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城市群落大气污染源影响的空间结构及尺度特征 总被引：29，自引：1，他引：29
以迅速发展的城市群落-北京及周边区域为样本, 利用2003年冬季(2月)、夏季(8月)北京城市大气环境现场科学试验(BECAPEX, Beijing City Air Pollution Observation Experiment)建筑群边界层大气污染动力-化学过程观测资料以及相关的气象要素、卫星反演气溶胶光学厚度等综合资料, 进行“点-面”空间结构动力-统计合成分析, 剖析北京大城市及周边区域大气污染影响域的空间结构及多尺度特征. 结果表明, 冬、夏季不同污染排放源对大气污染成分特征的贡献率具有显著差异, 统计模型主成分分析结果亦表明, 冬季气溶胶颗粒物成分结构以SO2和NOx影响为主; 夏季粒子成分结构则以CO, NOx影响为主. 冬、夏季北京城区不同方位测点近地层大气动力、热力结构及建筑群上边界各类污染物种均具有“同位相”变化及其“影响域”空间尺度特征. 功率谱分析发现冬、夏季颗粒物浓度和大气风场动力结构的周期谱相吻合, 冬季以长周期为主, 夏季则多为短周期, 揭示出冬、夏季大气环流季节性尺度特征对大气污染变化周期特征的影响效应. 分析城市区域热力非均匀性特征, 可发现北京地区热岛多尺度效应与高层建筑群面积非均匀扩展特征存在相关关系. 城市大气动力、热力特征空间结构中城市边界层群筑群湍流尺度特征对城市大气污染多尺度特征具有重要影响. 晴空、稳定天气条件下MODIS气溶胶变分订正分析场和污染源追踪相关合成风矢场综合分析模型均表明, 冬季北京大气污染气溶胶颗粒物的排放源可远距离追溯到北京南部周边的河北、山东及天津等地更大尺度空间范围, 气溶胶指数高值区与北京及周边地区居民户数高值区(采暖面源)空间分布存在关联. 冬、夏季空气质点后向轨迹特征呈类似上述多尺度特征, 且描述出不同季节污染源空间分布的尺度特征差异, 城区大气污染周边源轨迹路径主体来自城市近郊固定工业面源或采暖面源, 且冬季周边污染源扩散输送距离较夏季呈更远的空间尺度, 上述结论描述出城市区域大气污染源影响和大气动力结构引起的多尺度空间影响域及季节性特征. 冬季TOMS气溶胶光学厚度高值区域位于北京地区并向南延伸, 且呈南北向带状分布, 可描述出周边地形分布对区域尺度大气污染源扩散的动力影响效应. 研究分析表明: 北京周边大地形“谷地”内冬季污染程度与南部周边地区的污染排放源密切相关; 北京及周边地区冬季的气溶胶光学厚度和日照时数的“反位相”变化特征显著, 冬季云量、雾日数与气溶胶呈区域尺度相关特征, 反映了该区域尺度气溶胶影响的局地气候效应. 另外, 流域面尺度的大气干、湿沉降分布对密云水库区域尺度空间水体的影响分析亦反映了夏季水、土、气多圈层污染源影响多尺度空间结构对密云水库水质影响的可能性. 相似文献
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利用WRF模式中5种常用边界层参数化方案(ACM2、YSU、BouLac、MYJ和MYNN2.5)及美国能源部大气辐射观测试验(ARM)寿县综合观测数据(2008年8—12月),对比分析了晴天及阴天条件下,不同参数化方案对典型农田下垫面气象要素及边界层结构的模拟效果,结果表明:(1)模式对于云层状况的模拟,非局地方案ACM2和YSU方案优于局地方案.(2)对于近地层气象要素,晴天和阴天条件下均是ACM2方案对于2 m温度和比湿的模拟效果最好,MYJ方案对于风向风速的模拟效果最好.(3)对于位温及比湿垂直廓线的模拟,晴天和阴天条件下均是非局地方案(ACM2和YSU)对白天的模拟效果优于局地方案;ACM2方案对夜间弱稳定层结和逆湿结构的模拟最优;(4)对于风速垂直廓线的模拟,白天不稳定条件下,晴天条件MYJ方案最优,阴天MYNN2.5方案的模拟效果最好;夜间弱稳定条件下,晴天条件ACM2方案与观测值之间的偏差最小,阴天YSU方案模拟效果最好;(5)总体而言,在对典型农田下垫面进行模拟时,晴天和阴天条件下均是ACM2方案更具优势. 相似文献
