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中国大气扩散模态的时空分布 1 对我国大气扩散输送的模拟分析在未来的展望 中国幅员辽阔，气候条件差异很大，气候扩散输送规律不同。《盛成玉》在气候学领域对水和热量的大规模输送进行了研究（盛成玉，1986）。这些工作对了解气候物的分布有一定的相关性，但由于他们主要关注气候变化的过程，不可能提供环境中的宏观气候变化规律。近年来，环境问题越来越受到重视，对全国气候扩散输送的研究迫切需要。在这种背景下，任作海等（1998）提出了环境场网络矩阵输送模型，并利用大量历史气象数据绘制了全球环境运输的背景地图。该方法具体应用于华北平原局部，取得了良好的效果（苏福庆等，2004a；2004b；张志刚等，2004）。 另一方面,针对一些特定污染物的分析模拟工作,增强了对我国大气扩散输送性质的了解.如沙尘天气的研究有助于了解我国北方沙尘输送的方向和路径(周荣伟等,2004;张志刚等,2007);硫化物的研究揭示了我国不同高度层大气的输送特性及季节变化(王自发等,1998).一些工作集中探讨特定地区的大气环境问题,如北京地区、长江三角洲地区、珠江三角洲及香港地区等(颜鹏等,2002;王艳等,2008;任永健等,2009;王芳等,2009;赵恒等,2009;Zhuet al.,2011),揭示了局地受外部污染的影响及区域污染物输送特征,有助于了解不同区域间大气环境的相互作用.值得一提的是,在有关污染输送特征的研究中,拉格朗日轨迹分析方法得到了广泛应用(颜鹏等,2002;石春娥等,2008;王艳等,2008;任永健等,2009;王芳等,2009;赵恒等,2009;Zhuet al.,2011). 随着我国经济社会的快速发展,大气环境问题日益朝区域化方向演变,有必要全面了解全国各大区的大气扩散输送背景、分布模态及区域间的相互作用.现有的研究或是限于关心的区域较小,或是由于特定污染物源汇的空间分布限制,不能完整反映全国大气扩散输送的背景性质.网络矩阵模型法虽然可以给出全国或局部区域的大气环境输送背景场(任阵海等,1998;苏福庆等,2004a;2004b;张志刚等,2004),但主要是基于气象观测数据的时-空几何关系(任阵海等,1998),而不是严格意义的扩散输送过程.本文通过对全国范围一整年连续的轨迹计算,统计各大区各格点轨迹在本区及全国范围内的分布情况,分析不同区域的大气扩散能力、输送路径和污染物潜在相互影响关系,并对全国不同地域的大气扩散性质进行初步区划. 2 合开发cohenet标准 本文采用HYSPLIT模式进行大量轨迹计算.该模式由美国海洋大气局(NOAA)和空气资源实验室(ARL)联合开发,是一个直观了解大气中示踪气块或粒子运动轨迹的工具,目前被广泛应用于环境大气污染输送研究中(Cohenet al.,2004;Jorbaet al.,2004;Meloniet al.,2007;Schaumet al.,2010).模式现已发展为第4版(HYSPLIT_4),本研究采用其必威体育精装版版(版本号为4.9). 2.1 u3000计算方法 HYSPLIT_4模式的轨迹计算原理如下(Draxleret al.,1998):假设一个被动示踪粒子随风运动,t时刻处于P(t)位置,时间步长Δt后的位置P(t+Δt)为: P(t+Δt)=P(t)+0.5[V(P,t)+V(P′,t+Δt)]Δt(1) 式中,P′(t+Δt)=P(t)+V(P,t)Δt为一个中间猜想位置.计算过程中对时间步长Δt的要求是:Δt·Umax小于0.75倍的网格距(Umax为最大风速,由气块上一时刻的最大迁移速度决定).计算中如果轨迹点超出模型上边界则轨迹终止,如果轨迹点到达地面则沿地表继续运行.有关HYSPLIT4模式的其它介绍详见文献(Draxleret al.,1998;Draxleret al.,2003). 2.2 时间平均的轨迹频率场 单条轨迹能反映特定的大气输送过程,但受天气过程影响,其不确定性很大.为综合反映某个区域的平均大气扩散状态和输送路径,我们对该区域内各点出发的轨迹在空间上的分布进行统计,并进行时间积分(求和),获得一段时间平均的轨迹频率分布.此轨迹频率场可解释为大气的扩散输送概率分布,用于判断区域大气扩散输送特性.具体计算公式为: fk(x,y)=1M?N∑j=1M∑i=1Nnij(x,y)fk(x,y)=1Μ?Ν∑j=1Μ∑i=1Νnij(x,y)(2) 式中,fk(x,y)为整个第k区域对空间(x,y)点的无因次轨迹频率;nij(x,y)为第k区第i时刻第j个轨迹释放点释放的轨迹落到空间(x,y)点的次数;N反映统计的轨迹时间长度(本文为96 h);M为第k区域的轨迹释放总点数.由此给出的轨迹频率场,在频率值大的地点能反映:①轨迹多通过此点,可能为输送的主要路