中文题目 华北沿海城市夏季热力内边界层及其对大气污染物的影响外文翻译资料

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英文文献翻译

英文题目 Thermal internal boundary layer and its effects onair pollutants during summer in a coastal city in North China

中文题目 华北沿海城市夏季热力内边界层及其对大气污染物的影响

学生姓名 刘 妍

学 号 20151391012

学 院 应用气象学院

专 业 公共气象服务

指导教师 张 弥

2019年4 月 26日

华北沿海城市夏季热力内边界层及其对大气污染物的影响

Jie Wei1,3, Guiqian Tang1,2,⁎, Xiaowan Zhu1,3, Lili Wang1, Zirui Liu1, Mengtian Cheng1, Christoph Muuml;nkel4, Xin Li1,5, Yuesi Wang1,2

1. State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry (LAPC), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2. Center for Excellence in Regional Atmospheric Environment, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
4. Vaisala GmbH, 22607 Hamburg, Germany
5. Beijing Municipal Committee of China Association for Promoting Democracy, Beijing 100035, China

摘 要：热力内边界层（TIBL）与海岸污染扩散有关,这会导致地球表面附近空气污染物的高浓度。本文利用测云仪获取的边界层高度资料研究了TIBL对华北沿海城市秦皇岛市大气污染的影响。一个TIBL的形成于33%的夏季，当TIBL形成时，日照时间长2.4小时，风速较高，风向反映典型的海风，与无TIBL的天数比，从9:00LT到20:00LT边界层高度较低。如果没有TIBL形成，PM_2.5 和PM₁₀的平均浓度随边界层高度的增加而降低。然而，当观察到TIBL时，PM_2.5 和PM₁₀浓度随着边界层高度的增大而增加。在TIBL形成期间，因为来自海洋的空气是清洁的，PM_2.5 和PM₁₀浓度在白天16：00LT达到最低值，16：00LT之后，PM_2.5 和PM₁₀的浓度迅速增加，这现象表明TIBL会导致大气污染物在夜间的快速积累。因此，与夜间不存在TIBL相比，当TIBL形成时颗粒物的最大浓度较大。结果表明，沿海城市存在TBIL期间白天适宜进行户外活动。

关键词：热力内边界层 大气污染物 云高仪 海风

引 言

大气边界层位于地球表面1-2公里处，是大气层的最底层。这是人类活动发生的主要层，污染物的排放、传输和转化也都发生在这一层。因此，大气边界层内的环境问题直接影响人类的生存和健康 (Tang et al., 2017a)。

大气边界层的高度可以定义为由地面引起的湍流动量和热量通量降至最小值的高度（如地表值的1%）(Stull, 1988)。大气边界层的高度是影响大气污染物扩散的一个重要参数，是反映垂直大气环流对流和扩散特征的重要物理量。有多种方法用于测量大气边界层的高度，在之前的研究中总结了这些方法 (Beyrich, 1997; Emeis et al., 2008; Seibert et al., 2000)。近年来，激光雷达(LIDAR)得到了迅速的发展，许多研究使用LIDAR来探测大气边界层的高度(Scarino et al., 2014; White et al., 2010; Wiegner et al., 2006)。此外，还研制了一种使用近红外波段激光探测大气边界层高度的对人眼安全的测云仪，由于它的低成本，易操作和连续探测的能力，云高仪已成为探测大气边界层高度的最佳方法。 (Emeis and Schauml;fer, 2006; Tang et al., 2015, 2016; Zhu et al., 2016)。

在沿海地区，热力内边界层（TIBL）的形成是一种常见的边界层现象。在晴天，海风会将海面上稳定或中性层结的大气吹向陆地。地面加热效应和动态扰动效应强化了最低层的湍流，从而形成可以发展为热内边界层的不稳定层结。值得注意的是，TIBL从海岸线逐渐延伸到内陆地区。Garratt (1990)系统的总结了TIBL。Sicard 等人(2006) 利用背向弹性散射激光雷达测量了沿海城市巴塞罗那的边界层高度。他们发现了夏季相对较低的边界层高度与夏季海洋中尺度补偿沉降和TIBL形成有关。Prabha等人(2002) 利用微型声探测与测距系统(Sodar)研究了天气尺度条件变化对TIBL湍流特性的影响，认为海风形成后沿海陆地TIBL特征与平原区常见的浅对流边界层特征相似。因此，TIBL的高度可以看作是浅对流边界层的高度。

