摘要 :
随着城市规模的不断扩大，大气污染成为城市可持续发展面临的挑战。城市化不仅增加各类污染源，而且通过改变下垫面的热力动力属性，影响局地气象场，使得污染物的扩散输送过程更加复杂。为改善城市大气环境，采取合理有效的治理措施，有必要对城市大...
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随着城市规模的不断扩大，大气污染成为城市可持续发展面临的挑战。城市化不仅增加各类污染源，而且通过改变下垫面的热力动力属性，影响局地气象场，使得污染物的扩散输送过程更加复杂。为改善城市大气环境，采取合理有效的治理措施，有必要对城市大气污染物扩散输送过程进行深入研究。本文发展并应用北京大学大气环境模式PUMAE(Peking University Model of AtmosphericEnvironment)和中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting model)的耦合系统，以沈阳城市为例，研究冬季SO2污染过程对应边界层特征以及城市土地利用变化对污染扩散的影响。主要内容如下：
一、建立WRF-PUMAE耦合系统，用WRF输出气象场离线驱动PUMAE；在PUMAE中引入新的垂直湍流扩散方案：非局地K理论Grisogono方案和非局地TSM(Two-Stream Model)方案。Grisogono方案和TSM方案在中午对流边界层条件下模拟浓度低于原来的局地K理论方案：原方案，Grisogono方案和TSM方案模拟平均日最低浓度分别为观测值的172％，159％和126％，两种新方案在不同程度上改善了局地方案在对流边界层中低估垂直混合的问题。其中Grisogono方案参数化较简单，在稳定和不稳定边界层中均可使用，同时模拟和观测浓度的相关系数高于其它两个方案，推荐作为首选方案。
二、分析边界层方案对污染物扩散模拟的影响。在WRF模式中采用不同边界层方案：局地MYJ(Mellor-Yamada-Janiic)方案和非局地YSU(YonseiUniversity)方案，用模拟的气象场驱动PUMAE，比较两种方案得到的和污染物扩散输送密切相关的气象要素以及SO2浓度。YSU模拟的垂直混合更强，有利于热量向下输送，导致低层气温高于MYJ，夜间逆温强度低于MYJ。同时YSU模拟的边界层高度更高，这些因素有利于污染物的扩散。YSU模拟气象场对应的SO2模拟浓度低于MYJ对应浓度，与观测值更一致。根据我国环境质量标准，将观测和模拟SO2浓度划分成不同污染等级进行比较，考察模式预报污染等级准确率。YSU气象场驱动的PUMAE预报准确率为71％，MYJ为68％。综上所述，WRY中采用YSU边界层方案，驱动PUMAE模拟得到的浓度分布跟观测更加一致。
三、应用WRF-PUMAE耦合系统，分析沈阳冬季一次典型污染过程对应的边界层特征。受弱天气系统影响，边界层高度降低，边界层内垂直混合较弱，不利于高层动量向下输送，减弱了低层风速，导致城市热岛强度增强，不利于城市污染物向郊区输送；同时夜间热量向下输送减弱，形成接地逆温，在这些因素共同作用下形成地表高污染浓度。
四、研究沈阳城市扩张对边界层结构及污染物扩散的影响。在WRF中采用不同年代的土地利用数据，分别代表20世纪80年代和当前的城市分布情况，分析两种城市分布对应的气象场，结果表明城市扩张对边界层结构影响如下：升高了低层大气温度，夜间和清晨温度升高大于白天，最大增温5.7 K，消除了夜间的接地逆温；增加地表粗糙度，减弱夜间低层风速；中午增强垂直混合，增大500 m以下的风速；受地表加热和风速垂直剪切影响，导致边界层平均高度增加200 m。用通风系数表示风速变化和边界层高度抬升对污染物稀释的净作用，城市化导致新老城区的通风系数分别增加了144％和30％。用不同城市分布对应的气象场驱动PUMAE，分析城市扩张对污染物扩散的影响，结果表明：城市扩张使得新城区的SO2平均浓度降低了16％；浓度垂直分布更加均匀；高架源对应的200 m高度污染层和地表污染层的脱离时间推迟4个小时。敏感性试验进一步验证了沈阳地区冬季条件下，城市扩张有利于污染物扩散的结论。和相关研究的比较表明不同季节由于影响污染物扩散的动力热力因素相对重要性不同，城市扩张可能会有不同的作用。模拟试验证实：沈阳地区城市扩张在夏季导致地表污染浓度的增加。
本文建立了一个新的WRF-PUMAE耦合系统，可以作为城市大气环境研究的平台，在城市污染预报、减排政策评估、有毒气体泄漏预警等方面得到应用。首次针对沈阳地区城市土地利用变化影响污染物扩散这一问题开展研究，并揭示出城市扩张在冬季和夏季有不同的作用，之前的研究工作并未考虑季节因素的影响。本文对污染过程对应边界层特征和城市扩张对污染物扩散影响的分析和初步结论，可作为城市大气环境治理和城市发展规划的理论基础，具有重要应用价值。
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