天津大气稳定度特征及基于湍流扩散系数优化的空气质量数值模拟研究
空气质量模式中湍流引起的垂直混合与湍流扩散系数K密切相关.为避免针对强稳定边界层计算中可能出现"无湍流大气"(即K=0)的异常结果,模式通过预设最小湍流扩散系数Kzmin,定义了K值的下限.检验表明天津空气质量模式整体模拟效果较好,但02:00-08:00存在系统性偏高的问题.针对这一问题,本文在天津大气稳定度特征分析和模式评估基础上,利用气象塔和系留获取真实湍流扩散系数,试验性修正重污染期间Kzmin取值,以期探索提升稳定层结条件下天津空气质量模式PM2.5模拟能力.结果表明:天津不同大气层结稳定度占比分别为4.91％(强不稳定)、9.33％(不稳定)、18.86％(弱不稳定)、50.29％(中性)、13.00％(较稳定)和3.61％(稳定).大气稳定条件下PM2.5浓度(62.6 μg·m-3)相较不稳定和中性条件(38.8μg·m-3)升高61.3％,02:00-08:00稳定大气层结占比显著提升(28.2％),模式对该时段PM2.5浓度模拟存在系统性高估现象(9.3％).以2017年12月一次重污染过程为例开展模式敏感试验,该过程天津出现长时间逆温过程,高度达600m以上,逆温强度达2.9℃·100m1,逆温层的持续存在抑制了污染物的垂直扩散.系留气艇和气象塔湍流观测表明:此次过程垂直湍流扩散速率存在明显日变化,白天(35m2·s-1)普遍高于夜间(＜14m2·s-1),比值为2.5∶1,基于模式过程分析技术估算湍流混合使PM2.5浓度下降白天为-30 μg·m-3·h-1,夜间显著减弱,低于-5μg·m-3·h-1,比值为6∶1,结合探空实测数据,空气质量模式中预设的Kzmin很可能造成对垂直湍流扩散作用的低估,并因此导致对夜间稳定层结PM2.5浓度的高估.根据观测对模式Kzmin取值优化,改进后模式对城市和郊区站PM2..5浓度模拟绝对误差分别下降36.6和46.1 μg·m-3,且夜间PM2.5浓度极大值的改进效果更加明显,基于Kzmin的修正,可能有助于稳定层结条件下天津空气质量模式模拟能力提升.
大气稳定度、空气质量数值模式、大气重污染、天津、湍流扩散
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X51(大气污染及其防治)
国家自然科学基金;天津市气象局重点项目
2023-04-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
共14页
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