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对耦合了Noah陆面模式和单层城市冠层模式的WRF(Weather Research and Forecasting)模式系统进行了改进和优化,通过对2010年8月6－7日北京地区晴天个例的模拟试验,检验了优化前后模式系统的模拟能力,分析研究了该个例中城市边界层的特征及日变化.另外,使用优化后的模拟系统通过两组敏感性试验研究了京津城市下垫面对海风的影响.结果表明,优化方案能够显著提高模式系统对该个例的模拟性能,模式系统基本能够模拟出北京夏季边界层的日变化特征,精确的地表使用类型分类等地理信息数据对提高模式预报的准确度有着至关重要的作用,京津城市对海风的发展和推进过程有明显影响,能够阻碍海风的推进、加强风场的水平辐合和垂直上升气流,北京城市下垫面还能在海风到达前增加其强度和推进速度,并在海风经过后延缓其消亡、增加其推进距离. 相似文献
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城市化进程对北京地区冬季降水分布的影响 总被引：8，自引：0，他引：8
根据北京地区城市化程度将城市化进程分成两个时期: 即以1980年为分界点, 将1961~1980年划分为城市化慢速期, 1981~2000年为城市化快速期. 利用北京地区14个标准气象站40 a的降水量资料. 研究了城市化进程对北京地区降水分布的影响. 结果表明: 北京地区冬季降水分布发生了显著的、系统性的变化; 城市化缓慢期, 北京地区南部为降水相对较多地区, 北部为降水相对偏少地区; 城市化快速期, 相对降水量的分布正相反, 南部地区变为降水相对较少地区, 而北部变为降水相对偏多地区. 随着城市规模的扩大, 北京冬季“城市热岛”和“城市干岛”效应增强, 加速了云下降水物的蒸发过程, 使城区及南部地区的降水相对减少. 这可能是造成北京冬季降水分布变化的重要原因之一. 相似文献
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北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污染物浓度关系的研究 总被引：9，自引：1，他引：9
利用2001年3月19~29日和2003年8月11~25日中国科学院大气物理研究所325m大气边界层观测塔资料,分析研讨了北京城市大气边界层低层的垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系.对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料,综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征及其与污染物浓度空间分布的关系,同时分析了北京地区沙尘天气过程中城市边界层低层垂直结构特征及其污染物浓度的分布与变化特征.分析结果表明,在不稳定层结条件下,47和120m高度上无因次速度湍流方差和温度湍流方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,并给出相应的拟合公式.稳定大气边界层可按层结参数z′/L分成二分区,z′/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z′/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大的趋势,而无因次温度方差则保持不变.白天近地层包含了47和120m,而280m已在近地层之上.对2001年3月北京地区一次沙尘天气过程的城市边界层资料分析发现,320m高度上总悬浮颗粒物浓度最高达到913.3μg/m3,在边界层内大气颗粒物从上层向低层输送,这与锋面过境时低空急流从上层向下发展过程并伴随的强下沉运动有关. 相似文献
