海陆风环流和城市热岛环流相互作用及其对空气污染的影响.pdf
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1、CNATURASCIENCE)July,20232023年7 月JOURNALHNANNGUNIVERSITYVol.59,No.4第4期第59 卷南京大学学报(自然科学DOI:10.13232/ki.jnju.2023.04.017海陆风环流和城市热岛环流相互作用及其对空气污染的影响王鑫宇1,刘红年1*,俞布?(1.南京大学大气科学学院,南京,2 10 0 2 3;2.杭州市气象局,杭州,310 0 0 8)摘要:沿海城市的PM2.5和臭氧除受排放源、天气条件影响以外,还往往同时受城市热岛环流和海陆风环流的双重影响.利用2 0 15年杭州市气象和环境监测数据以及数值模式RBLM-Chem,分
2、析研究了杭州市在陆风天气、海风天气和海陆风三种环流条件下污染物浓度特征及城市效应对其的影响,得到了以下主要结论:海风使杭州市污染物浓度增大,在观测数据中PM2.5浓度和臭氧浓度分别最大增高了10.9gm3和12.0 gm-3,在模拟结果中相比于陆风天气型,海陆风天气型的PM2.5浓度和臭氧浓度分别增大13.1gm-3和18.9gm-3;相比于海风天气型,海陆风天气型的PM2.5浓度和臭氧浓度分别减小2 4.1ugm和11.6 ug*m.城市效应导致杭州市边界层高度增加6 3.8 m,地面风速减小0.99ms,地面气温增高1.14,PM2.s浓度增大2.8 6 gm-3,臭氧浓度增大10.2 g
3、m-3.海风削弱了杭州的城市效应,城市对边界层高度、地面风速、地面气温和臭氧浓度的影响分别减小11.2 m,0.49m s-1,0.2 6 和7%.中图分类号:P49关键词:海风效应,城市效应,空气污染The interaction between sea-land breeze circulation and urban heat islandcirculation as well as their effects on air pollutionWang Xinyu,Liu Hongnian*,Yu Bu?(1.School of Atmospheric Sciences,Nanjing
4、University,Nanjing,210023,China;2.Hangzhou Meteorological Administration,Hangzhou,310008,China)Abstract:Besides emission sources and weather conditions,PM2.s and ozone in coastal urban areas can be influenced by thesea-land breeze circulation and the urban heat island circulation.By using the meteor
5、ological and environmental observationdata of Hangzhou,2015,and the RBLM-Chem model,the features of the pollutants in Land-Breeze(LB),Sea-Breeze(SB)and Sea-Land Breeze(SLB)three different circulation conditions and urban surface and no-urban surface two surfaceconditions are studied.Main conclusions
6、 are as following:during sea breeze,the concentrations of PM2.5 and ozone areincreased.In statistical results,the maximum increase are 12.0 gm-3 and 10.9 gm-3 respectively.In simulated results,compared with LB,in SLB the average concentrations are increased by 13.1 gm-3 and 18.9 gm-respectively;comp
