大氣湍流擴(kuò)散分析下空氣顆粒物污染氣象特征研究

文章編號(hào)：1674-6139（2025）06-0156-05

中圖分類號(hào)：X513文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Studyon Meteorological Characteristicsof Particulate Matter Pollution under Atmospheric Turbulence Diffusion Analysis

She Xiangjun，WangHui

（Xiangyin CountyMeteorological Bureau，Yueyang4146OO，China）

Abstract：Inodertomprovetheacuracyofirqualityprediction，themeteorologicalcharacteristicsofparticulatematerolution underatmosphericturbuencedfusionalysiseresudedAcodingtotainndlanfor，themeasuingpntsegd andthetopogaphcatandmeteoolgicaldataerecolctedtodeteeteaverageentilatiooeicientndtheaveraeturblence kineticenegofcntTelatioshipetwntetajectoryofirprtclepolutatsadturbulenceulsatiounderteerageo izontalandverticalwddectiosallatedtoaintheteorologcalaracteristsofirparticlepltioetsttsow thattheturbulentdifusionisustableduringthedaytheairparticlepolutionisconcentratedinthehighaltitudeareandaroundthe polutionsoure.Theturbulentdifusionisableatght，ndtheplltionconentratioiducedndmeetstestadardea tion of PM_2.5 and PM₁₀ concentration isbasically consistent with thevariationregionof turbulentdifusionparameters，and theparticle pollutant concentration is highly correlated with turbulent diffusion under the change of wind speed.

KeyWordsatmosphericturbulence；diffusionanalysis；particulatemater；airpollution；meteorologicalcharacteristics

前言

氣象變化影響著空氣污染物的擴(kuò)散程度[1]，如果污染物難以擴(kuò)散，容易造成顆粒物在空氣中累積，導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降[2-4]。為治理環(huán)境污染，中外學(xué)者作出諸多研究，陳紅等人使用KZ濾波法分析污染物在不同年份的變化特征，確定人為減排與氣象條件的影響，具有較大參考意義，KZ濾波法能夠有效地分解出大氣顆粒物的短期、季節(jié)和長(zhǎng)期分量[5]。楊斌等人將青藏地區(qū)作為研究對(duì)象，分析大氣湍流特征，確定各個(gè)環(huán)境因素對(duì)于湍流的影響[。潘旭等人將沈陽(yáng)作為研究區(qū)域，分析顆粒污染物的傳播特征，明確污染物的季節(jié)特征，確定該區(qū)域的污染路徑[7]。Stanimiro-va等人以洛杉磯作為研究對(duì)象，分析環(huán)境治理政策實(shí)施以后該區(qū)域顆粒物污染物的濃度變化，該研究使用色散歸一化正矩陣分解法分析污染物的空間變化，使用了統(tǒng)計(jì)和模型分析方法[8]

文章針對(duì)大氣湍流擴(kuò)散的特征，根據(jù)地形地貌布置測(cè)點(diǎn)來(lái)采集數(shù)據(jù)，能夠?qū)⒌匦螖?shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)緊密結(jié)合。通過(guò)平均通風(fēng)系數(shù)和平均湍流動(dòng)系數(shù)深入地了解空氣顆粒物在不同地形地貌下的擴(kuò)散機(jī)制。從軌跡和脈動(dòng)的角度出發(fā)，考慮水平和垂直風(fēng)向的綜合影響，研究分析空氣顆粒物污染氣象特征，從而為空氣顆粒物污染治理奠定基礎(chǔ)。

1 材料方法

1.1 研究區(qū)概況與測(cè)點(diǎn)布置

文章所研究區(qū)域位于山地與盆地過(guò)度的斜坡區(qū)域，平均海拔1 360m ，屬于緯度較低區(qū)域，所以全年溫度較為適宜，由于地勢(shì)較低導(dǎo)致全年平均光照時(shí)間較短。受到地形地貌影響及山脈走勢(shì)變化影響，該研究區(qū)域呈現(xiàn)出南高北低的地勢(shì)變化[9]。為了使得研究結(jié)果不受地形地勢(shì)影響，在研究區(qū)域中選取一個(gè)地勢(shì)較為平坦的區(qū)域布置測(cè)點(diǎn)。文章主要研究大氣湍流擴(kuò)散分析下空氣顆粒物污染氣象特征，測(cè)點(diǎn)位置大氣湍流擴(kuò)散較為激烈，選取的測(cè)點(diǎn)中還建造多個(gè)工廠，由于工業(yè)生產(chǎn)，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)附近顆粒污染物濃度，該測(cè)點(diǎn)的選擇也是便于監(jiān)測(cè)分析。收集研究區(qū)域各個(gè)測(cè)點(diǎn)所在氣象站的數(shù)據(jù)，收集時(shí)間自2022年1月始至2023年12月終，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為D1-D5。區(qū)域海拔分布與測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

