆温差后,由于只有离岸型盛行梯度风存在,流场相对稳定,故污染物扩散输送特征与释放时间相关性弱.为真实反应滨海聚集布局的化工企业排放的污染物扩散过程,如前所述,污染源以金山石化工业区的实际位置为参考进行建模;污染物的排放速率设为36kg/h[12].

2 结果与讨论

2.1 有无热力环流时流场与污染物扩散特征比较

在有明显气流的作用下,污染物的扩散以对流输送为主[33],流场直接决定着污染物的输送特征.海陆热力环流的存在会影响盛行梯度风速度的垂直分布,图4给出了不同时刻海岸线处气流速度()沿高度分布曲线.

图4 不同时刻海岸线处速度(u)沿高度分布曲线

由图4可以看到,在09:00时,虽然有无海陆温差时的气流速度在垂直方向上的大小不同,但气流方向一致.海陆有温差时50m高度以下的风速小于海陆无温差的情况,而50m以上却相反.这是因为此时海陆温差较小,热力环流较弱,热力环流贴近地面吹向陆地的气流与离岸型盛行梯度风在海岸线相遇,减弱了盛行梯度风风速;热力环流上部气流方向与盛行梯度风相同,增大了风速.而在17:00时,较大的海陆温差产生了较强的热力环流,热力环流贴近地面吹向陆地的气流速度大到足以抵消盛行梯度风,并在近地面形成反方向气流.

为了更加清晰的表示热力环流对海岸线附近流场的影响,图5分别给出了有无海陆温差时的速度矢量图,此时对应的时刻为17:00.

图5 不同流场下速度矢量图

RTS-16:00, Δ=0.5h

图中Δ表示到海岸线的水平距离(单位为km),负值表示陆地区域,正值为海洋区域.对比图5(a)和(b)可知,低处(近地面)和高处气流的方向,在海陆无温差时一致(图5(a)),在海陆有温差时相反(图5(b)).这是因为下午陆地气温明显高于海面气温,形成的海陆热力环流较强.因为低处(近地面)的盛行梯度风速度小,故流场被海陆热力环流(向岸流)控制,而高处的离岸型盛行梯度风速度较大,流场由盛行梯度风控制(离岸流).

沿海城市在盛行梯度风和热力环流耦合作用下,可能会造成近地面大气污染物扩散特征与海陆无温差时存在较大差异.为此以下将对污染物浓度场进行分析.本文定义无量纲污染物浓度(p*):

式中:p为污染物浓度, kg/m3;为污染源排放速率, kg/s;为污染物释放持续时间,s;vol为整个计算域的体积, m3.

为清晰描述大气污染物在陆地上的扩散和输送特征,因盛行梯度风的风向固定,以离岸型盛行梯度风为参考,将陆地相对于污染源分为盛行梯度风上风向和下风向区域.并在盛行梯度风上、下风向区域取多个观测点,标识为“up-”和“down-” (表示观测点到污染源距离,单位为km),其位置如图6所示.此外,定义Δ为距离污染物释放结束时刻的时长(单位为h),所以Δ越小(污染物扩散时间越短),对污染源附近空气质量影响越大.

图6 陆地上不同位置点示意

图7分别给出了图5对应时刻(17:00)的污染物浓度场.由图7a可以看到,海陆无温差时污染物仅向盛行梯度风下风向一侧扩散,盛行梯度风上风向侧未被污染.与之不同的是,海陆有温差时,污染物的扩散是双向的(图7(b)中的细部图).这是因为,紧贴地面处气流为吹向内陆的海陆热力环流,其将紧贴地面的污染物带至离岸型盛行梯度风的上风向区域,而较高处的污染物被盛行梯度风吹向海面.

为比较有无海陆温差时气流对污染物输送效果的区别,图8针对RTS-16:00的脉冲污染源,分别给出了17:00海陆有无温差时,污染源处速度()沿高度分布曲线,以及在盛行梯度风上风向(up-2)和下风向(down-2)距离污染源2km位置处浓度沿高度分布情况.