7、aredwith SB,in SLB the average concentrations are increased by 24.1 gm-3 and 11.6 gm-3 respectively.Urban effectincreases the boundary layer height by 63.8 m,decreases surface wind speed by 0.99 ms-1,increases the surface airtemperature by 1.14 C and increases the concentrations of PM2.5 and ozone b
8、y 2.86 and 10.2 gm-3 respectively.Urbaneffect is weakened in Hangzhou during sea breeze,its impacts on boundary layer height,surface wind speed,surfacetemperature and ozone concentration are decreased by 11.2 m,0.49 mas-1,0.26 a n d 7%,r e s p e c t i v e l y.Key words:sea breeze effect,urban effect
9、,air pollution基金项目:国家自然科学基金(4197 50 0 4)收稿日期:2 0 2 3一0 4-12*通讯联系人,E-mail:714第59 卷南京大学学报(自然科学)自2 0 13年9月10 日国务院印发大气污染防治行动计划以来,在国家的大力治理下,截至2019年,全国PM2.5平均浓度和2 0 15年相比,已经下降了2 0%,部分省市的重污染天数也明显减少.但直至2 0 2 0 年,全国仍有12 5个城市没有达到PM2.5年均标准,可见PM2.5污染的控制仍然需要不断推进此外,近年来我国臭氧浓度逐年缓慢升高,2 0 2 0 年,臭氧为首要污染物的超标天数占比以43.1%仅
10、次于占比51.3%的PM2.5.由此可见,我国的大气污染防治攻坚战距离取得完全胜利仍有一段路程,下一阶段的空气污染治理将离不开针对PM2.5和臭氧的共同管控1.在此背景下,人口稠密的沿海城市地区的空气污染开始受到关注2 .这些沿海地区在海陆热力差异的作用下,海洋和陆地上空的大气出现了温差,进而产生了海陆风环流系统3-4.海陆风环流可以影响城市区域污染物的输送5,连续的海陆风可以导致污染物的积累6 ,海风锋面前的辐合气流也有利于污染物在城市积累7-9.Darby etal101发现海风可以将新英格兰沿海的污染物输送到内陆.Geddeset al111发现,陆风可以将污染物或其前体物传输到海面,而
11、海风又将这些污染物传输回陆地,造成污染物的堆积.Finardi et al12发现,海风前端的上升气流可以将污染物输送到边界层上层.Hanetal13根据纽约市气象观测数据研究了海陆风对臭氧和城市热岛的影响,并根据杭州市气象观测数据进一步研究了海陆风与当地局地环流的耦合机制及其对臭氧的影响14。沿海城市地区除受海陆风影响外,还受到其自身城市冠层热岛的影响.城市冠层热岛是指由于城市下垫面和城郊下垫面热力性质差异,城市地表气温显著高于城郊气温的现象,城市冠层热岛强度为城市与城郊气温差15.当天气背景风速很小且天空没有云层遮蔽时,这一热力差异可以在边界层内激发环流,即城市热岛环流16 .王雪梅等17
12、 发现,城市导致的地表风速减弱、边界层高度增高和城市热岛导致的辐合增强三个因素是比温度增高更强的影响臭氧的因子.Zhang et al18发现夜间城市热岛辐合气流对污染物的汇聚与夜间边界层高度的降低形成协同作用,使得夜间城市热岛对污染物浓度的增加更大.羊腾跃等19 使用区域边界层化学模式(RBLM-Chem)来定量分析杭州市的城市动力效应、热力效应、城市植被与人为热对PM2.5和臭氧等主要污染物浓度的影响,但没有对杭州市受海陆风的影响进行分析杭州市临近海洋,受到海陆风的影响,根据杭州市自动气象站和环境监测站的观测资料统计,在海风影响下,杭州市当地污染物浓度增高.由此,本文进一步通过RBLM-C
