作為人類賴以生存的環(huán)境大氣層,大氣邊界層,尤其近地層對大氣中污染物的形成、累積以及清除過程起著重要作用,直接影響空氣質(zhì)量變化。由于大氣邊界層內(nèi)流體總是以湍流狀態(tài)存在,因此,大氣邊界層及其參數(shù)化一直是大氣環(huán)境變化評估和預(yù)報的難題。圍繞這一大氣環(huán)境科學難題,本文主要基于大氣化學模式開展霾污染模擬中大氣邊界層方案的不確定性評估研究,以及引入一個新的近地層方案并討論分析了其對大氣邊界層湍流通量計算的影響。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1)霾污染過程中大氣邊界層氣象-環(huán)境要素模擬分析利用大氣化學模式GRAPES_CUACE對京津冀地區(qū)2016年12月13日～2017年1月14日期間PM2.5質(zhì)量濃度以及幾種常規(guī)邊界層內(nèi)氣象要素進行了模擬,并且通過常用的統(tǒng)計檢驗方法評估了模式模擬效果。結(jié)果表明,模式能夠較好地模擬出各要素的變化趨勢,但在數(shù)值上存在一定誤差,尤其是在霾污染過程中,模式對大氣邊界層模擬的不確定性使得PM2.5的模擬偏差進一步加大。2)不同邊界層方案對霾過程中PM2.5的模擬評估選取該模式中常用的三種邊界層方案(MRF、MYJ以及YSU方案),針對模擬期間2016年12月16～21日這次霾過程,詳細討論評估了不同邊界層方案對PM2.5以及邊界層各氣象要素模擬的影響。結(jié)果表明,三種方案均對PM2.5濃度存在不同程度的低估,并且對于污染期間白天和夜間,其模擬結(jié)果沒有較明顯的區(qū)分�？傮w上,YSU方案模擬效果最好,MRF方案次之且相差不大,MYJ方案低估最為明顯。其次,三種方案對邊界層內(nèi)各氣象要素的模擬情況不盡相同。對于近地面風速,MRF和YSU方案模擬結(jié)果整體好于MYJ方案;對于近地面氣溫和相對濕度,MYJ方案的結(jié)果則更加接近實際觀測值。由此說明,除了邊界層方案,近地層的湍流通量參數(shù)化也是影響模式中大氣邊界層結(jié)構(gòu)的一個重要因素。3)一個新近地層方案的引入及對湍流通量的模擬詳細介紹了一種新提出的近地層方案(簡稱Li方案),并且基于河北固城氣象試驗站提供的湍流通量觀測資料,對Li方案和模式中經(jīng)典的MM5近地層方案進行了離線的對比測試。結(jié)果表明,首先,動力粗糙度z0m和熱力粗糙度z0h作為兩個重要的地表參數(shù),對于近地層湍流通量計算有著重要影響,因此應(yīng)當予以區(qū)分。其次,Li方案在算法上的改進使其在動量和感熱通量的模擬上相比MM5方案具有較為明顯的優(yōu)勢。在整個霾污染期間,Li方案對于動量和感熱通量的模擬結(jié)果整體優(yōu)于MM5方案。尤其是在PM2.5的累積上升階段,大氣層結(jié)由不穩(wěn)定向穩(wěn)定過度期間,Li方案的優(yōu)勢更加突出。新方案的表現(xiàn)為今后將其在線耦合到大氣化學模式提供了理論基礎(chǔ),同時也為提高大氣環(huán)境預(yù)報質(zhì)量提供了新的思路。
【學位單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：X513
【部分圖文】：

［７］。根據(jù)大氣邊界層的特征，可將其定義為：存在各種尺度的湍流，湍流輸送起著重要逡逑作用并導致氣象要素日變化顯著的低層大氣［８］。由圖１．１［９］可見它的垂直分布特征，白天逡逑由于地面受到太陽輻射加熱驅(qū)動，導致邊界層迅速發(fā)展，到中午時分達到最高。根據(jù)熱逡逑力結(jié)構(gòu)分布特征，其底層為超絕熱，中層為混合層，頂層逆溫部分也稱作夾卷層。日落逡逑后由于地面福射冷卻，大氣邊界層由下往上降溫，以逆溫為特征的穩(wěn)定邊界層逐漸發(fā)展逡逑起來，由于湍流交換受到抑制，該層厚度比白天混合層要小得多。根據(jù)湍流摩擦力、氣逡逑壓梯度力和科氏力對不同高度空氣運動作用的大小，可將大氣邊界層分為三層：第一層逡逑為粘性副層，是緊靠地面的一個薄層。由于其典型厚度小于ｌｃｍ，該層大氣主要受到分逡逑子粘性力的作用；第二層為近地層，該層在粘性副層以上５０？１００ｍ。在這一層，大氣運逡逑動具有明顯的湍流性質(zhì)

界層氣象要素與ＰＭ２．５之間的相互作用。模式水平分辨率為１５ｋｍ，垂直方向共３１層。逡逑模式覆蓋了中國東部、中部以及北部大部分區(qū)域，其中重點研宄區(qū)域為京津冀地區(qū)逡逑（１１３°－１２０°Ｅ，３６°－４２°Ｎ）及其１３個主要城市。圖２．１以及表２．１分別給出了模式模擬逡逑區(qū)域和重點研究區(qū)域的范圍以及具體參數(shù)方案的選擇。逡逑１０逡逑１逡逑

ｒ邋＝邋Ｉ＾－ｓｘｏ－ｄ）邐（２邋７）逡逑Ｊｚ＾ＣＳｉ－ｓ＾ＣＯｉ－ｄ）２逡逑為了全方面評估模式模擬效果，首先對模擬時段整個研宄區(qū)域（圖２．１ｂ）模擬的近逡逑地層風速，溫度，相對濕度以及ＰＭ２．５濃度進行評估。其次，針對其中一次污染過程，逡逑對研究區(qū)域內(nèi)不同站點的模擬情況進行評估，并分析污染期間氣象要素的演變過程對于逡逑污染物的影響。逡逑２．３結(jié)果分析逡逑２．３．１區(qū)域評估逡逑圖２．２給出了在模擬時間內(nèi)，整個研究區(qū)域平均模擬值與觀測值的逐小時變化。可逡逑１２逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2818244