CN110569528A

CN110569528A - 跨界地区大气边界层以下pm2.5传输通量数值模拟量化的方法

Info

Publication number: CN110569528A
Application number: CN201910635074.5A
Authority: CN
Inventors: 程水源; 王传达; 张晗宇
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-07-15
Filing date: 2019-07-15
Publication date: 2019-12-13

Abstract

跨界地区大气边界层以下PM2.5传输通量数值模拟量化的方法，属于区域污染跨界输送量化评估技术领域。选取目标城市/区域及与其接壤的周边区域，将模拟区域均视为多个网格构成的三维立体箱体，以输入目标城市/区域为正，从目标城市/区域向周边输出为负，基于飞机AMDAR数据计算得到边界层高度，并对大气边界层以下垂直界面进行离散化建模；基于气象与空气质量模型，提取PM_2.5污染物浓度和三维风场数据，定量计算PM_2.5污染物跨城市、跨区域的输入通量、输出通量和净通量。该数值模拟平台解决了污染物跨界输送量化的难题，对分析相邻城市/区域间大气边界层以下污染物的跨界传输规律具有十分重要的意义。

Description

跨界地区大气边界层以下PM2.5传输通量数值模拟量化的方法

技术领域

本发明属于区域污染跨界输送量化评估技术领域，具体涉及污染物跨界输送量化评估方法技术，以飞机AMDAR数据计算的大气边界层高度，建立了一种基于WRF-CAMx数值模拟分析的大气边界层以下的PM_2.5跨边界传输通量量化平台。

背景技术

我国大气呈现区域复合型污染特征，本质上是由“多种污染物排放”引起的“多重环境问题”相互耦合，并随大气环流跨界传输所形成的，表现为连片区域 PM_2.5浓度升高、灰霾及光化学烟雾污染频繁发生等重污染现象。区域大气污染的时空变化、多尺度污染跨界传输已经成为当今的重要科学问题。

大气边界层(Atmospheric Boundary Layer,ABL)是指与地表直接接触，受热力和地面摩擦等因素影响，以湍流运动为主的大气层，通常高度在1～1.5km，夜间可低至几十米，日间强对流条件下可高达2～3km。大气边界层以下的大气与地表直接进行质量和能量的交换，大气运动受下垫面热力和动力过程影响。大气边界层是人类和自然界其他动植物活动主要所在地，同时，人类活动和自然过程排放的大气污染物也主要集中在此，边界层中发生的气象和物理化学过程直接影响人类生活，因此对大气边界层进行研究对于环境科学和大气科学都具有重要意义。大气边界层高度是大气边界层上界到地面的高度值，对边界层内垂直湍流和对流输送起决定作用，是大气边界层的一项重要物理参数。当前获取边界层高度数据主要分为三种途径：观测、计算和数值模拟。其中计算法是采用温湿度、风速和气压等垂直分布的气象数据通过一定方法计算得到大气边界层高度值，常见的有国标法、罗氏法、联合频率法、干绝热法和位温廓线法等。

位温廓线法由Liu等于2010年提出。位温是指将初始气压为P，温度为T 的气块沿绝热过程修正到1000hPa标准压力时所具有的温度。相对于温度而言，位温是具有保守性的物理量，在干绝热过程中位温保持不变，虽然气块在绝热升温过程中温度发生了变化，但其位温是不变的。由于位温的保守性，可以用来比较不同气压条件下气块的热力性差异，以分析大气稳定度状况。

未饱和湿空气的位温θ的计算方法见式

在干洁大气中，位温θd的计算方法见式(2-7)。

式中：

T——气块初始温度，K；

P——气块初始压强，hPa；

R——气体常数，J/℃·kg；

Cp——定压比热，J/℃·kg。R/Cp的值在0.285～0.288范围内，变化范围很小，一般认为R/Cp≈kd＝0.286。因此θd与θ之差一般不超过0.1K，所以未饱和湿空气位温可以用干空气位温代替。在使用位温对天气问题进行分析时，要注意天气过程是否满足或者接近满足绝热条件，在有降水或者有明显非绝热增温的情况下，要考虑位温是否发生变化。

