海南岛地处热带，属热带季风气候，并具有明显的海洋性特点(高素华等，1988).特殊的地理位置、海陆分布及岛屿地形等特征的综合作用，使得该地区存在明显的海陆风、山谷风等局地中尺度环流现象(朱乾根等，1983; 高素华等，1988; Tu et al., 1993; 柯史钊等，1993; 吴兑等，1995; 翟武全等，1997)，同时还受到岛屿中部山体地形绕流作用的影响(吴恒强，1983)，低层大气流场非常复杂.

海南岛目前是我国环境空气质量最好的地区之一，但岛内经济增长、人为活动增加等因素对大气环境的影响值得关注，这就要求对全岛大气输送和扩散性质有全面的了解.从气候学和以往对该地区低层大气流动问题的研究结果可知(高素华等，1988)，海南岛地区冬季主要受东北季风影响，夏季受偏南季风影响，春、秋季平均而言较接近冬季流动的形态.这些情况决定了海南岛地区污染物的总体输送扩散特征.但海岛不同地点、不同季节受局地海陆环流的影响差异很大(张振州等，2014)，必然使污染输送扩散性质各具自身特点.目前，海南岛的主要城市有北部的海口和南端的三亚，另外，偏西部正在建设中的昌江核电站也值得关注.因此，本文将以这3个主要目标点为代表，用数值模拟的方法对全岛大气输送和扩散特征进行系统分析.

本文采用中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)模拟海南岛区域三维气象场，并利用风场诊断模式CALMET对风场进行诊断调整，所得三维气象场作为大气污染物扩散和输送模拟的输入.WRF模式采用完全可压缩的非静力学动力框架，水平网格采用高精度的Arakawa C格点，垂直方向采用地形追随质量坐标，包含湍流交换、大气辐射、积云降水、云微物理和陆面等多种物理过程的参数化方案，在天气预报、区域气候、大气化学等研究领域已有广泛应用(Wang et al., 2012).采用双向反馈(two-way nested run)三重嵌套网格，模拟区域及网格嵌套如图 1a所示.模拟区域水平网格距分别为27 km(D01)、9 km(D02)和3 km(D03)，垂直方向分35层，其中，1500 m以下的低层大气划分为20层.细网格区域以海南岛为中心，包括华南沿海及南海北部海区.本文分析区域取包括海南岛本岛及周边的400 km×400 km范围(图 1b)，为WRF模式第3套网格区域的中心部分.模式物理方案选用YSU边界层方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案和WSM6微物理方案，采用unified Noah陆面模式进行陆面过程的参数化，第三重网格由于水平分辨率较高(3 km)，未启动积云参数化方案，其余两层选用Kain-Fritsch(new Eta)积云对流参数化方案.模式初始场和侧边界条件由空间分辨率1°×1°、时间分辨率6 h的NCEP/FNL全球格点分析资料提供；地形数据采用USGS全球地形高度和地表分类资料，三层网格分别采用2′、30″、30″分辨率资料，其中，30″地形数据分辨率约相当于1 km，能较好地满足高分辨率数值模拟的需要.时间积分采用三阶精度Runge-Kutta方案，时间步长为120 s.

图 1(Fig. 1)

图 1 WRF模式模拟区域及网格嵌套示意图(a)和海南岛区域地形和海陆分布(b) Fig. 1 Model domains and nested grids(a) and terrain of Hainan Isl and and adjacent areas(b)

海南岛属热带季风气候，由于季风环流的交替，5—10月降水量较平均值偏高，而11—4月偏低.因此，在气候学上依据降水量多寡将全年划分为雨季和旱季.不过其他气候要素分量如太阳辐射、大气环流等在不同天文季节仍具有明显的差异，如海南岛太阳总辐射夏季最多，春季次之，秋季再次，冬季最少；四季代表月的大气环流背景也明显不同(高素华等，1988).此外，海南岛紧接大陆，大尺度的气候背景仍然能够影响该地区的局地流场.除受到气候条件影响以外，天气、地形等的影响也很大，如在弱背景环流、晴朗天气情况下，局地海陆风现象就表现明显，对大气输送和扩散的影响也表现出不同的特征.因此，为了更好地描述该地区流场在全年的变化特征，本文仍然沿用常规的四季代表月进行模拟和分析，分别以2008年7月、10月和2009年1月、4月代表夏、秋、冬、春四季情况模拟逐时气象场.

