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京津冀典型城市一次重污染过程特征及边界层结构变化对其影响

         
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摘要

为探究典型重污染过程的污染特征与大气边界层结构演变规律,基于PM2.5采样数据、气象观测数据及WRF-Chem模式,以北京市和石家庄市2016年12月27日—2017年1月10日一次重污染过程为研究对象,对气象要素、PM2.5化学组分、天气背景 场、边界层结构演变特征,以及大气边界层结构变化对ρ(PM2.5)及其主要化学组分的影响进行分析.结果 表明:①研究期间,北京市和石家庄市ρ(PM2.5)分别为(165.63±110.89)(247.67±95.22)μg∕m3,石家庄市污染程度高于北京市;高空纬向环流和地面弱高压控制的天气背景 场,低于1.75 m∕s的风速以及超过75％的相对湿度是造成北京市与石家庄市重污染的不利气象条件.②重污染时段北京市与石家庄市SNA(SO42-、NO3-、NH4+三者的统称)与碳质组分(OC、EC)占比之和超过76％,是PM2.5中的两大主要组分;重污染时段ρ(SNA)占比明显上升,北京市与石家庄市ρ(SNA)占比由非重污染时段的42.23％、45.93％分别升至重污染时段的58.87％、59.62％;北京市与石家庄市ρ(OC)∕ρ(EC)分别为5.13、3.51,表明在重污染时段两城市存在明显的二次有机气溶胶污染.③WRF-Chem模式模拟结果表明,PM2.5污染严重时北京市与石家庄市在300～500 m处均出现明显的逆温,垂直风场主要表现为低层偏南风顺时针向上切变为偏西风,切变高度在400～1000 m,逆温层结与明显垂直风切变的边界层特征共同抑制了污染物的湍流与扩散.④北京市与石家庄市重污染时段的PBLH(Planetary Boundary Layer Height,大气边界层高度)日均值与非重污染时段相比分别下降了202、128 m,PBLH每下降100 m,北京市与石家庄市 ρ(PM2.5)分别上升18.81、29.85μg∕m3,PBLH下降是导致两城市ρ(PM2.5)快速上升的重要因素.北京市与石家庄市的PBLH与PM2.5组分质量浓度之间的相关性不同,北京市PBLH与ρ(SNA)的相关性高于与碳质组分质量浓度的相关性,石家庄市PBLH与ρ(EC)相关性最高,表明此次重污染过程中北京市PM2.5污染特征以二次形成为主,而石家庄市以一次排放为主.研究显示,北京市与石家庄市此次重污染过程与大气边界层结构变化密切相关.

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