为计算大气沉降,这三个气象要素,能不能不买?
作者 | 尚云环境.牛晓静
关于大气沉降计算这事儿由来已久,想必做过环评的人都知道,做过大气环评专篇的人更是知道。因为一旦涉及要计算大气沉降的时候,单就aermod模型而言,我们所采用的气象数据就要不可避免的由原来的5要素增加到8要素,多出来的3要素分别是降雨量、相对湿度、大气压。那这三个要素对沉降究竟有没有影响,影响程度如何?之所以有这样的疑问,是因为这三个要素不是免费获取的,如果影响很小甚至没有,那还有必要多花钱买吗?小编作为淼淼环评大军中的一员,原来对此是存过疑的,但终究是缺点儿格物致知的勇气(就是懒),后来因(领)缘(导)际(发)会(话),关于这个疑问的探底,终于提上了小编的日程。文章篇幅较长,结论离此处有点儿远,贴心的小编还是先放下结论吧,那就是:经过一系列验证对比发现,做沉降计算需要的地面气象数据文件是一定要包含降雨量、相对湿度、大气压这三个要素的,这是毋庸置疑的。因为在这三个要素中,降水量对沉降结果影响还是很明显的,其次是大气压,而相对湿度,大多数情形下,影响是不突出的,但在气态物干沉降过程中,相对湿度的作用也是不能忽略的。俗(小)话(编)说,任何没有论据的论点就好比鸭子开会——无稽之谈。所以接下来,秉承我党理论与实践相结合优良传统,小编就从两个方面佐证上述论点。
首先,沉降的概念老生常谈,所以这里就不复制粘贴了,我们挑重点说。关于沉降,它是有如下类型划分的:
沉降既然有不同的类型,那就说明不同沉降所对应算法也是不一样的。因为小编的本意是跟大家分享下降雨量、大气压、相对湿度(以下简称“三参”)对沉降的影响,自然地,分析思路也是顺着不同沉降类型算法进行的,为了更加凸显三参对沉降的直观影响,小编对其中无关降雨量、大气压、相对湿度的参数进行了封装,在将被封装参数人为锁定的前提下,定性分析三参与沉降的相关性(数学基础过硬的同学可以考虑求偏导,这个方法是最靠谱、有效的)。1.1 干沉降
干沉降的计算公式是不区分物质是气态物还是颗粒物的,统一采用公式如下:
但公式中涉及的干沉降速率(Vd)计算方法是随物态变化而不同的。
1.1.1 颗粒物(粒径大于10μm质量占比>10%)
根据AERMOD Deposition Algorithms – Science Document (Revised Draft),其中,Rp是涉及St(Stokes number)变量的函数,St是涉及υ(kinematic viscosity of air)变量的函数,而修正后的υ是涉及大气压变量的函数,具体关系如下:
所以,可以间接看出,大气压对颗粒物(粒径大于10μm质量占比>10%)的干沉降速率是有影响的。1.1.2 颗粒物(粒径大于10μm质量占比≤10%)
V dpf p 和V dpc都是涉及Rp变量的函数,不同于颗粒物(粒径大于10μm质量占比>10%)情形,这里Rp是关于摩擦速度u*和莫宁长度L的分段函数,具体如下:
从表达上看,是不涉及三参的,但是从下面莫宁长度的计算公式来看,L是与空气密度有关的,显然,空气密度是与大气压有关的。据此,我们可以认为大气压对颗粒物(粒径大于10μm质量占比≤10%)的干沉降速率是有影响的。
(注:莫宁长度计算公式摘自《沿海大气稳定度分类莫宁-奥布霍夫长度L分类标准研究》)1.1.3 气体
关于气体的情况,分析起来较复杂,因为它的延展计算是最多的,不过我们这里还是打算只简要说明下,公式中Rb因为涉及υ(参看前面粒径大于10um质量占比大于10%颗粒物的情形),所以它与气压有关;Rc是涉及Rs(cannopy stomatal resistance)变量的函数,Rs又是涉及变量f2(multiplicative scaling facor for soil moisture)、f3(multiplicative scaling factor for humidity)的函数,通过分析f2、f3计算公式(因为参考文献中,公式有三页半,所以小编这里就不截图了,感兴趣的可以移步文末附件),我们可以发现,f2解析式是一个与前一时刻降水量有关的数列通项公式,f3涉及的饱和蒸汽压是与相对湿度有关系的。所以,气态物情况下,干沉降速率是与降水量、气压还有相对湿度都有关系的。1.1.4 小结