海南岛地区海陆-山地交接，地形复杂.为进一步反映复杂地形对低层流场的影响，采用CALMET风场诊断模式对WRF模式输出的结果进行插值细化与质量守恒约束调整.质量守恒约束风场模式在大气污染物扩散模拟中有着广泛的应用，其优点是能获得较为逼真的近地面层风场，同时能反映天气系统的变化，且计算速度较快.CALMET(Scire et al., 2000)包括诊断风场模块和微气象学模块，诊断风场模块通过地形调整和观测资料的客观分析，在满足质量守恒约束的基础上建立模拟区域的三维格点风场.其方法是：①先给出风场的第一猜值，并针对地形动力学作用、坡面流、地形阻塞效应、风场的质量守恒规律等进行风场初步调整，这里以WRF模式输出的三维风场作为第一猜值，可为高空风场提供较为详细可靠的数据，并能更好地反映海陆风等局地中尺度环流的作用；②在模拟区域格点上通过插值、风场平滑处理、垂直速度计算及辐散最小化等产生最终风场.微气象模块在陆面应用能量平衡方法、水面采用廓线方法等参数化方法，利用地表热通量、边界层高度、摩擦速度、对流速度、莫宁-奥布霍夫长度等地表特征和扩散特征参数描述边界层结构.通过CALMET模式诊断分析，得到更为接近实际的三维风场，为污染物输送和扩散模拟提供准确和高分辨率的气象背景.

利用逐时气象场资料和拉格朗日随机游走粒子扩

散模式及轨迹计算模式，分别计算自昌江、海口、三亚这3个地点出发的污染物的动态扩散和输送轨迹.随机游走粒子模式根据风场、稳定度和边界层高度等参数逐一计算虚拟示踪粒子的空间位移，并统计大量粒子的空间分布，从而定量计算大气污染物在模式区域内的浓度分布.轨迹分析方法是将模拟得到的中尺度逐时风场进行10 min间隔内插，进而计算示踪粒子在某一风场层面上的拉格朗日轨迹，由此定性研究污染物自源释放后的扩散和输送行为，获取污染物输送和扩散的方向、路径及影响范围.有关随机游走粒子扩散模式及应用情况参见文献(蔡旭晖等， 2003，2005；Cai et al., 2007).在大气扩散模拟中，降水过程会对污染扩散产生重要的影响，一般而言，降水清除作用总是有利于去除空气中的污染物，忽略降水影响会得到偏严重的污染影响估计.由于本文仅对污染扩散影响进行定性分析，故未考虑污染物的化学转化及降水、干湿沉降等影响.

本文分别对昌江、海口和三亚3个代表站点进行四季代表月份(2008年7、10月和2009年1、4月)每日24 h的逐时轨迹计算，并对虚拟源连续排放的情况进行长时间扩散模拟.轨迹计算和虚拟源排放高度均取距地面30 m.

将逐时出发的输送轨迹按季节代表月份进行叠加，可得到本岛不同部位代表站(昌江、海口、三亚)四季输送轨迹的总体情况(图 2~4).综合分析这些结果可以看出海岛不同部位的大气流动特性对污染输送和扩散的影响.

以昌江为代表的本岛西北部为海南岛海陆风环流最为明显的区域(张振州等，2014).由图 2可见，西北部春、夏、冬3季均有较为明显的向陆输送.其中，春季和夏季对本岛的影响范围较大，本岛西南、西北及北部地区均受到影响，冬季的向陆输送仅影响到昌江以南的本岛西南部.秋季则主要为向西南海面的输送，对本岛影响较小.以本岛中南部高山为分界，自昌江出发的污染物输送轨迹很少延伸到中南部山区及本岛东南部地区.此外，夏季偏南季风控制下，向北部湾的跨海输送可影响到雷州半岛.

