1 / 2023-02-25 11:35:32

霾污染中的大气湍流作用机理

大气边界层，大气湍流，霾污染，细颗粒物湍流输送，相似性理论

    霾污染天气不仅影响人民健康和社会生产，也对气候和环境变化有重要影响。厘清霾污染天气发生机理，提高空气质量预报水平，有效防治空气污染是大气环境研究的任务，更是国家的重大需求。霾污染天气多伴随小风静风和稳定层结，经典Monin-Obukhov相似性理论适用性及数值模式边界层参数化方案存在很大不确定性，进而极大限制了空气质量预报水平。静稳边界层中，湍流运动较弱，次中尺度运动影响凸显，湍流间歇现象多发，湍流通量评估的不确定性增加。由于缺乏有普适意义的污染物湍流特征和湍流输送参数，对污染天气过程与大气边界层相互影响，以及污染物输运的湍流作用机理理解有限，直接影响了空气质量预报模式边界层参数化方案的正确描述，影响数值模拟水平。

    本文利用华北地区大气边界层与大气污染综合实验资料，发现霾污染天气发生时大气边界层湍流呈现耦合和解耦两种显著不同的结构特征，耦合湍流结构对应着传统边界层理论可以描述的范畴，但是解耦湍流结构超出目前大气边界层理论和参数化方案可以解释的范畴。针对解耦湍流边界层的诸多难点，本文研发湍流间歇自动识别和湍流数据重构算法，客观评估和合理修正了霾污染天气边界层能量和水热、物质湍流输送的高估，提高了稳定边界层湍流输送评估的准确性；从湍流能量角度出发，定义湍流间歇性定量识别指数，给出轻污染天气向重污染天气转换的湍流间歇指数阈值，提出重污染天气过程“湍流隔板效应”的物理概念模型，发现湍流隔板增强和减弱过程中存在次中尺度运动和湍流运动的能量转换；揭示重污染天气污染物爆发性增长和快速累积的湍流作用的物理机理，合理解释了边界层结构与污染物浓度不匹配的观测事实。研发细颗粒物浓度湍流通量获取方法，实验给出细颗粒物浓度通量-廓线关系和湍流扩散参数，完善空气质量预报模式边界层参数化方案，拓展Monin-Obukuhov相似性理论的适用范围。研究结果为稳定边界层研究、空气污染预报和防控提供理论依据和应用参考。