东南沿海污染气象特征及生物气溶胶的扩散模拟研究

【摘要】东南沿海地区多有丘陵地貌且城镇密集,使得其上空的大气边界层结构具有独特的分布形式和变化规律,影响大气扩散、稀释和清除能力。生物性气溶胶对大气环境、人体健康、气候变化具有重要影响,其成分复杂(其中活的有机体包括了细菌、真菌、病毒和花粉等),存在不同于一般污染气体成分的衰变过程,在复杂地形和滨海条件下,受边界层湍流特性和相关气象过程的影响,其浓度呈现出复杂的时空分布特征。因此,研究该地区的污染气象特征、大气净化能力及其对生物气溶胶扩散的影响具有重要的理论意义和应用价值。论文围绕东南沿海污染气象特征和生物气溶胶扩散规律开展了以下几个方面的研究工作：首先,利用2008年7～8月在福建沿海的大气边界层观测资料和2005～2007年常规气象台站资料,结合中尺度气象模式WRF模拟结果,分析了东南沿海地区气象特征、湍流特征、海陆风和热力内边界层等特征。针对湍流数据的预处理,提出了一种适合于复杂地形的超声风速仪倾斜校正方法,可以有效消除由于地形倾斜和仪器安装的水平误差对风速脉动相关统计量的影响。研究发现：1.大气湍流总体特征基本满足M-O相似理论,湍流脉动标准差与稳定度的拟合系数比平原地区高,反映了地形增大湍流的作用。海陆风环流对研究区域湍流特性有较大影响,海风平流使机械湍流加大,减小大气不稳定度,陆风平流减小机械湍流,增大不稳定度。海陆风天气总的湍流动能和湍流通量增大。湍流功率谱谱形状和随稳定度的关系与平坦地形上的基本相同。水平和垂直方向的湍涡尺度分别为56m和14m,大尺度涡旋起着能量输送的主导作用。不稳定条件下侧向特别是垂直向低频湍涡能量得到更大增强,在稳定度ζ<-0.4时侧向湍能超过沿风向湍能。2.福建沿海两个观测点出现的热力内边界层(TIBL)最大高度可达800～1000m,一般出现在14～17时。海陆风环流发展限制在海湾地区,在垂直方向上伸展的高度可达1500m左右,海风向内陆伸入的距离在20～35km,观测的海风风速最大值可超过10m/s,出现在14-16时,最大风速高度在200-260m。半岛地形海陆风环流和热力内边界层特征不明显。3.东南沿海地区的气象特征表现为地面年平均风速较大,海岸地区普遍在4-6m/s,从海岸线向内陆呈梯度递减,降水充沛,年平均降水量在1400mm以上,大气稳定度以中性为主,出现频数接近80%,有利于大气污染物扩散、稀释和清除,但风向标准差较小,海岸地区风向标准差不到70°,规则且切变小的流场形态容易造成污染物在同一下风方向累积。其次,提出了区域空气资源的概念,并在此基础上研究了东南沿海地区的大气净化能力。在深入分析东南沿海地区污染气象特征和各种特殊污染气象过程的基础上,从模拟的气象要素场及湍流特征量中筛选出影响大气扩散、稀释和清除能力的主要因子作为评价指标,对不同影响因子进行分类、分档评分并确定出每个因子的权重函数,经加权汇总后得到总体评分,并以此划分空气资源等级,从而半定量地给出区域大气净化能力的空间分布。研究表明,海峡地区空气资源等级最高(5级),评分在18分以上,其余地区空气资源等级2-4级,评分14-18分。总体来看,东南沿海地区空气资源分布很不均匀,沿海空气资源相对较好,大气净化能力较强,内陆平原次之,内陆山区较差。最后,对区域空气质量模式系统RegAQMS加以改进,将沿海扩散模式OCD与区域输送模式相嵌套,由中尺度气象模式WRF提供气象场,大气边界层模式计算湍流场和边界层特征参数,并引入生物气溶胶的干湿沉积、生物学衰变、温度和湿度衰减、紫外辐射衰减等过程,使得RegAQMS具备模拟生物气溶胶浓度分布的能力。在此基础上,分析了不同源排放类型对生物气溶胶浓度的影响,以口蹄疫病毒生物气溶胶扩散为例,进行了有关物理和生物过程的敏感性试验,对地面口蹄疫病毒浓度进行模拟和风险等级评估。研究发现：1.源排放类型对生物气溶胶浓度分布有着较大影响。随着源高度的升高,地面日均浓度和小时熏烟最大浓度降低,但污染面积(≥0.01μg/m3)增加,点源熏烟最大值浓度出现位置在4.5～6.3km,面源的熏烟浓度最小,距离也最远(7.6km)。2.对口蹄疫病毒的有关物理和生物过程的敏感性测试表明,考虑干湿沉积、温度、湿度和生物学衰减过程之后,地面网格平均浓度(≥0.01μg/m3)7、8月分别减小61.9%和65.6%,污染区面积分别减小25.6%和50.1%,温度衰减是影响夏季病毒浓度的最主要过程,生物学衰减和干湿沉积也起着较大的作用,湿度衰减几乎不起作用。3.陆上面源风险和感染评估结果表明,研究区域大部分为低等风险区和安全区,高等风险区以上的面积较小,7月和8月风险区的面积分别占整个区域面积的61.6%和54.2%,感染区的面积占整个区域面积不到1%。对量级相当的面源自然排放,评估的风险区和感染区的面积较前人的研究大。受海洋大气和海峡地形的作用,流场规则,日风向变化和水平湍流强度小,是引起较高传播风险和感染的主要原因。
【作者】刘丽；
【导师】王体健；
【作者基本信息】南京大学，大气物理学与大气环境，2011，博士
【关键词】东南沿海；大气边界层；污染气象；空气资源；生物气溶胶；

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