四川盆地西部边缘地区大气边界层垂直结构及对大气污染影响研究

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大气边界层作为大气的最底层,其大气物理化学过程对人类活动有着直接的影响,大气边界层内风场结构很大程度上影响了大气污染物的传输扩散,从而改变当地的空气质量,研究大气边界层结构特征对认识大气环境变化具有重大的科学意义和应用价值。四川盆地作为我国的人口密集的重污染地区之一,其盆地西部边缘地区紧邻青藏高原,其特殊的山地地形形成了复杂大气边界层风场结构,从而影响局地空气质量变化。本文通过分析2017年四季代表月份雅安市名山地区大气边界层气象要素和大气污染物加密探空资料,并开展针对大气边界层低空急流影响PM2.5时空分布的空气质量模拟研究,揭示了四川盆地西部边缘地区复杂地形背景下大气边界层结构特征及其对大气污染物变化的影响。主要研究内容和结论如下:(1)山谷风局地环流特征及对O3的影响2017年名山地区山谷风出现频率夏季>冬季>秋季>春季。地面风速可以被谷风加强1.6倍,或被山风削弱38%,谷风环流影响高度高达1500m,山风仅为500m。水平方向上谷风环流影响范围大约为300km,山风大约为200km。山谷风出现与否与太阳辐射到达地面的强度以及夜间辐射降温速率有关,晴朗少云的日子容易出现山谷风。山谷风环流对大气污染物O3有明显的输送作用,盆地区域大气污染重,山地区域大气清洁。白天谷风环流将大气重污染区域(盆地产生)的O3向清洁地区(山地)传输,并在谷风环流伴随的强上升气流影响下堆积在低空100-600m,夜间山风环流带来的高原清洁气流使得名山地区O3浓度降低。(2)大气边界层低空急流结构及对PM2.5的影响2017年大气边界层低空急流发生频率夏季最高,秋冬季最低,夜间出现频率高于白天,主要出现在100-500m高度,急流风速主要分布在5-8m·s-1,风向以偏东风和偏西风为主。2017年01月05日-06日的两次大气边界层低空急流过程对大气细颗粒物PM2.5表现为两种影响机制,西风控制下的大气边界层低空急流过程表现为清除作用,西风带来的清洁高原气流使得本地PM2.5浓度迅速减少,急流轴以下高度粒径大于0.5μm的颗粒物数浓度减少50%以上,东风控制下的大气边界层低空急流则表现为传输积累作用,东风将重PM2.5污染区域——盆地的大气细污染物携带至原本清洁的西部地区,进一步加重本地大气污染。风速达到5m·s-1以上的条件下,细颗粒物数浓度表现出明显变化,5m·s-1以下的东、西风对细颗粒物数浓度影响不大。(3)山地地形下大气边界层结构及对PM2.5影响的数值模拟在四川盆地西部边缘地区复杂山地地形背景下,随着大气细颗粒物PM2.5污染水平下降,空气质量模式WRF-Chem对地面PM2.5的模拟效果提高,重度PM2.5污染水平下,基本没有模拟出大气边界层低空急流结构,大气边界层方案的调整对于大气边界层低空急流模拟改善不明显;中度PM2.5污染水平下,MYJ方案的模拟结果要优于YSU和BL方案,对于大气边界层低空急流的起始时间的模拟略有提前,急流最大风速有低估;清洁PM2.5水平条件下,YSU方案对于大气边界层低空急流的模拟效果最好,急流起止时间、急流轴高度以及最大风速均与观测接近。导致大气PM2.5污染程度变化的不同天气系统及其大气边界层结构也能影响PM2.5污染过程中大气边界层方案模拟性能。通过选取MYJ方案模拟中度PM2.5污染过程和选取YSU方案模拟清洁PM2.5水平过程证实了四川盆地西部边缘地区大气边界层低空急流对PM2.5的影响机制,西风急流清除50%以上的本地细颗粒物,东风急流携带PM2.5可成倍加重本地大气细颗粒物污染水平。
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