典型山地城市冬季边界层强逆温的生消机制及其环境效应的数值模拟研究

Inversion is apt to form near surface in mountainous cities in winter, resulting in steady boundary layer that can lead to accumulation of air pollutants, which causes serious air pollution. Chongqing is the first city where haze-fog is found and one of the most serious haze-fog pollution cities in China. In addition, the period of pollution is mainly in winter. The reason for this is that Chongqing is a mountainous city, and the combined effects of radiation cooling and collection of cold air in valley result in boundary-layer inversion, which can hinder the diffusion of pollutants and lead to serious pollution. So far, the research on wintertime boundary-layer inversion in mountainous cities in China is mainly limited in analysis of observation, while there has been less numerical simulation research on the mechanisms of formation and disappearance of wintertime boundary-layer inversion and its impact on the spatial distribution, transport, accumulation and diffusion. Therefore, observation analysis and simulation are used to study the mechanisms of formation and disappearance of boundary-layer inversion in Chongqing, and its impact on temporal and spatial distribution of mainly air pollutants, and interaction and mutual feedback mechanisms of fog and haze under serious air pollution resulting from persistent haze-fog, which can provide important scientific basis for further understanding of the relationship between strong boundary-layer inversion and haze-fog and better prevention and control measures of air pollution in mountainous cities.

冬季山地城市容易在近地面形成逆温，由此产生的稳定边界层易导致近地面污染物的累积，从而造成严重的空气污染。重庆市是我国最早发现雾霾天气的城市，也是目前雾霾污染最为严重的城市之一，其重污染时段主要集中在冬半年。究其原因，主要是由于重庆市是典型的山地城市，冬半年地表辐射冷却和较冷下坡气流共同导致冷空气在山谷聚集，易形成稳定的逆温层，阻碍污染物稀释扩散而形成重空气污染。迄今为止，对于我国山地城市冬季边界层逆温的研究，主要局限在对观测事实的分析，而就其生消过程与机制及其对大气污染物的空间分布、传输、累积和扩散影响的数值模拟工作开展得甚少。因此，本项目拟采用观测资料分析与数值模拟相结合的方法，研究重庆市冬季边界层强逆温的生消机制及其对主要大气污染物时空分布的影响，以及持续性雾霾重污染天气下雾与霾相互作用和互馈机制，为深化对山地城市边界层强逆温与雾霾之间关系的认识，以及优化相关防治措施提供重要科学依据。

重庆市地处复杂盆地地形中，是我国西南地区污染最严重的城市之一。研究重庆市空气污染的特征以及重污染天气形成的气象条件，具有十分重要的科学意义和现实意义。本项目采用观测资料分析和数值模式模拟相结合的方法，对重庆市主城区逆温时空分布特征和生成过程环流特征、重污染天气发生频率的统计特征、大气污染物时空分布特征和重污染气象条件进行了综合分析与研究，得到了如下结论：（1）主城区逆温一般表现为多层复合逆温，四季均可能发生。08时近地面逆温秋季频率最高，冬季次之，而20时近地面逆温冬季频率最高，秋季次之。（2）500hPa和700hPa暖性槽脊系统对高层空气的加热作用是主城区多层逆温形成的重要环流背景。（3）主城区重污染天气一般都出现在冬季，主要表现为持续性重污染天气过程，且近年来发生频率呈逐年下降趋势。（4）主城区主要污染物浓度都有显著的季节变化特征。其中，PM10、PM2.5日均浓度呈 “U”型年变化特征，秋季末和冬季浓度高，夏季浓度低；SO2、NOX日均浓度呈“V”型年变化特征，冬季浓度高，夏季浓度低；O3日均浓度则呈反“V” 型年变化特征，夏季浓度高，冬季浓度低。（5）主城区主要污染物空间分布也有显著的季节变化特征。主城区东部PM10浓度常年高于西部；冬季主城区东北部PM2.5浓度最高，秋季末南部最高，其他时间段分布较均匀；主城区SO2和NO2浓度分别为南部和西北部常年高于其他区域；夏季西北部O3浓度最高，其他时间段分布较均匀。（6）高层暖性槽脊系统、低层垂直方向闭合环流、近地面深厚而稳定的逆温层等不利污染物扩散的气象条件，是形成严重雾霾天气的重要原因。以上研究结果为典型山地城市空气污染的预报和防治提供了一定的科学依据。