西北地区沙尘天气的数值模拟及其对典型城市大气环境影响的研究

摘要

沙尘天气作为一种灾害性天气，分为浮尘、扬沙、沙尘暴、强沙尘暴和特强沙尘暴五类。沙尘天气对区域和全球气候变化产生重要改变，并对空气质量、人类健康和交通安全等造成严重影响。沙尘天气是目前我国迫切需要解决的问题之一，因此，加强对沙尘天气的研究具有十分重要的现实意义。本文首先利用WRF-Chem空气质量模式，耦合五种不同的起沙参数化方案，对发生在西北地区的沙尘过程进行数值模拟，通过与观测资料的对比分析，验证了WRF-Chem模式对沙尘过程的模拟能力，分析了五种不同起沙参数化方案下模式对沙尘过程模拟的异同点；其次，通过调整Shao11起沙参数化方案下起沙通量公式中关键参数的取值，并分析了不同土壤湿度对沙尘过程模拟的影响，找出适合西北地区的起沙参数最佳配置和土壤湿度的初值场；最后，探讨了沙尘天气对兰州市空气质量的影响。主要结论如下： （1）耦合了GOCART、AFWA、Shao01、Shao04和Shao11五种不同起沙参数化方案的WRF-Chem模式均较好地再现了沙尘浓度的时空演变特征、主要的起沙区域和沙尘传输过程。与GOCART和AFWA两种起沙方案下的模拟结果相比，Shao01、Shao04和Shao11三种起沙方案下模拟的沙尘分布范围更广，在部分地区，沙尘浓度和起沙通量值更大。五种方案下模拟的沙尘源区和影响区代表城市PM10质量浓度时间变化特征与站点观测结果也十分接近，但对于不同的沙尘过程，不同起沙方案下各站点模拟的PM10质量浓度峰值与观测峰值均存在一定的差异，总体来看，采用Shao11方案的WRF-Chem模式对沙尘过程期间PM10质量浓度的模拟结果要优于GOCART、AFWA、Shao01和Shao04四种方案。 （2）与粒径分布有关的权重因子γ和起沙调整因子c的变化对模式模拟的沙尘和起沙通量的分布范围均无明显影响，但对沙尘浓度、起沙通量和PM10质量浓度值的影响较大。随着γ值的减小，沙尘浓度、起沙通量和PM10质量浓度值均在增大。与γ=0.5或0相比，γ=1时模式对PM10质量浓度的模拟能力最好。随着c值的减小，沙尘浓度、起沙通量和PM10质量浓度的模拟值也在减小。与c=1.5或1相比，c=2.6时模式具备更好的模拟能力。 （3）在西北地区，GLDAS资料中的表层0~10cm土壤湿度大小整体偏低于NCEP，GLDAS资料中的土壤湿度一般为0.32m3/m3以下，而NCEP资料中的土壤湿度为0.08~0.48m3/m3。GLDAS资料下模式模拟的沙尘和起沙区域的分布范围更广，沙尘浓度、起沙通量和PM10质量浓度值更大。这是由于GLDAS资料提供的土壤湿度偏低，临界摩擦速度也因此偏低，在相同的风速条件下，GLDAS资料下模式模拟出更多的沙尘排放。NCEP资料下的土壤湿度对沙尘过程期间PM10质量浓度的演变特征具备更好的模拟能力。 （4）兰州市沙尘天气期间，气态污染物SO2?NO2和CO浓度的演变分置换和叠加型两种情况。置换型为受强冷空气活动的影响，近地面为东北方向大风、低温和高压，SO2、NO2和CO浓度显著减小，沙尘源地主要为南疆盆地的塔克拉玛干沙漠和青藏高原北部地区，影响气流多为1500~6000m高空西北气流。叠加型为受弱冷空气活动的影响，近地面为东北方向弱风，气温和气压无明显波动，初期PM10和PM2.5浓度上升，同时SO2、NO2和CO浓度略下降，而后PM10和PM2.5维持高值时，由于本地源气态污染物的持续积累，SO2、NO2和CO浓度上升。沙尘源地主要为内蒙古巴丹吉林沙漠和本地沙尘，影响气流多为1500m以下低空西北气流。WRF-Chem模式均较好地模拟出了置换型和叠加型沙尘天气期间PM10质量浓度和气象要素的变化特征及沙尘源地。

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西北地区沙尘天气的数值模拟及其对典型城市大气环境影响的研究

Research on Numerical Simulation of Dust Storms in

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 研究目的

第二章资料与方法

2.1 研究资料

2.1.1 大气污染物资料

2.1.2 气象资料

2.2 模式介绍

2.2.1 WRF简介

2.2.2 WRF-Chem简介

2.3 起沙参数化方案简介

2.3.1 GOCART方案

2.3.2 AFWA方案

2.3.3 Shao01方案

2.3.4 Shao04方案

2.3.5 Shao11方案

2.4 模式设置

第三章 起沙参数化方案对西北地区沙尘过程模拟的影响

3.1 2014年4月23~24日沙尘过程个例

3.1.1 沙尘天气过程

3.1.2 沙尘浓度的时空分布

3.1.3 起沙过程

3.1.4 PM10浓度的时间变化

3.2 2015年3月2~3日沙尘过程个例

3.2.1 沙尘天气过程

3.2.2 沙尘浓度的时空分布

3.2.3 起沙过程

3.2.4 PM10浓度的时间变化

3.3 2015年5月10~11日沙尘过程个例

3.3.1 沙尘天气过程

3.3.2 沙尘浓度的时空分布

3.3.3 起沙过程

3.3.4 PM10浓度的时间变化

3.4 本章小结

第四章 起沙参数在西北地区的适用性研究

4.2 对沙尘浓度分布的影响

4.4 对起沙通量分布的影响

4.6 对PM10浓度的影响

4.7 本章小结

第五章 土壤湿度对西北地区沙尘过程模拟的影响

5.1 土壤湿度分析

5.2 沙尘浓度的时空分布

5.3 起沙通量的时空分布

5.4 临界摩擦速度的空间分布

5.5 PM10质量浓度变化

5.6 本章小结

第六章 沙尘天气对兰州市大气污染物置换和叠加作用

6.1 兰州市春季沙尘天气统计

6.2 兰州市春季空气质量状况

6.3 沙尘天气期间污染物浓度的变化特征

6.4置换型

6.4.2 气象要素分析

6.4.3 后向轨迹分析

6.5 叠加型

6.5.1 2015年5月17~19日沙尘个例分析

6.5.2 气象要素分析

6.5.3 后向轨迹分析

6.6 置换型模拟试验

6.6.1 PM10质量浓度的模拟检验

6.6.2 气象要素分析

6.6.3 沙尘浓度的垂直分布

6.7 叠加型模拟试验

6.7.1 PM10质量浓度的模拟检验

6.7.2 气象要素分析

6.7.3 沙尘浓度的垂直分布

6.6 本章小结

第七章 总结与讨论

7.1 总结

7.2 特色与创新点

7.3 不足与展望

在学期间的研究成果

致 谢