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《中国气象科学研究院》 2017年
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北京山谷风环流及降雨对PM_(2.5)浓度的影响

董群  
【摘要】:PM_(2.5)已成为影响北京地区空气质量的首要污染物,全面了解其变化特征及影响机制是进行大气污染防治的重要基础。其中,气象条件是影响PM_(2.5)浓度演变的关键因素,因此本文基于北京地区2013~2015年秋冬季各自动站气象要素数据,大气所铁塔资料以及海淀气象站风廓线数据和该地区PM_(2.5)浓度数据,挑选典型个例分析山谷风环流特征及其对PM_(2.5)浓度的影响;同时,利用与惯性碰撞紧密相关的斯托克斯数Stk计算公式,结合海淀宝联大气成分站和海淀自动观测站2012年10月~2014年10月两年实测的逐时PM_(2.5)浓度数据和对应时刻的气象要素数据,并挑选典型降雨过程分析降雨对不同粒径气溶胶的碰撞清除作用,以研究降雨对环境中PM_(2.5)的碰撞清除作用的强弱。经过分析发现,谷风(山风)平均风速为0.55 m·s~(-1)(0.31 m·s~(-1))。秋季(冬季)谷风平均持续时间为9h(6h),秋季(冬季)谷风开始时刻为11:00(13:00);秋季(冬季)山风持续时间为13h(16h),秋季(冬季)山风开始时刻为21:00(20:00);受北京地区地形等的影响,山谷风转化的风向分界线为东北-西南向,秋季山风前沿压到南二环,冬季山风前沿压到南三环;山、谷风在形成及发展变化的过程中,其厚度有着明显的变化,谷风(山风)秋冬季的平均厚度为700~(-1)000m(300-600m);无论是秋季还是冬季,一天中平均PM_(2.5)浓度开始上升的时刻南部早于北部,秋季PM_(2.5)浓度开始上升的时刻要早于冬季,而开始下降的时刻秋季会晚于冬季。北京地区秋(冬)季空气污染南北差异较大的过渡区处于南二环(南三环),并会随着时间的推移向南移动。秋(冬)季该现象的持续时间为4h(2h)。在山、谷风转化期间,风速值较小,PM_(2.5)浓度会有所上升,且郊区谷风结束早于市内。山风长于谷风的山谷风日造成的污染更加严重,主要原因是其风速比其他两类(谷风长于山风和山、谷风均衡)都小,有利于污染物的积累。通过个例的模拟研究发现,14时中心城区有一个900m~(-1)200m之间的东北-西南向的高边界层,这与该地区内风场的分布有关,风场在该区域有一个风速大值区和风向转化区,其夜间边界层高度在40-80m左右;近地层位温较低,随着高度的增加而增加,在同一高度上越往东位温θ会越低,说明较之西部,东部地区污染较严重,在垂直方向上,混合层高度较低,约为500m,不利于PM_(2.5)的扩散。惯性碰撞是降雨对气溶胶的最主要清除方式,斯托克斯数Stk的计算结果显示,降雨对粒径小于1μm的气溶胶的直接碰撞清除作用很小,对粒径大于1μm的粗粒子的清除作用相对较大;实际观测数据统计分析表明,PM_(2.5)浓度明显减少的降雨过程及降雨时次很少,而43.2%的降雨时次PM_(2.5)浓度有所升高;通过对典型降雨过程气溶胶粒径分布数据分析表明,降雨对爱根核模态(0.1μm)和粗模态气溶胶(1.0μm)有明显的清除作用,但对积聚模态清除作用不明显,由于PM_(2.5)的质量浓度80%-90%分布在积聚模态,因此,降雨对环境中PM_(2.5)的碰撞清除作用很弱。本研究表明:PM_(2.5)浓度主要受气象条件影响。其中,北京地区山谷风环流对PM_(2.5)浓度影响显著,而降雨对环境中PM_(2.5)的碰撞清除作用很弱。该研究对城市大气环境治理、城市规划建设等有一定的指导意义。
【学位授予单位】:中国气象科学研究院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:X16;X51

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1 董群;北京山谷风环流及降雨对PM_(2.5)浓度的影响[D];中国气象科学研究院;2017年
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