在对流层内，一般大气的垂直减温率小于干绝热减温率，所以位温随高度增加而增加。由于大气边界层内气块和自由大气中气块具有显著不同的特征，由大气边界层垂直升高进入自由大气时位温会出现明显的跃变。位温廓线法的基本原理是将边界层内温度变化梯度转化为自由大气所具有的特征时空高度，或者位温梯度出现明显不连续的高度，将这个高度称之为边界层高度。考虑到接地逆温的存在，除判断位温梯度变化的最大值，还应考虑位温跃变是否超过某一阈值(如 1K)，超过1K则说明出现明显拐点，将此时的高度视为大气边界层高度。位温廓线法是直接对观测数据经过分析研究后得到的，研究分析过程中没有引入任何格外的假设条件，这类方法只要探测数据有效，则该方法就相对比较稳定，在可以获得探空数据的地方均可广泛推广。

飞机气象观测数据(AMDAR，Aircraft Meteorological Data Relay)是通过飞机上携带的气象传感器及自动数据收集和处理系统，把飞机在飞行中得到的气象观测数据自动传播到地面得到的。其主要内容包括经度、纬度、温度、风向、风速等气象信息。飞机AMDAR数据时间分辨率较高，在飞机爬升阶段，前60秒采集间隔为6秒，之后每35秒一次，下降阶段，每60秒采集一次；此外，飞机AMDAR数据涵盖全天大部分时间(约为早上6：00～次日凌晨1:00)，这与传统的探空资料只有08时、20时相比，可大大提高气象观测资料的时间分辨率。利用这些高密度的气象观测资料，可以连续的观测、分析大气边界层的结构要素变化特征，并捕捉到常规探空观测难于发现的中小尺度天气系统及演变趋势，对于更准确的分析大气边界层结构变化规律具有重要作用。然而，目前这一高分辨率的飞机AMDAR数据在大气边界层结构变化规律尤其是对重污染的形成机制影响研究方面使用不足，促进AMDAR更进一步地发展和有效使用具有重要意义。

相比欧美发达国家，我国在全国层面上对大气污染跨界传输的评估和控制工作相对较弱，但在京津冀、长三角、珠三角等区域已开展了一些基础性研究工作。目前，我国针对跨界污染输送的研究仍存在许多问题，前期的研究多涉及地域空间较小或时间周期较短，而在多尺度、长时间针对大气污染定量传输与评估的研究仍较少，亟需理清大气边界层以下的污染物传输规律，尚未形成污染跨界输送量化评估技术体系。

因此，开发建立一种污染物传输通量数值模拟量化评估技术，解决污染物跨界输送量化的难题，基于飞机AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)航测数据选取位温廓线法来对大气边界层高度进行计算，理清大气边界层以下 PM_2.5污染物的传输规律，对区域联防联控、重污染应急方案的制定具有非常重要的意义。

发明内容

PM_2.5传输通量是指在特定时间段内通过某一垂直界面PM_2.5的质量浓度。本发明基于重点实验室建立的京津冀等待研究地区高分辨率大气污染源排放清单，采用WRF-CAMx气象与空气质量三维数值模拟系统，定量识别PM_2.5跨边界传输通量。

本发明跨界地区大气边界层以下PM2.5传输通量数值模拟量化的方法，包括以下步骤：

(1)将模拟区域视为多个网格组成的三维立体箱体，以WRF与CAMx模型模拟结果得到各网格PM_2.5的质量浓度和三维风场，结合空气质量模型模拟所用的网格分辨率与不同垂直层边距，以输入目标城市/区域为正，从目标城市/区域向周边输出为负；