图7 不同流场下污染物浓度场

RTS-16:00, Δ=0.5h

图8a速度沿高度分布曲线表明,海陆无温差时,所有高度处风速都为正(离岸流).故污染物全部被带到盛行梯度风下风向位置(down-2),上风向位置(up-2)没有被污染(图8b).

海陆有温差时,图8a表明,约以20m高度为界,其上气流速度为正(离岸流),其下气流速度为负(向岸流),这是因为此时热力环流控制了下部空间流场,离岸型盛行梯度风仅控制了上部空间流场.

图8 速度和污染物浓度沿高度分布

RTS-16:00, Δ= 0.5h

图9 离地面10m和40m高处海陆有温差和海陆无温差时的日平均浓度

相应的浓度分布也在约20m高度处出现分界线(图8b),在20m高度以上的污染物被离岸型盛行梯度风吹向海面,故down-2处被污染;20m以下空间的污染物被与盛行梯度风方向相反的海陆热力环流吹向内陆,故up-2位置被污染,污染程度略高于down-2.

图9给出了海陆有温差时不同时段释放的污染物在图6所示的各观测点的日平均浓度(p*),以及海陆无温差时的日平均浓度.所取观测点分别距离地面10m和40m,分别代表低层住户和高层住户高度.

由图9可知,在同一高度,海陆有温差存在时日平均浓度均高于海陆无温差的情况(除释放时刻为RTS-12:00).其中污染物释放时段为RTS-16:00(图9(c))和RTS-04:00(图9(f))时,海陆热力环流会将大量污染物吹向内陆,即盛行梯度风上风向区域,且日平均浓度远高于其他释放时段和海陆无温差的情况.特别是在RTS-04:00释放的污染物,在盛行梯度风下风向区域,海陆有温差时的日平均浓度高达海陆无温差的4～5倍.

自图9还可以看到,在海陆无温差时,10m高度处的日平均浓度很高,而40m高度浓度甚微;海陆有温差时,大多数时段释放的污染物也表现出同样的规律,但是污染物释放时段为RTS-12:00(图9(b))和RTS-20:00(图9(d))时,会出现相反的情况,即高层空间比低层空间日平均浓度更高.

2.2 不同时段释放的污染物扩散特征

前文提到,由于海陆温差在不断变化,实际情况下,即使在未观测到海陆风时,海陆温差形成的热力环流流场同样与时间有关.以下将分析脉冲污染源不同时段释放的污染物在盛行梯度风和热力环流耦合作用下,对典型位置观测点的持续影响情况,图10给出了污染物释放结束后一天内,污染物浓度随Δ的变化.

图10 不同时段释放的污染物在距地面10m高度浓度随时间变化

图10表明,不同时段释放的污染物浓度随时间变化特征不同.上午释放的污染物(图10(a)、(b))仅构成一次污染,但会长时间滞留.其他时间则呈现为出现-消失-再出现的规律(图10(c)-(f)),即会造成二次污染.后者是因为热力环流在近地面的气流与海陆风类似,会因为海陆温差随时间变化而发生方向转变,故已经被吹离观测点的污染物,会被转换方向后的热力环流再次带回,从而对滨海区域造成二次污染,这与Nie[34]和Grossi[6]的结果一致.二次污染程度和发生时间受污染物释放时段所处热力环流流场影响,在本研究中,二次污染的浓度最高达一次污染的50%.

从图10还可以看到,在一次污染的过程中,夜间释放的污染物(图10(d)-(f))表现为只对盛行梯度风下风向区域观测点产生污染,而昼间释放的污染物(图10(a)-(c))则表现出图7和图8所述的双向污染特征,使海岸线附近区域近地空气质量更差.

图10还表明,海岸线附近不同位置一天内被污染的总时长存在差异,为此,图11给出了沿海城市距离地面10m高处的各个观测点一天中受污染时长的百分比.

图11 离地面10m高处一天内受污染时长百分比 (%)

由图11可知,虽然海岸线附近存在双向污染现象(图7～10),但盛行梯度风上风向区域受污染时长明显小于下风向区域.需要注意的是,RTS-16:00和RTS-04:00释放的污染物,在盛行梯度风上风向位置(up-1)与下风向位置(down-1、2)造成的污染时长几乎相同.

