大气环境数值模式论文

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1、大气环境数值模式课程论文题目酸沉降之区域尺度的三维欧拉模式及其应用学生姓名学号院系专业指导教师二ＯＯ七年六月二十日酸沉降之区域尺度的三维欧拉模式及其应用摘要：大量资料和研究表明，我国酸雨现象已经非常明显。酸沉降是一个区域性的污染问题，由于他对人类环境的巨大危害性，人们采用多种手段对这一问题进行了广泛深入地研究，其中数值模拟就是一种重要的理论研究方法。本文主要介绍了硫沉降过程，对应的欧拉数值模拟方法及其应用举例。关键词：酸沉降；干沉降；湿沉降；欧拉模式1.引言大气中的酸性物质以干或湿的形式降落在土壤、水体（

2、河、湖）、森林及植物表面，引起了生态环境系统的破坏，使酸沉降问题成了当前一个重要的环境问题。在大气中形成酸的前体物是硫和氮的氧化物及某些有机成分，这些物质有很大一部分是由于人类的活动造成的。因此，为了达到减轻酸雨污染的目的，首先要研究排放的污染物与酸雨形成的关系。通过野外观测可以了解当前环境被污染的状况，建立较为完善的数学模式，可以分析各种条件的变化，尤其是排放源的改变或布局的调整引起环境的改善或恶化，并且了解各种物理或化学现象的相互影响及其对形成酸雨的相对重要性，从而确定最优的防治措施[1]。多年来,人

3、们对酸雨进行了多方面的观测分析和模拟研究,取得了丰硕的成果。这些研究主要包括云和降水酸度及化学成分的测定分析[3，4]和酸雨的数值模拟研究。随着计算技术和计算机的发展,酸沉降模式的研究受到了人们的重视。近年来发展了一批欧拉酸沉降模式,其中比较著名有:RADM,STEM,ADOM[4]。2.硫沉降模式中的物理和化学过程2.1干沉降干沉降过程是影响污染物浓度时空分布和长距离输送的重要过程,越来越多的污染物质量和传输模式考虑了干沉降的作用。一些污染物输送和沉降模式中,假定各种污染物具有相同的干沉降速度,而且干沉

4、降速度不随大气条件和下垫面变化而取为常数。对气体和粒子干沉降速度的观测研究表明,干沉降速度的大小随大气状态、污染物种类及下垫面类型的不同出现很大变化。为解释这种不同,发展了一系列干沉降模型,多数都以阻力模型为基础。其理论基础是假定污染物的干沉降速度与其在干沉降过程中受到的阻力成反比,（1）其中,ra+rb合称为大气阻力,表示了大气状态对沉降物的作用,ra为空气动力学阻力,主要由大气边界层内表面层以上湍流混合作用引起,rb称为附加边界层阻力(副层阻力),由表面层内的湍流混合和分子扩散共同作用引起。rs为表面

5、阻力(覆盖层阻力),由沉降物及下垫面的化学、物理及生物特征共同决定。我们对输送模式中干沉降模型的设计,力求简洁而又包括主要的物理过程,也选用了阻力模型。参照RADM中对干沉降的处理及Voldner[3]的工作,SO2气体和SO42-气溶胶粒子干沉降过程中受到的阻力如下。2.1.1SO2气体干沉降过程中受到的阻力　　　　　　(陆地和冰冻地表)(2)　(非雪面、非水体)(3)　　(水体)(4)　　(雪盖、冬季的草地和耕地)(5)u*是摩擦速度,κ为卡曼常数,Sc为施米特数,D为分子扩散率,ψc为污染物稳定度相

6、关函数。rs为常数,其值随季节、昼夜和下垫面类型不同。2.1.2　SO42-干沉降过程中受到的阻力ra同SO2的ra。rb为常数,其值随季节、昼夜和下垫面类型不同,见文献[5]。rs=0。2.2气相化学气相化学在成酸过程中的作用十分重要,有人估计,大气中的SO2有百分之几是通过气相氧化过程而去除的,同时,许多在液相化学中起着重要作用的氧化剂,如H2O2、O3等都与气相化学过程密切相关。显然,一个完整的酸沉降输送模式应该包括气相化学过程,而且气相化学模式的好坏直接影响着液相化学过程。何东阳等[6]在Atki

7、nson[7]模式(CBMIV)的基础上简化得到一个光化学反应模式,该模式包含28个物种,46个化学方程。模式节省了计算工作量,而模拟结果与CBMIV结果的对比表明,该模式能够模拟出大气中主要的化学过程及物质的浓度变化。模式是为研究大气中O3的变化而设计的,SO2并不是模式所关心的物质。我们在何东阳等[6]工作的基础上加入了SO2在大气中的主要氧化机制,并对模式中光化学反应及对光强的依赖性做了更明确的描述,建立了一个新的气相化学机制用以研究大气中SO2的气相氧化问题。该机制包括52个化学反应方程,31个物

8、种。下列反应是对流层中SO2气相氧化的主要机制。气相化学模式中主要物质的初始浓度如表1。表1　气相化学模式中主要物质的初始浓度OH+SO2→SO42-　　　　　　　　　k=1.50×1013T-4(cm3mol-1s-1)(6)CH3CHOO+SO2→CH3CHO+SO42-k=3.0×104T-1(cm3mol-1s-1)(7)CH3O2+SO2→CH3O+SO3k=4.3×10-15(cm3mol-1s-1)(8)HO2+