(2)基于飞机AMDAR数据计算的大气边界层高度，同时模拟网格分为12 层高度(每层最高海拔高度分别为48m,97m,153m,252m,359m,459m,611m, 817m,1001m,1261m,1481m,1782m)，并针对大气边界层以下选取对应高度层作为垂直方向传输通量的研究范围；通过模拟区域边界所在网格的PM_2.5质量浓度与矢量风速相乘，获取不同海拔高度处PM_2.5输入通量和输出通量；进而通过输入与输出通量的矢量求和，得到研究时段期间各个边界处的净传输通量；最后对每个边界处的净传输通量求和，获取目标城市/区域PM_2.5总的净传输通量，研究并分析不同垂直高度层目标城市/区域与周边相邻城市/区域的PM_2.5跨界传输通量。传输通量计算公式如下:

式中：Flux指目标区域与某一周边接壤地区之间PM_2.5的传输通量(t/d)，A 为模型内部划分的垂直方向上在AMDAR计算获得大气边界层以下的总层数， l指两个相邻区域的边界线对应的所有网格，L为模拟网格分辨率(12km)，H_i指模拟垂直界面第i层与第i+1层之间的高度差(m)，c为研究时段期间内目标区域与所述周边接壤地区之间PM_2.5平均质量浓度(ug/m³)，v为矢量风速(m/s)，n 为风俗通过接壤边界垂直截面的法向量。

本发明以河北省省会城市石家庄和京津冀地区分别作为通量研究的目标城市/区域，以所有与目标区域接壤的行政边界地区作为研究对象，其中与京津冀区域接壤地区包括内蒙古、山西、河南、山东、辽宁，与石家庄接壤的城市包括保定、邢台、山西、衡水。输入目标区域/城市的PM_2.5通量为正值，即输入通量，从目标区域传输到周边地区的PM_2.5通量为负值，即输出通量。输入与输出的矢量和为PM_2.5净传输通量，最终分析大气边界层以下的PM_2.5污染物跨城市、跨区域的传输通量模拟结果。

本发明提出的PM_2.5传输通量量化技术方法可以使用Fortran、Python和 MATLAB三种编程语言集成，建立了大气边界层以下边界流入\流出跨界输送通量分析技术的污染物传输量化方法，解决了污染物跨界输送量化的难题，对区域联防联控和重污染应急方案的制定具有十分重要的意义。使用本发明，对河北省省会城市石家庄市和京津冀地区的PM_2.5污染物跨界输送研究提供了很好的技术支撑，同时还可嵌入其他三维数值模式如CMAQ进行分析，模拟效果快速有效，具有较好的适用性、准确性与时效性。

附图说明

图1为飞机AMDAR航测数据以位温廓线法计算大气边界层高度。

图2为传输通量接壤边界网格示意。

图3为边界层下垂直界面离散化建模。

图4为WRF-CAMx模拟两层嵌套模拟区域示意。

图5为京津冀与周边接壤区域。

图6为京津冀与河南接壤区域。

图7为京津冀与山东接壤区域。

图8为京津冀与渤海湾接壤区域。

图9为京津冀与辽宁接壤区域。

图10为京津冀与内蒙古接壤区域。

图11为京津冀与山西北接壤区域。

图12为京津冀与山西南接壤区域。

图13为石家庄与周边接壤区域。

图14为实例中京津冀传输通量结果。

图15为实例中石家庄传输通量结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

具体步骤为：

1.网格建立。

2.WRF-CAMx数值模拟。

3.针对研究的时间和区域，利用北京首都国际机场、天津滨海国际机场、石家庄正定机场等机场收集的飞机AMDAR航测数据以位温廓线法对大气边界层高度进行计算。从AMDAR数据提取其飞行阶段、尾号、经纬度、观测时间、飞行高度和温度7项基本内容，筛选出各航班的一个完整的上升或下降过程的海拔高度和温度数据，以此计算位温。

图1是一组飞机AMDAR数据确定的位温-海拔高度廓线图，以此为例，随高度上升，位温呈持续上升趋势。在海拔高度较低时，位温随高度上升缓慢，变化不明显，上升至某一高度时，位温随高度变化速率出现明显越变，位温越变点高度为914.4m,可确定该时刻大气边界层高度为914.4m。

