文章編號：1674-6139（2025）06-0156-05

中圖分類號：X513文獻標志碼：B

Studyon Meteorological Characteristicsof Particulate Matter Pollution under Atmospheric Turbulence Diffusion Analysis

She Xiangjun，WangHui

（Xiangyin CountyMeteorological Bureau，Yueyang4146OO，China）

Abstract：Inodertomprovetheacuracyofirqualityprediction，themeteorologicalcharacteristicsofparticulatematerolution underatmosphericturbuencedfusionalysiseresudedAcodingtotainndlanfor，themeasuingpntsegd andthetopogaphcatandmeteoolgicaldataerecolctedtodeteeteaverageentilatiooeicientndtheaveraeturblence kineticenegofcntTelatioshipetwntetajectoryofirprtclepolutatsadturbulenceulsatiounderteerageo izontalandverticalwddectiosallatedtoaintheteorologcalaracteristsofirparticlepltioetsttsow thattheturbulentdifusionisustableduringthedaytheairparticlepolutionisconcentratedinthehighaltitudeareandaroundthe polutionsoure.Theturbulentdifusionisableatght，ndtheplltionconentratioiducedndmeetstestadardea tion of PM_2.5 and PM₁₀ concentration isbasically consistent with thevariationregionof turbulentdifusionparameters，and theparticle pollutant concentration is highly correlated with turbulent diffusion under the change of wind speed.

KeyWordsatmosphericturbulence；diffusionanalysis；particulatemater；airpollution；meteorologicalcharacteristics

前言

氣象變化影響著空氣污染物的擴散程度[1]，如果污染物難以擴散，容易造成顆粒物在空氣中累積，導致空氣質量下降[2-4]。為治理環(huán)境污染，中外學者作出諸多研究，陳紅等人使用KZ濾波法分析污染物在不同年份的變化特征，確定人為減排與氣象條件的影響，具有較大參考意義，KZ濾波法能夠有效地分解出大氣顆粒物的短期、季節(jié)和長期分量[5]。楊斌等人將青藏地區(qū)作為研究對象，分析大氣湍流特征，確定各個環(huán)境因素對于湍流的影響[。潘旭等人將沈陽作為研究區(qū)域，分析顆粒污染物的傳播特征，明確污染物的季節(jié)特征，確定該區(qū)域的污染路徑[7]。Stanimiro-va等人以洛杉磯作為研究對象，分析環(huán)境治理政策實施以后該區(qū)域顆粒物污染物的濃度變化，該研究使用色散歸一化正矩陣分解法分析污染物的空間變化，使用了統(tǒng)計和模型分析方法[8]

文章針對大氣湍流擴散的特征，根據地形地貌布置測點來采集數據，能夠將地形數據與氣象數據緊密結合。通過平均通風系數和平均湍流動系數深入地了解空氣顆粒物在不同地形地貌下的擴散機制。從軌跡和脈動的角度出發(fā)，考慮水平和垂直風向的綜合影響，研究分析空氣顆粒物污染氣象特征，從而為空氣顆粒物污染治理奠定基礎。

1 材料方法

1.1 研究區(qū)概況與測點布置

文章所研究區(qū)域位于山地與盆地過度的斜坡區(qū)域，平均海拔1 360m ，屬于緯度較低區(qū)域，所以全年溫度較為適宜，由于地勢較低導致全年平均光照時間較短。受到地形地貌影響及山脈走勢變化影響，該研究區(qū)域呈現出南高北低的地勢變化[9]。為了使得研究結果不受地形地勢影響，在研究區(qū)域中選取一個地勢較為平坦的區(qū)域布置測點。文章主要研究大氣湍流擴散分析下空氣顆粒物污染氣象特征，測點位置大氣湍流擴散較為激烈，選取的測點中還建造多個工廠，由于工業(yè)生產，導致測點附近顆粒污染物濃度，該測點的選擇也是便于監(jiān)測分析。收集研究區(qū)域各個測點所在氣象站的數據，收集時間自2022年1月始至2023年12月終，測點編號分別為D1-D5。區(qū)域海拔分布與測點布置見圖1。