D1測(cè)點(diǎn)和D5測(cè)點(diǎn)均處于地勢(shì)較為平坦的區(qū)域，以便兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果形成對(duì)比，這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)周圍沒(méi)有高大建筑和山體形成遮擋，布置這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)是為了獲得大氣邊界層湍流擴(kuò)散的氣象輪廓數(shù)據(jù)（通過(guò)系留汽艇獲取），以及平坦地面氣象數(shù)據(jù)。D2測(cè)點(diǎn)位于山頂?shù)臍庀笳荆叨群蜕较碌墓S煙肉齊平，所以迎風(fēng)面布置空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。測(cè)點(diǎn)3位于煙氣回流集中區(qū)域，布置空氣質(zhì)量和氣象站。測(cè)點(diǎn)4同樣布置空氣治理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1.2 研究數(shù)據(jù)預(yù)處理

收集2022年1月至2023年12月期間氣象站的氣象數(shù)據(jù)。通過(guò)長(zhǎng)期的氣象觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，占全年風(fēng)向頻率的 30% 。平均風(fēng)速為3米/秒，風(fēng)速在1＼～5米/秒之間的天數(shù)占到了總天數(shù)的 70% 。平均相對(duì)濕度為 60% ，平均氣溫為 20% ，氣溫的波動(dòng)范圍在 15^°C～25^°C 之間。同時(shí)每間隔 收集區(qū)域內(nèi) PM_2.5 和 PM₁₀ 兩種顆粒污染物的濃度數(shù)據(jù)。對(duì)研究區(qū)域中的地形數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以便分析大氣湍流擴(kuò)散分析下空氣顆粒污染氣象特征。

1.2.1 地形數(shù)據(jù)預(yù)處理

地形數(shù)據(jù)來(lái)自NASA/USGS數(shù)據(jù)庫(kù)，研究過(guò)程中，顆粒污染物會(huì)在不同地形擴(kuò)散，因此需要詳細(xì)描述每一個(gè)地形的走向與形態(tài)，考慮地形數(shù)據(jù)的影響，計(jì)算出空氣顆粒物污染氣象特征。針對(duì)地形中的等高線數(shù)據(jù)開展矢量化處理，將等高線處理成橢圓參數(shù)文件。將與山體最接近的網(wǎng)點(diǎn)作為山體接受影響的點(diǎn)，匯集這些接收點(diǎn)的距離和坐標(biāo)，平均接收點(diǎn)周圍的網(wǎng)格點(diǎn)，獲得接收點(diǎn)信息與高程數(shù)據(jù)。

1.2.2氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理

各個(gè)測(cè)點(diǎn)均布置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，計(jì)算大氣湍流擴(kuò)散對(duì)顆粒污染物氣象特質(zhì)影響時(shí)，需要考慮氣象數(shù)據(jù)的影響。將每小時(shí)的氣象數(shù)據(jù)整理校正以后輸入到RegAQMS之中，調(diào)整地形動(dòng)力學(xué)、空間距離平方反比權(quán)重內(nèi)插處理，在軟件中生成二維表征湍流的特征參數(shù)場(chǎng)。

1.3空氣顆粒物污染氣象特征計(jì)算

1.3.1大氣湍流擴(kuò)散參數(shù)確定

大氣湍流擴(kuò)散參數(shù)會(huì)顯著影響空氣顆粒物污染氣象特征，空氣顆粒會(huì)受到大氣湍流擴(kuò)散參數(shù)出現(xiàn)濃度變化。使用式（1）計(jì)算平均通風(fēng)系數(shù) V .

V=H*v

式（1）中， H 與 v 分別表示大氣邊界層高度與平均風(fēng)速。平均通風(fēng)系數(shù)用于描述動(dòng)力輸送對(duì)顆粒污染物的影響。

使用式（2）計(jì)算邊界層中的平均湍流動(dòng)能 E ·

E=（s²+r²+a²）/2

式（2）中， 分別表示氣體沿 x，y，z 方向上的速度， （s²+r²+a²） 表示速度脈動(dòng)分量。湍流動(dòng)能用于描述湍流強(qiáng)弱。

1.3.2大氣湍流擴(kuò)散與顆粒污染物軌跡關(guān)系

按照研究經(jīng)驗(yàn)，式（3）和式（4）描述空氣顆粒污染物軌跡與湍流脈動(dòng)之間在平均水平和垂直風(fēng)向下的關(guān)系：

式（3） 式（4）

其中， n_G 用于描述均方差和均值分別為1和0的高斯分布隨機(jī)數(shù)。 T_ι 代表拉格朗日時(shí)間尺度， T_ι= C₀ 取值 5σ_u 代表水平風(fēng)速脈動(dòng)均方差。與分別表示水平方向和垂直方向的湍流脈動(dòng)， Ψ_tΨ_t 代表時(shí)間步長(zhǎng)。

2 結(jié)果

2.1 24h 空氣顆粒污染物氣象特征監(jiān)測(cè)

顆粒污染物分為 PM_2.5 和 PM₁₀ 兩種，監(jiān)測(cè)研究區(qū)域受到大氣湍流擴(kuò)散分析影響下出現(xiàn)的污染物氣象特征時(shí)，統(tǒng)一把兩種污染物看成一種顆粒污染物，使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)計(jì)算，生成白日和夜間，在兩種湍流擴(kuò)散下，研究區(qū)域中顆粒物污染物的濃度變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

