关键词:
大气稳定度
空气质量数值模式
大气重污染
天津
湍流扩散
摘要:
空气质量模式中湍流引起的垂直混合与湍流扩散系数K密切相关.为避免针对强稳定边界层计算中可能出现“无湍流大气”(即K=0)的异常结果,模式通过预设最小湍流扩散系数Kzmin,定义了K值的下限.检验表明天津空气质量模式整体模拟效果较好,但02:00—08:00存在系统性偏高的问题.针对这一问题,本文在天津大气稳定度特征分析和模式评估基础上,利用气象塔和系留获取真实湍流扩散系数,试验性修正重污染期间Kzmin取值,以期探索提升稳定层结条件下天津空气质量模式PM_(2.5)模拟能力.结果表明:天津不同大气层结稳定度占比分别为4.91%(强不稳定)、9.33%(不稳定)、18.86%(弱不稳定)、50.29%(中性)、13.00%(较稳定)和3.61%(稳定).大气稳定条件下PM_(2.5)浓度(62.6µg·m^(-3))相较不稳定和中性条件(38.8µg·m^(-3))升高61.3%,02:00—08:00稳定大气层结占比显著提升(28.2%),模式对该时段PM_(2.5)浓度模拟存在系统性高估现象(9.3%).以2017年12月一次重污染过程为例开展模式敏感试验,该过程天津出现长时间逆温过程,高度达600 m以上,逆温强度达2.9℃·100 m^(-1),逆温层的持续存在抑制了污染物的垂直扩散.系留气艇和气象塔湍流观测表明:此次过程垂直湍流扩散速率存在明显日变化,白天(35 m^(2)·s^(-1))普遍高于夜间(<14 m^(2)·s^(-1)),比值为2.5∶1,基于模式过程分析技术估算湍流混合使PM_(2.5)浓度下降白天为-30µg·m^(-3)·h^(-1),夜间显著减弱,低于-5µg·m^(-3)·h^(-1),比值为6∶1,结合探空实测数据,空气质量模式中预设的Kzmin很可能造成对垂直湍流扩散作用的低估,并因此导致对夜间稳定层结PM_(2.5)浓度的高估.根据观测对模式Kzmin取值优化,改进后模式对城市和郊区站PM_(2.5)浓度模拟绝对误差分别下降36.6和46.1µg·m^(-3),且夜间PM_(2.5)浓度极大值的改进效果更加明显,基于Kzmin的修正,可能有助于稳定层结条件下天津空气质量模式模拟能力提升.