由图11还可以看到,当污染物释放时段为RTS-16:00(气温最高)和RTS-04:00(气温最低)时,造成的污染物总时长相近,且分别为昼、夜受污染时长最长的情况.同时,这两个释放时段也是造成污染浓度最高的时间(图9和10).因此,可以认为陆地最高气温和最低气温出现时段分别为昼、夜最不利污染物释放时段.且夜间最不利释放时段释放的危害大于昼间最不利释放时段.

3 结论

3.1 海陆无温差时,污染物仅向盛行梯度风下风向侧扩散.而在海陆有温差时,由于海陆热力环流控制了近地的流场,污染物的扩散可能是双向的.

3.2 陆地最高和最低气温的出现时间,分别对应污染物昼、夜最不利释放时段,使得观测点被污染的总时长和日平均浓度均最大.

3.3 无论何时释放污染物,海陆有温差时的近地面日平均浓度均高于或接近海陆无温差的情况.最不利时段释放的污染物,在海陆温差形成的热力环流作用下,造成的污染浓度最高达海陆无温差时的4～5倍.

即使在盛行梯度风较强时,忽略海陆温差形成的热力环流影响,亦会明显低估沿海城市非海陆风日实际的污染强度和污染范围.

[1] Kan H, Chen B. Particulate air pollution in urban areas of Shanghai, China: health-based economic assessment [J]. Science of the Total Environment, 2004,322(1-3):71-79.

[2] 乐 满,王式功,谢佳君,等.环境条件对遵义市呼吸系统疾病的影响及预测研究 [J]. 中国环境科学, 2018,38(11):4334-4347.

Yue M, Wang S G, Xie J J, et al. Study about the impact of environmental conditions on respiratory diseases and prediction in Zunyi City [J]. China Environmental Science, 2018,38(11):4334- 4347.

[3] 史亚妮,董继元,刘玉荣.兰州市空气污染对儿童呼吸疾病的影响 [J]. 中国环境科学, 2020,40(4):1792-1799.

Shi Y N, Dong J Y, Liu R Y. Study on the effect of air pollution on respiratory diseases among children in Lanzhou [J]. China Environmental Science, 2020,40(4):1792-1799.

[4] Pokhrel R, Lee H. Estimation of the effective zone of sea/land breeze in a coastal area [J]. Atmospheric Pollution Research, 2011,2(1): 106-115.

[5] 董志超,徐占杰,王 爽,等.天津市PM2.5中氮含量及同位素的昼夜及季节变化 [J]. 中国环境科学, 2021,41(3):1014-1023.

Dong Z C, Xu Z J, Wang S, et al. Diurnal and seasonal variations of nitrogen contents and isotopic composition of total nitrogen in PM2.5in Tianjin [J]. China Environmental Science, 2021,41(3):1014-1023.

[6] Grossi P, Thunis P, Martilli A, et al. Effect of sea breeze on air pollution in the greater Athens area. Part II: Analysis of different emission scenarios [J]. Journal of Applied Meteorology Climatology, 2000,39(4):563-575.

[7] Zhou B, Yu L, Zhong S, et al. The spatiotemporal inhomogeneity of pollutant concentrations and its dependence on regional weather conditions in a coastal city of China [J]. Environmental monitoring assessment, 2018,190(5):1-17.

[8] 吴 蒙,罗 云,吴 兑,等.珠三角干季海陆风特征及其对空气质量影响的观测 [J]. 中国环境科学, 2016,36(11):3263-3272.

Wu M, Luo Y, Wu D, et al. Observation on the characteristics of sea-land breezes and its influence to air quality over Pearl River Delta region during dry season [J]. China Environmental Science, 2016, 36(11):3263-3272.

[9] 于恩洪,马富春,陈 彬,等.海陆风及其应用 [M]. 北京:气象出版社, 1997:147.

Yu E H, Ma H C, Chen B, et al. Sea-land Breeze and its application [M]. Beijing: China Meteorological Press, 1997:147.

[10] 沈 傲,田春艳,刘一鸣,等.海陆风环流中海盐气溶胶对大气影响的模拟 [J]. 中国环境科学, 2019,39(4):1427-1435.

