霾污染模拟中大气边界层方案的不确定性评估及近地层参数化的研究

发布时间：2020-09-14 13:47

　　作为人类赖以生存的环境大气层,大气边界层,尤其近地层对大气中污染物的形成、累积以及清除过程起着重要作用,直接影响空气质量变化。由于大气边界层内流体总是以湍流状态存在,因此,大气边界层及其参数化一直是大气环境变化评估和预报的难题。围绕这一大气环境科学难题,本文主要基于大气化学模式开展霾污染模拟中大气边界层方案的不确定性评估研究,以及引入一个新的近地层方案并讨论分析了其对大气边界层湍流通量计算的影响。主要研究内容和结论如下:1)霾污染过程中大气边界层气象-环境要素模拟分析利用大气化学模式GRAPES_CUACE对京津冀地区2016年12月13日～2017年1月14日期间PM2.5质量浓度以及几种常规边界层内气象要素进行了模拟,并且通过常用的统计检验方法评估了模式模拟效果。结果表明,模式能够较好地模拟出各要素的变化趋势,但在数值上存在一定误差,尤其是在霾污染过程中,模式对大气边界层模拟的不确定性使得PM2.5的模拟偏差进一步加大。2)不同边界层方案对霾过程中PM2.5的模拟评估选取该模式中常用的三种边界层方案(MRF、MYJ以及YSU方案),针对模拟期间2016年12月16～21日这次霾过程,详细讨论评估了不同边界层方案对PM2.5以及边界层各气象要素模拟的影响。结果表明,三种方案均对PM2.5浓度存在不同程度的低估,并且对于污染期间白天和夜间,其模拟结果没有较明显的区分。总体上,YSU方案模拟效果最好,MRF方案次之且相差不大,MYJ方案低估最为明显。其次,三种方案对边界层内各气象要素的模拟情况不尽相同。对于近地面风速,MRF和YSU方案模拟结果整体好于MYJ方案;对于近地面气温和相对湿度,MYJ方案的结果则更加接近实际观测值。由此说明,除了边界层方案,近地层的湍流通量参数化也是影响模式中大气边界层结构的一个重要因素。3)一个新近地层方案的引入及对湍流通量的模拟详细介绍了一种新提出的近地层方案(简称Li方案),并且基于河北固城气象试验站提供的湍流通量观测资料,对Li方案和模式中经典的MM5近地层方案进行了离线的对比测试。结果表明,首先,动力粗糙度z0m和热力粗糙度z0h作为两个重要的地表参数,对于近地层湍流通量计算有着重要影响,因此应当予以区分。其次,Li方案在算法上的改进使其在动量和感热通量的模拟上相比MM5方案具有较为明显的优势。在整个霾污染期间,Li方案对于动量和感热通量的模拟结果整体优于MM5方案。尤其是在PM2.5的累积上升阶段,大气层结由不稳定向稳定过度期间,Li方案的优势更加突出。新方案的表现为今后将其在线耦合到大气化学模式提供了理论基础,同时也为提高大气环境预报质量提供了新的思路。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X513
【部分图文】：

示意图,大气边界层结构,示意图

［７］。根据大气边界层的特征，可将其定义为：存在各种尺度的湍流，湍流输送起着重要逡逑作用并导致气象要素日变化显著的低层大气［８］。由图１．１［９］可见它的垂直分布特征，白天逡逑由于地面受到太阳辐射加热驱动，导致边界层迅速发展，到中午时分达到最高。根据热逡逑力结构分布特征，其底层为超绝热，中层为混合层，顶层逆温部分也称作夹卷层。日落逡逑后由于地面福射冷却，大气边界层由下往上降温，以逆温为特征的稳定边界层逐渐发展逡逑起来，由于湍流交换受到抑制，该层厚度比白天混合层要小得多。根据湍流摩擦力、气逡逑压梯度力和科氏力对不同高度空气运动作用的大小，可将大气边界层分为三层：第一层逡逑为粘性副层，是紧靠地面的一个薄层。由于其典型厚度小于ｌｃｍ，该层大气主要受到分逡逑子粘性力的作用；第二层为近地层，该层在粘性副层以上５０？１００ｍ。在这一层，大气运逡逑动具有明显的湍流性质

模式模拟,环保监测,自动气象站,位置分布

界层气象要素与ＰＭ２．５之间的相互作用。模式水平分辨率为１５ｋｍ，垂直方向共３１层。逡逑模式覆盖了中国东部、中部以及北部大部分区域，其中重点研宄区域为京津冀地区逡逑（１１３°－１２０°Ｅ，３６°－４２°Ｎ）及其１３个主要城市。图２．１以及表２．１分别给出了模式模拟逡逑区域和重点研究区域的范围以及具体参数方案的选择。逡逑１０逡逑１逡逑

趋势图,相对湿度,区域平均,风速

ｒ邋＝邋Ｉ＾－ｓｘｏ－ｄ）逦（２邋７）逡逑Ｊｚ＾ＣＳｉ－ｓ＾ＣＯｉ－ｄ）２逡逑为了全方面评估模式模拟效果，首先对模拟时段整个研宄区域（图２．１ｂ）模拟的近逡逑地层风速，温度，相对湿度以及ＰＭ２．５浓度进行评估。其次，针对其中一次污染过程，逡逑对研究区域内不同站点的模拟情况进行评估，并分析污染期间气象要素的演变过程对于逡逑污染物的影响。逡逑２．３结果分析逡逑２．３．１区域评估逡逑图２．２给出了在模拟时间内，整个研究区域平均模拟值与观测值的逐小时变化。可逡逑１２逡逑

【参考文献】