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城市大气穹隆的“大锅盖”效应是城市化影响下城市边界层的重要特征,本文通过统计分析城市大气穹隆内平均温度场、平均风场的特征,分析了污染物的分布、堆积情况,讨论了城市大气穹隆的热力、动力结构,研究了污染物的混合、输送、堆积、分布特征。
本文利用天津边界层气象观测铁塔1996~2005年十年温、风梯度观测资料,天津地区大气污染物资料,天津市区酸雨资料及地面气象观测资料,研究特大城市大气穹隆的边界层特征及其对大气环境的影响,得出以下结论:
(1) 统计分析城市边界层内温风廓线得出,天津城市边界层内存在明显的大气穹隆效应,冬季的上午10时左右大气穹隆效应较强,下午较弱。
(2) 城市边界层温度日变化明显。随着天津城市化进程的加快,城市边界层温度梯度随高度变化复杂,等温层增加,悬浮逆温增多,呈现出明显的多层逆温、高层逆温特征。1996年主要逆温出现时间季节性明显,春夏季是早6时前,晚20时后,秋冬季是早8时前,晚18时后;2003年主要逆温出现时间季节性没有1996年明显,全年基本为早8时前,晚20时后。
(3) 城市边界层风速存在着明显日变化,但随高度不同而有一定差异,高度越低,日变化振幅越小,低层白天风速大,夜间风速小,低层风速日变化为单峰形,高层则相反,夜间风速大,白天风速小,高层风速日变化为单谷形,变化曲线分界高度因季节有差异,年平均变化在80m附近。由于城市冠层的“树冠”效应<[1]>,20世纪后冠层内风速呈现减小的趋势。
(4) 春夏季暖中心位置高的时间较短(早7时前,晚19时后),秋冬季暖中心位置高的时间较长(早9时前,晚18时后),存在时间以夜间为主,早7时前暖中心高度易超过250m,城市低层逆温秋冬季较多,春夏季较少,可见城市大气穹隆效应存在冬季强度大夏季强度小的特点。
(5) 天津市PM10、SO<,2>、NO<,2>的浓度年变化季节性明显,冬季12~2月,SO<,2>为首要污染物,其它季节PM10为首要污染物。冬季污染物浓度高,PM10、SO<,2>和NP<,2>的平均浓度达到0.134 mg/m<3>,0.147 mg/m<3>和0.061 mg/m<3>,夏季污染物浓度低,PM10、SO<,2>和NO<,2>的平均浓度分别为0.098 mg/m<3>,0.028 mg/m<3>和0.036 mg/m<3>。
(6) 天津地区城市大气穹隆内长时间的逆温、小风天气造成大气稳定度较高,污染物通过混合、堆积达到污染高浓度。
(7) 天津市灰霾日数维持在一个较高水平,年灰霾日数市区>蓟县(山区)>塘沽(海滨、),气象条件对灰霾天气的影响较大,高湿、弱气压场、小风有利于灰霾天气的形成。灰霾日污染物浓度要普遍高于污染物浓度月均值,多伴随长时间明显的贴地逆温层。灰霾日城市大气穹隆效应明显,上午11时200m以上还存在逆温强度为1.5℃的悬浮逆温层,全天长时间存在多层逆温。
(8) 偏碱性的污染物气溶胶对降水酸度起到缓冲作用,影响了降水酸度,使降水pH值呈现增大的趋势。