边界层参数化方案对城市空气质量模拟效果的影响研究

摘要

中尺度大气数值模式的建立及其与大气污染扩散模式的衔接是数值模拟的重要分支，也是目前城市空气污染问题的主要研究方法。边界层参数化是数值模式的一个重要组成部分，较真实的模拟边界层中的湍流运动，对于大气污染物的分布扩散及空气质量模式的运行效果具有重要意义。“乌鲁木齐市大气污染成因及防治对策研究”即是以乌鲁木齐市为研究对象，探讨乌鲁木齐市冬季重污染问题及其成因，了解地区污染的分布形成规律。本研究是该课题的组成部分，利用MM5中尺度气象模式和CALPUFF空气质量模式，采用不同的边界层参数化方案，模拟区域的流场和湍流运动，比较不同边界层参数化方案下大气污染物的浓度分布情况。主要结论如下： (1)Blaekadar PBL方案、Eta PBL、MRF PBL和Gayno-Seaman PBL参数化方案水平风场模拟结果与监测站的实测资料吻合较好。夜间，不同方案间模拟结果相差较小，垂直剖面风矢量图中各高度层风向变换趋势大致相同。白天，4种方案模拟结果差别较大，主要体现在风速最大值出现的位置和影响范围不同。4种方案对于高空风场的模拟存在较大差异，表现在风向转换和风速两方面； (2)对于风速廓线的模拟，各方案间存在较大差异，但变化趋势大致相同。近地面至300m左右高度，风速值变化较小，从300m高度层开始，风速变化显著。在夜间层结稳定情况下，低高度处风速随高度先变小，随后快速增加，达到一定高度处风速达最大，在白天不稳定层结情况下，风速先变大，后变小，最后随高度趋于均匀。总体来看，风速变化不是很规则，这与该地区大气扰动较大有关； (3)各方案模拟的温度层结大体结构相同，但在对流层中低层却存在明显差异；无论白天、夜间，温度都随高度增加而升高较快，出现逆温，夜晚逆温强度强于白天，400m高度开始，温度递减，各方案模拟结果大致相似，与乌鲁木齐长期监测资料吻合； (4)三个监测站点的SO2浓度值变化较大，早晨浓度最大，中午最小，傍晚介于两者之间；SO2模拟值中午时段较高，而早晚较低，这是因为中午时段对流运动及垂直扩散的加强导致了高架源排放污染物向近地面层的下泄，而早晚稳定的大气层结不利于高空污染物向地面的转移； (5)PM10模拟浓度值随路面机动车流量的变化而变化，并在上下班高峰期呈现峰值，各方案模拟浓度值白天均高于夜晚及凌晨时段； (6)4种方案对于SO2和PM10的模拟结果随时间的变化趋势大致相同。特别是夜晚及清晨模拟差异较小，但在15～18时往往存在较大差异，Gayon-Seaman PBL方案和EtaPBL方案对应的模拟值明显高于其他两种方案； (7)4种方案中，Eta PBL方案和Gayno-Seaman PBL方案模拟高空及近地面风速较小，各点源排放污染物在较大范围内均匀散布开来，仅在点源附近表现出较高浓度。Blackadar PBL方案和MRF PBL方案等值线密集，污染物在水平输送气流的影响下，常可导致下风向地区大范围高浓度值的出现； (8)采用MM5输出的气象场资料进行空气质量数值模拟，可以在一定程度上较好地反映重污染天气过程中，SO2g和M10等常规污染物的浓度变化特征，特别是日变化特征。但由于研究工作中考虑的源的数量、种类的局限性，模拟的浓度值与实测值相比偏低。

目录

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第一章文献综述

1.1气象场对空气质量的影响研究

1.2城市空气质量数值模拟的研究进展

1.2.1气象场数值模拟研究进展

1.2.2空气质量数值模拟研究进展

1.3边界层参数化方案对空气质量模式的影响作用研究

1.3.1中尺度模式中应用边界层参数化的意义

1.3.2边界层参数化的研究现状

1.3.3边界层参数化对空气污染物扩散的影响

1.4研究目的和意义

1.5研究内容和技术路线

1.5.1研究内容

1.5.2研究技术路线

第二章研究方法及资料来源

2.1研究方法

2.1.1中尺度数值气象模式MM5

2.1.2中小尺度空气质量烟团模型CALPUFF

2.2资料来源

第三章研究区域概况和污染特征分析

3.1研究区域概况

3.1.1自然环境概况

3.1.2社会、经济概况

3.2研究区域环境空气污染特征分析

3.2.1气象因素分析

3.2.2大气环境质量状况

第四章不同边界层参数化方案对MM5模拟结果的影响

4.1模式模拟设计

4.1.1天气形势

4.1.2模式设置

4.1.3 MM5边界层参数化方案简介及试验组合设计

4.2边界层参数化方案对MM5模拟效果的影响

4.2.1天气形势场

4.2.2风场

4.2.3温度场

4.2.4风速、温度廓线

4.2.5垂直速度

4.2.6涡度场

4.2.7相对湿度

4.3小结

第五章不同边界层参数化方案对城市空气质量模拟效果的影响

5.1模式模拟设计

5.2模式设置

5.3污染源数据

5.4边界层参数化方案对空气质量模拟效果的影响

5.4.1不同方案空气质量模拟效果与实况的比较

5.4.2不同参数化方案间模拟效果比较

5.5小结

第六章结果与展望

6.1主要结论

6.1.1关于边界层参数化方案对MM5模拟效果的影响

6.1.2关于边界层参数化方案对空气质量模拟效果的影响

6.2展望

参考文献

致谢

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