几种方法可以用来估计TIBL的高度。利用大涡模拟的结果， Calmet 与 Mestayer (2016)指出，反演高度可表示TIBL的顶部，TIBL的深度可由三种方法确定，包括从位温廓线、热量通量廓线或湍流动能（TKE）廓线。然而，他们发现最小热量通量廓线分布可以很好的确定TIBL的高度。Hara等人（2009）用风洞和直接数值模拟来模拟TIBL，发现TIBL的高度可以用局部Richardson数的垂直廓线估计。Kambezidis(1997)利用边界层转换模型(BLTM)将TIBL高度定义为涡流扩散系数值返回到背景大气或者海面值的水平。此外，用系留气球估算了观测到的TIBL高度，并将其定义为温度廓线中的第一个反演基准面高度。TIBL高度主要受湍流影响，TIBL内的湍流特性与三个外部参数有关：陆地表面感热通量、海岸上低层水平风速和海岸上气流的稳定性 (Shao et al., 1991; Smedman and Houml;gstrouml;m,1983)。TIBL在中性层结区域快速增长，在稳定层结区域缓慢增长 (Luhar et al.,1998)。Levitin和Kambezidis(1997)提出影响TIBL发展的主要输入参数是海陆温差和风速。Kang等人（2010)分析了来自山东省沿海地区台站的无线电探空仪数据，得出了TIBL高度随内陆距离的变化规律，从而建立了TIBL高度的经验模型。

秦皇岛市区东临渤海湾，西邻燕山山脉。独特的地理位置导致了复杂的气象环境。TIBL的形成是夏季沿海地区常见的边界层现象。当有害气体排放到大气中时，排放的气体在TIBL上方的逆温层中水平传输比垂直传输多。然而，污染物一旦进入TIBL，由于TIBL中的对流运动，它们会在水平方向和垂直方向传输。当污染物通过对流到达地面时，会对人类有害。本文首先介绍了研究中使用的数据和方法，并描述了云高仪。其次，分析了TIBL形成前后气象条件和大气污染物特征的差异。最后，解释了造成这些差异的原因。

1.数据和方法

1.1云高仪与边界层高度的确定

本实验采用了一种增强型单透镜激光探测仪(CL51, Vaisala, Finland)。该仪器利用脉冲二极管激光雷达技术检测大气衰减后散射系数的廓线。云高仪安装在距海岸线1.13公里的秦皇岛中国环境管理学院内。所在的经纬度分别为39.914°N和119.556°E，安置高度距离地面18米。CL 51的主要参数见表1。

由于微粒寿命长，从几天到几十天不等，大气混合层中颗粒物质的浓度比气体污染物的浓度均匀得多。此外，大气边界层与自由大气的颗粒物浓度存在较大差异。通过对大气颗粒物衰减后向散射系数廓线的分析，确定大气颗粒物突然变化的位置可以定义为大气边界层的顶部。以前的研究中报道了有关这一方法的详细资料 (Tang et al., 2015, 2016; Zhu et al.,2016)。

1.2 气象数据和污染物浓度数据

本研究采用的气象数据是从2015年6月至8月的每小时的平均值。TIBL总是与海风有关联，所以在本研究中使用的气象要素包括风速、风向、气温、相对湿度和降水。气象资料从中国气象局网站中获取(http://www.weather.com.cn)。

污染物浓度数据，包括PM_2.5 、PM₁₀、O₃、SO₂、NO₂和CO为同一时期内每小时的平均值，这些数据在中国普遍按照“环境空气质量标准”(GB 3095-2012)进行测量。所有的污染物浓度数据都是从中华人民共和国环境保护部发布的网站获取的(http://www.zhb.gov.cn/)。

1. 结果和讨论
   1. 有与没有TIBL的天数

如图1所示，内陆城市北京的月平均边界层高度在7月份达到最大值791米。然而，作为沿海城市的秦皇岛，其月平均边界层高度呈双峰分布，4月峰值较低，为567米，8月峰值较高，为603米。 此外，在6月和7月可以观察到最低值，表明TIBL使夏季边界层高度下降。

垂直于海岸线和朝向陆地的风向为157°。因此，67°到247°之间的风向被认为是海风，而0°到67°之间和247°到360°之间的风向视为陆风。根据气象数据，白天出现海风的天数是2015年6月、7月和8月的92天中的70天。

图1 2014年9月到2015年8月北京和秦皇岛月平均边界层高度

如果风从海上吹来，并且云高仪所示边界层高度低于500米，则形成TIBL。根据云高仪观测得到的边界层高度数据，2015年6月、7月和8月的92天可分为三类。第一类指没有云高仪观测，第二类是指有TIBL的日数，第三类是没有TIBL的日数。检查后，没有云高仪观测的日数为23天，有TIBL的日数为23天，没有TIBL的日数为46天。

• 1. 有和没有TIBL的气象变量
     1. 气象变量统计特征

根据气象数据，计算出各气象变量在形成和不形成TIBL时的平均值和标准偏差。如表2所示，在有或没有TIBL之间的日子里温差较小。然而，在有TIBL的日子里，相对湿度高于没有TIBL的日子。此外，在有TIBL的日子里，边界层高度和风速低于没有TIBL的日子。日照时数平均长2.4小时。

157°的风向对应的是SSE方向。在图2a中，当没有TIBL时，主导风向是ESE。此外，NNE、NE和NEE是常见的风向，这些方向代表陆风。在图2b中，当有TIBL时，主导风向也是

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