图 2(Fig. 2)

图 2 昌江四季代表月大气输送轨迹 Fig. 2 Seasonal atmospheric transport trajectories in Changjiang County

海口位于海南岛最北部，北临琼州海峡，该地大气污染物的扩散和输送除受到海陆风、山谷风等局地环流的影响外，琼州海峡“狭管效应”引起的大风天气和本岛中南部山区的地形绕流作用也是重要的影响因素.春、秋、冬3季海口地区以东北季风和偏东风影响为主(高素华等，1988)，输送轨迹几乎覆盖海南全岛，但以本岛西北部为主，尤其是秋冬季节，对西北半个海岛的影响十分明显.春季偏东风较多，但风向不似秋冬季恒定，部分输送轨迹可延伸到雷州半岛.海南岛中南部隆起的地形对东北风影响下自海口出发的轨迹产生比较明显的绕流作用，春、秋、冬3季的输送轨迹都有在山前分支、绕过山体分别向西南和东南向延伸的现象.夏季，海口地区海陆风环流的发生频率较高(吴兑等，1995)，但在盛行偏南季风影响下海陆风难以向本岛陆地深入，海陆风的影响仅局限在海口附近距离海岸线50 km的范围内(图 3c)，输送轨迹的主要影响范围在琼州海峡及其北部的雷州半岛.

图 3(Fig. 3)

图 3 海口四季代表月大气输送轨迹 Fig. 3 Seasonal atmospheric transport trajectories in Haikou City

春、夏、冬3季，自三亚出发的轨迹均受到局地海陆环流的影响，具有较多向本岛内陆输送的几率.夏季由于偏南季风与当地海风的方向一致，轨迹向海岛陆地方向的输送最为强盛，几乎覆盖全岛.海岛中部山体对轨迹的阻挡作用明显，多数情况下轨迹影响范围仅局限在山地南部盆地一带，但岛屿中部山体之间存在众多谷地，如东北-西南向的断裂峡谷，这些谷地是南北气流的天然通道，有时污染物可通过这些山间谷地向北输送(图 4b、c).夏季和春季，向北的输送经常受到山体的阻挡而发生绕流，输送轨迹以三亚为中心绕海南岛西南和东南部地形平缓地带向北延伸.秋季，该地海风影响最弱，污染物主要受东北背景气流作用向西南部海面输送，对本岛几乎无影响.

图 4(Fig. 4)

图 4 三亚四季代表月大气输送轨迹 Fig. 4 Seasonal atmospheric transport trajectories in Sanya City

单纯轨迹分析无法了解污染扩散影响的相对大小，并且有可能会从直观上夸大对远处的影响.因此，本文用拉格朗日随机粒子扩散模式对上述3个点位进行模拟，以更定量地描述该地区的平均扩散性质.

对每个点位，从30 m高度处、在一个月内连续、均匀地释放72000个示踪粒子(即每小时释放100个粒子，并统一计算30 d).记录每小时粒子在模式区域内的位置并统计各网格中的粒子数，可得到扩散物质在区域内1、4、7、10月各月的相对浓度分布，结果如图 5~7所示.图中等值线为垂直积分浓度，用释放源的源强进行了归一化，即：

图 5(Fig. 5)

图 5 昌江四季代表月中尺度粒子扩散平均相对浓度分布 Fig. 5 Relative concentrations over Changjiang area in January，April，July and October

对于昌江地区，各季平均扩散的影响区域主要在海上，对本岛的影响范围较小，基本限于沿海一带或山前谷地内(图 5).对比四季平均相对浓度的分布形式可见，秋、冬季(10月、1月)以沿当地海岸线往西南方向的扩散影响为主，但冬季的侧向扩散明显大于秋季，影响岛内的区域更大.这与当地冬季海风环流活动较频繁有关.夏季扩散以昌江为中心分为两部分，主体向东北部北部湾海面方向延伸，反映了夏季西南季风的主导作用；向昌江西南的扩散及沿岸扩散影响则主要体现了局地海风的作用.春季扩散形态与冬季有些相似，以沿岸向西南方向的扩散为主，侧向扩散也较宽，可以深入内陆30~40 km.所不同的是春季向昌江东北沿岸一带也有部分扩散影响.总体而言，昌江站点的扩散影响范围主要限于本岛西南-西北一线沿岸地带.

