【摘 要】
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大气边界层高度是影响大气污染生消的关键气象因子之一,其量值的大小决定大气污染物质的垂直扩散能力和近地面污染物浓度,并通过压缩水汽和前体物浓度等在一定程度上影响大气边界层化学过程。中国地域广阔,地形多样,之前由于缺少同一观测标准下,长时间序列,高时空分辨率的边界层实时观测,因而无法准确认知不同地形下边界层演变特征,影响区域污染形成机制的研究进程。为弥补先前研究不足,本研究基于激光雷达云高仪,获得长时
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大气边界层高度是影响大气污染生消的关键气象因子之一,其量值的大小决定大气污染物质的垂直扩散能力和近地面污染物浓度,并通过压缩水汽和前体物浓度等在一定程度上影响大气边界层化学过程。中国地域广阔,地形多样,之前由于缺少同一观测标准下,长时间序列,高时空分辨率的边界层实时观测,因而无法准确认知不同地形下边界层演变特征,影响区域污染形成机制的研究进程。为弥补先前研究不足,本研究基于激光雷达云高仪,获得长时间序列的高分辨率边界层数据,结合气象探空和污染物数据,分析了四种不同地形条件下边界层演变规律及其成因;并以北京为例,进一步分析城郊边界层差异及其对污染的影响和残留层西南输送对诱导北京重污染事件的作用,为区域污染治理提供高效,科学建议。得到以下主要结论:(1)不同地形条件下,边界层具有不同的演变特征。山地,平原和盆地日变化呈现明显单峰结构。山地站点春季边界层较其他季节明显偏高可达849米,而夏季,秋季和冬季分别为695米,628米和607米,日较差491米。平原站点春夏边界层高度相当分别为696米和688米,秋季和冬季分别为616米和544米,日较差590米。独特的盆地地形使得成都四季边界层高度变化较小维持在600米左右且边界层日较差较小仅有314米。高原站点秋冬季节边界层高度统计日变化基本不变。利用气象探空数据结合湍流动能方程中的切变项,浮力项和理查森数>1的频率分析,成都边界层四季变化不明显的原因主要是因为较为稳定的大气湍流程度。而兴隆春季较高的边界层与山地较大的风切变有很大关系。(2)北京城区和郊区边界层高度并无明显差异,均在600米左右。但城区和郊区边界层日变化存在显著差异,城区白天最大边界层高度比郊区高200米并且提前2小时到达峰值,城区人为热的排放可以导致北京城区和郊区小尺度边界层高度存在较大差异,在北京时间10:00(Local time,LT)-15:00 LT,城区人为热估算值分别可达23 W/m2,43 W/m2,63 W/m2,,55 W/m2,44 W/m2,13W/m2。郊区边界层发展不起来导致相对清洁的郊区也可能发生与城区相同程度的污染,午间边界层高度发展缓慢是导致重污染的重要气象成因。(3)残留层在春夏秋季的日变化特征相似,在午后混合层达到峰值时,残留层消失。冬季因为混合层发展较弱,导致残留层可以发生在白天任何时段,并始终保持在600米左右的厚度。残留层顶高度的季节差异不显著,春夏秋冬四个季节平均残留层顶高度分别为1155米、1139米、1036米和1195米。残留层PM2.5浓度与前一天PM2.5浓度的最大值没有显著相关性,说明残留层中的污染物并非来自本地前一天污染物的积累,或者说前一天污染物残留较少。残留层盛行西南风且风速为近地面2-3倍,为残留层中区域输送提供有利条件。残留层中PM2.5浓度与RL消失时近地面PM2.5浓度有很强的相关性(R=0.84),说明RL消失后由于垂直方向上的扩散能力增强导致污染物向下输送使近地面PM2.5浓度升高。污染物在残留层中的西南输送可以诱导重污染事件的发生。本文相关研究加深了对不同下垫面条件下边界层演变规律的认识,弄清了城郊边界层差异和残留层输送对污染事件的影响,对理清污染形成机制和制定科学污染治理政策有良好的参考价值。
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