本文關(guān)鍵詞：北京地區(qū)大氣污染對輻射收支及氣象要素的影響

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【摘要】：近年來,隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快,污染日益嚴重,大氣污染對于輻射收支和氣象要素的影響也日益顯著。本文利用2012—2014年中國科學院大氣物理研究所325m鐵塔、南郊觀象臺、密云氣象塔、上甸子區(qū)域大氣本底站四個觀測站點的輻射及自動站氣象要素數(shù)據(jù),研究了北京地區(qū)輻射分量的分布特征及大氣污染和城郊差異對地表輻射收支的影響;并針對一個冬季無云的污染個例,采用WRF中尺度模式,加入MODIS二維氣溶膠光學厚度以及重污染天氣下氣溶膠光學厚度的垂直廓線,探究大氣污染對輻射收支及氣象要素的影響并進行敏感性試驗。通過對觀測數(shù)據(jù)的分析表明:(1)北京地區(qū)全年入射短波輻射受降水和云量的影響,最大值出現(xiàn)在5月。從城郊對比上看,全年入射短波輻射城區(qū)小于郊區(qū),但在城市熱島的作用下,長波輻射值城區(qū)比郊區(qū)高。地表反照率城郊地區(qū)全年變化都很小,年均值城區(qū)最低,為0.12,上甸子站最高,為0.21。(2)從冬季月平均值來看,各站污染天入射短波輻射值明顯小于清潔天,二者差異最大為55.8 W/m~2,反射輻射差異最大為14.5 W/m~2;大氣污染對直接輻射的衰減程度更高,最大衰減可達161.1 W/m~2,使散射輻射增加最大可達72.2W/m~2;而污染天長波輻射高于清潔天,長波輻射的變化既與污染物濃度又與氣溫相關(guān);白天的凈輻射清潔天比污染天高,夜間相反,二者差異白天最大接近50 W/m~2。(3)從站間對比上看,污染天入射短波輻射有明顯衰減,南郊觀象臺站衰減率高于大氣所站,與北京地區(qū)“南北兩重天”的污染物分布特征一致。長波輻射的日變化受地表溫度和不同高度氣溫影響,亦呈現(xiàn)從城區(qū)到郊區(qū)變化率依次減小的趨勢。凈輻射南郊觀象臺站衰減率最高達13%通過對一個無云、污染個例(2013年12月23日)的數(shù)值模擬及敏感性試驗分析可知:(1)WRF模式加入氣溶膠光學厚度空間分布數(shù)據(jù)后,可以更好的模擬北京地區(qū)輻射及氣象要素的分布特征。(2)污染物的影響過程:首先通過改變垂直方向上凈短波輻射的吸收量而改變溫度的垂直分布;同時由于污染物對短波輻射的阻擋,使近地層溫度下降、大氣層結(jié)更加穩(wěn)定,層結(jié)穩(wěn)定度的增加,也降低了邊界層的高度,減小了近地面的動量輸送,使近地面風速減小。(3)從污染物對短波輻射的影響來看,污染物使六環(huán)南部區(qū)域入射短波輻射衰減比北部區(qū)域高23.7 W/m~2,在垂直方向上,近地層凈短波輻射的吸收量達12-13W/m~2;從對地表感熱通量的影響來看,整個區(qū)域地表感熱通量下降,其中六環(huán)南部區(qū)域平均下降24 W/m~2,比北部區(qū)域下降多11 W/m~2;從對溫度的影響來看,近地層以降溫為主,南部區(qū)域降溫幅度更大,平均為0.16℃,比六環(huán)北部區(qū)域高0.13℃,在垂直方向上,南部區(qū)域近地層降溫比北部區(qū)域更加顯著,上層升溫亦是;從對邊界層高度的影響來看,整個區(qū)域邊界層高度下降,其中南部區(qū)域平均下降184m,遠高于北部地區(qū);從對風速的影響來看,風速在近地層以降低為主,高層以升高為主,其中南部區(qū)域變化規(guī)律更加顯著。(4)當污染物濃度加倍后,大氣污染對各量值的影響程度均增加,同北部區(qū)域相比,南部區(qū)域影響程度更大。從短波輻射的分布來看,同氣溶膠未加倍前相比,南部站點入射短波輻射衰減值變化最大,達49.4 W/m~2,北部站點最小,為14.1 W/m~2;從溫度的分布來看,同氣溶膠未加倍前相比,六環(huán)南部區(qū)域近地面溫度降低0.5℃,北部區(qū)域僅降低0.1℃,高層六環(huán)南部區(qū)域升高0.56℃,而北部地區(qū)的升高程度僅為南部的一半;從邊界層高度的分布來看,污染物的加倍使區(qū)域邊界層高度更低,同氣溶膠未加倍前相比,南部區(qū)域邊界層高度減小了111m,北部區(qū)域邊界層高度減小了31m。本研究表明:北京地區(qū)大氣污染對于輻射收支及氣象要素的影響顯著,需在精細天氣預報中考慮大氣污染的作用。此外,該研究對城市大氣環(huán)境治理、城市規(guī)劃建設等有一定的指導意義。