D1測點和D5測點均處于地勢較為平坦的區(qū)域，以便兩個測點的結果形成對比，這兩個測點周圍沒有高大建筑和山體形成遮擋，布置這兩個測點是為了獲得大氣邊界層湍流擴散的氣象輪廓數據（通過系留汽艇獲?。?，以及平坦地面氣象數據。D2測點位于山頂的氣象站，高度和山下的工廠煙肉齊平，所以迎風面布置空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)。測點3位于煙氣回流集中區(qū)域，布置空氣質量和氣象站。測點4同樣布置空氣治理監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2 研究數據預處理

收集2022年1月至2023年12月期間氣象站的氣象數據。通過長期的氣象觀測，發(fā)現該地區(qū)的主導風向為東北風，占全年風向頻率的 30% 。平均風速為3米/秒，風速在1＼～5米/秒之間的天數占到了總天數的 70% 。平均相對濕度為 60% ，平均氣溫為 20% ，氣溫的波動范圍在 15^°C～25^°C 之間。同時每間隔 收集區(qū)域內 PM_2.5 和 PM₁₀ 兩種顆粒污染物的濃度數據。對研究區(qū)域中的地形數據與氣象數據進行預處理，以便分析大氣湍流擴散分析下空氣顆粒污染氣象特征。

1.2.1 地形數據預處理

地形數據來自NASA/USGS數據庫，研究過程中，顆粒污染物會在不同地形擴散，因此需要詳細描述每一個地形的走向與形態(tài)，考慮地形數據的影響，計算出空氣顆粒物污染氣象特征。針對地形中的等高線數據開展矢量化處理，將等高線處理成橢圓參數文件。將與山體最接近的網點作為山體接受影響的點，匯集這些接收點的距離和坐標，平均接收點周圍的網格點，獲得接收點信息與高程數據。

1.2.2氣象數據預處理

各個測點均布置監(jiān)測系統(tǒng)，計算大氣湍流擴散對顆粒污染物氣象特質影響時，需要考慮氣象數據的影響。將每小時的氣象數據整理校正以后輸入到RegAQMS之中，調整地形動力學、空間距離平方反比權重內插處理，在軟件中生成二維表征湍流的特征參數場。

1.3空氣顆粒物污染氣象特征計算

1.3.1大氣湍流擴散參數確定

大氣湍流擴散參數會顯著影響空氣顆粒物污染氣象特征，空氣顆粒會受到大氣湍流擴散參數出現濃度變化。使用式（1）計算平均通風系數 V .

V=H*v

式（1）中， H 與 v 分別表示大氣邊界層高度與平均風速。平均通風系數用于描述動力輸送對顆粒污染物的影響。

使用式（2）計算邊界層中的平均湍流動能 E ·

E=（s²+r²+a²）/2

式（2）中， 分別表示氣體沿 x，y，z 方向上的速度， （s²+r²+a²） 表示速度脈動分量。湍流動能用于描述湍流強弱。

1.3.2大氣湍流擴散與顆粒污染物軌跡關系

按照研究經驗，式（3）和式（4）描述空氣顆粒污染物軌跡與湍流脈動之間在平均水平和垂直風向下的關系：

式（3） 式（4）

其中， n_G 用于描述均方差和均值分別為1和0的高斯分布隨機數。 T_ι 代表拉格朗日時間尺度， T_ι= C₀ 取值 5σ_u 代表水平風速脈動均方差。與分別表示水平方向和垂直方向的湍流脈動， Ψ_tΨ_t 代表時間步長。

2 結果

2.1 24h 空氣顆粒污染物氣象特征監(jiān)測

顆粒污染物分為 PM_2.5 和 PM₁₀ 兩種，監(jiān)測研究區(qū)域受到大氣湍流擴散分析影響下出現的污染物氣象特征時，統(tǒng)一把兩種污染物看成一種顆粒污染物，使用監(jiān)測系統(tǒng)結合計算機計算，生成白日和夜間，在兩種湍流擴散下，研究區(qū)域中顆粒物污染物的濃度變化，試驗結果見圖2。

