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  • 京津冀地区秋季一次大气污染过程的模拟研究

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2020-02-01

    1简介

    最近,中国政府提出了“京津冀一体化”的构想。希望通过加强环渤海地区与京津冀地区的经济合作,京津冀地区将成为继长三角和珠三角之后的又一个快速增长的经济体。发展的动力。京津冀地区位于中国华北平原,面积21.6万平方公里,永久居民超过1亿。为了实现京津冀一体化,不仅有必要实现京津冀地区经济与工业的融合,而且有必要建立健全北京与天津之间的联合防控合作机制。天津和河北,并致力于改善京津冀的空气质量。在过去的30年中,京津冀地区的工业化和城市化发展迅速,随之而来的环境问题也变得越来越严重。空气污染已经成为京津冀地区的一个主要问题,并且发生了频繁而持久的空气污染。这一过程对城市居民的健康构成了重大威胁。因此,对京津冀地区空气污染的一些案例进行研究和分析,试图找出造成这些污染过程的原因,对于科学管理该地区的空气污染具有重要意义。

    整个京津冀地区与东部的渤海湾接壤,北部和西部与燕山和太行山接壤。复杂的地形和潜在条件使北京-天津-河北地区的下层区域成为海洋,陆地,山谷和城市热岛环流的共同点。影响;这些局部大气边界层环流对京津冀地区的大气边界层结构和大气环境有很大影响。但是,目前京津冀地区大气污染的研究大多集中在大气污染的化学过程上。很少有学者关注局部大气边界层环流与大气污染之间的关系。

    2011年9月20日至27日,北京发生了重度污染天气。大气污染物PM2.5,NO,NO2,SO2,O3和CO的浓度超过了重污染国家标准。在整个污染过程中,京津冀地区处于弱天气系统的控制之下。这种较弱的天气背景条件有利于局部大气边界层环流的产生和发展。在这项研究中,我们将使用先进的大气数值模型来探索局部大气边界层环流(海陆风环流,谷风环流和城市热岛环流)和大气边界层结构对该空气污染过程的影响。本文将在第2部分中介绍数值模拟测试的设计。第三部分将讨论和分析通过模拟获得的结果。最后,全文将在第4节中进行总结。

    2数值模拟测试设计

    在这项研究中,我们首先使用北京地面天文台的观测数据来测试WRF(天气研究和预报模型)模型的模拟结果;然后,利用大气扩散模型模拟了京津冀地区大气污染物的扩散过程,揭示了该区域大气污染物的迁移扩散路径。

    2.1 WRF模式

    本文采用wrf模式的3.5.1版本,设计了一个三层双向嵌套计算网格来模拟京津冀地区的大气边界层环流(如图1和表1所示)。网格的水平分辨率分别为27km、9km和3km。在垂直方向上,从地面到50hpa高度共设55层,底层距地面约10m。表1显示了用于WRF模拟的物理过程参数化方案。此外,为了更真实地模拟城市下垫面对局地大气边界层环流的影响,本研究利用欧洲航天局最新发布的globcover 2009地表利用类型数据对wrf模式进行了更新。部分城市土地利用类型分布。

    2.2 FlexPart模式

    本文采用的大气扩散模式是flexpart(柔性粒子扩散模型),它是一个拉格朗日粒子扩散模型(lpdm)。在垂直方向上,flexpart模式使用了一个跟随地形的笛卡尔垂直坐标系;该模式不仅可以用于驱动使用全球气象数据的计算,而且还可以模拟一些中尺度大气模式(如wrf和mm5)的结果。驱动器。有关FlexPart型号的更多详细信息,请访问以下网站:

    为了了解2011年9月23日至27日北京-天津-河北地区大气边界层环流对污染物扩散过程的影响,我们使用WRF模拟获得了高分辨率三维大气场(3 km高度)。分辨率)设计了一个48小时的数字扩散测试,以从00年9月23日至9月00日开始仿真。 FLEXPART模拟的水平网格与WRF的最内层相同,在垂直方向上有38层,分别是5、15、25、35、50、70、90、125、175、225、275。 325、375、425、475、525、575、625、675、725、775、900、1100、1350、1750、2250、2750、3250、3750、4250、4750、5250、5750、6500、7500、9000,还有米如图2a所示,我们在京津冀地区的主要城市地区建立了一系列连续排放源(面源),其源强度为2.2×10-6g m-2h-1。此外,这项研究的主要关注点是在受污染的天气中的物理循环运输过程。因此,在模拟中设置的污染物是示踪剂(空气示踪剂),其密度与干燥空气相同,并且不会参与大气。化学反应过程。

    3仿真结果分析与讨论

    3.1验证WRF仿真结果

    给出了在2m温度,10m风速和10m风速在不同站点模拟和观测到的时间序列图。通过比较2 m温度的观测值和模拟值,可以发现WRF模式可以很好地模拟表面温度的每日变化。夜间只有海淀和丰台站的模拟值略高于模拟值(图3b和图3f)。 )。

