新疆五彩湾矿区气象模拟与分析

曹文洁 赵海燕 阴俊齐 邱秀云

(1.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052;2.新疆环境保护科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830011)

1 研究方法

我国是世界第一产煤大国，产量占世界的37%，同时煤炭也是我国的主要能源之一，占国内一次能源生产总量的76%，其中露天煤矿开采在我国煤炭生产中占有重要地位。为了研究露天煤矿煤尘浓度扩散规律对周边城市的影响，必须先要确定该矿区四季风速矢量场、温度场以及混合层高度，本文以美国国家大气研究中心(NCAR)气象再分析数据(Reanalysis data)和美国地质调查局(USGS)地理数据为基础，首先使用MM5模拟生成逐时的中尺度气象数据，然后利用CALMET模型对MM5数据做进一步的诊断分析，使其能够反映高分辨率的地形和土地利用数据，最后生成一个1～3km分辨率的气象场。通过对2012年7月、10月和2013年1月、4月气象场的模拟，得到露天矿及其周边地区气象场详细的时空变量场。

2 模拟方案

2.1 中尺度气象背景场

本文MM5以五彩湾煤矿地理中心为网格中心(44°49'10.00″N，89°7'51.00″E)，由三个相互嵌套的网格组成。其中外层的DOMAIN1包括从新疆西部至新疆东北部，覆盖整个新疆，并为内层的区域提供边界条件;内层DOMAIN2北起乌伦古河，南至卡拉麦里山南缘，包含整个新疆卡拉麦里有蹄类野生动物保护区;最内层DOMAIN3区域包括了矿区，及其附属设施，详细设置的参数见表1。气象数据的模拟选取2012年7月，2012年10月，2013年1月，2013年4月，各一个月的时间分别代表春、夏、秋、冬四个季节。

表1 MM5模式模拟区域设计

MM5在垂直方向采用与地形相关的σ坐标，并根据σ进行分层，σ定义为:

其中:Ps指的是地表气压，模型顶端的气压Pt=100hPa。在垂直方向，从地表到模型顶端定义23个不同的σ值。

模式使用资料包括:

(1)地形地表资料:美国地质调查局(USGS)全球2min精度的地形和地表格点资料(地表分为24类)。

(2)气象背景场初始资料:美国国家环境预报中心(NCEP)的1°×1°fnl格式全球再分析格点资料。

2.2 CALMET诊断气象场

在MM5三层嵌套模拟的基础上，使用CALMET进行模拟区域内的气象场。以MM5 DOMAIN3的输出结果作为其气象输入资料，以美国地质调查局(USGS)的900m精度格点资料作为其地理输入资料，其中包括:

模拟区域中心点经纬度 44°49'10.00″N，89°7'51.00″E(五彩湾煤矿中心)，网格格距0.5km，格点数为80×80。模拟矿区地形对区域气象场的影响。

一个区域模拟的垂直高度均为3000m，从地面开始向高空共垂直定义10层、11个等高面，以相邻两个等高面的中心高度作为每层的有效高度，垂直等高面高度分别为 0，20，40，80，160，300，600，1200，2000，2500，3000。模拟时间与 MM5模拟的时间范围相同，模式输出结果时间间隔1h。

3 成果分析

3.1 风速矢量场

污染物在空气中的扩散程度及范围取决适于风速矢量场，图1中的a、b、c、d从2012年7月到2013年4月间利用CALMIT模拟的近地面(10m)处四季小时平均风速折线图。图2是矿区全年的风玫瑰图。

由图1.a、b、c、d中可以看出，模拟的矿区四季平均风速中，春季＞夏季＞冬季＞秋季。春季的平均风速最大，为3.90m/s;夏季和冬季的平均风速次之，分别为3.73m/s和4.77m/s;秋季的平均风速最小，为3.61m/s。小时风速在一天之中并不是保持不变的，而是存在着剧烈的变化，最大可能相差数倍。

图1 近地面(10m)处四季小时平均风速

图2 全年矿区风玫瑰图(外围的线表示风速)

由模拟绘出的矿区不同月份的风玫瑰图发现，矿区各季节西风和东风的概率最高，次主导风向为西北风。其中，春季主导风向为西北风，最大风速为11～17节(1节=1.852千米/小时)的风频为12%，次主导风向为东风，最大风速11－17节所占风频为14%;夏季以西风为主，最大风速为11－17节的风频为35%;秋季以东风为主，风频为28%;冬季主导风为东风，最大风速超过22节，所占风频为45%;

3.2 温度场

温度层结是指空气温度随高度变化的情况。温度层结决定着大气的稳定度和混合层的高度，影响湍流的强度，因而温度层结与空气污染状况密切相关。通过CALMET模拟的2011年夏季(7月)和冬季(12月)00、04、08、12、16、20时，矿区地面到3500m，共10个高度层的月平均温度进行分析。计算结果如图3所示。

图3 四季典型日气温变化

经过模拟发现，夏季矿区地表平均温度的日变化范围在27～37℃之间。地表至2000m高度为垂直温度的剧烈变化区。

春季均温为4°，夏季均温为30°，秋季均温为9°，冬季均温为－6°，四季温差较大，夏季和冬季最高温和最低温最大相差37°，符合新疆四季分明的气候特征。

3.3 混合层高度

混合层高度是表征污染物浓度在垂直方向被湍流稀释的范围，即底层空气热力对流与湍流所能到达的高度。

图4 矿区四季混合层高度逐时变化特征

不同季节的日变化特征基本相同，但最大混合层高度变化较大，其中夏季＞春季＞秋季＞冬季，夏季最高可达到2500m以上，冬季最高只有200m左右，混合层高度与温度层结密切相关，经过模拟发现，在白天，近地面气温的垂直递减率大于干绝热递减率，空气处于不稳定状态，易进行垂直交流，所以白天的混合层高度较高;晚上垂直递减率小于干绝热递减率，甚至出现逆温，因此混合层高度较低。

4 结 论

为了研究露天煤矿煤尘浓度扩散规律对周边城市的影响，必须先要确定该矿区四季风速矢量场、温度场以及混合层高度，本文以美国国家大气研究中心(NCAR)气象再分析数据(Reanalysis data)和美国地质调查局(USGS)地理数据为基础，首先使用MM5模拟生成逐时的中尺度气象数据，然后利用CALMET模型对MM5数据做进一步的诊断分析，使其能够反映高分辨率的地形和土地利用数据，最后生成一个1～3 km分辨率的气象场。通过对2012年7月、10月和2013年1月、4月气象场的模拟，得到露天矿及其周边地区气象场详细的时空变量场。即本文通过耦合MM5/CALMET模拟五彩湾矿区的气象条件，得出以下结论:

(1)矿区不同季节平均风速从大到小为春季＞夏季＞冬季＞秋季。春季主导风向为西北风，次主导风向为东风，夏季以西风为主，秋季以东风为主，冬季主导风为东风，全年主导风向以北西风和东南风为主。

(2)矿区夜晚易形成逆温，冬季逆温层厚度较大、维持时间最长，夏季厚度较小、时间较短。当逆温时间较长且厚度较大的时候，由于气温的垂直递减率小于标准大气，不利于空气的上下流动，矿区煤尘不易扩散，造成空气质量下降。

(3)混合层高度晚上较低，白天较高。对不同季节，夏季混合层高度最高可达2500m以上，其次为春季和秋季，冬季混合层高度最低只有200m左右，极不利于扩散，造成近地面污染物的堆积，易加重空气污染。

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