京津冀地区大气边界层过程和多尺度大气环流与大气污染成因机制研究

摘要

京津冀地区是我国政治、文化和经济中心,近年来严重大气污染事件的频繁发生,已形成区域严重的环境问题之一.其形成机理已受到国家和人们的广泛关注.京津冀靠山临海,独特的地理条件形成的山谷风环流、海陆风环流等多尺度大气环流和边界层过程对污染物的扩散和空间分布过程产生重要的影响.除污染物的排放为重污染天气的发生提供了重要的物质条件外,不利于污染物扩散的静稳气象条件和影响环境容量的大气边界层高度也是重要的原因.本文利用数值模式模拟,激光雷达、风廓线雷达、气象和PM2.5观测资料及T模态的主成分分析方法,对京津冀地区天气类型、不同季节、不同尺度的大气环流、大气边界层过程与气溶胶辐射效应和大气污染物扩散过程进行了较为系统的研究.结果发现:京津冀地区白天大气边界层高度季节变化的特征是春天>夏天>秋天>冬天;大气边界层高度的季节变化对空气污染物浓度具有调节作用;京津冀大气边界层高度具有显著的区域和季节变化;海陆风、山谷风和城市热岛效应形成的多尺度大气环流对风场、温度场及PM2.5浓度场时空分布具有显著的影响.季节的热力条件和天气过程调节着大气边界层过程.京津冀地区地理环境对大气环流形成、大气边界层结构及大气环境容量具有显著影响;西南至东南方向的风是导致京津冀地区区域大气严重污染的重要外来污染物的输送通道,污染物的区域输送对京津冀地区严重污染的形成和维持有不可忽视的影响;京津冀地区山谷风、海陆风和城市热岛环流会使污染物循环累积,也是京津冀地区形成重污染天气的重要原因;大尺度的环流形势(或天气类型)也会对边界层和污染物输送产生影响;大气边界层过程及其辐射效应直接导致边界层结构变化、边界层高度、大气垂直扩散能力和大气环境容量降低,大量的污染物聚集在较低的边界层内,为重污染天气的维持和加剧提供了有利的动力、物质条件,是导致京津冀地区秋、冬季容易形成严重污染天气重要机制.