论文总字数：18655字
目 录
1 引言 3
1.1研究目的及意义 3
1.2国内外研究进展 3
1.3研究内容及目标 4
2观测站点及资料数据处理 5
2.1观测时间、地点 5
2.2资料数据来源 5
2.3数据处理方法与计算 5
2.3.1探空数据的处理 5
2.3.2手持式气溶胶探测仪数据的处理 6
3 苏州南门地区边界层结构特征分析 6
3.1 边界层位温的昼夜变化 6
3.2 天气形势与背景 7
3.3 边界层结构、气象要素的垂直分布特征 10
3.3.1 12日—13日边界层结构、气象要素的垂直分布特征 10
3.3.2 15日—16日边界层结构、气象要素的垂直分布特征 ……………………..14
3.4 污染物的垂直结构分析 17
3.5 逆温、逆湿层结结构对污染物的影响 19
4 结论 20
4.1 大气边界层的日变化 20
4.2 边界层内的风、温结构 20
4.3 大气的稳定条件对污染物的影响 20
4.4 湿度条件对雾霾形成的作用 21
参考文献 21
致谢 23
长江中下游地区边界层结构与雾霾形成的分析
马国煦
，China
Abstract: In this paper, using the data information gathered from the tethered balloon and handheld detector in the south gate of Suzhou in January 2015, selects 12-13 January, 15-16 January to analyze the weather situation, the atmospheric boundary layer structure and vertical distribution of contaminants, and explores the influence of the boundary layer structural characteristics on the vertical structure of the pollutant concentration. The results showed that: (1) 12-13 January Suzhou South Gate area is located in the bottom rear of the northeast area high pressure, under the control of downdraft, wind speed is bigger and is conducive to the spread and dilution of pollutants, but with the ground inverted trough strengthened, downdraft weakened, atmospheric dispersion conditions gradually deteriorated. 15-16 January South Gate area is located in Suzhou cold high pressure equalizing field, wind speed is relatively small, is conducive to the accumulation of pollutants. (2) During the observation period， 10 January boundary layer structure with a typical diurnal evolution but most observed surface layer is not typical structure, which is related to the urban heat island. (3) the structure of the boundary layer has a great influence on the vertical distribution of pollutants, the higher height of the boundary layer is conducive to the spread and dilution of pollutants, the existence of the stable boundary layer and thermal inversion layer will make the accumulation of pollutants, lower layer’s greater relative humidity and the hygroscopic growth of aerosol particles, so that reduced visibility, interaction of these conditions lead to the occurrence of fog and haze.
Key words：boundary layer structure；fog and haze；stable boundary layer；Thermal inversion
1引言
1.1 研究目的及意义
近几十年来，中国的经济快速发展，人口数量急剧增长，城市化进展不断加快。随着现代化，工业化水平的不断提高，中国的环境问题日显严峻。国内很多地方因为不同的原因导致空气质量不断变差，总是会发生雾霾天气，引发如交通安全等社会问题以及影响了人类的身体健康 [1]。雾是近地层空气中的水汽凝结，使水平能见度小于１千米时的天气现象。雾的形成过程也是大气边界层内热量、水汽、动量等交换的过程，由于目前对这些交换过程的认识有限，因此对雾做出准确的预报还有一定的难度[3]。霾，定义为大量极细微的干尘粒等均匀浮游于空中，是一种灾害性天气现象，使水平能见度小于１０ｋｍ的空气普遍浑浊的天气现象[2]。如今，越来越多的城市受雾霾影响，尤其是特大城市，京津冀、珠三角、长三角地区雾霾天气尤为明显。