從圖2中能夠看出，顆粒污染物濃度分布與 24h 湍流場(chǎng)中湍流變化趨勢(shì)基本一致。圖2（a）和圖2（b）中，受到風(fēng)速、風(fēng)向等氣象因子作用，湍流場(chǎng)缺乏穩(wěn)定性，位于平坦區(qū)域（測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5）的工廠產(chǎn)生的顆粒污染物傳輸至海拔較高區(qū)域的西北方向和西南方向，這兩個(gè)區(qū)域顆粒污染物的濃度較高。圖2（c）和圖2（d）中，夜間湍流場(chǎng)逐漸穩(wěn)定，顆粒污染物不再發(fā)生激烈波動(dòng)，穩(wěn)定向高海拔區(qū)域轉(zhuǎn)移并累積。日間污染物濃度展現(xiàn)出高斯形態(tài)特征，高海拔地區(qū)集中出現(xiàn)高濃度污染物，但是濃度最高區(qū)域還是工廠附近，對(duì)于研究區(qū)域沒(méi)有造成較大影響。夜間湍流較為穩(wěn)定，污染物傳輸受到地形限制，缺乏規(guī)則性。GB3095-2012標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定顆粒污染物的最大濃度不能超過(guò) 500μg/m³ ，研究區(qū)域中最大污染物濃度為210μg/m³ ，為超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明研究區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)較為嚴(yán)重的顆粒污染物污染。

2.2湍流擴(kuò)散參數(shù)與顆粒污染物氣象特質(zhì)關(guān)系

湍流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的各個(gè)參數(shù)是影響顆粒物氣象特征的最主要影響因素，因此統(tǒng)計(jì)并計(jì)算各個(gè)大氣湍流擴(kuò)散參數(shù)與顆粒污染物濃度 24h 變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

從圖3能看出， PM_2.5 和 PM₁₀ 兩種顆粒污染物的濃度變化與湍流擴(kuò)散參數(shù)變化區(qū)域基本一致。平均通風(fēng)系數(shù)與平均湍流動(dòng)能均呈現(xiàn)出明顯的日變化特征，日間變化較為明顯，這是由于受到日間光照和溫度影響，湍流出現(xiàn)明顯波動(dòng)，但是夜間影響因素較少，湍流擴(kuò)散轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，因此夜間平均通風(fēng)系數(shù)與平均湍流動(dòng)能沒(méi)有發(fā)生變化。受到這種大氣湍流擴(kuò)散特征影響， PM_2.5 和 PM₁₀ 兩種顆粒物的濃度也發(fā)生一樣的變化。由此確定大氣湍流擴(kuò)散與顆粒污染物氣象特征存在較大關(guān)聯(lián)。

2.3風(fēng)速對(duì)顆粒污染物氣象特質(zhì)影響

使用儀器設(shè)備監(jiān)測(cè)并計(jì)算風(fēng)速變化對(duì)于大氣湍流擴(kuò)散、 PM_2.5 及 PM₁₀ 顆粒污染物濃度變化，由此確定風(fēng)速對(duì)于顆粒污染物氣象特征影響。試驗(yàn)結(jié)果見分析圖4（a）可以看出，風(fēng)速與湍流擴(kuò)散變化基本一致，可以看出風(fēng)速與大氣湍流擴(kuò)散趨勢(shì)具有一致性。圖4（b）與圖4（c）中，顆粒污染物與風(fēng)速之間呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是濃度峰谷變化與風(fēng)速峰谷變化基本一致，說(shuō)明風(fēng)速與顆粒污染物濃度之間也存在較大關(guān)聯(lián)，間接證明大氣湍流擴(kuò)散與大氣湍流之間關(guān)聯(lián)較為緊密。

3結(jié)束語(yǔ)

研究大氣湍流擴(kuò)散下的空氣顆粒物污染氣象特征，大氣湍流對(duì)空氣顆粒物污染擴(kuò)散具有顯著影響。顆粒物濃度和分布格局存在顯著差異，這種異質(zhì)性受到大氣湍流擴(kuò)散的影響，與排放源以及環(huán)境背景等多種因素有關(guān)。通過(guò)對(duì)地形地貌的合理測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集，反映空氣顆粒物在復(fù)雜地形下的擴(kuò)散和分布情況，揭示了空氣顆粒物污染與湍流擴(kuò)散之間的密切關(guān)系，基于平均通風(fēng)系數(shù)和平均湍流動(dòng)能系數(shù)，更精準(zhǔn)地描述空氣顆粒物在大氣中的動(dòng)態(tài)行為，從而更好地獲取空氣顆粒物污染氣象特征。特別是在不同時(shí)間段內(nèi)湍流穩(wěn)定性對(duì)污染分布的影響，以及 PM_2.5 和 PM₁₀ 濃度與湍流擴(kuò)散參數(shù)的高度關(guān)聯(lián)性，為深人理解空氣顆粒物污染的氣象特征提供了科學(xué)依據(jù)。

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