东北地区典型PM2.5污染过程中大气边界层结构与区域输送作用

作     者：卢硕 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵天良;李晓岚

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

主      题：大气边界层 PM2.5污染 区域传输 积雪下垫面 东北地区 

摘      要：由于地处较高纬度及冬季持续积雪下垫面的影响,东北地区冬季大气边界层结构具有特殊性,其对大气污染时空变化的影响作用是一个亟待深入认识的大气环境问题。本文利用东北地区气象-环境地面观测资料、再分析资料和2018年11月、2020年1月大城市大气边界层-气溶胶垂直强化观测试验数据,结合大气环境数值模式模拟,探究以本地累积为主和区域传输为主的东北地区典型PM污染过程中大气边界层结构演变特征及其变化机理。利用大气化学耦合模式WRF-Chem,设计一系列敏感性模拟试验,定量评估大气污染物区域传输和冬季积雪下垫面对我国东北地区PM污染变化的影响程度,并厘清了主要作用机理。主要研究结论如下:(1)东北地区城市局地累积型PM污染的大气边界层结构特征及其影响机理利用2020年1月中国东北地区主要城市沈阳、长春和哈尔滨的环境-气象观测资料,研究多尺度气象条件特别是大气边界层热力结构对上述东北城市PM污染的影响。2020年1月1-20日强化观测试验期间,哈尔滨城市PM污染程度最为严重。与沈阳和长春地区相比,哈尔滨地区的大气边界层稳定性更强,不利于大气污染物的扩散。近地面气温与近地面PM浓度和大气边界层高度之间的相关分析表明,气温与PBLH(Planetary boundary layer height,大气边界层高度)呈正相关关系(相关系数R=0.45,P0.01),与PM浓度呈负相关关系(-0.56,P0.01),表明东北地区冬季地面低温抑制大气边界层发展,加剧了PM局地累积。另外,大尺度天气环流驱动的高空暖流对东北地区PM污染过程中的大气边界层产生明显的抑制作用,反映了天气系统对东北地区PM污染的影响。(2)大气污染物区域传输对东北地区PM污染过程的影响程度及大气边界层变化特征利用2018年11月沈阳、长春和哈尔滨环境-气象观测资料和模式模拟,分析东北地区PM污染过程中华北地区大气污染物区域传输的定量影响及大气边界层结构的变化特征。受500 m高空大范围偏西南风边界层急流的影响,大气污染物从华北平原向东北地区输送。这些大气污染物滞留在夜间残留层内,次日日出后随着湍流垂直混合作用加强,大气污染物垂直混合至地面,使近地层PM浓度明显增加。基于FLEXPART-WRF模式的后向模拟分析表明,河北、山东等省份是沈阳和长春地区PM污染过程中大气污染物区域传输的主要源区,随后在西南风驱动下继续北传影响哈尔滨。外源PM区域传输对沈阳、长春和哈尔滨的贡献率分别高达71.3%,84.9%和82.8%。东北地区区域平均而言,区域传输对PM污染发生阶段的贡献为30.0～50.0%,对PM污染持续阶段的贡献率超过60.0%。(3)东北地区积雪下垫面对PM污染变化的影响程度和气象作用机理为探究东北地区积雪下垫面对区域空气质量变化的潜在影响,选择2020年1月13-18日的东北地区一次局地累积型PM污染过程,利用WRF-Chem模式开展控制试验和敏感性试验,敏感性试验将全部东北地区改为积雪下垫面,通过敏感性和控制性模拟试验的环境-气象模拟对比分析,定量评估冬季地表积雪对PM污染变化的贡献。积雪下垫面的影响导致东北地区PM污染区域面积和污染程度均增加,东北平原两大城市群PM浓度增加5.0～30.0μg·m。其中沈阳、长春和哈尔滨PM浓度分别增加了20.6μg·m、5.4μg·m和7.6μg·m,沈阳贡献率最大为18.8%,长春和哈尔滨正贡献较小可能与原始积雪下垫面有关。积雪下垫面大气边界层气象作用机理分析表明:积雪下垫面的近地面气温、大气边界层高度和通风系数均下降,有利于近地面PM累积,加重东北地区冬季PM污染。