霾污染模拟中大气边界层方案的不确定性评估及近地层参数化的研究

摘要

作为人类赖以生存的环境大气层，大气边界层，尤其近地层对大气中污染物的形成、累积以及清除过程起着重要作用，直接影响空气质量变化。由于大气边界层内流体总是以湍流状态存在，因此，大气边界层及其参数化一直是大气环境变化评估和预报的难题。围绕这一大气环境科学难题，本文主要基于大气化学模式开展霾污染模拟中大气边界层方案的不确定性评估研究，以及引入一个新的近地层方案并讨论分析了其对大气边界层湍流通量计算的影响。主要研究内容和结论如下: 1)霾污染过程中大气边界层气象-环境要素模拟分析 利用大气化学模式GRAPES_CUACE对京津冀地区2016年12月13日～2017年1月14日期间PM2.5质量浓度以及几种常规边界层内气象要素进行了模拟，并且通过常用的统计检验方法评估了模式模拟效果。结果表明，模式能够较好地模拟出各要素的变化趋势，但在数值上存在一定误差，尤其是在霾污染过程中，模式对大气边界层模拟的不确定性使得PM2.5的模拟偏差进一步加大。 2)不同边界层方案对霾过程中PM2.5的模拟评估 选取该模式中常用的三种边界层方案（MRF、MYJ以及YSU方案），针对模拟期间2016年12月16～21日这次霾过程，详细讨论评估了不同边界层方案对PM2.5以及边界层各气象要素模拟的影响。结果表明，三种方案均对PM2.5浓度存在不同程度的低估，并且对于污染期间白天和夜间，其模拟结果没有较明显的区分。总体上，YSU方案模拟效果最好，MRF方案次之且相差不大，MYJ方案低估最为明显。其次，三种方案对边界层内各气象要素的模拟情况不尽相同。对于近地面风速，MRF和YSU方案模拟结果整体好于MYJ方案;对于近地面气温和相对湿度，MYJ方案的结果则更加接近实际观测值。由此说明，除了边界层方案，近地层的湍流通量参数化也是影响模式中大气边界层结构的一个重要因素。 3)一个新近地层方案的引入及对湍流通量的模拟 详细介绍了一种新提出的近地层方案（简称Li方案），并且基于河北固城气象试验站提供的湍流通量观测资料，对Li方案和模式中经典的MM5近地层方案进行了离线的对比测试。结果表明，首先，动力粗糙度z0m和热力粗糙度z0h作为两个重要的地表参数，对于近地层湍流通量计算有着重要影响，因此应当予以区分。其次，Li方案在算法上的改进使其在动量和感热通量的模拟上相比MM5方案具有较为明显的优势。在整个霾污染期间，Li方案对于动量和感热通量的模拟结果整体优于MM5方案。尤其是在PM2.5的累积上升阶段，大气层结由不稳定向稳定过度期间，Li方案的优势更加突出。新方案的表现为今后将其在线耦合到大气化学模式提供了理论基础，同时也为提高大气环境预报质量提供了新的思路。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究目的和意义

1．2国内外研究进展

1．2．1霾的观测与模拟研究

1．2．2大气边界层理论以及数值模拟

1．2．3近地层湍流通量研究

1．3研究内容和章节安排

1．4技术路线图

第二章霾污染过程中大气边界层气象-环境要素模拟分析

2．1模式介绍

2．1．2 GRAPES_Meso模式介绍

2．1．3 CUACE模式介绍

2．2资料与方法

2．2．1实验设计及模式设置

2．2．2数据与研究方法

2．3结果分析

2．3．1区域评估

2．3．2站点评估

2．3．3污染过程中PM2.5以及边界层内气象要素的演变特征

2．4本章结论

第三章不同边界层方案对霾过程中PM2.5的模拟评估

3．1研究方法

3．2大气边界层方案

3．3结果分析

3．3．1模拟结果的统计性检验

3．3．2模拟结果的时空对比

3．3．3垂直结构的对比

3．4本章结论

第四章一个新近地层方案的引入及对湍流通量的模拟

4．1研究方法

4．1．1湍流动量、感热通量的简介

4．1．2 Li方案

4．1．3 MM5方案

4．2观测数据说明

4．2．1数据处理

4．2．2地表温度的确定

4．3结果讨论

4．3．1粗糙度对湍流通量计算的影响

4．3．2粗糙度的确定

4．3．3两种方案的对比研究

4．4本章结论

5．1全文总结

5．2研究特色

5．3展望

参考文献

致谢

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