北京地区大气污染对辐射收支及气象要素的影响

发布时间：2017-07-04 19:11

  本文关键词：北京地区大气污染对辐射收支及气象要素的影响

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【摘要】：近年来,随着经济的发展和城市化进程的加快,污染日益严重,大气污染对于辐射收支和气象要素的影响也日益显著。本文利用2012—2014年中国科学院大气物理研究所325m铁塔、南郊观象台、密云气象塔、上甸子区域大气本底站四个观测站点的辐射及自动站气象要素数据,研究了北京地区辐射分量的分布特征及大气污染和城郊差异对地表辐射收支的影响;并针对一个冬季无云的污染个例,采用WRF中尺度模式,加入MODIS二维气溶胶光学厚度以及重污染天气下气溶胶光学厚度的垂直廓线,探究大气污染对辐射收支及气象要素的影响并进行敏感性试验。通过对观测数据的分析表明:(1)北京地区全年入射短波辐射受降水和云量的影响,最大值出现在5月。从城郊对比上看,全年入射短波辐射城区小于郊区,但在城市热岛的作用下,长波辐射值城区比郊区高。地表反照率城郊地区全年变化都很小,年均值城区最低,为0.12,上甸子站最高,为0.21。(2)从冬季月平均值来看,各站污染天入射短波辐射值明显小于清洁天,二者差异最大为55.8 W/m~2,反射辐射差异最大为14.5 W/m~2;大气污染对直接辐射的衰减程度更高,最大衰减可达161.1 W/m~2,使散射辐射增加最大可达72.2W/m~2;而污染天长波辐射高于清洁天,长波辐射的变化既与污染物浓度又与气温相关;白天的净辐射清洁天比污染天高,夜间相反,二者差异白天最大接近50 W/m~2。(3)从站间对比上看,污染天入射短波辐射有明显衰减,南郊观象台站衰减率高于大气所站,与北京地区“南北两重天”的污染物分布特征一致。长波辐射的日变化受地表温度和不同高度气温影响,亦呈现从城区到郊区变化率依次减小的趋势。净辐射南郊观象台站衰减率最高达13%通过对一个无云、污染个例(2013年12月23日)的数值模拟及敏感性试验分析可知:(1)WRF模式加入气溶胶光学厚度空间分布数据后,可以更好的模拟北京地区辐射及气象要素的分布特征。(2)污染物的影响过程:首先通过改变垂直方向上净短波辐射的吸收量而改变温度的垂直分布;同时由于污染物对短波辐射的阻挡,使近地层温度下降、大气层结更加稳定,层结稳定度的增加,也降低了边界层的高度,减小了近地面的动量输送,使近地面风速减小。(3)从污染物对短波辐射的影响来看,污染物使六环南部区域入射短波辐射衰减比北部区域高23.7 W/m~2,在垂直方向上,近地层净短波辐射的吸收量达12-13W/m~2;从对地表感热通量的影响来看,整个区域地表感热通量下降,其中六环南部区域平均下降24 W/m~2,比北部区域下降多11 W/m~2;从对温度的影响来看,近地层以降温为主,南部区域降温幅度更大,平均为0.16℃,比六环北部区域高0.13℃,在垂直方向上,南部区域近地层降温比北部区域更加显著,上层升温亦是;从对边界层高度的影响来看,整个区域边界层高度下降,其中南部区域平均下降184m,远高于北部地区;从对风速的影响来看,风速在近地层以降低为主,高层以升高为主,其中南部区域变化规律更加显著。(4)当污染物浓度加倍后,大气污染对各量值的影响程度均增加,同北部区域相比,南部区域影响程度更大。从短波辐射的分布来看,同气溶胶未加倍前相比,南部站点入射短波辐射衰减值变化最大,达49.4 W/m~2,北部站点最小,为14.1 W/m~2;从温度的分布来看,同气溶胶未加倍前相比,六环南部区域近地面温度降低0.5℃,北部区域仅降低0.1℃,高层六环南部区域升高0.56℃,而北部地区的升高程度仅为南部的一半;从边界层高度的分布来看,污染物的加倍使区域边界层高度更低,同气溶胶未加倍前相比,南部区域边界层高度减小了111m,北部区域边界层高度减小了31m。本研究表明:北京地区大气污染对于辐射收支及气象要素的影响显著,需在精细天气预报中考虑大气污染的作用。此外,该研究对城市大气环境治理、城市规划建设等有一定的指导意义。
【关键词】：大气污染 辐射收支 气象要素 WRF 北京
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X51;X16
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 引言10-16
• 1.1 研究目的及意义10-11
• 1.2 国内外研究进展11-15
• 1.2.1 北京大气污染总体特征11-12
• 1.2.2 各地辐射平衡主要特征12-13
• 1.2.3 大气污染物的辐射强迫13-14
• 1.2.3.1 观测分析13-14
• 1.2.3.2 数值模拟14
• 1.2.4 大气污染物对气象要素的影响14-15
• 1.3 本文研究内容15-16
• 第二章 研究资料与WRF模式介绍16-24
• 2.1 观测区域及站点介绍16-17
• 2.2 数据介绍17-20
• 2.2.1 辐射观测数据17-18
• 2.2.2 气象要素数据18-19
• 2.2.3 大气能见度数据19
• 2.2.4 MODIS气溶胶光学厚度数据19-20
• 2.2.5 观测数据筛选标准20
• 2.3 WRF模式介绍20-24
• 2.3.1 模式基础框架20-21
• 2.3.2 模式物理参数化方案21-24
• 第三章 大气污染对北京城市和郊区辐射收支影响的观测分析24-38
• 3.1 辐射分量的月变化24-26
• 3.2 辐射分量的日变化26-27
• 3.3 冬季大气污染对辐射收支的影响27-36
• 3.3.1 对单站辐射收支的影响28-31
• 3.3.2 对城市和郊区辐射收支影响的对比分析31-34
• 3.3.3 对垂直方向辐射收支的影响34-36
• 3.4 本章小结36-38
• 第四章 冬季污染个例的数值模拟研究38-72
• 4.1 个例介绍38-39
• 4.2 模拟试验设置39-42
• 4.2.1 试验设计39-40
• 4.2.2 气溶胶光学厚度分布40-42
• 4.3 WRF模式对冬季污染个例的模拟分析42-47
• 4.3.1 地面站点入射短波辐射的模拟检验42-43
• 4.3.2 近地面气温、比湿、风速的模拟检验43-46
• 4.3.3 位温和垂直速度的模拟分析46-47
• 4.4 气溶胶对辐射收支及气象要素影响的模拟分析47-63
• 4.4.1 气溶胶对短波辐射的影响47-50
• 4.4.2 气溶胶对地表能量平衡的影响50-53
• 4.4.3 气溶胶对温度的影响53-57
• 4.4.4 气溶胶对湿度的影响57-58
• 4.4.5 气溶胶对边界层高度的影响58-60
• 4.4.6 气溶胶对风速的影响60-63
• 4.5 气溶胶加倍对辐射收支及气象要素影响的模拟分析63-70
• 4.5.1 气溶胶加倍对短波辐射的影响63-66
• 4.5.2 气溶胶加倍对温度的影响66-69
• 4.5.3 气溶胶加倍对边界层高度的影响69-70
• 4.6 本章小结70-72
• 第五章 结论与展望72-74
• 5.1 主要结论72-73
• 5.2 不足及展望73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-80
• 个人简介80

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