從圖2中能夠看出，顆粒污染物濃度分布與 24h 湍流場中湍流變化趨勢基本一致。圖2（a）和圖2（b）中，受到風速、風向等氣象因子作用，湍流場缺乏穩(wěn)定性，位于平坦區(qū)域（測點1和測點5）的工廠產生的顆粒污染物傳輸至海拔較高區(qū)域的西北方向和西南方向，這兩個區(qū)域顆粒污染物的濃度較高。圖2（c）和圖2（d）中，夜間湍流場逐漸穩(wěn)定，顆粒污染物不再發(fā)生激烈波動，穩(wěn)定向高海拔區(qū)域轉移并累積。日間污染物濃度展現出高斯形態(tài)特征，高海拔地區(qū)集中出現高濃度污染物，但是濃度最高區(qū)域還是工廠附近，對于研究區(qū)域沒有造成較大影響。夜間湍流較為穩(wěn)定，污染物傳輸受到地形限制，缺乏規(guī)則性。GB3095-2012標準中規(guī)定顆粒污染物的最大濃度不能超過 500μg/m³ ，研究區(qū)域中最大污染物濃度為210μg/m³ ，為超過標準，說明研究區(qū)域沒有出現較為嚴重的顆粒污染物污染。

2.2湍流擴散參數與顆粒污染物氣象特質關系

湍流擴散運動產生的各個參數是影響顆粒物氣象特征的最主要影響因素，因此統(tǒng)計并計算各個大氣湍流擴散參數與顆粒污染物濃度 24h 變化關系，試驗結果見圖3。

從圖3能看出， PM_2.5 和 PM₁₀ 兩種顆粒污染物的濃度變化與湍流擴散參數變化區(qū)域基本一致。平均通風系數與平均湍流動能均呈現出明顯的日變化特征，日間變化較為明顯，這是由于受到日間光照和溫度影響，湍流出現明顯波動，但是夜間影響因素較少，湍流擴散轉向平穩(wěn)，因此夜間平均通風系數與平均湍流動能沒有發(fā)生變化。受到這種大氣湍流擴散特征影響， PM_2.5 和 PM₁₀ 兩種顆粒物的濃度也發(fā)生一樣的變化。由此確定大氣湍流擴散與顆粒污染物氣象特征存在較大關聯。

2.3風速對顆粒污染物氣象特質影響

使用儀器設備監(jiān)測并計算風速變化對于大氣湍流擴散、 PM_2.5 及 PM₁₀ 顆粒污染物濃度變化，由此確定風速對于顆粒污染物氣象特征影響。試驗結果見分析圖4（a）可以看出，風速與湍流擴散變化基本一致，可以看出風速與大氣湍流擴散趨勢具有一致性。圖4（b）與圖4（c）中，顆粒污染物與風速之間呈現出負相關關系，但是濃度峰谷變化與風速峰谷變化基本一致，說明風速與顆粒污染物濃度之間也存在較大關聯，間接證明大氣湍流擴散與大氣湍流之間關聯較為緊密。

3結束語

研究大氣湍流擴散下的空氣顆粒物污染氣象特征，大氣湍流對空氣顆粒物污染擴散具有顯著影響。顆粒物濃度和分布格局存在顯著差異，這種異質性受到大氣湍流擴散的影響，與排放源以及環(huán)境背景等多種因素有關。通過對地形地貌的合理測點布置及數據采集，反映空氣顆粒物在復雜地形下的擴散和分布情況，揭示了空氣顆粒物污染與湍流擴散之間的密切關系，基于平均通風系數和平均湍流動能系數，更精準地描述空氣顆粒物在大氣中的動態(tài)行為，從而更好地獲取空氣顆粒物污染氣象特征。特別是在不同時間段內湍流穩(wěn)定性對污染分布的影響，以及 PM_2.5 和 PM₁₀ 濃度與湍流擴散參數的高度關聯性，為深人理解空氣顆粒物污染的氣象特征提供了科學依據。

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