【關(guān)鍵詞】：大氣污染 輻射收支 氣象要素 WRF 北京
【學位授予單位】：中國氣象科學研究院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X51;X16
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 引言10-16
• 1.1 研究目的及意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究進展11-15
• 1.2.1 北京大氣污染總體特征11-12
• 1.2.2 各地輻射平衡主要特征12-13
• 1.2.3 大氣污染物的輻射強迫13-14
• 1.2.3.1 觀測分析13-14
• 1.2.3.2 數(shù)值模擬14
• 1.2.4 大氣污染物對氣象要素的影響14-15
• 1.3 本文研究內(nèi)容15-16
• 第二章 研究資料與WRF模式介紹16-24
• 2.1 觀測區(qū)域及站點介紹16-17
• 2.2 數(shù)據(jù)介紹17-20
• 2.2.1 輻射觀測數(shù)據(jù)17-18
• 2.2.2 氣象要素數(shù)據(jù)18-19
• 2.2.3 大氣能見度數(shù)據(jù)19
• 2.2.4 MODIS氣溶膠光學厚度數(shù)據(jù)19-20
• 2.2.5 觀測數(shù)據(jù)篩選標準20
• 2.3 WRF模式介紹20-24
• 2.3.1 模式基礎框架20-21
• 2.3.2 模式物理參數(shù)化方案21-24
• 第三章 大氣污染對北京城市和郊區(qū)輻射收支影響的觀測分析24-38
• 3.1 輻射分量的月變化24-26
• 3.2 輻射分量的日變化26-27
• 3.3 冬季大氣污染對輻射收支的影響27-36
• 3.3.1 對單站輻射收支的影響28-31
• 3.3.2 對城市和郊區(qū)輻射收支影響的對比分析31-34
• 3.3.3 對垂直方向輻射收支的影響34-36
• 3.4 本章小結(jié)36-38
• 第四章 冬季污染個例的數(shù)值模擬研究38-72
• 4.1 個例介紹38-39
• 4.2 模擬試驗設置39-42
• 4.2.1 試驗設計39-40
• 4.2.2 氣溶膠光學厚度分布40-42
• 4.3 WRF模式對冬季污染個例的模擬分析42-47
• 4.3.1 地面站點入射短波輻射的模擬檢驗42-43
• 4.3.2 近地面氣溫、比濕、風速的模擬檢驗43-46
• 4.3.3 位溫和垂直速度的模擬分析46-47
• 4.4 氣溶膠對輻射收支及氣象要素影響的模擬分析47-63
• 4.4.1 氣溶膠對短波輻射的影響47-50
• 4.4.2 氣溶膠對地表能量平衡的影響50-53
• 4.4.3 氣溶膠對溫度的影響53-57
• 4.4.4 氣溶膠對濕度的影響57-58
• 4.4.5 氣溶膠對邊界層高度的影響58-60
• 4.4.6 氣溶膠對風速的影響60-63
• 4.5 氣溶膠加倍對輻射收支及氣象要素影響的模擬分析63-70
• 4.5.1 氣溶膠加倍對短波輻射的影響63-66
• 4.5.2 氣溶膠加倍對溫度的影響66-69
• 4.5.3 氣溶膠加倍對邊界層高度的影響69-70
• 4.6 本章小結(jié)70-72
• 第五章 結(jié)論與展望72-74
• 5.1 主要結(jié)論72-73
• 5.2 不足及展望73-74
• 參考文獻74-78
• 致謝78-80
• 個人簡介80

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