4.提取目标区域与周边相邻地区PM_2.5质量浓度、矢量风速对应的网格号。网格号：模型内以左下角网格为(1,1)，接壤边界线上的某一网格对应左下角网格的相对坐标。U代表以东为正、以西为负，东西方向该网格对应的分矢量风速； V代表以北为正、以南为负，南北方向该网格对应的分矢量风速。通过U、V的正负来确定风向进而判定接壤边界对应网格的流入流出情况对应的风向条件(若只有其中一个，则只有所给出的那一个有影响，另一个没影响，没标出)。

提取CAMx京津冀与周边相邻地级城市PM_2.5质量浓度值对应的网格号：

京津冀地区网格流入流出判定：

提取CAMx石家庄与周边相邻地级城市的网格号：

石家庄市网格流入流出判定：

保定	U,V	衡水	U,V	邢台	U,V	山西	U,V
								1	-v	1	-u,v	1	v	1	u,-v
2	-v	2	-u	2	v	2	-v
								3	-v	3	-u	3	v	3	u,-v
4	-u,-v	4	-u,-v	4	v	4	u
								5	-u,-v	5	-u	5	-u,v	5	u
6	-v			6	-u,v	6	u,v
								7	-u			7	v	7	v
8	-u,-v			8	v	8	u
								9	-v			9	v	9	u,v
10	-v					10	u
								11	-v					11	u,v
12	-v					12	u
														13	u

WRF网格略大于CAMx网格，WRF网格坐标对应的CAMx坐标为 x+15,y+18,进而提取WRF京津冀与周边相邻地级城市矢量风速U、V对应的网格号。

具体提取工作使用“1-WRF-CAMx数值模拟提数”(需要安装Fortran、Python 环境)，得到U、V、PM_2.5浓度数据文件。

5.核心工作：PM_2.5和矢量风速数据进行整理，进一步对PM_2.5输入与输出情况进行判定。同时，定量计算每一个边界处所在网格的传输通量，最终得到输入通量、输出通量和净通量。再针对大气边界层以下的与目标城市/区域相接壤城市/区域进行通量分类与汇总，得到跨城市、跨区域PM_2.5传输通量量化结果，最终进行绘图等平台展示。(具体程序见“2-JJJprogram_HG”、“3-SJZprogram_HG”，需要MATLAB环境运行“main_program.m”文件)

实施例1

为验证本发明的优异效果，以京津冀地区2016年1月和石家庄市2016年7 月对PM_2.5传输通量数值模拟量化进行评估分析。具体运行过程文件见文件夹 (“model示例”)，图13和图14分别为京津冀地区和石家庄市的传输通量结果。

Claims

1.一种跨界地区大气边界层以下PM2.5传输通量数值模拟量化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)基于飞机AMDAR数据计算的大气边界层高度，同时模拟网格分为12层高度，每层最高海拔高度分别为48m,97m,153m,252m,359m,459m,611m,817m,1001m,1261m,1481m,1782m，并针对大气边界层以下选取对应高度层作为垂直方向传输通量的研究范围；通过模拟区域边界所在网格的PM_2.5质量浓度与矢量风速相乘，获取不同海拔高度处PM_2.5输入通量和输出通量；进而通过输入与输出通量的矢量求和，得到研究时段期间各个边界处的净传输通量；最后对每个边界处的净传输通量求和，获取目标城市/区域PM_2.5总的净传输通量，研究并分析不同垂直高度层目标城市/区域与周边相邻城市/区域的PM_2.5跨界传输通量。传输通量计算公式如下:

式中：Flux指目标区域与某一周边接壤地区之间PM_2.5的传输通量(t/d)，A为模型内部划分的垂直方向上在AMDAR计算获得大气边界层以下的总层数，l指两个相邻区域的边界线对应的所有网格，L为模拟网格分辨率(12km)，H_i指模拟垂直界面第i层与第i+1层之间的高度差(m)，c为研究时段期间内目标区域与所述周边接壤地区之间PM_2.5平均质量浓度(ug/m³)，v为矢量风速(m/s)，n为风俗通过接壤边界垂直截面的法向量。