大气边界层（ABL）对人类的生产活动有着重要的影响。是对流层下部直接受地面影响的气层[4]，距离地面1—2km左右的一个薄层。边界层的温度（T）、相对湿度（rh）、风速（v）、风的垂直切变和稳定边界层结构等与雾的形成发展持续过程密切相关[7]。ABL结构影响着自由大气和边界层大气之间的动量，热量，水汽的交换，而且边界层顶的一些因素对边界层内污染物传输与扩散具有重要意义如边界层顶的高度、逆温结构决定了污染物的垂直扩散能力等等。边界层的结构对空气的污染物分布具有支配性作用[5][6]。雾霾天气的发生反过来也会对大气边界层结构产生影响，因此，通过对大气边界层的研究进行雾霾形成分析具有重要的科学意义和迫切的现实需求。
长江中下游地区主要包括：江苏、浙江、上海、湖南、湖北、安徽、江西。其中，长江中下游平原是中国三大平原之一，水陆交通便捷，经济较为发达，有上海、南京等大城市还有苏州、无锡等中等城市。目前对长江中下游地区的雾霾过程研究还是比较少，本文选取苏州作为长江中下游的代表地区，主要研究分析苏州的大气边界层结构以及浅析其对空气质量的影响。
1.2 国内外研究进展
张鑫等[8]从对北京秋季大气边界层相关研究较少以及北京秋季往往容易出现较严重的污染的现象出发，分析了边界层内的气象要素的廓线性质，指出了廓线测量和基于参数化两种方法确定边界层高度，从边界层高度的变化、风矢量和位温廓线的变化特征等方面对北京秋季边界层结构进行了分析,提到较低的边界层高度，以及边界层顶的逆温层的建立使近地面大气呈现静稳状态，有利于雾霾天气的出现。徐安伦[9]等根据洱海湖滨地区的季节特性，对干季、湿季大气边界层的位温、比湿、风速风向的垂直分布进行了一定的研究。陆春松等[10]对南京地区冬季雾日和非雾日的边界层结构观测，对二者进行了比较分析，使得对于了解雾日和非雾日的边界层结构特征提供了很大的帮助。Markus Pahlow等[11]通过对巴尔的摩地区因一次森林火灾引起的雾霾事件对大气边界层结构进行了观测分析，把烟粒子作为示踪剂去使其可视化，并从能见度与气溶胶特性，以及使用激光雷达得到的数据对边界层结构做了深入的研究，讨论了对污染物的扩散稀释、传输的作用。刘建等[12]针对珠江三角洲地区，选取了广州，东莞，佛山三个地区，利用三地的数据资料，从天气形势（其中此次研究过程受大陆冷高压变性出海影响）、边界层特征（水平流场、垂直风场、边界层高度）研究该典型过程，阐明了天气形势、静小风、高水汽通量、贴地逆温对于霾过程发生发展的作用，为之后的相关研究具有一定的借鉴意义。刘熙明等［13］在分析一次大雾天气中边界层特征时，在进行层级稳定性判断及常规气象要素分析后，着重分析了边界层湍流特征，计算了不同高度的湍流动能和平均动能随时间的变化，并在文章中分析了很多湍流特征量及尺度通量特征，使得进一步理解了大雾的维持和消散过程的条件。马翠平等[26]对华北平原地区一次连续大雾进行了诊断分析，表明了大雾期间边界层的特征、变化规律，为此类大雾的预报提供了宝贵的依据和技术上的帮助。邓雪娇等[14]对南岭山地地区的锋面浓雾，利用综合野外观测资料，对有雾和无雾时天气型做了分析，认为所处的天气系统控制着边界层结构。并结合边界层的温、湿、风结构特征。指出多层逆温结构比较容易使雾消散，单层强逆温有利于雾的发生发展，并对湿度因素从相对湿度，温度-露点廓线探究温湿层结，认为空气饱和层是否存在对雾的形成发展极其重要，可以作为浓雾形成的一个重要标志。马敏劲等[25]根据兰州地形等因素对大气边界层结构对空气污染的影响进行研究，表明兰州地区严重污染主要出现在秋、冬，受深厚逆温层的影响，污染物累积。徐怀刚等[19]认为雾霾天气对应着不同的边界层结构，霾天气的逆温层是深厚接地。在一定的天气形式下，大气中的水汽含量和一些颗粒物的理化性质与究竟形成雾还是霾有关[15]。秋季和冬季为雾霾的多发季节，谢晏等[16]对于南京地区频繁发生大雾天气，并造成了一定的空气污染的背景下，对于一次大雾过程前后的湍流通量、摩擦速度u*、稳定度参数、湍流能谱进行了分析，为大雾天气下的边界层参数化和科学认识雾霾形成提供了很多有价值的理论。吴蒙等[20][21]研究边界层结构对PM2.5的影响是表明PM质量浓度与大气边界层的结构有很大的关系，逆温结构与逆温层所处的位置会抑制大气的垂直扩散能力。长江中下游其他省市也做了一部分研究。付晓辉等[17]对湖北宜昌市霾日进行研究表明霾日的出现与多静小风、低空逆温、等温层等有较好的对应关系。彭华青等[18]对苏南地区霾日的天气形式（天气系统）进行了分类，表明了均压区、低压倒槽、冷锋为主要霾日天气形势。对该地区连续霾和重度霾的边界层特征进行了着重分析，指明了逆温层结构不利于污染物扩散，低层湿度较大的区域有利于气溶胶粒子的吸湿性增长。为日后的霾的预报提供了宝贵的经验。郭英莲等[22]分析了武汉地区一次雾霾形成原因及特征，为预报及研究类似区域性输送雾霾天气过程提供了很大的帮助。于庚康等[23]对2013年江苏的连续雾霾天气进行分析，深入的研究认识了雾霾的形成以及其维持机制，为今后的预测研究等提供了一个科学依据。周梅等[24]对浙江中部一雾霾天气进行分析，不仅分析了环流背景，气象要素和边界层特征，并进行了诊断，为浙中地区雾霾预报模型的建立和预测预报思路提供了一定的参考与依据。目前,对于长江三角洲地区的雾霾过程的研究还不是很多。
1.3 研究内容及目标
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