    在整个模拟研究期间,由于受京津冀地区弱天气系统的控制,近地风速相对较小,多数时刻10 m的风速小于4 m S-1。将模拟值与观测值进行比较,可以发现风速的模拟值略高于海淀和丰台站的测量值。此外,WRF模式可以很好地模拟风速的总体趋势。

    通过风向10m的时间序列,可以发现北京有明显的山谷风环流。清晨,在山被太阳辐射加热之前,北京地区受到了山风的控制(从山顶到平原)。然后,随着山脉被太阳辐射加热,北京地区逐渐受到山谷风的吹拂(从平原到顶部)。到了晚上,由于地表的辐射降温作用,北京的谷风循环逐渐减弱,变成了山风循环。不仅可以从气象站的观测中发现北京的山谷风环流的演变,而且可以通过WRF模型很好地发现。

    3.2局部大气边界层环流的影响

    如上所述,在本文研究的大气污染天气中,京津冀地区处于弱天气系统的控制之下,有利于局部大气边界层环流的发展。给出了高度为10 m时水平风向矢量场的分布,可以清楚地看到山谷风环流的演变。在日出之前(图8a和8d),山区处于山风的控制之下。日出后,由于太阳辐射的加热作用,山上的风环逐渐减弱,被山谷的风环代替。日落之后,由于地表辐射冷却,山谷风将再次被山风代替。

    除山谷风循环外,渤海湾附近还会出现海陆风循环。比较9月23日和24日的水平风向矢量场,可以发现内陆海风环流的过程和强度对天气系统非常敏感。如图7a所示,在23日下午5点,京津冀地区处于两个海平面高压系统的控制之下。一个高压系统在北京的东侧,另一个高压系统在北京的西南侧;在这两个高压系统的影响下,渤海湾(从陆地到海洋)的微风循环受到抑制。相反,在白天,这种天气系统的配置将加剧向内陆的海风(图8b和8c);在23日晚,海风(海风位于内陆的最前沿,在大气中,下层将表现为水平会聚区和垂直上升区),并已推进到北京。

    为了更好地了解局地大气边界层环流对地表空气污染物扩散过程的影响,图10和图11分别给出了不同海拔高度到山区垂直剖面上的风矢量和污染物浓度(图1c)。时代。分布图。9月24日16时,陆地大气边界层高度超过1公里。在垂直段(图10a),可以看到逆时针的山谷风环流;山谷风从平原吹到山上,并可上升到2-3km的高度,在山上的高海拔地区会出现山谷风补偿气流。补偿气流从高山吹向平原,在北京郊区下沉,补偿低空山谷风。

    如上所述,夜间陆地大气边界层高度将迅速下降到几百米(图10b),大气垂直输送将减弱,从而控制了夜间浅层大气边界层中的大量污染物。层。11b)。此时,在山区,可以看到两个高级别污染层;这两个高级别污染层是由沿山白天的山谷环流形成的。当污染物抬升到2-2.5km高度时,高空水平气流可将污染物输送到下游地区,从而减少当地空气污染;当污染物只能抬升到海拔高度山区1km左右时,此时形成的高层污染层只能作为污染物的临时贮存库,通过山谷风环流的高空补偿气流将污染物带回地面,或是以后山风环流带回到地面。可见,山谷风环流发展的高度和强度将在很大程度上决定地表空气污染的严重程度。

    4摘要

    为了了解京津冀地区局部大气边界层环流对区域空气污染过程的影响,本文采用WRF模型和FLEXPART模型模拟了京津冀地区的空气污染过程。 2011年9月23日至25日,河北地区。首先,利用WRF模型和本文设计的数值实验,利用北京,天津,河北地区的大气边界层环流模拟研究,验证了其适用性。北京。随后,高分辨率的WRF模拟结果被用于驱动FLEXPART大气扩散模型来模拟大气污染过程。研究发现:

    (1)渤海湾附近海陆风循环强度对天气系统敏感;因此,即使考虑到弱天气背景下的空气污染过程,也不能忽略天气背景强迫的影响。

    (2)大气边界层的高度决定了污染物在垂直方向上的迁移和扩散。在水平方向上,污染物的空间分布直接由近表层的水平风场决定。近地表层的水平风场主要由局部热效应(局部大气边界层环流)和大气尺度的天气背景组成。共同确定强迫(大型天气系统)。

    (3)海风对大气边界层高度的影响有利于局部大气污染物的垂直输送,这将在一定程度上减轻地表大气污染(图11a)。海风的推进过程不仅会增强海风锋面附近污染物的垂直输送过程,而且会增强上游污染物运移的下游区域,可能加剧下游区域的污染。

    (4)在谷风环流和地形的作用下,可以将表面的污染物提升到大约3 km的高度。这种提升效果还可以减少表面污染。山谷风循环发展的高度和强度将在很大程度上决定地面空气污染的严重性。

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