13、hem模式对杭州市海风与污染物浓度的关系进行模拟研究,并探讨杭州地区海风对于城市效应的作用.1研究方法1.1观测资料与模式介绍本文使用RBLM-Chem模式对杭州地区进行模拟分析.RBLM(Regional Boundary Layer Model)模式主要由两部分构成,以区域边界层气象模式RBLM为基础,耦合了大气化学输送扩散模式ACTDM(Atmospheric Chemical Transport and DispersionModel).RBLM 是 以 ARPS(A d v a n c e d R e g i o n a lPrediction System)模式为基础发展而来的一个
14、三维的、非静力的、高分辨率区域气象数值预报模式.该模式在ARPS模式动力框架基础上详细考虑了城市下垫面特征及人为因素等对边界层结构的影响.徐敏等2 0 在动量、湍能方程中加人了城市建筑物拖电项,使之能够更加准确地模拟城市建筑表现出的气象特征.何晓凤等2 1-2 在冠层模型理论框架基础上,发展并建立了城市冠层模式(NJU-UCM-S),并将其与模式耦合,完善了RBLM模式对城市区域陆面过程的参数化方案.Yang etal23发展建立了新的城市树木冠层模型和植被干沉降模块.ACTDM是一个包含多物种源排放、输送扩散、化学转化、干湿沉降过程的大气污染物浓度预报模式2 4,且将ACTDM与RBLM进行
15、耦合,并建立了植被干沉降模块,将RBLM发展为新的区域边界层化学模式(RBLM-Chem),使之适用于城市及区域尺度的气象与大气环境高分辨率数值模拟研究2 5本文利用的观测资料包括杭州市58 444,58449,58 457,58 459,K 1111,K 112 5,K 117 4,K1175,K1176,K1179,K1219,K1220,K1228,715第4 期王鑫宇等:海陆风环流和城市热岛环流相互作用及其对空气污染的影响K1633,K1634,K 16 3 7 共16 个气象观测站和杭州市滨江、西溪等10 个环境监测站(图1b)3130N上海3030N牛锁31NK1634K11253
16、020NK1228K1637和睡小学下沙K1179K111K1633西3030N科龙桥58457K1219K1220K1175杭州584593010NK1174诚镇K117630N58449波50km30N10km20miEs.HERE,Gamin,USGS5mi2930NEsr.HERE,Gamin,USGS120E12030E121E12130E122E120E12010E12020E12030E12040E(b)中蓝色“十 号为气象观测站,红色“*”号为环境监测站图1杭州市地理位置(a)和本文使用的杭州市观测站位置(b)Fig.1Geographical position of Hang
17、zhou(a)and the positions of observation stations used in the paper(b)1.2方案设计根据刘馨尹 2 6 对中国沿海海陆风的研究,制定海陆风判别方案以杭州市沿海的三个自动气象站K1125,K1637,K1633的地面风向观测数据为基础,根据这些站点相对于海洋的位置,分别制定如表1所示的海风和陆风判定的风向角,如表2 所示,进一步根据该日夜间和日间海风、陆风出现的情况将该日判定为海风日、陆风日、海陆风日或其他.此外,如果某一时次风速大于8 ms-1,则认为这一时次受天气系统影响较大,不认为这一时次为海风或陆风 2 6 .根据该标准
18、,对2 0 15 年全年进行筛选,针对海风日、陆风日和海陆风日天气型每种选取五天,总共15 个模拟对象进行模拟研究,每个模拟对象分别模拟25h(前一日2 3 时至该日2 4 时).此外,为了减少日期选取对模拟结果的影响,尽量选取了日期相近的不同天气型对象.进行模拟研究的15 d的日期如表3 所示.模式模拟区域如图2 所示,模拟使用的中心经纬度为(3 0.16 N,12 0.0 7 5 E),模拟区域大小为14 5 km95km,分辨率为1km,时间步长为4 s.同时,该模式的初始和边界条件由一个WRF-表1站点风向判别标准(单位:degree)Table 1 Wind direction cr
19、iteria for stations(unit:degree)站点编号海风判别标准陆风判别标准K112545-108225288K163742-100222-280K163341-96222-276表2 天气型判别方案Table2Criteriafor weather conditions天气型判别标准00一0 9时三个自动站均有三个时次为陆风,海陆风12一2 0 时三个自动站均有三个时次为海风00一0 9时三个自动站均有三个时次为海风,海风12一2 0 时三个自动站均有三个时次为海风00一0 9 时三个自动站均有三个时次为陆风,陆风12一2 0 时三个自动站均有三个时次为陆风其他以上三种天