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近年来城市化和大气污染对辐射收支的影响日益显著.本研究利用2013—2014年中国科学院大气物理研究所325m铁塔、南郊观象台、密云气象塔、上甸子区域大气本底站四个观测站点的辐射及自动站气象要素数据,采用南郊观象台的能见度资料将观测数据分为清洁天和污染天,并进行类比分析,以1月份为例,研究了北京地区大气污染和城郊差异对辐射收支的影响.结果表明:(1)从月平均值来看,各站污染天入射短波辐射均小于清洁天,衰减最大可达55.8W·m~(-2),直接辐射亦然,衰减最大可达161.1W·m~(-2),散射辐射相反,增加最大值为72.2W·m~(-2);长波辐射污染天大于清洁天,向下向上长波辐射增加最大值分别为85.0 W·m~2和70.0 W·m~(-2),且长波辐射的衰减与污染物浓度和大气温度相关;净辐射白天污染天小于清洁天,夜间相反.(2)从各站的对比可知,大气污染对入射短波辐射的衰减,南部郊区(13.2%)大于北部城区(7.4%),与北京地区"南北两重天"的污染物分布特征一致;且污染物对长短波辐射的影响呈现了从城区到郊区衰减率依次减小的现象.本研究为大气污染与气象条件的相互作用研究提供了观测基础. 相似文献
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《地球物理学进展》2015,(3)
本文利用中尺度可分辨云模式(WRF,Weather Research and Forecasting)对2011年8月14日北京地区一次强降水过程进行了数值模拟和敏感性试验,研究了城市环境(包括城市气溶胶和城市地表)对北京地区云和降水的影响.研究结果表明:城市气溶胶污染增强和城市地表使得北京地区(城区和周边)降水量减少,对城区平均累积降水量的影响作用分别为-38.92%和-3.4%.降水系统向北京主城区移动过程中,城市气溶胶在城市环境影响降水过程中的作用逐渐减小为85.13%,城市地表的作用增加到14.87%.城市污染气溶胶增强,使得非降水性粒子增多,而降水性粒子减少,这不利于对流的发展增强,使得水汽的垂直输送减弱,导致区域降水量减小.城市地表对强对流的发展也表现为减弱作用,这使得水汽的垂直输送减小,区域降水量减小. 相似文献
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研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感. 相似文献
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研究表明在珠三角目前的污染状况下,至少一半以上的紫外辐射被大气气溶胶衰减,如此大幅度的紫外辐射衰减对城市生态系统和物种化学循环,尤其是臭氧光化学反应过程有重大的影响.利用地面观测的臭氧、紫外辐射、气溶胶辐射特性参数以及辐射和化学模式定量评估了大气气溶胶对地面臭氧影响的显著性.实例分析表明,珠三角大气气溶胶和紫外辐射与臭氧之间的相关性显著,气溶胶光学厚度（AOD）与地面PM10的浓度相关性高达0.98,AOD与相应时次的紫外辐射和臭氧的反相关性明显,相关系数可达-0.9.分析表明气溶胶污染通过衰减紫外辐射可显著降低臭氧的产率,AOD为0.6时臭氧的午间峰值区消失,AOD至1.2时午间峰值区呈下降趋势,造成午间臭氧的生成产率明显降低.目前干季（10,11,12和1月）广州的气溶胶光学厚度AOD550 nm≥0.6（AOD340 nm≥1.0）的出现概率为47%（55%）,珠三角在干季出现臭氧极大值的机会少与严重的气溶胶污染抑制臭氧峰值的出现应有密切的关系.分析表明应用辐射化学模式计算气溶胶的辐射效应时对单散射因子（SSA）十分敏感,表明应用辐射化学模式计算臭氧的产率时应慎重选取合理的单散射因子值. 相似文献
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夏季华北地区二次气溶胶的模拟研究 总被引：8，自引：0，他引：8
