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2013—2023年兰州山谷持续性冷池空气污染特征

干旱区研究 2024年第3期41卷 375-386页

作者：康国强马敏劲曹译丹陈然兰州大学大气科学学院甘肃兰州730000

持续性冷池(Persistent Cold Air Pools,PCAPs)在山谷城市长时间聚集空气污染物,严重影响居民生活与身体健康。本文使用2013年1月—2023年11月的探空数据和空气质量逐日数据,计算并统计分析了兰州山谷PCAPs发生特点,以及PCAPs强度对污... 详细信息

持续性冷池(Persistent Cold Air Pools,PCAPs)在山谷城市长时间聚集空气污染物,严重影响居民生活与身体健康。本文使用2013年1月—2023年11月的探空数据和空气质量逐日数据,计算并统计分析了兰州山谷PCAPs发生特点,以及PCAPs强度对污染物浓度变化的影响,最后对比分析PCAPs事件期间存在沙尘气溶胶污染时各污染物浓度的变化情况。结果发现:2013—2023年期间一共发生59次PCAPs事件,共计持续197 d。PCAPs期间的山谷热亏缺与PM2.5浓度比非PCAPs期间分别高4.4 J·m^(-2)和52.59μg·m^(-3)。PCAPs期间空气质量指数(Air Quality Index,AQI)、SO2浓度、NO2浓度、CO浓度、PM10浓度增长分别为70.37%、144.3%、84.3%、156%、73.15%,而O3浓度下降60.89%。在PCAPs期间并且无沙尘气溶胶时,PM2.5:PM10的值平均在0.58,在PCAPs期间并且有沙尘气溶胶时,PM2.5:PM10的值平均在0.31。当存在沙尘气溶胶时PM2.5浓度、PM10浓度、AQI、O3浓度增长分别为:18.33%、133.03%、84.44%、8.5%;而SO2浓度和CO浓度则分别降低17.54%和17.88%。研究结果可为兰州地区大气污染防治及管理策略提供参考。

关键词：持续性冷池沙尘气溶胶山谷城市山谷热亏缺空气污染

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兰州持续性冷池空气污染特征及其生消过程的研究

兰州持续性冷池空气污染特征及其生消过程的研究

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作者：杨秀梅兰州大学

学位级别：硕士

随着工业化和城市化进程不断加快,城市大气污染问题日益严重,逐渐引起了广泛关注,中国城市空气污染问题涉及的区域广、区域间差异大、形成原因复杂。兰州市位于青藏高原东北侧的黄河河谷盆地中,是典型的半干旱区山谷城市,又是中国西北... 详细信息

随着工业化和城市化进程不断加快,城市大气污染问题日益严重,逐渐引起了广泛关注,中国城市空气污染问题涉及的区域广、区域间差异大、形成原因复杂。兰州市位于青藏高原东北侧的黄河河谷盆地中,是典型的半干旱区山谷城市,又是中国西北的重要工业基地,人口和建筑物都相当密集,曾经也是中国乃至全世界空气污染最严重的城市之一,由于其特殊的山谷地形及其所产生的气候效应,大气污染物的扩散和输送过程远比一般平原城市复杂,尤其是不同影响因子之间的互反馈作用在山谷盆地变得更加突出。基于此,本文首先对2005-2016年资料统计了兰州空气污染特征及持续性冷池出现频次及月变化特征,其次对一次典型的持续性冷池个例的天气形势及气象要素的变化特征进行了分析,最后利用WRF-Chem模式探讨持续性冷池形成、维持、消散的成因,并进一步开展了地形敏感性试验探讨地形对兰州市空气污染的影响。主要结论如下:(1)兰州市空气质量以良和轻度污染为主,优和重污染天气较少出现。兰州市PM年均浓度呈下降趋势,2008年之后SO年均浓度也呈下降趋势,但自2013年之后,NO浓度逐年上升;PM和PM浓度均减小,但PM和PM污染日的频率在2016年明显增加。兰州市PM和PM浓度相关系数达R=0.56(α=0.01),PM浓度约占PM的28%(整个中国为47%),兰州市细颗粒物所占比例较小。2005-2016年兰州总计出现持续性冷池192次,主要发生在秋冬季节,12、1月出现频次最大。持续性冷池发生时,大气污染出现频率为63%,所有重污染天与持续性冷池相关的占26%,中度、轻度污染天的分别为49%和27%。(2)在持续性冷池过程中,850hPa以高压为主,地面高压将冷空气带到兰州河谷盆地,高压中心附近气压梯度力很小,近地面为小风或静风。500hPa上空东亚为一槽一脊控制,兰州位于脊前,700hPa上有明显增暖,这种上暖下冷的配置利于逆温加强,进而利于冷池产生和维持。在整个过程中湿度变化幅度较小,在污染持续过程中气压逐渐降低,当气压降到最低时,空气污染变为轻度污染后,随后气压逐渐升高。(3)在持续性冷池过程中,08:00和20:00高层均以西风为主,强度略减弱,近地面风速很小,风向不定。2014年12月31日至2015年1月1日兰州上空为贴地逆温,1月2日至3日逆温强度明显增强,厚度变大,出现中度污染,1月4日20:00贴地逆温相当浅薄,1600m以上高空有一强烈逆温层,高度超出周围山体高度,对底层大气的顶盖作用消失,同时中高层风速明显增大,利于大气污染物扩散。(4)与观测值相比,WRF-Chem模式很好的模拟出风速、温度、边界层的日变化特征,同时模拟出颗粒物浓度日变化、峰值谷值以及浓度剧增和剧减的特征。河谷盆地逐小时HD(heat deficit)值对逐小时颗粒物浓度有2h的滞后影响,HD和PM浓度之间有较好的正相关关系,即HD值越大,PM浓度越大,相关系数可达R=0.50(α=0.01)。冷池开始阶段上层增温是由垂直温度平流和非绝热加热共同引起,维持阶段上层温度水平平流使得逆温一直存在,强度没有减弱,消散阶段,垂直和水平温度平流作用使得冷池上空出现降温。(5)削减地形后,白天地形敏感性试验比控制实验的风速、边界层高度大,地表温度小,夜间变化不显著;1月2日08:00和20:00的逆温层高度降低,强度减弱,08:00最明显,边界层顶的高度比控制试验低400m;1月3日逆温强度减弱,近地面气温降低,地形高度消减之后,持续性冷池强度减弱,持续时间变短。地形高度削减后,兰州西侧的青海地形高度降低,南风和偏东风将兰州河谷盆地积累的大气污染物向西向北扩散,污染物在青海积累,兰州河谷盆地大气污染物浓度减小,最大可减小36μg/m以上,兰州东侧和南侧南风加强,一方面利于兰州大气污染物向北扩散,同时山脉阻挡作用减弱,当有比较强的南风出现时,南方的大气污染物可以较通畅的向北输送,进而影响兰州空气质量。

关键词：持续性冷池环流形势逆温大气污染 WRF-Chem模式

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