20、气型均不满足表3 模拟日期Table3Simulation period天气型模拟日期海陆风2月2 6 日、6 月3 日、6 月2 6 日、8 月2 9日、10 月2 日海风2月2 5 日、6 月1日、6 月2 7 日、8 月3 1日、10 月4 日陆风3月3 日、6 月11日、6 月3 0 日、8 月2 5 日、10 月1日Chem模式的模拟结果提供.WRF-Chem模式同样以(3 0.16 N,12 0.0 7 5 E)为中心,模拟区域大小为3 6 0 km240km,分辨率为4 km.为了抹除模拟区域外围零星的城市地形的影响,定义杭州地区主要城市地区为位于如图2 所示的模拟区域中黑色框线
21、内的所有下垫面类型为城市(深蓝色)的地区.本文设计了针对城市的敏感性实验以对城市效应进行研究,定义城市效应为有城市和无城市造成的气象差异。两组实验均使用相同的初始和边界条件.表4 中无城市组采用了无城市的下垫面数据,关闭了模式中的人为热和建筑物模拟。716第5 9 卷南京大学学报(自然科学)30.59N30.4630.2830.1029.9229.74119.32119.53119.74119.95120.15120.36120.57120.83E深蓝色为城市,红色为水体,蓝色为常绿林,绿色为农田,黄色为灌木.黑色框线中深蓝色的城市区域为本文定义的杭州主要城市区域图2RBLM-Chem模式模拟
22、区域Fig.2SSimulation area of RBLM-Chem model表4 敏感性实验设置方案Table4Criteria for sensitivity case组别下垫面方案人为热方案建筑物无城市无城市下垫面无人为热无建筑物有城市有城市下垫面有人为热有建筑物2模拟结果与分析2.1模拟性能检验将RBLM-Chem模式模拟结果与模拟区域内的7 个气象站和10 个环境监测站的观测结果平均值进行对比,以验证模式性能.如表5 所示,气象场方面,气温、气压、相对湿度和风速的平均差值分别为1.5,0.9hPa,一1.7%和一0.3 ms-1.在污染物方面,PM2.5和臭氧浓度的平均差值分别
23、为一1.6 gm-3和一3.2 gm-3.可见模拟区域内该模式对气象要素和污染物的模拟总体上比较可信:2.2局地环流系统对污染物浓度的影响根据杭州市环境收测站的观测数据对杭州市海表5观测与模拟结果对比Table5Comparison between observation and simula-tion物理量观测平均模拟平均差值气温()21.019.51.5气压(hPa)1001.11000.20.9相对湿度82.1%83.8%-1.7%风速(ms-1)2.02.3-0.3PM2.(g*m-3)47.248.8-1.6臭氧(gm-3)62.065.2一3.2陆风日和非海陆风日污染物浓度差异进行
24、研究.如图3 a和图3 b所示,海陆风日与其前后各两天平均相比,海风建立后污染物浓度增大,对于PM2.5的增加最大为10.9gm-3,对于臭氧的增加最大为12.0 gm3.进一步通过模式进行分析,如图3 c和图3 d所示,相比于陆风天气型,海陆风天气型的PM2.5浓度和臭氧浓度在主要城市地区增大,平均分别高13.1gm-3和18.9gm-3如图3(ef)所示,相比于海风天气型,海陆风天气型的PM2.5浓度和臭氧浓度在主要城市地区减小,平均分别降低2 4.1gm-和11.6 gm-3.可见,海风使杭州主要城市地区污染物浓度增大,这与观测结果相吻合.杭州地区海风对污染物浓度的影响由两个方面组成.首
25、先,海风可以将上海、宁波等地的污染物向杭州输送.杭州位于上海的西南侧和宁波的西北侧,两地的污染物排放后,在当地局地环流的影响下进人杭州湾.这些污染物在杭州地区海风的进一步作用下进人杭州,使得杭州地区污染物浓度增大.其次,海风可以将杭州前一日排放的污染物输送回杭州.前一日,陆风可以将杭州排放的污染物输送到杭州湾内,次日海风则将这些污染物输送回杭州,进而使得杭州地区的污染物浓度上升 14 .2.3局地环流系统对杭州市城市气象特征的影响为了进一步分析环流系统对杭州城市效应的影响,本文通过移除城市下垫面、人为热和城市建筑,设计了城市敏感性实验.对于边界层高度、地面风速和地面气温,所有模拟日平均的有城市
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