通过模式结果与观测的NOx,CO,O3,NH3,HNO3,SO2和PM2.5的对比,说明CMAQ空气质量模式能够较好地模拟华北地区污染物的变化.同时,模式结果表明河北、河南和山东地区NH3的浓度较高,平均浓度为(30～35)×10?9.模拟试验的结果表明高浓度的NH3使得二次气溶胶中硫酸盐气溶胶生成效率提高了大约30%以上,特别是在邯郸、安阳和长治交界地区其作用更显著,达到了50%.而且,NH3还会增加二次气溶胶中含氮气溶胶和铵盐成分,二者的质量浓度和与硫酸盐气溶胶相当.北京地区边界层高度在白天较高,中午平均高度为1500m.这使得SO2,NH3和HNO3可以输送到边界层上部850hPa.硫酸盐、铵盐和硝酸盐分别在边界层上部和下部形成各自的高浓度区.由于PM2.5的寿命较长,因此它们可以被输送到对流层的中层,形成深厚的气溶胶层,构成了北京地区气溶胶的穹隆.模式结果表明:如要控制华北地区夏季大气中气溶胶的浓度,除了减少SO2和NOx的排放以及一次气溶胶的排放外,降低大气中NH3的排放也是有效办法之一. 相似文献
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本文利用区域气候模式RIEMS2.0(Regional Integrated Environmental Model System)和2006年以及2020年三种排放情景下的排放资料,研究了2006年气候背景下的人为气溶胶的浓度分布特征及辐射效应,估算了未来不同排放情景下人为气溶胶的主要成分硫酸盐、硝酸盐、黑碳、有机碳(含二次有机碳)的综合气候效应.结果表明:(1)2006年中国地区人为气溶胶浓度硫酸盐>有机碳>硝酸盐>黑碳,其区域柱浓度平均值分别为6.0、4.0、1.3和0.3 mg/m2.(2)2006年硫酸盐、硝酸盐、有机碳和黑碳的平均辐射强迫分别为-1.32、-0.60、-0.40和0.28 W/m2.硫酸盐、硝酸盐和有机碳的负辐射强迫超过黑碳的正辐射强迫,人为气溶胶总辐射强迫为-1.96 W/m2.(3)人为气溶胶的辐射效应及引起的地面气温变化对排放源非常敏感,未来采取不同排放政策导致的人为气溶胶的含量及辐射效应有较大差异.在未来排放增加的情景下,各区域的气溶胶浓度、辐射强迫、气温下降幅度和降水减少幅度也相应加大. 相似文献
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在采用各向异性湍流动能闭合方案和3阶Runge Kutta时间积分方案的大涡模式中,引入由森林冠层粗糙元造成的动量拖曳项、热量输入项和TKE耗散项,以模拟森林冠层和森林边界层的气象场. 通过中性和不稳定层结条件下不同叶面积指数算例的模拟分析及与已有观测结果的比较表明,本文所建大涡模式对森林冠层和森林边界层有较好的模拟效果. 进一步研究表明：不稳定层结条件下较稠密的森林冠层中特有的Kinking & Pairing湍涡结构与森林边界层中湍流的大涡运动相互作用,形成了森林冠层附近的温度斜坡型结构. 相似文献
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本文利用中尺度模式WRF V3.9对2016年7月16日成都一次污染天气下的城市热岛环流个例进行了数值模拟,分析了城市热岛环流的三维结构及演变特征.并通过设计减少气溶胶光学厚度的敏感性试验,研究了污染对城市热岛环流的可能影响.结果表明:当地时间17∶00城市热岛环流开始形成.随着热岛强度增强,环流增强,城乡边界处的城市风锋不断向城市中心推进.19∶00热岛环流结构最显著.21∶00环流结构被破坏,仅低层存在微弱的乡村风.在热岛环流结构最显著时刻,近地面风场由郊区向城市辐合,地面以上2.0km处风场由城市向乡村辐散,辐散中心与辐合中心位置大致对应.此时城市风锋在城市处合并,环流的水平尺度约为城市尺度的2～2.5倍.当气溶胶光学厚度减小后,城市热岛环流尺度和强度以减小为主.特别是在热岛环流最显著时刻,低层乡村风风速减小,城市风锋最大上升速度降低,环流的水平尺度在西、南、北三个方向均减小,且高空回流高度降低.可能的影响机制是,气溶胶光学厚度减小后,净辐射通量增大,城乡地表能量通量差异增大,城市边界层高度升高.但城市边界层高度升高对城市热岛的抑制作用超过了城乡地表能量通量差异增加对城市热岛的增强作用,最终造成城市热岛减弱,环流减弱. 相似文献