通过以上分析可知,颗粒物(粒径大于10μm质量占比>10%)、颗粒物(粒径大于10μm质量占比≤10%)、气态物三种情形结论取并集,三参对干沉降是均有影响的。
这里需要注意的是:以上是干沉降速率和三参的相关性讨论,但是沉降通量计算公式中涉及的χd浓度变量,小编查到的参考文献中并没有对它关于三参做过多说明,也没有找到它的算法公式,但小编猜想这并不意味着它与三参就没关系,至少它和降雨量 是有关系的,并且负相关。事实上,后面颗粒物情形下验证案例也验证了小编这一猜想(为什么小编没说气态物呢?因为气态物下的沉降速率和降水量本身是有关系的,不易看出正负相关性)。
1.2 湿沉降
1.2.1 颗粒物
和干沉降不同,颗粒物湿沉降算法公式是不区分粒径分布的,统一采用上述公式,但是粒径所发挥作用会体现在公式里。公式中的r代表降水量,可以明显说明,颗粒物湿沉降是于降水量有关系的,但是不能简单的据此认为他们是呈正相关的,因为上述沉降公式除了涉及降水量,还有另外一个变量,Wp(particle washout coefficient),也是与降水量有关系的,且无明显正负相关性。此外,Wp的计算公式还涉及υ,而υ与气压相关,所以颗粒物湿沉降不仅与降水量有关,还与大气压有关。
1.2.2 气体
关于气态物的湿沉降,除了上述公式中含有的降水量参数r,液相中污染物浓度Cl也是一个涉及降水量的分段函数,因为Cl又是一个复杂的解析函数,所以这里气体湿沉降与降雨量的正负相关性小编不好武断,只能负责任地告诉大家,气态物湿沉降受降水量影响的。
1.2.3 小结
通过以上分析可知,颗粒物与气态物沉降分析结论取并集,三参中,降水量、大气压对湿沉降结果是起主要作用的。(理论部分所涉及公式均摘自EPA发布的aermod沉降算法文档AERMOD Deposition Algorithms – Science Document (Revised Draft),小编已放在附件,以便想了解更多详细信息的同学)文中,我们只是通过理论部分确认了三参对沉降是否有影响,下面我们通过案例来了解三参变化对沉降的影响程度。
为了更好的辅证三参对沉降的影响,小编对三参中每要素均列举三组对比值,一组参照值,相当于四组样例对比(也就是干沉降要做3(要素)×4(样例)×3(物态)=36次对比分析,湿沉降要做3(要素)×4(样例)×2(物态)=24次对比分析,共计60次对比,每次对比都是固定2603个样点沉降结果值的对比。简言之:某要素下,每次对比,均筛选出2603个样点中沉降值在四组样例之间互不同的点位,以便观察三参变化对沉降结果的影响程度及规律)
下面小编具体罗列下三要素各对应的4组样例的情况,其实主要是是4个地面气象数据文件(三要素累计的话就是12个)的区别,在各要素下,其中称为“参照”的气象文件是来自某地2017年的真实地面气象数据,另外三个文件均是“参照”文件在保证无关要素不变的前提下,只对三参中某特定要素进行定量增减之后衍生出来的气象文件(遵循单一变量原则)。下面列表说明下:参照 | 对比1 | 对比2 | 对比3 |
降水量(mm) | +10 | +40 | +60 |
相对湿度(%) | -20 | +10 | +20 |
气压(pa) | +100 | +500 | +10500 |
由于要提取沉降结果不同的样点,对比过程繁琐冗杂(借助工具eiaproa2018、Uedit32、excel),所以这里具体对比过程,小编不打算详说,而是直接将对比结果以图的形式来分析三参对沉降的影响。
2.1 干沉降
2.1.1 颗粒物(粒径大于10μm质量占比>10%)
