田湾核电站Hysplit模式敏感性试验

                   连云港市气象局     张红华  王桂臣  王  鹏

  省气象科学研究所    曾明剑

   灌南县气象局       陈海燕

摘  要：本文以田湾核电站为假定放射源，进行了污染物扩散模式Hysplit的敏感性试验，通过改变Hysplit模式背景场气象要素的数值，对影响污染物颗粒、扩散和沉降的大气要素进行分析研究。研究表明：除了环境风场对污染物扩散有显著影响外，空气湿度条件和环境温度的变化均会造成污染物扩散轨迹、扩散范围和沉降的变化。

1 引言

污染扩散模式混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式Hysplit4^［1-4］ （Hybrid Single-Particle Lagrangian integrated Trajectory）是由美国NOAA空气资源实验室（ARL）研发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模式，具有向前计算和向后回算的能力，能够对污染物的运动轨迹、扩散和干湿沉降进行很好的模拟和预测，既可以对污染物的来源进行评估，也可以对污染物排放和扩散情况进行实时模拟和预测。第四版本的Hysplit模式较之前的版本改进了平流计算方案和空间插值方案，改进了地表垂直混合强度的算法，水平扩散速率改为随着风场的变化而变化，取消常数假定^［1］。

我国国家气象中心北京区域环境紧急应急中心2003年引入该模式，对该模式的运用和发展研究积累了丰富的经验^［5］，该模式在农业、环境及气象方面得到广泛的应用。利用该模式向后回算的能力可以对沙尘、水汽、农作物病菌等的传播路径和来源等进行分析。盛黎等^［6］运用该模式对日本福岛核事故对我国辐射环境影响的监测与分析，石春娥等^［7］利用HYSPLIT轨迹模式，分析了长江三角洲地区四省会城市中度以上大气污染过程的输送特征，并考察了造成这些城市中度以上大气污染的气团来源。

根据前人的应用和分析情况来看HYSPLIT模式对于应急情形是比较理想的，其方案参数设置灵活，运用这种灵活的设置可以执行多种多样的模拟计算。本文中污染物扩散模式HYSPLIT模式的背景场由WRF模式提供，提供的主要要素有各层水平风、温度、高度、垂直速度和相对湿度，另外还有地面气压、海平面气压、降水、10m水平风及2m温度。

由背景场要素可知污染物扩散情况与许多因素有关，而各个要素对扩散情况的具体影响并不清楚，为更好的认识各气象要素对污染物轨迹、扩散和沉降情况的影响，本文对污染物扩散模式进行敏感性试验研究。

2 WRF模式设置

本文中的模式采用美国环境预测中心（NCEP）等美国科研机构开发的中尺度预报模式WRF V3.3版本。模式设定如下：模式中心为117.5°E，32.5°N，三重双向嵌套，水平格点数分别为91×101、97×112、100×157，格距为27km、9km和3km，垂直层数设为52层，着重加密近地面层，其中提供背景场的是第二层的WRF模式输出数据。具体情况如图1所示。

 图1  WRF模式嵌套分区

3 敏感性试验设计

本文的敏感性试验是通过改变背景场气象要素的值，来分析污染物扩散模式在背景场要素值发生变化时，对核污染物轨迹、扩散和沉降预报的变化。通过对敏感性试验结果的分析，对大气要素对核污染物扩散情况的影响有进一步的了解，为核污染应急响应决策方案的制定提供有效参考。具体设计方案如下表：

表1  Hysplit模式敏感性试验设计

4 敏感性试验结果分析

下面分别对Hysplit模式在不同要素变化情况下的轨迹、沉降和扩散情况进行说明。其中控制试验是任何要素都不改变的情况下HYSPLIT的预报结果。

4.1 核污染物扩散轨迹分析

从污染物的扩散轨迹上看，抬升地形高度与抬高混合层污染物的运行轨迹类似，但两者也有区别，不同高度上粒子扩散的高度略为有所差异，但差异不大，10m上的粒子扩散高度无变化，而100m和1000m粒子运动的高度略有变化，其中增加地形高度后100m和1000m粒子运行的高度在预报时刻比增加混合层高度均有所增加，但增加的量不大。与控制试验混合层高度加倍后污染物的扩散轨迹在预报区域内没有明显变化。

从污染物扩散模式对比湿的敏感性试验的轨迹运行结果看，10m、100m和1000m的轨迹较控制试验有比较明显的变化。主要表现在粒子轨迹的方向，粒子扩散的速度和高度上。比湿明显增加后粒子扩散的高度比控制试验明显下降，扩散的速度也明显减慢，10m和100m的粒子扩散方向与控制试验有明显差别，与控制试验相比增加比湿后粒子扩散的方向转向东北方向更加明显，三层上轨迹之间的夹角变小。

对于该污染物扩散模式轨迹对于降水不敏感，降水量增加10mm和20mm对于模式预报10m、100m和1000m污染物运行的轨迹与控制试验结果一致，在预报区域范围内轨迹无变化。

地面温度的变化对10m高度上污染物运行的轨迹有一定的影响，在大部分的预报时刻，污染物传输的高度有一定的变化，比控制试验污染物传输的高度略高1-2m，对于100m高度和1000m高度上污染物的轨迹和传输高度无影响。

高空东西风场发生变化时10m、100m和1000m高度上污染物的扩散轨迹均有比较明显的变化。首先污染物的扩散速度明显加快，在预报范围内10m高度和1000m高度上污染物粒子扩散的高度有所下降，但100m高度上第二时刻污染物粒子扩散的高度有所增加。且污染物粒子扩散的方向也在向东西向上发展。