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本文利用高分辨率中尺度WRF模式,通过改变边界层参数化方案进行多组试验,评估该模式对美国北部森林地区边界层结构的模拟能力,同时比较了五种不同边界层参数化方案模拟得出的边界层热力和动力结构.结果表明：除个别方案外,配合不同边界层方案的WRF模式都能成功模拟出白天对流边界层强湍流混合特征和夜间稳定边界层内强逆温、逆湿和低空急流等热力和动力结构.非局地YSU、ACM2方案在白天表现出强的湍流混合和卷夹,相比于局地MYJ、UW方案,模拟的对流边界层温度更高、湿度更低、混合层高度更高、感热通量更大,更接近实际观测,这表明在不稳定层结下考虑非局地大涡输送更为合理,但局地方案在风速和风向的预报上存在一定优势.TEMF方案得到的白天局地湍流混合强度为所有方案中最弱,混合层难以发展,无法体现对流边界层内气象要素垂直分布均匀的特点.对于夜间稳定边界层的模拟,不同参数化方案之间的差异较小,但是YSU方案在一定程度上高估了机械湍流,导致局地湍流混合偏强,从而影响了其对稳定边界层的模拟能力. 相似文献
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为了探究北京城市下垫面对雾天气过程的影响,为北京地区雾数值预报水平的提高提供理论基础和科学依据,选取2011年10月29日北京地区雾天个例进行了数值模拟试验,通过对WRF/Noah/UCM模式系统中城市冠层参数的调整,显著改善了模式对此次雾天气过程的模拟效果.使用参数调整后的模式系统通过敏感性试验分析研究了北京城市下垫面对雾发生、发展和消散过程的影响.结果表明:参数调整后的WRF/Noah/UCM模式系统能够与实际观测较相符地模拟此次发生在北京地区的雾天气过程,北京城市下垫面主要通过对温度的改变对雾的形成、发展和消散产生显著影响,使雾不易在城市及其附近形成和发展,延后城市地区雾的形成,但城市的存在也使得城市地区及其附近雾不易消散,相较于没有城市时消散时间延后. 相似文献
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城市环境大气重污染过程周边源影响域 总被引：39，自引：9，他引：39
北京城市周边污染源影响问题是北京环境污染治理决策亟待解决的关键环节之一. 综合分析2001年1~3月份BECAPEX(Beijing City Atmospheric Pollution Experiment), MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)与TOMS(Total Ozone Mapping Spectrometer)卫星遥感资料, 提出追踪污染源“上游”风场合成矢量法. 通过统计分析北京及周边地区TOMS与MODIS卫星遥感气溶胶区域性特征, 发现北京城市重污染过程与南部周边城市群落排放源影响相关显著, 北京周边向南开口的类似“马蹄型”地形可能导致周边源远距离输送的污染物“滞留”效应, 形成北京与南部周边排放源近似南-北向带状影响域. 综合分析北京地区重污染过程轨迹特征, 并选取2001年1~3月份重污染过程与空气质量良好时段作为分析样本, 采用HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)轨迹模式进行模拟试验, 揭示了北京城区重污染过程河北、山东和天津等地城市群落污染排放源扩散轨迹. 选取北京城区异常重污染过程个例, 并用RAMS(Regional Atmosphere Model System)模式模拟试验, 亦揭示了北京城区异常污染过程周边外源贡献率, 进一步证实了北京城市重污染过程加剧的重要因素之一是南部周边城市污染物外源的输入. 相似文献