Shen A, Tian C Y, Liu Y M, et al. The influence of sea salt aerosols on atmospheric environment under sea-land-breeze circulation: a numerical simulation [J]. China Environmental Science, 2019,39(4): 1427-1435.

[11] 钟天昊,吕梦瑶,张 宁,等.海风环流对上海一次臭氧污染过程影响的数值模拟研究 [J]. 环境科学学报, 2020,40(12):4390-4399.

Zhong T H, Lv M Y, Zhang N, et al. The impact of urbanization and sea breeze on an ozone pollution process in Shanghai. [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2020,40(12):4390-4399.

[12] Xu J J, Jia H W, Zhou H Y, et al. Influences of offshore background wind on the formation of sea-land breeze and the characteristics of pollutant diffusion [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2021,28(48):68318-68329.

[13] Liu H P, Chan J C. An investigation of air-pollutant patterns under sea–land breezes during a severe air-pollution episode in Hong Kong [J]. Atmospheric Environment, 2002,36(4):591-601.

[14] Lu R, Turco R P. Air pollutant transport in a coastal environment. Part I: Two-dimensional simulations of sea-breeze and mountain effects [J]. Journal of the atmospheric sciences, 1994,51(15):2285-2308.

[15] 吴 兑,陈位超,游积平.海口地区近地层流场与海陆风结构的研究 [J]. 热带气象学报, 1995,11(4):306-314.

Wu D, Chen W C, You J P. Study of near-surface flow field and sea-land breeze structure in Haikou area [J]. Journal of Tropical Meteorology, 1995,11(4):306-314.

[16] Shen L X, Zhao C F, Ma Z S, et al. Observed decrease of summer sea-land breeze in Shanghai from 1994to 2014and its association with urbanization [J]. Atmospheric Research, 2019,227:198-209.

[17] 盛春岩.不同天气尺度系统风下的海风发生发展过程对比分析[J]. 海洋科学, 2011,35(1):88-97.

Sheng C Y. Comparative analysis on the occurrence and development of sea breeze under different synoptic scale system winds [J]. Marine Sciences, 2011,35(1):88-97.

[18] Kallos G, Kassomenos P, Pielke R A. Synoptic and mesoscale weather conditions during air pollution episodes in Athens, Greece [M]. Transport and Diffusion in Turbulent Fields. Springer, 1993:163-184.

[19] 陈训来,冯业荣,范绍佳,等.离岸型背景风和海陆风对珠江三角洲地区灰霾天气的影响 [J]. 大气科学, 2008,32(3):530-542.

Chen X L, Feng Y R, Fan S J, et al. Effect of the off-shore background flow and sea-land breezes on haze weather over the Pearl River Delta region [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2008,32(3):530- 542.

[20] Li Y K, Chao J P. An analytical solution for three-dimensional sea–land breeze [J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 2016,73(1): 41-54.

[21] Hai S F, Miao Y C, Sheng L F, et al. Numerical study on the effect of urbanization and coastal change on sea breeze over Qingdao, China [J]. Atmosphere, 2018,9(9):345.

[22] Ferziger J H, PeriĆ M, Street R L. Computational methods for fluid dynamics [M]. Springer, 2002.

[23] Kundu P K, Cohen I M, Cowling D R. Fluid mechanics, 6th edn [M]. Oxford: Elsevier Inc, 2016.

[24] Clerbaux C, Edwards D P, Deeter M, et al. Carbon monoxide pollution from cities and urban areas observed by the Terra/MOPITT mission [J]. Geophysical Research Letters, 2008,35(3):L03817.

[25] ANSYS 19.3Fluent Theory Guide [M]. ANSYS Inc, 2019.

[26] 杨 凯,欧阳琰,王晓浩.上海金山石化区常规大气污染物随时间变化分析研究 [J]. 环境科学与管理, 2016,41(9):135-139.

Yang K, Oyang Y, Wang X H. Analysis of atmospheric pollutants by time variation in Jinshan petrochemical district, Shanghai [J]. Environmental Science and Management, 2016,41(9):135-139.

