湍流间歇性与气压振荡对持续性重霾污染的影响

【作者】 李倩惠； 魏伟； 张宏昇； 孙玫玲； 吴彬贵； 刘敬乐；

【机构】 天津海洋气象重点实验室； 中国气象局-南开大学大气环境与健康研究联合实验室； 天津市气象服务中心,天津市气象局； 灾害天气科学与技术全国重点实验室； 中国气象局地球系统数值预报中心,中国气象局； 气候与海-气实验室,北京大学大气与海洋科学系； 天津市气象科学研究所,天津市气象局； 天津气象雷达研究试验中心,天津市气象局；

【摘要】 本研究基于2018～2019年天津255米气象塔大气边界层和大气湍流梯度观测资料,探究了边界层气象条件对持续性重霾污染的影响。研究阐述了持续性重霾污染期间的边界层结构和湍流通量的演变特征,阐明了湍流间歇性的影响及其形成机制,并揭示了边界层高度和气压振荡对PM_2.5浓度的影响。1.1重霾污染的边界层演变特征边界层结构演变表明,在污染期,夜间塔层逆温显著增强,静力稳定度日峰值平均可达18 K/km,并伴有急流结构,静力稳定度与PM_2.5浓度呈强正相关,污染期取值为非污染期的1.5～2倍。在消散期,通风条件显著改善,PM_2.5浓度对湍流动力参数高度敏感,呈显著负相关,通风系数、机械湍流和湍流动能等是污染期间取值的1.5～3倍。1.2间歇性湍流的影响及形成机制间歇性湍流在污染物累积过程中具有关键作用,PM_2.5的持续累积伴随着湍流间歇性增强。当达到重度污染水平时,超过80%的湍流运动处于间歇性状态。在污染累积阶段,气象塔低层大气的湍流间歇性比高层更强,表明低层大气具有更强的湍流隔板效应,有效抑制地面污染物向上扩散,促使污染物在近地面累积。随着湍流混合自上而下恢复,地-气间湍流耦合重建,促进PM_2.5清除。静力稳定度增强阻碍动量向下传输,是导致低层大气机械湍流减弱和湍流间歇性增强的重要原因。1.3边界层高度和气压振荡的影响边界层高度与PM_2.5浓度之间的负相关关系并非普遍适用。在污染累积阶段,二者间未观察到显著相关性,这表明除扩散空间外,其他物理过程对PM_2.5浓度具有更直接的影响。对2018年11月11日～15日持续性重霾污染过程进行频谱分析发现,在污染累积阶段,地面气压与PM_2.5浓度存在显著相关的半日周期信号,振幅为2 hPa的气压振荡可导致PM_2.5浓度产生40～50μg/m³的变化,导致PM_2.5浓度在11时和23时前后出现双峰结构。更多还原