在四组只是降水量不同的案例中,小编在2603个点中筛选出55个干沉降通量不同的样点,对比结果如下图所示,可以看出,降水量的变化对干沉降结果影响挺明显的,且随着降水量的增加,干沉降结果值趋于减小,但整体变化趋势是保持一致的。关于气压,一共筛出36个不同点,但是小编这里分两张对比图列出,这是为了说明气压对颗粒物干沉降有影响,但是并没有确定的正负相关性。单从图(i),很容易让人觉得气压增加,干沉降结果也随着增加,其实不是的,因为小编还发现有两个点是不符合这个规律的,如图(ii)所示(因为值差异太小,就是0.00098和0.00099,0.00001和0的区别,所以通过图不太容易看出来),气压继续增加的时候,干沉结果反而变小了。所以小编认为气压对沉降结果是有影响的,但没有正负相关性。
(i)
(ii)
关于相对湿度,小编没有列出对比图,是因为没有筛选出干沉降结果不同的点。换言之,就是相对湿度的增减,对沉降结果的影响变化并没有达到肉眼可辨的程度。2.1.2 颗粒物(粒径大于10μm质量占比≤10%)
当粒径大于10μm的颗粒物质量占比小于等于10%时,降水量对干沉降的影响时很小的,但也呈负相关。因为四个案例,2603个点中,只从其中两个案例中筛选出两个不同的点,如下图所示:
这里气压对干沉降的结果影响情况同粒径大于10μm的颗粒物质量占比大于10%的情形,不再赘述。
同粒径大于10μm的颗粒物质量占比大于10%的情形一样,小编也是没找到不同点,可以认为相对湿度对干沉结果几无影响。2.1.3 气体
不同于颗粒物的情形,由如下两图,可以看出降水量对气态物的沉降结果有影响,但是并无明确的正负相关性,其中原因,可以回看理论部分来理解。
b气压
虽然只筛选出两个不同点,但小编还是要说论点:由如下图可以看出,气态物的情形下,气压对干沉降结果是有影响的,且呈正相关。
终于看到一个可以让相对湿度发挥作用的了,虽然影响很小。四种情形里,小编只列举了其中两种情形4个不同点的对比图,可以看出是呈正相关的。
2.1.4 小结
根据案例验证结果及对比情况可以发现,气压、降水量、相对湿度对干沉降结果均有不同程度的影响,其中影响程度较突出的首先是降水量(通过影响浓度),其次是气压。而相对湿度的影响主要体现在气态物干沉降过程中。2.2 湿沉降
2.2.1 颗粒物
关于颗粒物的湿沉降,前面理论部分并未区分颗粒物的粒径占比,意味着,不同粒径分布的颗粒物湿沉分析是可以一概而论的,所以这里我们重点以粒径大于10μm的颗粒物质量占比大于10%的情形为例来说明,三参对湿沉的影响。(要对比的情况太多了,接下来小编准备言简意赅,减少字数)由下图可以看出,降水量对湿沉降结果影响明显,但是并无确切正负相关性。
由如下两图可以看出,气压的变化对湿沉降有影响,但无正负相关性。
不知道为啥,相对湿度的变化怎么就是撼动不了湿沉降结果的变化呢? 关于颗粒物的湿沉降,为了保险起见,小编也是对比了是粒径大于10μm的颗粒物质量占比小于等于10%的情形的,对比结论跟大于10%的情形并无冲突,只不过具体到结果值的话,气压的影响程度要更小些。2.2.2 气体
由下图可以看出,气态物情形下,降水量越大,湿沉降结果越大。
气态物情形下,根据对比结果,并未发现由气压变化导致的湿沉降结果不同的点,可以说气压对气态物情形下的湿沉降影响也是几无可察。2.3 小结
由以上湿沉降结果对比分析可知,降水量、大气压、相对湿度的影响各异。对于湿沉降的影响,主要发生在降水量变化时,大气压影响次之,尤其是在气态物情形下;而相对湿度,不管在哪种情形下,影响都是可忽略不计的。
通过理论和案例验证两方面的分析,可知:降水量、大气压、相对湿度三个要素中,对沉降影响最明显的是降水量,其次是大气压,而相对湿度的作用主要体现在气态物的干沉降过程中,各要素于沉降具体相关程度因物态不同会有不同。在这种认知下,大气沉降计算所需气象数据中,除了必备五要素以外,还需额外有降水量、大气压、相对湿度这三个要素。
编辑:君君.环评互联网
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