[27] Wang Y, Zhong K, Zhang N B, et al. Numerical analysis of solar radiation effects on flow patterns in Street Canyons [J]. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2014,8(2):252-262.

[28] Oke T, Mills G, Christen A, Voogt J. Urban climates [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2017.

[29] 郑情文.基于伴随概率法的工业园区空气污染溯源 [D]. 大连:大连理工大学, 2020.

Zheng Q W. Inverse identification of outdoor pollutant sources in industrial park based on adjoint probability method [D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2020.

[30] 董龙翔,余 晔,左洪超,等.WRF-Fluent耦合模式的构建及其对城市大气扩散的精细化模拟 [J]. 中国环境科学, 2019,39(6):2311-2319.

Dong L X, Yu Y, Zuo H C, et al. Elaborated simulation of urban atmospheric dispersion using an established WRF-Fluent coupling model [J]. China Environmental Science, 2019,39(6):2311-2319.

[31] Tominaga Y, Mochida A, Yoshie R, et al. AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings [J]. Journal of wind engineering industrial aerodynamics, 2008,96 (10/11):1749-1761.

[32] 付秀华,李兴生,吕乃平,等.复杂地形条件下三维海陆风数值模拟 [J]. 应用气象学报, 1991,(2):113-123.

Fu X H, Li X S, Lv N P, et al. Numerical simulation of three- dimensional sea-land breeze under complex terrain conditions [J]. Quarterly Journal of Applied Meteorology, 1991,(2):113-123.

[33] 孔佑花,张金贵,张少伟,等.河谷型城市风场及污染物扩散的CFD数值仿真 [J]. 环境科学研究, 2018,31(3):450-456.

Kong Y H, Zhang J G, Zhang S W, et al. CFD numerical simulation of wind field and pollutant dispersion in valley cities [J]. Research of Environmental Sciences, 2018,31(3):450-456.

[34] Nie X L, Mao H T, Li P Y, et al. Total gaseous mercury in a coastal city (Qingdao, China): Influence of sea-land breeze and regional transport [J]. Atmospheric Environment, 2020,235:117633.

Influence of thermal circulation on air quality near-ground under the prevailing gradient wind.

XU Jia-jia, JIA Hong-Wei, ZHONG Ke, KANG Yan-Ming*

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)., 2022,42(6)：2495～2503

As a representative coastal city in mid-latitude in China, the diffusion and transportation characteristics of air pollutants emitted by pollution sources near Shanghai coastline are analyzed by numerical simulation with the coupling effect of prevailing gradient wind and thermal circulation, and compared with the ideal situation that the sea-land temperature difference (SLTD) is ignored. The results show that the thermal circulation caused by the SLTD still has an important influence on the flow field near the coastline with the condition that the prevailing gradient wind dominates the urban wind field, and the spatiotemporal distribution of pollutant concentrations near-ground is quite different from that without SLTD. Pollutants are merely dispersed to the downwind direction areas of the prevailing gradient wind without SLTD. While the SLTD exists, the diffusion of pollutants is bi-directional. The time of the highest and lowest temperature on land in coastal cities corresponds to the most unfavorable releasing moment of pollutants (RTS-16:00 and RTS-04:00), and the total contaminated time and daily averaged concentration are both the largest. Pollutants near-ground are not only carried to the upwind areas of the prevailing gradient wind, but also increase the pollution concentration in the downwind areas, up to 4to 5times that without SLTD. Therefore, even when the speed of the prevailing gradient wind is high, the actual intensity and range of pollution on non-sea-land breeze day can significantly be underestimated when neglecting the influence of the thermal circulation.

prevailing gradient wind；thermal circulation；sea-land temperature difference；atmospheric pollutant；coastal cities

X511

A

1000-6923(2022)06-2495-09

徐佳佳(1996-),女,湖北随州人,东华大学博士研究生,主要从事城市空气环境与污染物输送的研究.发表论文2篇.

2021-11-22

上海市科学技术委员会科研计划项目(19DZ1205005);国家自然科学基金项目(42075179);中央高校基本科研业务费专项资金、东华大学研究生创新基金资助(CUSF-DH-D-2021040)

* 责任作者, 教授, ymkang@dhu.edu.cn