而高空南北风场发生变化时，10m高度上污染物粒子扩散的轨迹与10m高度上类似，但污染物粒子扩散的高度较控制试验明显下降，100m高度上粒子的运行的轨迹较控制试验更偏向东北方向，1000m高度上的粒子运行的轨迹与控制试验比变化不大，但粒子的扩散高度有所下降。

垂直速度增加即垂直方向上的传输加快，结果表明10m、100m和1000m高度上粒子扩散的高度明显增加，且10m高度上粒子的运行轨迹与控制试验有较为明显的差异，且10m高度上粒子的扩散速度明显增大。

4.2 核污染物扩散浓度预报结果分析

地形高度、混合层高度、降水和垂直速度的变化对污染物扩散有一定的改变，在污染物浓度的高值区和边缘均存在差异，但没有明显变化。

与上述的4个要素相比，比湿条件的增大使得污染物扩散的范围明显变小，但污染物的浓度较前四个要素的浓度明显变大。即比湿的增加使得污染物扩散的范围变小，浓度增大。

与控制试验相比当地面2m温度升高时，污染物扩散的范围明显增大，浓度比控制试验减小了约一个量级。

高空温度增加时，污染物扩散的情况与比湿增加时污染物扩散的情况类似，与控制试验相比污染扩散浓度为10e^-13的区域范围有所减小，但出现了更强的污染物浓度中心。

10m高度上东西风速增加时，污染物扩散的速度有所增加，同样污染物扩散浓度中心也有所增大。当10m高度上南北风速增大时污染物在南北方向上扩散的范围比控制试验有所增大。高层风速增大时V风速的增大对污染物扩散的影响比U风速增大带来的污染物扩散的影响大。

增高地形和混合层高度，污染物沉降的浓度有一定程度的影响，但污染物沉降的区域与控制试验相比变化较小。同样比湿明显增加时，污染物沉降的速度有所加快，污染物沉降的范围较控制试验小，但浓度明显增大。

降水的影响与地形高度及提高混合层高度类似，污染物沉降的区域和沉降浓度与控制试验基本相同。因此降水对于污染物的沉降不敏感。2m温度的增大使得开始的沉降浓度明显增加，而且污染物沉降的范围也有明显的增大。高层温度增加时污染物沉降的范围比控制试验的结果明显减小，但浓度比控制试验的浓度高1个量级。

10m东西风速增加时，中心最大沉降区比控制试验的范围略有增加，但整体上变化不大。10m南北方向上风速增加使得污染物沉降的范围明显增大。

高空东西向风速发生变化时，污染物在东西向上传播的距离增大，方向也比控制试验更偏向东。高空南北风速增加使得污染物在南北方向上沉降的范围明显增大，相应的高沉降区的范围有所减小。

5 总结和讨论

 通过对污染物扩散模式敏感性试验结果的分析可知风的变化对污染物扩散有较明显的影响，同时空气湿度的增加也会影响污染物的扩散，降水对污染物扩散的影响不大。具体结论如下：

（1）在模式背景场要素中，除了风场的变化对污染物颗粒的运行轨迹有比较大的影响外，比湿和垂直速度的变化对污染物颗粒的运行轨迹也有比较明显的影响，地面温度、降水量和混合层高度的变化对污染物颗粒运行轨迹的影响相对较小。

（2）对污染物扩散预报结果的分析可知，地形高度、混合层高度和降水对污染物扩散范围的影响不大，其他要素都有较为明显的影响，包括扩散范围和扩散浓度的影响，尤其地面温度对于扩散范围有较大的影响。

（3）对污染物沉降预报结果的分析可知，增加比湿、改变温度和风场变化对污染物的沉降都有比较明显的影响。

在本文中地形对污染物的轨迹、扩散和沉降都影响不大，可能的原因是本次过程中环境风场为东南风，污染物向东扩散至海面上，因此没有体现地形的作用，要研究地形的影响还需要进一步研究。

参考文献：

［1］ Draxler R，Hess G D. Description of the HYSPLIT4 modeling system ［R］.NOAA Technical MemoERL 224，National Techinal Information Service，Spring field VA 1997．

［2］ Draxler R R，Hess G D. An overview of the Hysplit _4 modeling system for trajectories， dispersion， and deposition［J］. Australian Meteorological Magazine，1998，47：295-308.

［3］ Draxler R. The use of global and mesoscale meteorogical model data to predict the transport and dispersion of tracer plumes over Washington，D C［J］.Wea Forecasting，2006，21（3）：383-394.

［4］ Dracler R R.HYSPLIT_4 User，s Guide ［G］.NOAA Technical Memorandum ERL ARL，1999，230.

［5］ 黄健，颜鹏，Draxler R. 利用HYSPLIT_4模式分析珠海地面SO₂浓度的变化规律［Ｊ］．热带气象学报，2002（4）： 407 - 414．

［6］盛黎，周斌，孙明华，等.日本福岛核事故对我国辐射环境影响的监测与分析.气象. Meteorological Monthly. 编辑部邮箱 ，2013（11）

［7］石春娥，翟武全，杨军，等. 长江三角洲地区四省会城市PM10污染特征. 高原气象. Plateau Meteorology. 编辑部邮箱，2008（02）

［8］ 孙明华，宋振鑫，吕终亮，等. 区域大气环境应急响应数值预报系统. 气象科技. 2010. 38（5）：635-641