海南岛地区秋冬季盛行东北季风，春季以偏东风为主，这3个季节海口基本都位于海岛的上风向，扩散对岛内的影响明显(图 6).其中，冬季向岛内的扩散影响最深入、范围最大，秋季次之，春季影响区域则缩减到只包括海口所在的北部沿岸30~40 km区域.夏季扩散影响的主要方向是北面的琼州海峡和对岸的雷州半岛南端，但在海口附近，扩散区域沿海岸东西向扩展很宽，对海岛北部沿岸地区仍有影响.

图 6(Fig. 6)

图 6 海口四季代表月中尺度粒子扩散平均相对浓度分布 Fig. 6 Relative concentrations over Haikou area in January，April，July and October

三亚对本岛的影响主要在夏季，其时偏南季风的作用使扩散主要影响到岛内，对周围海面的扩散影响很小.由于受到正北方向海岛中部山体的阻挡，夏季整个扩散影响区域沿海岛岸线分别向东、西作大角度的扩展，几乎覆盖海岛南半部沿岸低山区域，但影响最大的区域仍集中在三亚以北的山前一带(图 7).其他季节三亚对本岛的扩散影响都较小.秋季扩散主体偏向西南海面，对本岛几乎没有影响.冬季扩散主体也在西南海面上，但对三亚以西到海岛最西南海岬的沿岸地区有一定影响.春季，扩散的主体调整到与三亚以西的岸线走向接近，侧向影响范围也可以更深入到沿岸内陆.

图 7(Fig. 7)

图 7 三亚四季代表月中尺度粒子扩散平均相对浓度分布 Fig. 7 Relative concentrations over Sanya area in January，April，July and October

本文采用WRF气象模式对海南岛地区四季气象场进行了细致的模拟，并用CALMET诊断模式对低层大气流动和边界层特征进行了进一步的诊断细化.使用这些精细模拟的气象场和轨迹分析模式、随机游走扩散模式，模拟分析海南岛地区大气污染物的水平输送和扩散特征.以海南岛南、北两端的两个主要城市——海口和三亚，以及西部的昌江核电厂作为代表性扩散源，轨迹分析和扩散模拟的结果表明：

1)海口对岛内的扩散影响最大.冬季，海口的平均扩散方向指向岛内，平均影响范围可覆盖西北部小半个海南岛；秋、春季对岛内的影响范围依次减小，主要影响海岛西北和北部区域；夏季，扩散主体指向琼州海峡对岸，对本岛的影响仅限于海口所在的北部海岸线一带.

2)三亚总体上对岛内的扩散影响较小.秋季，扩散方向指向西南海面，对岛内几乎没有影响；冬、春季，偏西扩散的成分增加，对三亚以西沿岸的影响也有所增加；只有夏季，三亚的扩散影响是全面指向岛内的，并因地形的作用而东、西向大角度扩展，影响海岛南部的大部分沿岸地区.

3)昌江的平均输送扩散方向与当地海岸线的走向基本一致，污染影响不易深入到岛内.秋季扩散影响以偏西南方向为主，仅对昌江西南部分海岸有少量影响；冬、春季扩散形态类似，但向岛内的影响范围扩大，可影响到东方市为代表的低山盆地地带；春季还有部分影响昌江东北部海岸区域的情况；夏季，海岛西北部大部分沿海地带可受到昌江的扩散影响，但平均扩散方向指向东北偏北的海面.