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为了修正中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting model)对低层风速模拟的系统性误差,有学者在新版本WRF模式的YSU(Yonsei University)边界层参数化方案中加入了两个地形订正方法:Jiménez方法和UW(University of Washington method)方法.本文利用这两个地形订正方法,选取了两个时间段,对北京地区的地面气象要素以及气象要素垂直廓线进行了个例模拟研究,模拟结果和观测数据的比对表明在北京地区:是否采用地形订正,对地面温度的模拟几乎没有影响;采用地形订正后,模式对地面风速的模拟有明显的改进,两种方法对风速模拟的差别主要体现在山/丘陵地区;Jiménez方法在山/丘陵地区的模拟风速明显偏大,而采用UW方法进行订正后,模拟的风速减小,更接近观测值;两种方法在山谷地区对风速均有一定的过度订正.通过分析气象要素的垂直廓线发现,不同地形订正方法主要影响的是2000m以下的低层风速.总体而言,UW地形订正方法在北京地区更为适用,采用UW方法后,模拟得到的地面气象要素的各项统计参数基本达到了统计基准值. 相似文献
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本文利用1994～2003年北京市11个气象台站的7、8月夏季常规地面观测资料，并结合中国科学院大气物理研究所325m高铁塔观测资料，分析了近10年的城市化进程对北京市夏季城市气候造成的影响. 结果表明，各气象要素变化都突现了城市化进程的影响：(1)城区相对湿度较郊区明显偏小，呈现一“干岛”特征，且相对湿度呈逐年下降趋势；(2)降水方面，近10年来，北京市的夏季降水量逐年下降非常明显；(3)平均日蒸发量和日照时数城区大于郊区；(4)虽然城区能见度明显小于郊区，但总体来讲，1999年以后，北京地区的能见度趋好；(5)地温同样存在城市热岛现象；(6)北京地区35℃以上高温天数基本呈增多趋势，且城区高温天数明显多于郊区；(7)边界层强逆温的存在有利于城市夏季强热岛的出现. 相似文献
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基于华北典型污染地区的地基多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）近4年的观测数据,利用最优估计算法和LIDORT辐射传输模式反演了该区域气溶胶的消光系数垂直廓线和光学厚度（AOD）.MAX-DOAS观测反演的AOD与全球气溶胶观测网络同波段在华北地区的AOD间具有很好的一致性,相关系数都在0.9以上,证明MAX-DOAS具备对华北污染区域气溶胶光学厚度和消光系数垂直廓线的反演能力.AOD的反演误差表现为冬季最大,春夏最小,早晚大于正午,这是因为冬季以及早晚太阳天顶角较大导致信噪比偏小,所以AOD反演误差偏大.反演廓线表明该区域气溶胶主要集中在1 km以下的边界层,浓度随高度呈指数递减,部分情况下峰值出现在300 m处;气溶胶光学厚度夏季最大,冬季最小,正午较大,早晚较小.在东风条件下浓度最高,表明东边（即重工业城市唐山方向）的输送对香河和周边区域的气溶胶积聚有重要贡献. 相似文献
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在能量平衡方程中引入气溶胶的吸收和散射作用,并与三维行星边界层运动方程组相耦合,根据温度分布显式求解运动场,探讨三维行星边界层内温度、运动、气溶胶浓度分布特征.结果表明,城市人为热释放直接决定了城市热岛效应的强度,城市面积越大,城市热岛效应的强度也越强,城市面积固定时,城市越分散,城市热岛效应的强度越弱,这为城市建设多采取卫星城的方式提供了一定的理论支撑.气溶胶的散射作用要大于吸收作用,其对城市热岛效应的强度主要起削弱作用,当气溶胶浓度较大时,吸收作用更显著一些,此时城市热岛效应的强度会有一定的增强,但是幅度不大.当城市热岛效应的强度增强时,其所驱动的环流也会增强,造成城区中心气溶胶浓度略有下降. 相似文献