兰州市两类典型重污染个例及其边界层结构影响的数值模拟研究

摘要

自工业革命爆发以来，社会生产力不断提高，工业化和城市化进程不断加快，随之带来的空气污染问题已成为全世界最严峻的环境问题之一，也是我国目前最迫切需要解决的问题。兰州市位于青藏高原东北侧的黄河河谷盆地中，地形复杂，曾是全世界污染最重的城市之一。近年来，兰州市政府采取一系列污染防治和减排措施，空气质量有所改善，但在复杂山地地形条件下，大气边界层响应地形强迫，大部分气象要素变化强烈，在相同污染排放情况下，山谷中污染较平原地区更加严重，空气污染问题较平原地区更为复杂。本文利用2001-2016年空气质量监测数据对兰州空气污染变化特征进行总结分析，并针对影响兰州空气污染的冬春典型个例开展数值模拟研究，首先利用WRF模式对冷空气引起的春季沙尘型污染个例进行模拟分析，通过地形和地表热通量敏感性试验，探讨地形热力因素对兰州河谷风场、边界层结构的影响；其次利用气象模式和化学模式双向耦合的WRF-Chem模式，分析了兰州市冬季静稳型空气污染的特征及其边界层结构的影响。主要研究结论如下：
　　（1）2001-2016年，兰州市年空气质量有所好转，API/AQI年际变化呈显著地波动下降，重污染日数显著减少；大气中SO2浓度下降非常显著，2011-2016年（2012缺）SO2年平均浓度都达到国家二级标准；PM10年平均浓度整体呈现下降趋势；2014-2016年，兰州市首要污染物以PM10和PM2.5为主，1、12月的首要污染物主要为PM2.5，其余月份为PM10。
　　（2）在春季空气污染典型个例中，先升后降型重污染事件主要由上游被扬起的沙尘随着冷空气进入兰州而造成的，WRF模式较成功地模拟了冷空气入侵兰州山谷过程中温度风场的变化特征，发现冷空气在2.5km以下沿兰州东北侧部进入山谷中，3.5km以上为西向的梯度风，夹在中间的2.5-3.5km高度范围出现风速小于4m·s-1的弱风层，由于2.5km上下的温度迅速降低，在2.5km以上形成逆温层；2.5km以下风速和位温垂直梯度都很小，夜间（19日1500-1900UTC）出现厚度超过700m的混合层。
　　（3）地表热通量在冷空气过境阶段对风速和位温影响较小，在没有明显的天气过程时，对日间位温的影响最大，傍晚（0900-1200UTC）局地热强迫增强会产生“东风效应”；地表热通量对边界层高度的影响主要在日间，边界层高度随地表热通量减小而降低。地形敏感性实验表明，在冷空气过境阶段地形改变对风速影响最大，在这个时间段内，降低山谷南北两侧地形都会增加山谷内的风速，但对弱风层高度几乎没有影响，表明弱风层的形成可能与兰州山谷所处的大地形有关，而与局地地形的关系不大；午间，降低南侧山脉高度会在约2.3km处形成一个新的厚度为200m的逆温层，导致边界层高度由1.8km降为1.0km。
　　（4）针对兰州冬季严重的空气污染，WRF-Chem模式较好的模拟效果，YSU方案对气象场和污染物浓度的模拟效果都略优于ACM2方案，模拟的颗粒污染物日变化峰值与监测值之间则有较大差别，这可能主要是由污染物源强的日变化和边界层高度共同作用造成的。
　　（5）数值模拟结果显示，兰州上空500m以下多为静风小风，由山谷地形引起的白天以下沉气流为主、夜间近地层上升气流弱、夜间贴地逆温强和日间脱地逆温等诸多条件都不利于空气污染物的扩散；在污染最重期间，白天也存在强的贴地逆温，导致污染物浓度维持在较高水平；日间边界层高度能显著影响颗粒污染物浓度，二者具有较好的负相关关系。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2研究现状

1.3本文的研究内容

第二章 资料与方法

2.1空气污染指数和空气质量指数

2.2主要资料

2.4模式简介

2.5模拟结果检验方法

第三章 2001-2016年兰州市污染特征分析

3.1 API/AQI时间变化特征

3.2 AQI首要污染物特征

3.3大气污染物浓度变化特征

3.4本章小结

第四章 兰州市冷空气引起的春季沙尘型污染个例分析

4.1个例选取

4.2 WRF模拟试验

4.3敏感性试验

4.4本章小结

第五章 兰州市冬季静稳型空气污染个例分析

5.2模式设置

5.3模拟结果检验及分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.2本文特色与创新点

6.3不足与展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